Variable Air Volume (VAV) systems are the most widely used types of HVAC air systems for medium- and large-sized commercial building projects (projects larger than 10,000 ft2) because VAV systems are flexible, energy efficient, and provide a comfortable indoor environment. VAV systems deliver variable supply airflow at a constant temperature (typically 55°F) through the primary air duct to multiple VAV terminal units, each of which serves a separate temperature zone. Each VAV terminal unit contains a motor-operated damper that modulates the primary airflow to the zone, an inlet airflow sensor, and, in some instances, a heating coil and a small recirculating air fan.
Der Zuluftstrom vom VAV-Klimagerät wird normalerweise moduliert, um einen konstanten statischen Druck im Primärluftkanalsystem aufrechtzuerhalten. Dies wird von einem Sensor für den statischen Kanaldruck gemessen, der sich normalerweise zwei Drittel der Tiefe des Primärluftkanalsystems befindet. Die Modulation des Zuluftstroms richtet sich nach den Bedürfnissen der VAV-Thermoeinheiten; Das heißt, wenn sich mehr Primärluftklappen in den VAV-Klimaeinheiten öffnen, um den Zonen mehr Luft zuzuführen, sinkt der statische Druck im Primärluftkanalsystem und die Lüftergeschwindigkeit im VAV-Lüftungsgerät erhöht sich, um den vom VAV-Lüftungsgerät gelieferten Zuluftstrom zu erhöhen und den statischen Druck im Kanalsystem wiederherzustellen. Umgekehrt steigt beim Schließen der Primärluftklappen der statische Druck im Primärluftkanal und die Lüftergeschwindigkeit im VAV-Lüftungsgerät verringert sich, um zum Ausgleich den vom VAV-Lüftungsgerät gelieferten Zuluftstrom zu verringern.
Die Lüftungseinheit für ein VAV-System ist die gleiche, die auch für eine erforderlich wäre CAV-System with the exception that there is a means of modulating the supply airflow delivered by the unit. The most common way of modulating the supply airflow of the unit is by controlling the frequency of the signal sent to the supply fan motor through a variable frequency drive (VFD).
The speed of an alternating current (ac) motor is directly proportional to the frequency of the input signal to the motor. Therefore, as the frequency of the VFD output signal to the motor is reduced, motor speed is reduced, and supply airflow is also reduced. The converse is true as the frequency of the VFD output signal to the motor is increased. The maximum recommended frequency of the VFD output signal is that of the VFD line input frequency, or 60 Hz. The supply fan motor will operate at full speed when it receives a VFD output signal of 60 Hz. VFDs can deliver frequencies higher than 60 Hz, but this causes the fan motor to operate above its rated running load amps [i.e., the motor operates in its service factor range (typically between 100 and 115% of the rated running load amps), which is not recommended].
Beim Entwurf von VAV-Systemen, die DX-Kältemittelschlangen zur Kühlung nutzen, ist Vorsicht geboten. Sofern das Kühlsystem nicht mit ausreichender Kapazität ausgestattet ist, um die Kapazität des Kühlsystems zu entladen, kann es bei Bedingungen mit geringem Luftstrom zum Einfrieren der DX-Kältemittelkühlschlange kommen. Das Entladen des Kühlsystems, eine angemessene Kontrolle der Ablufttemperatur und der Einbau eines VFD in den Geräteschrank sind alles Probleme, die Hersteller von HVAC-Geräten kürzlich für DX-Geräte mit Kapazitäten von weniger als 25 Tonnen gelöst haben. Hersteller von HVAC-Geräten bieten jetzt VAV-Betrieb für Luftsysteme an, die DX-Kältemittelkühlschlangen mit Kapazitäten von nur 5 Tonnen verwenden.
Der häufigste Einsatzbereich eines VAV-Systems ist die Versorgung mehrerer Temperaturzonen. Daher besprechen wir zunächst Mehrzonen-VAV-Systeme und anschließend die Verwendung eines VAV-Systems für eine Einzelzonenanwendung.
Mehrere Zonen
VAV-Klemmeneinheiten
Variable primary airflow is delivered to the zones through the modulation of the primary air damper in the VAV terminal units. As the zone temperature decreases, the primary air damper is modulated closed to supply less (55°F) primary air to the zone. Once the primary air damper reaches its predetermined minimum position (usually about 25% of maximum airflow), upon a further drop in the zone temperature, VAV terminal units that have heating capabilities will position the primary air damper to the heating airflow and modulate the output of the heating coil to maintain the heating setpoint of the zone temperature sensor. Fan-powered VAV terminal units are also equipped with a small fan that recirculates air (normally from the ceiling return air plenum) through the heating coil of the VAV terminal unit.
Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm eines VAV-Systems, das mehrere VAV-Endgeräte versorgt.
Doppelkanal
Zweikanalige VAV-Luftsysteme sind ungefähr so selten wie zweikanalige CAV-Luftsysteme. Der wahrscheinlichste Zeitpunkt, an dem ein HVAC-Systementwickler auf ein VAV-Luftsystem mit zwei Kanälen stoßen würde, wäre ein System, das ursprünglich als CAV-System mit zwei Kanälen konzipiert war, aber später renoviert wurde, um als VAV-System zu funktionieren. Der HVAC-Systemdesigner hat möglicherweise auch die Aufgabe, die Änderungen an einem CAV-System mit zwei Kanälen zu entwerfen, um es in ein VAV-System mit zwei Kanälen umzuwandeln.
Doppelkanal-VAV-Systeme funktionieren weitgehend auf die gleiche Weise wie Doppelkanal-CAV-Systeme, mit der Ausnahme, dass der Zuluftstrom zu den Zonen variabel und nicht konstant ist. Der Zuluftventilator im Zweikanal-Lüftungsgerät muss mit einer Möglichkeit ausgestattet sein, seinen Luftstrom als Reaktion auf den statischen Druck sowohl im Haupt-Warm- als auch im Kalt-Kanal zu regulieren. Die Energieeffizienz eines Zweikanal-VAV-Systems wäre ungefähr die gleiche wie die eines herkömmlichen VAV-Systems mit VAV-Klemmeneinheiten.
Bei der Umwandlung eines CAV-Systems mit zwei Kanälen in ein VAV-System sollte darauf geachtet werden, dass die Zonen keinen konstanten Zuluftstrom benötigen, um einen konstanten Abluftstrom auszugleichen.
Einzelzone
Operation of a single-zone VAV system is similar to the operation of a VAV system serving multiple zones, except there are no VAV terminal units and the supply airflow is modulated to maintain the cooling setpoint of the (single) zone temperature sensor rather than to maintain a constant primary air duct static pressure. The supply air tempemture is maintained at 55°F as long as the zone temperature sensor is calling for cooling.
Once the zone temperature drops below the cooling setpoint (typically 75°F), the air handling unit will operate in the heating mode: cooling will be disabled, the supply fan will operate at the predetermined heating airflow, and the output of the heating coil within the unit will be modulated as required to maintain the heating setpoint of the zone temperature sensor (typically 70°F).
Sobald die Zonentemperatur über den Kühlsollwert steigt, arbeitet das Lüftungsgerät im Kühlmodus: Die Heizung wird deaktiviert, der Ausgang der Kühlschlange wird nach Bedarf moduliert, um die Zulufttemperatur auf 55 °F zu halten, und der Zuluftstrom wird moduliert, um den Kühlsollwert des Zonentemperatursensors aufrechtzuerhalten.
The advantage of a single-zone VAV over a single-zone CAV system is that during cooling operation, the supply air temperature will remain constant at approximately 55°F. This consistently cool supply air temperature will result in a lower space relative humidity than the same area served by a CAV system where the supply air temperature can vary anywhere between 55°F (full cooling load) and 75°F (no cooling load). The higher space relative humidity resulting from the use of a CAV system is exacerbated by outdoor air ventilation in moist climate zones and by a high density of occupants in the areas served by the unit.
Aufgrund der jüngsten technologischen Fortschritte können Einzonen-VAV-Systeme, die DX-Kältemittelkühlschlangen verwenden, Bereiche mit einer Kühllast von nur 5 Tonnen bedienen.
Quellenbuch für HVAC-Design - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, ist Direktor des MEP-Beratungsunternehmens Green Building Energy Engineers. Er ist seit mehr als 30 Jahren in der MEP-Beratungstechnikbranche tätig. Herr Angel hat zur Entwicklung von Designstandards beigetragen und sucht weiterhin nach neuen Wegen, den Designprozess für HVAC-Systeme zu optimieren.
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