變風量空調(diào)系統(tǒng)送風管道靜壓特性的試驗研究

丁 帥，孟慶龍，王博聞，謝安生，趙 凡

(長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西西安 710054)

變風量空調(diào)系統(tǒng)送風管道靜壓特性的試驗研究

丁 帥，孟慶龍，王博聞，謝安生，趙 凡

(長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西西安 710054)

為了解變風量系統(tǒng)靜壓控制過程，促使變風量空調(diào)運行更加穩(wěn)定，本文參考水系統(tǒng)的水力特性，研究不同位置的末端閥門從開到關(guān)，風機頻率從大到小的調(diào)節(jié)下，送風系統(tǒng)主管與支管的靜壓變化規(guī)律。結(jié)果表明：被調(diào)節(jié)支管前一個送風主管段在總送風主管上靜壓變化最劇烈，主管段靜壓變化規(guī)律與支管推導(dǎo)理論并不吻合；對稱支管的靜壓改變值是否相等，只與被調(diào)節(jié)閥門位置有關(guān)，與風機轉(zhuǎn)速、對稱支管阻抗無關(guān)；在定管網(wǎng)阻抗，變風機頻率時，管網(wǎng)中任意一點的靜壓值與風機頻率呈現(xiàn)二次方拋物線關(guān)系。

變風量系統(tǒng);靜壓;送風管道;風機頻率;末端閥門

1 前言

變風量空調(diào)，作為全空氣空調(diào)系統(tǒng)的一種，相對于風量不變的定風量系統(tǒng)而言，變風量系統(tǒng)可以根據(jù)房間負荷的變化調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，從而改變送入管道中的風量，維持空調(diào)區(qū)域的溫濕度要求，節(jié)約風機能源[1]。變風量控制風機轉(zhuǎn)速的主要方式分為3種:變靜壓控制、定靜壓控制和總風量控制[2]。前2種控制方式都需要根據(jù)送風主管道的靜壓來調(diào)節(jié)風機的頻率，一般都以自動控制為主導(dǎo)進行，在控制的過程中依賴精準的測量與反饋。造成送風主管道靜壓變化的原因，一是房間末端VAVBOX的閥門根據(jù)房間溫度自行調(diào)節(jié)引起管網(wǎng)阻抗變化[3]，二是為了匹配管道所需靜壓調(diào)節(jié)風機頻率引起的風機揚程直接變化。

在現(xiàn)實工程當中，變靜壓的實現(xiàn)難點有以下2點：(1)傳感器信號反饋問題；(2)靜壓穩(wěn)定值選取問題。前者研究方向為故障研究[4～6]，需要根據(jù)大量的經(jīng)驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行故障判斷。后者近幾年來解決方向有2個：(1)從自控角度出發(fā)對控制參數(shù)做出優(yōu)化[7～9]，系統(tǒng)很快能達到穩(wěn)定，但依賴于傳感器和閥門開度的精確反饋；(2)改變靜壓控制方案，利用前饋—反饋解決提前預(yù)測風管壓力變化，從而提前調(diào)節(jié)風機與末端閥門開度，解決了反饋的時滯與震蕩問題[10]。無論是哪種方法，反饋還是前饋—反饋的過程中總會給管道靜壓造成影響，因此研究變風量系統(tǒng)中靜壓變化規(guī)律可以給予判斷系統(tǒng)故障方向與選擇合適的控制方案以參考。彭紅蓮與馮萌研究了變風量系統(tǒng)的水力特性[11,12]，但并未提出靜壓變化規(guī)律的原因與不同類型閥門中靜壓變化的差別。針對上述問題，運用流體輸配管網(wǎng)的理論，對風機頻率改變或末端風閥開度調(diào)節(jié)下，送風主管道、支管道中靜壓值的變化情況進行分析。為設(shè)計前期的自動控制的參數(shù)選取提供參考，建設(shè)后期給系統(tǒng)調(diào)試人員加深暖通專業(yè)角度上對變風量系統(tǒng)管道靜壓變化的認知理解，建設(shè)完畢后給維護人員提供分析故障或重新調(diào)節(jié)控制參數(shù)的依據(jù)。

2 試驗對象

2.1 試驗平臺

試驗對象為長安大學市政與暖通試驗中心四層的變風量VAV空調(diào)系統(tǒng)試驗平臺，供冷面積106 m2，包含有2個辦公室，2個實驗室，實驗室送風平面圖見圖1?？紤]到不同方位房間與外界換熱不同，系統(tǒng)由不同朝向的房間組成，且同一朝向房間面積大小不一。401,406,413房間選用的VAVBOX型號相同，為RSV-TU-1-I-05-L，可用風量范圍為0～680 m3/h；405房間的型號為RSV-TU-1-I-07-L，可用風量范圍為0～1360 m3/h。系統(tǒng)僅一臺組合式空調(diào)機組，額定風量為5000 m3/h，機組全靜壓為300 Pa。

圖1 變風量送風系統(tǒng)平面示意

由圖1可見，送風主管上共有4個靜壓測點(測點1～4)，送風支管上的測點有測點5～7，測點4既可以作為送風主管測點，又可以作為401房間支管靜壓測點，406與413房間支管設(shè)計為對稱支管，設(shè)計風量與支管結(jié)構(gòu)完全相同。定靜壓的控制原理是在送風管道的某個位置上設(shè)置靜壓傳感器，這個位置一般是在送風主管上，距離送風機出口的距離約為2/3送風主管的長度[13，14]。在本系統(tǒng)中，這個點的位置在靠近401房間支管的主管段上，因此，測點3與測點4均設(shè)置在最遠端的送風主管上。風管總長30.37 m，風機出口端連接一段垂直向上的風管，接入靜壓箱，送風管長度從靜壓箱出口開始算起，各個靜壓測點相對靜壓箱出口的距離見圖1。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上位機利用組態(tài)王開發(fā)人機界面，通過OPC與PLC建立連接，可實現(xiàn)現(xiàn)場所有模擬量和數(shù)字量的采集以及現(xiàn)場設(shè)備的控制，包括靜壓傳感器所測靜壓的數(shù)據(jù)采集。本試驗中以1 s為單位采集靜壓數(shù)據(jù)，由于風道靜壓改變的延遲性不大，因此以3 min為采樣周期，剔除壞點后以平均值作為最終的靜壓值。

2.2 各靜壓測點可信度分析

首先確定每個靜壓測點的測量精度是否在可接受的范圍之內(nèi)。所有房間閥門全開，風機頻率每隔5 Hz測定一次，初始為50 Hz，終止于15 Hz。測量出來的各靜壓測點的平均值與標準偏差見表1。由圖1可知，測點1的位置是靜壓箱出口，其標準偏差隨著風機頻率的增大逐漸增大，在50 Hz時甚至達到±10 Pa左右；其余的靜壓測點無論在哪個頻率下，測量標準偏差均在±2 Pa以內(nèi)。雖然測點1的靜壓可以直接反應(yīng)風機出口靜壓，但波動太大，這種現(xiàn)象可能是由于風機出口處的氣流組織并不穩(wěn)定導(dǎo)致的。在文獻[15，16]中，建議用風機出口點作為變靜壓取點，第一是因為這個點的靜壓平均值在改變風機工況或改變管網(wǎng)阻抗時，產(chǎn)生的靜壓差值相對其余各點所產(chǎn)生的值更大，可以提高傳送信號質(zhì)量，第二是該點處于風機出口位置，可以減少傳送延遲。但由于其測量的標準偏差比其余的測點大，因此并不建議將風機出口點作為測量靜壓的選取點。

從測量的精準性考慮，除測點1之外的其余點均可以選為調(diào)節(jié)風機頻率的測量靜壓的選取點。也證明了該試驗平臺靜壓傳感器無故障發(fā)生，可以進行后續(xù)試驗操作。

表1 靜壓測點平均值與標準偏差

3 管網(wǎng)系統(tǒng)水力工況理論分析及試驗方案

3.1 水力失調(diào)[17]

水系統(tǒng)管網(wǎng)中，管段的實際流量與設(shè)計流量的不一致稱為水力失調(diào)。實際流量與設(shè)計流量的比值稱為水力失調(diào)度，都大于1或都小于1時，稱為一致失調(diào)，反之，則為不一致失調(diào)。水力失調(diào)度相等的一致失調(diào)稱為等比失調(diào)，反之稱為不等比失調(diào)。

3.2 管網(wǎng)系統(tǒng)支管水力工況分析

風系統(tǒng)管網(wǎng)如圖2所示。

圖2 風系統(tǒng)管網(wǎng)

從流體輸配管網(wǎng)水力分析得知：假設(shè)閥門C關(guān)閉，管網(wǎng)總阻抗增加，總流量減少，此時風機揚程并未改變，因此所有的支路作用壓差都會增大，出現(xiàn)一致性失調(diào)。支路C后的支管D～N的總作用壓差增加，且每個支路的作用壓差按相同的比例增大，呈現(xiàn)等比一致性失調(diào)，對于支管C前面的支管A和B，呈現(xiàn)不等比一致失調(diào)。但理論推導(dǎo)中并未給出管網(wǎng)主管阻抗與流量之間的關(guān)系，也未給出對稱支管之間的靜壓變化關(guān)系，針對其靜壓變化規(guī)律在試驗結(jié)果當中進行總結(jié)驗證。

3.3 試驗方案

風機頻率為50,40,30,20 Hz時，調(diào)節(jié)距風機段不同距離的支路閥門開度。保持風機頻率不變，調(diào)節(jié)某個支路末端，保持除被調(diào)節(jié)閥門以外其余閥門全開(為做對稱支管試驗，保持413房間VAVBOX閥門開度為50%)。風機初始頻率為50 Hz，被調(diào)節(jié)閥門初始開度為95%，調(diào)節(jié)單位為5%，調(diào)至閥門開度最小后(最小為5%)，重新將被調(diào)節(jié)閥門打開至95%，更換另一個頻率，重復(fù)上述步驟，直至4個頻率全部完成。更換另一個支路閥門重復(fù)上述步驟。模擬在實際的工況中，因為閥門變動或調(diào)節(jié)風機頻率所引起的管道靜壓變化。

4 試驗結(jié)果與分析

由于每個頻率的試驗結(jié)果相似，調(diào)節(jié)以下各閥門時，均以50 Hz為典型工況舉例說明，其余頻率不再重復(fù)贅述。

4.1 調(diào)節(jié)風機近端房間閥門

調(diào)節(jié)距風機近端的房間閥門，即406房間，送風主管道測點靜壓變化情況見圖3。

圖3 近端閥門調(diào)控下送風主管靜壓的變化

從圖3可以看出，406房門閥門開度在5%～25%、80%～95%變化時，各個測點的靜壓值并無太大變化。這是由于所用VAVBOX的閥門開度特性導(dǎo)致的。該閥門的開度特性為拋物線特性，在開度較小時閥門的流量變化不大，在開度逐漸變大時閥門的流量與閥門兩端的壓差呈拋物線式上升，在開度達到80%時達到最大，這時即使閥門再開大，流量與壓差也幾乎不再變化。每改變5%的閥門開度，各測點的靜壓改變值也是不同的，見圖4。橫軸為各測點前后閥門開度之差，測點1的差值明顯要高于其余3個測點，而其余3個測點的靜壓差線重疊率很高，即測點2,3,4的靜壓線在開度為25%～75%時的斜率幾乎一致，而測點1的靜壓在閥門逐漸開大的過程中，靜壓斜率要比其余各測點大。因此可以判斷，主管后3個測點呈現(xiàn)出等比的一致性失調(diào)，這與支管的理論推導(dǎo)規(guī)律相似。

圖4 調(diào)節(jié)閥門開度產(chǎn)生的靜壓差值的變化

圖5為送風支管的靜壓變化情況。在406房間閥門開度變化時，406房間支管的測點6靜壓變化尤其劇烈，其余支管靜壓斜率一致，與理論推導(dǎo)吻合：調(diào)節(jié)某個支管其后的其余支管出現(xiàn)等比的一致性失調(diào)。413與406房間風管對稱分布，但413房間的閥門并未達到全開，因此阻抗與406房間支管并不相同，其測點7的靜壓也遠遠高于406房間支管上測點6的靜壓。

圖5 近端閥門調(diào)控下送風支管靜壓的變化

4.2 調(diào)節(jié)風機中端房間閥門

調(diào)節(jié)距風機中端的房間閥門，即405房間閥門，送風主管靜壓結(jié)果見圖6(a)。從圖中靜壓線的方向與擬合公式看出，測點1,3,4出現(xiàn)一致性失調(diào)，405房間支管前一個送風主管的測點2相對于其他主管測點靜壓變化劇烈。其余測點的擬合公式相似，出現(xiàn)等比的一致性失調(diào)，與支管理論推導(dǎo)規(guī)律不相符。

(a) 送風主管

(b) 送風支管

圖6(b)為送風支管的靜壓變化情況。在405房間閥門開度變化時，405支管上測點5的靜壓變化尤其劇烈，其余支管靜壓擬合公式各自不同，除對稱房間的測點6，7靜壓擬合公式十分相似，可以看做等比的一致性失調(diào)以外，其余支管為不等比一致失調(diào)，這與支管理論推導(dǎo)規(guī)律吻合。

4.3 調(diào)節(jié)風機遠端房間閥門

調(diào)節(jié)距風機遠端的房間閥門，即401房間閥門，送風主管各測點靜壓結(jié)果見圖7(a)。

圖7呈現(xiàn)出與上述2個位置的閥門變化時不同的規(guī)律，原因在于測點3與測點4在同一個管段上。在遠端房間401的閥門從5%～30%變化的過程中，測點3與測點4的靜壓差別不大，是因為閥門的開度特性在這個過程中并未產(chǎn)生很大的改變，但在開度從40%～80%變化的過程中，由于管道沿程阻力消耗一部分靜壓，因此測點4的靜壓比測點3要低。測點2所在管段相當于末端支管前一個送風主管段，在中端閥門(405房間閥門)的變化過程中分析到：某一個支路的閥門開度變化，對緊挨著該支路的送風主管上前一個管道的靜壓影響，要比其余管道影響大，從擬合的公式可看出，在401房間的閥門開度從35%～80%時，測點2的斜率要比測點1的斜率大。證明了近端與中端閥門改變時所具有的規(guī)律，遠端閥門也同樣適用。由圖中擬合的公式可以看出，除測點3與測點4在一個管段上因此出現(xiàn)等比的一致性失調(diào)之外，其余測點靜壓呈現(xiàn)出不等比一致性失調(diào)。

(a) 送風主管

(b) 送風支管

圖7(b)為送風支管的靜壓變化情況。在401房間遠端閥門變化時，401房間支管測點4的靜壓變化尤其劇烈，除406房間支管測點6與413房間支管測點7因為結(jié)構(gòu)對稱，靜壓呈現(xiàn)等比的一致性失調(diào)之外，其余支管靜壓呈現(xiàn)不等比的一致性失調(diào)，這與理論分析吻合。

4.4 不同風機頻率相同閥門開度下靜壓結(jié)果與分析

在變風量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程中，在各閥門關(guān)閉到最小或開啟到最大依舊不能滿足房間負荷需求時，應(yīng)調(diào)節(jié)風機頻率以改變風機揚程，滿足各末端需求。試驗選取了末端閥門不變的情況下，改變風機頻率的管道靜壓數(shù)據(jù)進行分析。

圖8為遠端閥門(401房間支管)開度為60%時，風機頻率與各測點靜壓值的關(guān)系圖。圖中的公式為測點1的靜壓擬合公式，擬合優(yōu)度R2≈1，表明在管網(wǎng)阻抗不變的情況下，風機頻率與測點靜壓值呈拋物線關(guān)系。其余末端閥門調(diào)節(jié)時也符合這個規(guī)律，不再重復(fù)舉例。

圖8 不同風機頻率下測點靜壓

類比風機在管網(wǎng)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)點，如圖9，在管網(wǎng)阻抗S不變、風機頻率由n1移動到n2的情況下，風機的工作狀態(tài)點沿著管網(wǎng)曲線從點A移動到點B。雖然圖9的曲線與圖8的曲線均表現(xiàn)為拋物線形式，但風機在管網(wǎng)的工作狀態(tài)點是以全壓的方式進行計算與表現(xiàn)的，圖8所反應(yīng)的則是靜壓的關(guān)系圖，全壓=靜壓+動壓，在動壓不確定的情況下，試驗證明，靜壓與全壓一樣，符合二次方拋物線關(guān)系。

圖9 風機工作狀態(tài)點

在管網(wǎng)當中，選取一個管段且假設(shè)無漏風。定義該管段初始端的靜壓值為P0，管段末端靜壓值為P1，管段內(nèi)某一點距管段初始端的距離占管段總長的比例為x，該點的靜壓值為Px。由于管段的橫截面不變且無漏風，即管段進口流量與出口流量相等，整個管段的動壓不變，沿程阻力的損耗由靜壓承擔，全壓損失等于靜壓損失，即：

P0-Px=ΔP=S0～xQ2

式中S0～x——初始段到該點的管道阻抗

由上式可得：P0=ΔP+Px

在圖8中，Px的值在管網(wǎng)阻抗不變的情況下呈二次方拋物線變化。而管網(wǎng)阻抗不變，風機頻率變化時，壓力與風機頻率n平方成正比，即：ΔP=f(n2) ，Px=f(n2)，且兩者均為正相關(guān)關(guān)系，因此可以推斷出，P0與頻率也呈二次方拋物線變化。管段入口靜壓與風機出口靜壓或者局部阻力件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在知道風機出口靜壓或局部阻力件對靜壓分配的情況下，可以推斷出管道某一點的靜壓值。

4.5 對稱支管試驗結(jié)果與分析

上文提到，413房間支管的阻抗比401房間支管大，從圖10看出，在調(diào)節(jié)除406房間以外的其他閥門時，對稱支管的測點6與7的靜壓變化幾乎相等，因此可以推斷，在不改變風機頻率，僅調(diào)節(jié)除對稱閥門本身的其余支管閥門時，對稱支管的靜壓改變值相等，即與調(diào)節(jié)支管位置有關(guān)，與管道阻抗無關(guān)。

圖10 各頻率下各末端閥門從開到關(guān)對稱支管靜壓差的變化

圖11所示為401房間閥門開度在95%與50%時，改變風機頻率，測點6與測點7在不同頻率下的靜壓差的變化。

圖11 定閥門開度下改變風機頻率時對稱支管靜壓差的變化

從圖可見兩者并不相等，沒有呈現(xiàn)出上述規(guī)律。因此對稱房間的靜壓變化值是否相等，只與被調(diào)節(jié)閥門位置有關(guān)，與風機轉(zhuǎn)速無關(guān)。

5 結(jié)論

(1)末端風閥調(diào)節(jié)時，送風主管與送風支管靜壓變化與閥門的開度特性有關(guān)。閥門特性為拋物線特性時，測點的靜壓在5%～25%與80%～95%開度區(qū)間內(nèi)幾乎沒有變化。主風管靜壓變化與被調(diào)節(jié)末端的位置有關(guān)，末端調(diào)節(jié)時，被調(diào)節(jié)末端所在支風管的前一個送風主管段在總送風主管上靜壓變化最劇烈，其余送風主管段的測點靜壓值出現(xiàn)一致性失調(diào)，但主管段靜壓規(guī)律并不符合支管靜壓推導(dǎo)理論；被調(diào)節(jié)末端所在支管在整個管網(wǎng)的所有支管段中靜壓變化最劇烈，其余支管靜壓變化與支管理論規(guī)律相吻合。對稱支管的靜壓改變值是否相等，只與被調(diào)節(jié)閥門位置有關(guān)，與風機轉(zhuǎn)速、對稱支管阻抗無關(guān)。

(2)在風機頻率改變，管網(wǎng)阻抗不變時，管網(wǎng)內(nèi)任何一點的靜壓值可以根據(jù)風機出口靜壓與局部阻力管件結(jié)構(gòu)所分配的風量計算出來，并且遵循風機工作點的規(guī)律，管網(wǎng)內(nèi)的點也有該點在管網(wǎng)中的工作點，且該點的靜壓值與風機頻率也呈現(xiàn)二次方拋物線關(guān)系。

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Experimental Research and Analysis of Static Pressure Regulation in Supply Duct for VAV Air Conditioning System

DING Shuai,MENG Qing-long,WANG Bo-wen,XIE An-sheng,ZHAO Fan

(Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region,Ministry of Education，Chang′an University,Xi′an 710054,China)

To understand the process of VAV static pressure control and promote the stability for operation,according to hydraulic characteristics of water system,regulation of static pressure in main and branch pipe of air supply system was researched in experiment by controlling terminal valves in different position from on to off and descending the fan frequency.The results show that the main pipe before the changed branch changes most dramatically.The regulation of static pressure in main pipe does not match the one for branch.Whether or not the static pressure of the symmetric braches are equal depends on the location of changed terminal,not the fan speed or the resistance of symmetric branches.The relationship between static pressure of any point in pipe network and fan frequency is quadratic parabola when the resistance of network is fixed and fan frequency is changed.

VAV;static pressure;air supply duct;fan frequency;terminal valve

1005-0329(2017)01-0066-06

2016-06-22

國家自然科學基金項目(51208059;51508446)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃(2016JM5076)

TH137;TU831.3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.012

丁帥(1992-)，女， 在讀碩士研究生，主要從事建筑設(shè)備自動化方面的研究，E-mail：790843803@qq.com。

孟慶龍(1979-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事建筑設(shè)備自動化方面的研究，通訊地址：710054 陜西西安市雁塔區(qū)南二環(huán)中段長安大學環(huán)境科學與工程學院，E-mail：mql19@163.com。