壹、 绪 论
贰、 定风量系统与变风量系统的比较
参、 变风量系统的省能原理
肆、 变风量末端装置与系统型式
伍、 风量控制方式
陆、 变风量系统省能分析
柒、 结 论


变风量系统由于有着改变风量的特性，较传统定风量系统维持风量一定的情形，可以节省相当的空调系统风机耗电。本文即针对办公大楼、旅馆建筑及百货公司采用变风量系统的节能效果作一分析。




变风量系统的设计，在国内外已是相当成熟的技术，运用的相当普遍。在内政部建筑研究所研拟的空调系统耗能指针(Performance of Air-Conditioning System, PACS)中，特别将VAV系统列为建议采用的节能措施。在空调系统的总耗电中，风扇的耗电约占 20%左右。变风量(Variable Air Volume，简称VAV)系统由于有着改变风量的特性，配合风机的运转特性，约可以节省一半以上的风机耗电，相当于节省 10%的空调系统总耗电量。本文主要的目的，即针对变风量系统应用于不同类建筑中的省能效果，做一彻底的研究。




定风量(Constant Air Volume，简称CAV)系统顾名思义即是风量维持一定之意。定风量系统为空调机吹出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷(暖)气。当空调区域负荷变动时，则以改变送风温度应付室内负荷，并达到维持室内温度于舒适区的要求。若以空气线图表示，如图一所示。



图一 定风量系统之空气线图分析

图一中 O点为外气温度，R点为室内温度，E点为空调机所吹出风量的温度，M点为引进的外气风量与室内回风所混合的状态点。当在设计状态下时，回风经由与外气混合之后，进入冷却盘管，进行xx、冷却的过程后(ME线)，在E点的状态离开冷却盘管，吹至室内，以达到室内设定温度的要求。当空调区域的负荷改变时，由于回风与外气的风量维持固定，混合点E的状态并不会改变。在送风量不变的前提下，为了满足室内环境的需求，离开冷却盘管所吹出的送风温度必须作相应的调整，如图一中的 E' 点所示。

变风量系统的原理与定风量系统{zd0}的不同为定风量系统系以改变送风温度，来因应空调负荷的变动；而变风量系统系采送风温度固定，而以改变风量的方式，来因应空调负荷的变动。若将变风量系统的的空气处理过程以空气线图说明则如图二所示。



图二 变风量系统之空气线图分析

图二中各点的意义与图一相同。当在设计状态下时，空气的处理过程与定风量系统同样以E点作为送风温度的状态点。当空调区域的负荷改变时，在送风温度维持固定的前提下，送风量必须作相应的调整，因而造成回风与外气混合点亦随着改变，如图中所示的M点变为 M' 点。




在一般的设计手法里，设计的风量系在最严苛的状态下所设计的风量，但是在实际的情形中，系统在此设计状态下运转的机会并不多。如前节中所述，定风量系统系风量固定，而以改变送风温度以反应室内负荷变动，所以即使空调负荷降低，但风机的耗能却是在{bfb}的状态。但变风量系统系采送风温度固定，风量改变的方式，因此配合适当的风机风量控制方式进行省能运转。如图三中所示，定风量系统的风机耗电皆是在{bfb}，而变风量系统则大部分在部分负载的状态，从图中便可以看出变风量系统风机的省能情形。



图三 变风量系统与定风量系统风量随负荷变动情形



末端设备(VAV BOX)是补偿室内负荷变动，调节房间送风量以维持室温的重要设备，应具备如下的功能：

接受室内温度设定器或大楼自动管理系统的指令，根据室温高低，自动调节送风量。
应有上限与下限控制，即当送风量达到设定的{zd0}值时，风量不再增加；送风量达到最小值，不再进一步减少，以维持室内最小的换气量。
送风口与调节组件结合成一体化的末端设备，应有良好的空气分布特性。
末端装置是变风量系统中关键设备之一，它的好坏将直接影响整个VAV系统的工作性能。变风量的末端装置可分为节流型、旁通型和诱导型。不同类型在其控制原理和构造上存在明显的区别，其应用范围也不一样，分述如下：

(1)节流型：节流型是一般普遍应用于变风量系统之方式，系统结构如图四所示。其控制非常简单，当室温升高时，表示其需冷量增大，透过温度控制器及风门(或其它风口节流装置)调节机构的作用，将风门(或其它风口节流装置)由小开大，增加送入室内的冷风量，达到控制室温的目的。当室温降低时，则温控器又使风门(或其它风口节流装置)关小，减少冷风的送风量。此种的变风量系统，通常应用于纯需冷房之地区。


图四 节流型变风量系统结构简图

另有一种变风量再热式之系统，它与普通节流型相比，增加了一个热水盘管或是电加热器的空气加热器。对所服务的房间而言，它提供了一个独立的加热功能，而且每个VAV BOX可以就地独立加热空气而不受整个风系统的影响。它的控制方式在夏季时基本上与普通节流型相同，但在冬季要求的需冷量较小时，在送风量不能满足室温要求时再调节再热量。这是目前建筑的外周区部分常用的一种的VAV BOX形式。

(2)旁通型：旁通型系统结构 如图五所示。当负荷减少时，其控制的方式也是由温度控制器控制VAV BOX之空气阀门的动作，以维持室内的设定温度。此外旁通管路(可利用天花板内空间或另设之旁通风管)亦有一空气阀门。此一旁通空气阀门与VAV BOX空气阀门是连动的，能将房间不需要的风量，经由旁通的方式送出，再经回风风管回到空调箱，以维持风机送出风量的平衡。此系统中，在各控制房间内，由于风量会随着室内负荷需求而改变，因而有变风量系统的特性。但风管系统中的压力及风量均维持不变，所以无法在风机方面减少耗电。此种装置一般仅做为简单的控制温度方法，使用在节能要求不高的场所。



图五 旁通型变风量系统结构简图

(3)诱导型：诱导型系统结构如图如六所示。当负荷减少时，可减少一次风量，节约冷热量。由于系统内仅为一次送风量，风管的尺寸可以变小，易于布置。另诱导型由于具有天花板回风的特性，二次风量又可利用灯光作为再热热源，能有效的提高送风温度，因此系统可以与低温送风方式相结合，更进一步地减低一次送风量，节省可观的系统风机动力。此种控制方式的{zd0}优点为可以维持高于上两种方式的室内空气流动率。



图六 诱导型变风量系统结构简图




控制送风机风量的方法有四种，此四种的方式分别为出口节流、入口节流、入口轮叶与转速的变更等。现就各控制方式作一介绍。

(1)出口节流控制：此种控制方式为在送风机的出口风管处装置风量控制阀门或挡板，控制阀门开启的角度，增加不同的阻力，以调节风量的方式。现由图七对此控制方式作一说明。图中A点为此系统的转运点，P为送风机的压力曲线，L为送风机的功率曲线，R为系统的阻力曲线。当阀关小时，系统阻力曲线由R变成R'，运转点由A点相应的移至A'点，因此风量由Q调小至Q'。



图七 出口节流控制运转点变化图

此种的控制方式，由于是利用风量控制阀门所给予的阻力成为损失，动力沿着动力曲线而变化。在四种的控制方式中，是最不经济的方法。此种的控制方式应用于小动力的送风机、控制范围小、控制频度少的场合等。阀的构造简单、便宜，也易于保养。

(2)入口节流控制：此种的控制方式是藉由改变风机进口导叶阀的角度达到调节风量的目的。随着风机进口导叶阀的开启角度变化，由于风机入口处压力改变，导致风机的压力特性曲线如图八中所示，由P作P'、P"的变化。当运转点由A点移至A'点时，风量由运转点的Q变化至Q'时，而风机的功率由L变成L'。功率L与L之差即此种的控制方式与定风量系统省能之处，就功率来说，此种方式较上一种出口节流的方式有利。



图八 入口节流控制运转点变化图

(3)入口轮叶控制：此种控制方式与入口节流控制的方式类似，但是控制风量的方式却是以改变风扇叶片的角度达到改变送风量的目的。如图九中所示，当风量由运转点的Q变成Q'、Q"时，风机的压力曲线则由P点作P'、P"移动。而功率曲线则沿着C、C'、C"的变化。从图中可以看出，当控制的区域在斜线面积的时候，此种控制方式才会较出口节流控制的方式节省耗电。



图九 入口轮叶控制运转点变化图

(4)转速控制：此种的控制方式，系以改变旋转速度的方式，达到改变风量的目的。从图十中可以看出当风量改变时，风机的压力曲线作了很大的变化。当风量从Q减小为Q'、Q"时，风机的旋转速度也由N变为N'、N"，压力曲线也由P变为P'、P"，功率曲线由原来的L变为L'、L"。因此功率方面作了很大的改变，四种控制方式中，如图十一风量与风机入力所示，以此种的控制方式最为节省风扇的耗电。



图十 转速控制运转点变化图



图十一 各种风量控制方式风量与风机耗电比之关系图

当变风量末端装置，因应室内负荷变动，调节房间送风量，随风量改变，风管内的静压也随之变化，所以一般变风量系统会在风管中适当处装设了静压传感器。压力检测装置感测到压力变化，并将此讯息传达至风机，藉由前述四种风量控制方式改变系统送风量。而压力检测装置的位置与风机耗电的情形有着密不可分的关系。图十二至十四分别为不同控制方式配合压力传感器装在风管的末端、中间与前段的风机耗电特性曲线。



图十二 压力检测点位置对入口节流控制之风机耗电影响



图十三 压力检测点位置对入口轮叶控制之风机耗电影响



图十四 压力检测点位置对转速控制之风机耗电影响

为了分析变风量系统的省能效果，本研究针对办公大楼、旅馆及百货公司三种不同建筑，配合台北及高雄南北二个都会区的气象年数据，进行VAV省能分析。使用此三种不同的建筑之目的，是研究在不同型态建筑、使用时程、人员变动及机器的发热量等因素下，变风量系统的省能效果。模拟结果概述如下：

(1)办公室建筑：仿真对象K大楼为一典型的办公建筑，地下1楼，地上11楼，高42.2公尺，采用PC混凝土构造，除了外周区的影响以外，尚受到内周区热源的影响。采用VAV系统的风机耗电节能效果如图十五所示。



图十五 K办公建筑采用各式VAV系统之风机耗电比较

(2)旅馆建筑：进行旅馆建筑之省能分析时，仿真对象为高33公尺，地下1楼，地上12楼，屋顶3楼，采用一般的混凝土构造I旅馆建筑。采用VAV系统的风机耗电节能效果如图十六所示。



图十六 I旅馆建筑采用各式VAV系统之风机耗电比较

(3)百货建筑：本研究所采用的百货模拟建筑物为地下二楼，地上八楼，屋顶二楼，高36.7公尺，采用的是中央空调系统。空调区中包括了卖场及饮食店等等的A百货公司建筑，该建筑采用VAV系统的风机耗电节能效果如图十七所示。



图十七 A百货公司建筑采用各式VAV系统之风机耗电比较




由于工商业的发展，国民生活水平提高，使得用电量呈现急速的成长。又加上开发电源的情形并不顺利，因此使得台湾笼照在限电的阴影下。变风量系统由于有着改变风量的特性，较传统定风量系统维持风量一定的情形，可以节省相当的风机耗电。因此在用电吃紧的今日，为降低空调耗能的一种方式。

在各类建筑采用变风量系统的节能分析中，办公建筑中其风机耗电节能不论在台北或高雄地区{zd0}节能可达70%以上，而最小亦可达20%以上。在旅馆建筑方面，在台北或高雄地区{zd0}节能可达75%以上，而最小亦可达25%以上。在百货公司方面，在台北或高雄地区{zd0}节能可达70%以上，而最小亦可达25%以上。

在风量的控制方面，根据模拟的结果分析，以转速变更且压力检测点在风管末端最为省能，而以出口节流的方式省能最差，两者的省能效果相差达二至三倍之多。