末端装置选择与平面布置

1  末端装置选择的一般原则 

    变风量系统末端装置的正确选择与合理控制，对整个系统的运行能耗和房间的舒适性，有着十分显著的影响，一台容量偏大的末端装置，在运行时通过它产生的压力降可能较低，从而使空调机中送风机的能耗可以降低，但是，容量偏大的末端装置的最小送风量控制设定点都相对较高，这又会使送风机的运行能耗增加，还会相应增加再热量（如果选用再热式末端装置的话）。相反在风量要求相同的条件下，选择一台容量偏小的末端装置，除使得运行能耗会有所增加外，还可能产生更大的运行噪声。不过，由于它的风量调节阀的调节动作，相对于房间的负荷变化反应更为灵敏，其控制的稳定性要比选择一台容量偏大的末端装置会好一些。

    末端装置选择的目的，是要根据房间需要的送风量，确定末端装置的型号及台数。一般说，选择末端装置主要应审核它的如下三个性能指标是否符合设计要求：（1）标准送风量（或最大和最小送风量）；（2）噪声值；（3）装置入口静压值或装置最大压力降（即总压力降）。最后，选择的末端装置数量，还应该与建筑隔断、照明灯具和吊顶上的其他设备的平面布置协调一致，这对于民用建筑是很重要的。

　应该强调指出，变风量末端装置的选择，与其控制功能是密不可分的。不同的控制设计要求，需要选用不同类型和大小的末端装置与之相配，才能获得满意的运行效果。

1.1  最大送风量

    在作末端装置选择之前，我们已经根据夏季最大冷负荷求得了各房间的最大设计风量。现在要关注的是所选的末端装置（一台或多台末端装置最大风量之和）的最大送风量和最大设计风量是否一致。如果末端装置尺寸选择过大，将导致整个系统运行能耗明显增加，当末端设置采用常规的“单最大值”控制逻辑，情况更是如此。例如，房间最大设计风量为500m3／ｈ，现选择了一台末端装置为其服务，其最大送风量为1000m3/h,如果它的最小送风设定点为其最大送风量的30%，则最小送风量为300m3/h。在这种情况下，由于末端装置最大送风量已是房间最大设计风量的2倍，那么，这台装置在运行时，真正有效的最小风量设定点（即300m3/h）就不是最大设计风量（即500m3/h）的30%,而是它的60%了。这样，在大多数的运行小时内，这台末端装置都将在其最小风量（即300m3/h）下运行，但实际上，许多时间是应该在150m3/h(即500m3/h的 30%)下运行，这就导致冷风量送得过多，势必需要再热，否则，房间将出现过冷现象。这当然是一种能量的浪费。这说明，这台末端装置容量选择太大了。可见，所选末端装置的最大送风量应与房间需要的最大设计风量相匹配。
　　
1.2  最小送风量

    同样，在作末端装置选择之前，对于建筑物外区，我们也已经根据其夏季最小冷负荷，求得了房间的最小设计风量，选用的末端装置（一台或多台末端装置最小风量之和）的最小送风量应与最小设计风量匹配。

    而对于建筑物内区，其最小冷负荷则取决于末端装置时，它的最小送风量可以按其最大送风量的30%~50%计算确定。采用较低比例的最小送风量，可以为用户提供更宽的温度控制设定范围。

    需要强调的是，末端装置的最小风量设定点，可以通过计算求得的最小风量值，也可以比这个计算值低许多，即所谓可以有高限和低限最小风量设定点，这要取决于末端装置的控制逻辑。如果采用“单最大值”控制逻辑，末端装置的最小风量设定可以与计算最小风量值一致，即为高限量最小风量设定点。通常，仅供冷的末端装置采用“单最大值”控制逻辑。带再热盘管的末端装置，习惯上也可采用“单最大值”控制逻辑。如果采用“双最大值”控制逻辑，则末端装置的最小风量设定点可以比计算最小风量值低许多，即为低限最小风量设定点。通常，带再热盘管的末端装置，建议采用“双最大值”控制逻辑，这是，最小风量设定点的确定，就不仅取决于房间最小新风量要求，还取决于末端装置上安装的流速测头的测量精度与控制精度，并且通过计算可以求得这个低限最小风量设定点。

    可见，所选择的末端装置，其最小送风量是否符合要求，要看末端装置采取了哪一种控制逻辑。应该指出的是，目前只有少数DDC控制制造商可以在其系统控制器中提供“双最大值”控制程序。

1.3  噪声

    末端装置的噪声水平是否符合空调房间的噪声级要求，要选择末端装置时的另一个重要因素。

    房间内部的噪声级，是由各种单独声源发出的噪声的累积而成的，这些声源主要包括：

    外部噪声——在室外产生并传进建筑物内来的噪声；
    干扰噪声——临近方将或走廊发生并传进房间里来的噪声；
    环境噪声——房间内人员和设备所产生的噪声，其特点与房间的使用情况有关；
    系统噪声——由空调体统传进房间，或末端装置在房间里产生的噪声。
　　
    应该认真分析房间里人员最后可能听到的声音所来自的各种声源。要想在一个环境噪声本来就很高的房间里去谋求一个很低的噪声级，是不现实的，而且也不经济。相反，环境噪声级较低，同时，许多分散的、间歇的外部噪声和干扰噪声又都能采取某种措施将它们屏蔽掉，房间内只剩下来自空调系统的单一噪声影响，这是最理想的状态。

    送风管的设计，对房间噪声级的影响很大，而末端装置的选择，则更是直接与房间噪声级有关。末端装置产生的噪声在房间内扩散传播过程中，其声能的传播损失是指顶棚对变风量末端装置的传播声所具有的衰减作用，由于这种作用的存在，使得末端装置和房间里人员之间的声响传递通道受到一定程度的阻隔。房间效应是指人员所听到的声能与声源设备实际发出的声能之差，它实际上反映的是房间本身的吸声能力，其值大小与房间大小，房间四壁的材料，室内家具材料等的相对硬度有关。各厂家生产的变风量末端装置的产品样本中，在列举它们的标准风量时，都会注明房间效应数值。样本中找不到这些数据时，各种不同类型房间的房间效应值可参见表1 

表1  房间效应对噪声的衰减值

房间类型
 倍频带
 
250
 500
 1000
 2000
 4000
 
医院
 0.8
 2.5
 3.5
 4.0
 4.8
 
宾馆
 6.9
 7.5
 8.5
 8.5
 8.6
 
办公室
 7.2
 10.3
 11.0
 10.5
 10.5
 

    各种声源对房间噪声的综合影响，不能简单地用数字叠加，而应用对数相加法，把附加值（表2）加到两种声源中较高的声能中去，得到综合后的声能值，然后再减去房间效应，就是房间内实际存在的噪声级了。
表2 噪声叠加时的附加值 
　　 两声源之差（dB）
 0
 2
 4
 6
 8
 10
 
附加值（dB）
 3
 2
 1
 1
 0
 0
 

    在一般情况下，只要按生产厂家产品样本中列举的末端装置标注风量去选择，并按此风量运行，房间里便可达到所要求的噪声级。产品样本的变风量末端装置标准风量就是推荐的设计风量，这对于为内区和北向房间选择末端装置来说，尤其是如此，因为这些房间的负荷变化相对比较小。对其他一些周边区房间，由于太阳符合在不断变化，选择的末端装置，其风量应比标准风量稍大一些。末端装置的最大风量值只有用在那些允许有很高的不正常噪声级的地方，或送最大风量时，其空腔内的最初静压值一般都在500Pa以下。应该明白空腔内静压值越高，在给定风量下产生的噪声级也就会越高。当然，末端装置的风量减少时，噪声级也会随之降低。

    变风量末端装置制造商通常会提供两类噪声数据，即扩散噪声和辐射噪声。扩散噪声是指在末端装置箱体下游测得的噪声值，它基本上市由箱体上游送风管道贺送风压力造成的；辐射噪声是指送风气流在分流时和在风阀处产生紊流而引发的，并通过末端装置箱体外壳进入房间吊顶空间的噪声值。事实上，如果末端装置在安装时，其入口有硬质风管，而出口又有直管段，同时用软管与送风散流器连接，那么，扩散噪声就会很少出现。如果末端装置安装在标准的吸声吊顶上方，那么，末端装置产生的辐射噪声，一般都不会比房间允许的噪声高出5NC。例如，一个典型的办公室，其设计允许噪声值为30NC，那么，可以按35NC辐射噪声值来选择末端装置。换句话说，末端装置的辐射噪声水平不大于35NC，就可以保证房间内的噪声值在30NC以内。

1.4  总压力降

    总压力降又称末端装置的最大压力降，它应该等于静压降和动压降之和，它是空调系统送风机将设计风量输送通过末端装置而需要的实际能耗指标。然而，末端装置制造商一般仅提供它们的降压降数据。它显然低于总压力降数值，因为，在末端装置入口处的风速要比出口处的风速高深多，从而造成一定的静压复得数。因此，当末端装置产品目录中不能提供总压力降数据时，设计者需要根据产品样本中的风量和入口、出口尺寸，计算出动压降值，从而得到总压力降。

    在送风量相同的情况下，可以选择各种大小不同的末端装置。但前面已经阐述，当选择较小尺寸的末端装置时，运行时的总压力降较高，送风机能耗会增加，噪声也会较高；相反，当选择较大尺寸的末端装置时，一次投资会增加，在如何确定最小风量设定点的问题上，也会受到限制，否则，有可能增加在低负荷状况下风机运行能耗和再热能耗。通常，可以进行能耗模拟计算，从最佳节能需要出发，综合考虑总压力降和最小风量设定点的限值，求得一个最佳的总压力降数值。对大多数末端装置使用场合的分析表明，可按总压力降大约为120~140Pa来选择末端装置较为合适。

    很显然，送风系统的末端装置按总压力降为120~140Pa来选择，并根据这一总压力降数值，计算整个送风系统需要的压力，确定送风机需要的功率，那么，紧靠送风机（从水力学意义讲）的地方，因为那里有剩余压力可以利用，那里的末端装置是否可以采用更大的总压力降值，而将末端装置尺寸选择得稍小一点呢？
 
    我们知道，当负荷在全天和全年都处于变化之中时，大多数末端装置的送风量都在变化着，需要较大送风量和最大送风量的区域，在整个楼层是变化着的，不管内区还是外区情况都是如此。所以，需要最大送风静压值的区域，在一天之内也是变化着的。如果将送风机产生的静压值再调至仅仅符合设计状态下需要最大送风静压区域的要求，或如果为了抵消靠近送风机安装的末端装置在设计状态下的运行期间，这些末端装置就可能需要更大送风静压，送风机的压力和运行能耗就都会增加。

    因此，由于在楼层中有最大送风静压要求的末端装置是随时间而变化的，在一个变风量系统中安装的所有末端装置，都应按相同总压力降（如120~140Pa）来选择其大小，而不必考虑它的安装位置是否靠近送风机。
　　
2  几种末端装置的选择

    单风道变风量末端装置（包括带再热盘管的末端装置）可按第一节叙述的一般原则进行选择，这里不再阐述。风机动力末端装置、双风道末端装置的选择，除应遵循上述一般原则外，还有一些在选择时值得注意地方，下面分别加以叙述。
　　
2.1  串联风机动力式末端装置

    除了一些有特殊使用要求的场合之外，都应尽量避免选用串联风机动力式末端装置，这是因为这种装置内安装的再循环小风机和电机需要连断不间断地运行，而它们的效率一般都很低，通常比集中式空调送风机的运行效率低15%左右。
但是，在下列一些场合，建议选用串联风机动力式末端装置：

    （1）内区会议室： 在设计状态下，会议室人员密度很大，而实际使用过程中，人员情况的变化也很大。因而在设计状态下，由于通风换气和最小新风量要求的原因，会议室要求的最小风量和最大风量之比往往很高，甚至高达75%以上，处于内区的会议室，情况更是如此。当会议室内人员少，符合降低时，如此高的最小设计风量，必将导致房间过冷。如果会议室采用普通单风道变风量末端装置，除在供冷时会消耗更多的风机能耗外，还要有再热措施，以防会议室内人员很少时出现过冷。一般说，最小风量超过供冷时的最大设计风量的40%，就应该考虑选择其他类型的末端装置，采用串联风机动力式末端装置便是建议方案之一。在这种情况下采用的串联风机动力式末端装置可带零最小风量设定点，它可以通过仅送房间的再循环风来满足通风换气要求，而不必在空气处理装置中进行再热，当会议室出现部分负荷时，再调并减少一次风量，增加引入吊顶空间的再循环空气，从控制和节能的观点看，这是最为简单，也是最有效的方案之一。

     （2）需要有较大的最小风量数值，以维持房间内有良好的混合状态时，可采用串联风机动力式末端装置，从而防止在部分负荷状况下出现下降冷气流。例如一个大的门厅或前厅等高大空间，它本身有两层以上的高度，通常会在首层的高度上安装侧送散流器风口，但由于散流器出口送风温度减低，就有可能产生现将冷气流，送风也不可能去吸卷整个空间的空气。在这种情况下，选用串联风机动力式末端装置，就可在各种负荷状态下都维持固定的送风量和固定的送风速度，使空间内得到满意的空气混合状态。

    当采用串联风机动力式末端装置时，在设计系统控制方案时要注意的一个问题是，串联风机动力式末端装置与空调送风机应事先连锁控制，且前者应先于后者启动，从而防止一旦系统启动后，从空调送风机送来的一次风通过末端装置而进入吊顶空间，末端装置内的循环风机出现反转情况。

    串联风机动力式末端装置中的循环风机，要将100%的设计风量送入房间，因此，在确定该装置一次风入口所需要的最小静压值时，不必将其下游的各种阻力损失（如送风通过末端装置、装置出风口、送风支管和送风散流器，以及再热盘管的阻力损失）考虑在内，这些阻力损失可以依靠循环风机去克服。换句话说，在选定串联风机动力式末端装置时，应确切知道该装置需要的出风口余压值。很明显，在决定整个系统的空调送风机的风压时，只需要考虑克服将一次风送至末端装置入口并通过一次风阀时的阻力值，这样送风机的功率可适当降低。

    但是，这一概念决不可滥用。要注意，不要把串联风机动力式末端装置内的循环风机当作整个送风系统的增压风机。因为，在供冷运行时，如果由于送风机风压不够，导致送到末端装置入口处、并通过一次风阀的一次风量不够，要想依靠末端装置内的循环风机从一次风送风管中抽吸更多的风量来满足设计要求，是做不到的，如果出现这种情况，循环风机只会从吊顶中抽吸更多的循环风送入房间，因为那里的阻力远小于一次风送风管的阻力。其结果是，送风温度将会提高，房间冷却不下来，人们会不舒适。所以，空调送风机的风压应保证有足够的一次风量送至末端装置入口并通过一次风阀。

   毫无疑问，串联风机动力式末端装置中循环风机的风量，应按整个装置的最大风量值确定。

2.2  并联风机动力式末端装置

    采用并联风机动力式末端装置，通常可以减少，甚至可以取消系统中的再热要求，但与普通再热式末端装置相比，它的初投资和维修费用都很高。另外，并联风机动力式末端装置中的循环风机是周期性运行，它产生的噪声更容易被人们察觉。但是，该循环风机和电机的运行效率问题，不会像串联风机动力式末端装置那样显得十分突出，因为在一般情况下，并联风机动力式末端装置中的循环风机和电机，仅在系统处于供热状态下才不间断地投入运行，而串联风机动力式末端装置中的循环风机和电机则需要连续运行。

    如果单风道变风量再热式末端装置能够采用“双最大值”控制逻辑，并按改控制逻辑确定最小风量设定点，那么，它们的全部寿命周期费用将比并联风机动力式末端装置要省。当并联风机动力式装置带有零最小风量设定点时，便可完全取消系统中的再热需求，从而显著降低集中式空气处理装置中的风机能耗，它们的全寿命周期费用将比单风道再热式末端装置要省。

　并联风机动力式末端装置中的循环风机只在过渡季和动机间隙运行，它只是将房间吊顶内的空气吸进来末端装置，因此，在确定该末端装置一次风入口需要的最小静压值时，包括送风通过整个末端装置、装置出风口及送风支管和送风散流器的阻力损失均需加以计算，如果带有再热盘管的话，还应计算再热盘管的阻力损失。循环风机的风量，一般都按供热需要的设计风量来选择，它通常是供冷时最大设计风量的50%~80%。
　　　　
2.3  双风道变风量末端装置

    选择双风道变风量末端装置，应同样遵循选择单风道变风量末端装置的一般原则，则每台末端装置的最大风量要符合最大设计风量要求，总压力降应不大于120~140Pa噪声水平应符合房间允许噪声级要求。当这类末端装置带有再热盘管时，会涉及如何确定可控制的最小风量设定点这一问题，如果将动压敏感元件安装在末端装置的出风口时，准确确定在计算中所要采用的出风口断面积，对这类末端装置来说非常重要。可控制的最小风量设定点时动压敏感元件，对这类末端装置出风口非常重要。可控制的最小风量设定点时动压敏感元件、控制器最小动压设定点输出功率，以及放置动压敏感元件的风管断面积的函数。虽然，一般都把出风口敏感元件安装在一段圆形风管中，但双风道末端装置的连接管，一般都是一段较大的矩形风管，它用法兰与末端装置的输出端面相连。通常，制造商都采用这种较大尺寸的矩形风管来测定风管内的静压损失。所以，在计算双风道末端装置的动压损失时，要采用矩形风管的断面积值。

    通过双风道末端装置的压力将是各不相同的，它们完全取决于末端装置的类型和动压敏感元件的位置。为保证冷、热风气流能完全混合而安装有混合导流叶片的双风道末端装置，其压力降最高。当采用混合控制逻辑（这里不是指在出风口带单独敏感元件的迅速开关控制，因为采用这种控制时，冷、热风阀从不会在同一时刻都是开启状态）时，冷、热风的完全混合仅是一个指标，只有当末端装置为多个送风温度要求都不一致的房间服务，而可能扰乱平衡的时候，才会出现这一问题。当采用单独出风口动压敏感元件时，常常会将出风口的断面尺寸适当减少，比采用冷、热风入口动压敏感元件时的末端装置出风口断面尺寸要小，这样，可使得通过动压敏感元件的空气流速增加，改善了风量的测量精度，导致两股送风气流混合得更好，但与此同时，压力降也会增加。人们发现，在大多数双风道末端装置的应用场合，当带有单独的出风口风量敏感元件时，从房间的舒适感来说，对冷、热风的混合控制室足够的。而安装混合导流叶片会显著增加末端装置的初投资和运行时的总压力降，只有在最需要采用这种末端装置的地方（如医院）才宜选用。