空調系統風(fēng)量調節與節能

第8卷增刊制冷與空調2008年6月REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING178-182空調系統風(fēng)量調節與節能金寧嚴慶翱李洋(上海理工大學(xué))摘要介紹空調系統風(fēng)量調節的方法,重點(diǎn)是變風(fēng)量空調系統,其控制方面包括定靜壓、變靜壓控制等方法,同時(shí)討論空調系統中的閥門(mén)、風(fēng)機與管路性能對控制的影響,并分析比較各種控制方法的節能效果。關(guān)鍵詞變風(fēng)量系統定靜壓控制變靜壓控制節能Air flow regulation and energy saving of air-conditioning systemJin Ning Yan Qingao Li Yang(University of Shanghai for Science and Technology)aBSTRaCt Presents air flow regulation methods of air-conditioning system. Lays stresson vaV air-conditioning system which includes constant static pressure control, variablestatic pressure control and so on. also discusses that the effects of valves, fans and pipeson the control of air-conditioning system. Analyzes energy-saving performance of variablecontrol methodsKEY WORDS VAV system; constant static pressure control; variable static pressurecontrol; energy-saving變風(fēng)量空調系統起源于20世紀60年代的美控制,可根據負荷的變化或個(gè)人的舒適要求自動(dòng)國,70年代后爆發(fā)的能源危機推動(dòng)了變風(fēng)量空調調節工作環(huán)境。系統的研究和應用。變風(fēng)量空調系統之所以能夠2)節省能源和運行費用——空調系統大部分起到節能的作用,是因為該系統能夠根據室內空時(shí)間是在部分負荷下工作,變風(fēng)量系統通過(guò)改變調負荷的變化,自動(dòng)調節室內空調送風(fēng)量,控制風(fēng)機運行方式,使得風(fēng)機的能耗大為降低,同時(shí)也溫、濕度在限定范圍內,滿(mǎn)足室內熱、濕環(huán)境要求。降低了空調冷熱源的冷熱負荷,從而大大節省能于該系統根據調節后實(shí)際送風(fēng)量自動(dòng)調節源和運行費用。送風(fēng)機的轉速,從而最大限度地減少了風(fēng)機動(dòng)力,3)便于集中監控優(yōu)化管理——隨著(zhù)自控技術(shù)節約能量消耗。實(shí)際運行和一些統計資料表明,在建筑領(lǐng)域的應用BA系統的技術(shù)取得了長(cháng)足發(fā)變風(fēng)量空調系統的能耗比定風(fēng)量空調系統減少展,變風(fēng)量系統本身自動(dòng)化程度很高,有的變風(fēng)量20%~30%因此變風(fēng)量空調系統有著(zhù)廣泛的應末端裝置還具有通訊功能極易與樓宇中其他系用前景統(如安防、照明、消防等)相互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行集中監控經(jīng)歷了多年的不斷完善和發(fā)展,變風(fēng)量空調優(yōu)化管理。系統在控制方面取得了長(cháng)足的進(jìn)展。1.2變風(fēng)量空調系統形式1變風(fēng)量空調系統按照服務(wù)區間分類(lèi),變風(fēng)量系統可以分為獨定風(fēng)量空調系統通過(guò)改變送風(fēng)溫度調節空調立區域和多區域系統。溫度,變風(fēng)量系統則通過(guò)改變送風(fēng)量來(lái)調節和控獨立區域變風(fēng)量系統通過(guò)直接改變風(fēng)機盤(pán)管制空調溫度。機組V凵中國煤化工現對系統風(fēng)量1.1變風(fēng)量空調系統的特點(diǎn)的調CNMHG設置在空調房1)控制靈活——使用變風(fēng)量末端調節裝置,間內或罪近空調房同的機厲內,逍常僅負責一個(gè)變風(fēng)量空調系統可以實(shí)現局部區域或房間的靈活區域,由置于空調房間的溫控器來(lái)控制機組風(fēng)機金寧等:空調系統風(fēng)量調節與節能179的轉速,改變送人房間的風(fēng)量。由于在獨立區域的送風(fēng)機就可以實(shí)現,但是這種調節方法以消耗內,房間空調負荷的變化規律相同,故各送風(fēng)口不風(fēng)機的運行能耗為代價(jià)。通常設計中,風(fēng)機的設需要再設置變風(fēng)量末端裝置,機組送風(fēng)量根據房計容量都要比實(shí)際需要高得多,出現“大馬拉小間負荷的變化而變化?？紤]到送風(fēng)溫差問(wèn)題,還車(chē)”的現象,造成能量的巨大浪費可以同時(shí)通過(guò)調節機組的水溫或水量來(lái)控制機組壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量末端裝置是根據室溫測定的送風(fēng)溫度,防止結露。獨立區域變風(fēng)量系統控值與設定值的溫度偏差對風(fēng)量控制回路給出風(fēng)量制簡(jiǎn)單,節能效果好,沒(méi)有復雜的末端控制,隨著(zhù)設定值,而風(fēng)量控制回路再根據設定風(fēng)量和測定變頻器價(jià)格的下降,該方式具有較廣泛的應用風(fēng)量的風(fēng)量偏差控制風(fēng)閥閥位,從而調節送風(fēng)量前景。達到對室溫的控制,見(jiàn)圖2。多區域空調系統負責多個(gè)區域。當變風(fēng)量空調系統向不同的區域送風(fēng),而這些區域的負荷變送風(fēng)量化互不相同時(shí),多區域變風(fēng)量系統就顯示出其優(yōu)越性。其與獨立區域變風(fēng)量系統的主要區別是,盈度傳感器除了機組的風(fēng)量可以調節外,每個(gè)空調房間的送圖2壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量末端控制風(fēng)支管都設有變風(fēng)量末端裝置( VAV BOX),空調由圖2可知,壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量末端允許改變房間的溫控器根據所在房間的溫度調節對應末端送風(fēng)機的風(fēng)量,這種調節方法可以節約風(fēng)機的運裝置的閥門(mén)開(kāi)度控制送入房間的風(fēng)量達到變風(fēng)行能耗。一般當1臺空調機組為多個(gè)不同空間提量控制室內溫度的目的。供空調時(shí),大多數時(shí)間運行在最大負荷的70%~目前所指的變風(fēng)量系統一般都是指多區域變80%狀況。當采用變頻方式調節風(fēng)機轉速時(shí),允風(fēng)量系統。因為獨立區域變風(fēng)量系統只有風(fēng)機調許按最大負荷的70%~80%選擇風(fēng)機的額定功速部分,而無(wú)末端裝置,因此往往將獨立區域變風(fēng)率避免了“大馬拉小車(chē)”。量系統簡(jiǎn)單地歸結于風(fēng)機風(fēng)量調節方法中。2變風(fēng)量空調系統送風(fēng)量控制1.3變風(fēng)量末端裝置靜壓法,即在滿(mǎn)足一定靜壓條件下控制系統變風(fēng)量末端裝置有多種形式,可以分為單風(fēng)風(fēng)量,主要有定靜壓控制法和變靜壓控制法。道式和雙風(fēng)道式;又可按有無(wú)加熱器分為單冷式、2.1定靜壓控制法系統控制帶電加熱式和帶熱水加熱式;按有無(wú)風(fēng)機分為有在變風(fēng)量空調系統設計中,通常采用定靜壓風(fēng)機式和無(wú)風(fēng)機式;按末端控制方式分為壓力有控制法。即在送風(fēng)干管適當位置設置靜壓傳感器關(guān)型和壓力無(wú)關(guān)型(實(shí)際工程應用中,定壓測點(diǎn)通常選擇在管路阻力在目前國內外的變風(fēng)量系統工程中,單風(fēng)道為總阻力的2/3處),由靜壓信號控制送風(fēng)機送風(fēng)節流型變風(fēng)量末端裝置應用得較為廣泛,筆者僅在系統運行過(guò)程中設定的靜壓值不變以末端裝置控制方式來(lái)分析壓力有關(guān)型末端裝置2.2變靜壓控制法系統控制和壓力無(wú)關(guān)型末端裝置。變靜壓控制根據系統實(shí)際需要,在滿(mǎn)足當前壓力有關(guān)型變風(fēng)量末端裝置是根據室溫測定流量要求的同時(shí),階段性地改變靜壓設定值盡量值與設定值的溫度偏差控制風(fēng)閥的閥位,從而調使靜壓保持允許的最低值從而節省風(fēng)機能耗因節送風(fēng)量,達到對室溫的控制,如圖1所示。此也稱(chēng)為最小靜壓控制。它實(shí)際上使用了一個(gè)串送風(fēng)量→控制器[]度級控制回路,在主控制回路上串聯(lián)一個(gè)風(fēng)量控制回路,當末端裝置入口靜壓變化時(shí),能夠根據風(fēng)量溫度傳感器的變化較快地補償壓力變化,從而消除各個(gè)支路圖1壓力有關(guān)型變風(fēng)量末端控制間的耦合關(guān)系。這種控制的不足之處是閥位的調整會(huì )影響到變靜壓控制是在定靜壓控制方法的基礎上的其他房間。由于這種相互影響及系統的熱慣性,改進(jìn)rV凵中國煤化工狀況來(lái)判斷系導致變風(fēng)量系統的振蕩使房間溫度產(chǎn)生不穩定統風(fēng)CNMHG現系猶中有一個(gè)禾廂裝直閥門(mén)開(kāi)度達到壓力有關(guān)型變風(fēng)量末端裝置只需要配合定頻100%,而風(fēng)量不足時(shí),風(fēng)機轉速增大,提高送風(fēng)第四屆中國制冷空調行業(yè)信息大會(huì )論文集靜壓;失也從(S2-S1)Q(ED段)相應減小為(S2-S1)當系統各末端裝置閥門(mén)開(kāi)度均在75%以下Q(ED段),所以在風(fēng)機吸入管處設置調節閥比時(shí),表示風(fēng)量富裕,風(fēng)機轉速降低,送風(fēng)靜壓減小;在壓出管處設置有利。當系統中至少有一個(gè)末端裝置閥門(mén)開(kāi)度在3.2改變風(fēng)機性能曲線(xiàn)的調節法75%~100%之間時(shí),表示風(fēng)量適當,風(fēng)機維持原為節約空調能耗,各種變流量的風(fēng)機及變風(fēng)有轉速量系統等相繼發(fā)展,它們大多以調節風(fēng)機性能曲這樣可以盡量降低風(fēng)機運行的靜余壓,節省線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足節能要求。風(fēng)機運行能耗。3.2.1改變風(fēng)機的轉速變風(fēng)量系統節能方式和原理由相似律可知,當改變風(fēng)機轉速n時(shí),其效率變風(fēng)量系統節能最主要的方法是根據室內負基本不變,但流量Q壓頭H及功率N都按式(1)荷調節系統工作狀況。而調節系統工作狀況可從改變:改變風(fēng)機性能曲線(xiàn)或改變管路性能曲線(xiàn)這2個(gè)途徑著(zhù)手Q, VH"=ny(1)3.1改變管路性能曲線(xiàn)的調節方法參見(jiàn)圖4,風(fēng)機在不同轉速下的性能曲線(xiàn)AB3.1.1壓出管閥門(mén)節流和AB與管路性能曲線(xiàn)CE的交點(diǎn)分別為D和在風(fēng)機轉速不變的情況下,利用開(kāi)大或關(guān)小風(fēng)D。當工作點(diǎn)由D變至D點(diǎn),風(fēng)機的流量由Q1變機壓出管上閥門(mén)開(kāi)度,從而改變管路的阻抗系數S,至Q2,壓頭由H1降為H2。使管路性能曲線(xiàn)改變,以達到調節流量的目的。典下面討論改變風(fēng)機轉速的調節方法。型的定風(fēng)量系統風(fēng)量控制就是采取此種方法。對于風(fēng)機常用的異步電機,有如圖3,AB是風(fēng)機特性曲線(xiàn),當閥門(mén)全開(kāi)時(shí),其管路性能曲線(xiàn)為H1D,設此時(shí)管路阻抗系數為S1,流量最大為Q,則管路阻力損失SQ較小式中,n為電機轉速(rmin);f為交流電頻率(CD段),工作點(diǎn)為D;當閥門(mén)關(guān)至某一開(kāi)度時(shí),則(Hz);P為電機磁極對數s為電機轉差率(其值甚管路曲線(xiàn)由H1D變?yōu)镠1D,此時(shí)管路阻抗系數為小,一般異步電機小于0.1)S2,流量減至Q2,工作點(diǎn)由D→D,阻力損失為S2(CD段),而該流量Q2對應于原管路的損失僅為SQ(CE段),其余部分(S2-S1)Q為節流HAA的額外壓頭損失(ED段)。22 21 2圖4改變風(fēng)機性能調節方法分析從式(2)可以看出,改變轉速可從改變P或f著(zhù)手,以下分別討論。圖3壓出管和吸入管閥門(mén)流量調節1)采用可變具有多種磁極對數的變速電機,3.1.2吸入管閥門(mén)節流通過(guò)電氣開(kāi)關(guān),可方便地改變轉速。由于結構比如圖3所示,在風(fēng)機轉速不變的情況下,當關(guān)較復雜,通常僅兩級調速,即從3000跳至1500,小風(fēng)機吸入管閥門(mén)時(shí),不僅使管路性能曲線(xiàn)由原1500跳至100或由1000跳至750r/min。此方來(lái)的H1D變?yōu)镠D,同時(shí)也改變了風(fēng)機的性能曲法現在已很少用于空調系統線(xiàn),由AB變?yōu)锳B。因為當吸入閥門(mén)關(guān)小時(shí),風(fēng)中國煤化工子供電頻率達到機入口氣體的壓強降低,相應的氣體密度變小,其平滑CNMHG可以通過(guò)逐漸風(fēng)機壓頭和流量同時(shí)變小。于是節流后的工作點(diǎn)增大頻率和定子電壓,使電機轉速逐漸升高。當由節流前的D點(diǎn)移至D點(diǎn),其節流的額外壓頭損風(fēng)機達到設定的流量或壓力時(shí)就自動(dòng)地穩定旋金寧等:空調系統風(fēng)量調節與節能181轉,使風(fēng)機在超過(guò)市電頻率下運轉,適應空調負荷短時(shí)間大幅提高的要求。變頻調節是一種良好的空調節能調節方法。需要注意的是,由于變頻裝置會(huì )產(chǎn)生電磁波,應采取消除電磁波的技術(shù)手段,以達到相關(guān)技術(shù)標準要求。3.2.2改變風(fēng)機進(jìn)口導流葉片角度21在風(fēng)機進(jìn)口處安裝導流器(又稱(chēng)風(fēng)機啟動(dòng)多葉調節閥),當導流器葉片角度改變時(shí),進(jìn)入葉輪的氣6定靜壓控制風(fēng)機運行曲線(xiàn)流預旋方向改變,風(fēng)機本身的性能曲線(xiàn)隨之改變。N, QH(3)Q2 Hz(4)HH(5)式中,N為風(fēng)機功率;Q為風(fēng)機流量;H為風(fēng)機全壓;為風(fēng)機效率。在定靜壓控制下,由于H1=H2,當風(fēng)量從額23Q2g1定工況減少時(shí),效率有所下降,所以有>,圖5導流器調節特性曲線(xiàn)得到:導流葉片既是風(fēng)機的組成部分,又是吸人管(6)路上的調節閥,因此它的角度變化既改變了風(fēng)機由此可知,在部分負荷工況下,風(fēng)機功率的下性能曲線(xiàn),又改變了管路性能曲線(xiàn),使該方法具有降幅度超過(guò)風(fēng)機風(fēng)量,因此定靜壓控制系統在部調節靈活的特點(diǎn)。分負荷運行時(shí)具有較大的節能潛力。導流器調節法的特性曲線(xiàn)如圖5。以風(fēng)機導3.3.2變靜壓控制節能分析流葉片角度分別為0°,30°和60°為例,風(fēng)機性能曲變靜壓控制方法是保持每個(gè)變風(fēng)量末端的閥線(xiàn)和管路性能曲線(xiàn)對應各有3條其工作點(diǎn)分別為門(mén)開(kāi)度在85%~100%之間,通過(guò)調節風(fēng)機轉速來(lái)1,2和3。當調節導流葉片角度而減小風(fēng)量時(shí)風(fēng)改變空調系統的送風(fēng)量。值得指出的是,此時(shí)管機功率沿著(zhù)1,2和3下降。如不安裝導流器只依道綜合阻力系數S變化很小?？抗芫W(wǎng)節流使風(fēng)量減小到Q2和Q3時(shí),風(fēng)機功率當空調負荷減小時(shí),系統風(fēng)量同時(shí)減少,工況沿著(zhù)葉片角度為0°的功率曲線(xiàn)由1向2和3移點(diǎn)沿管路性能曲線(xiàn)從1→2,風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)機壓頭動(dòng),所以用導流器調節,比單用管路節流閥調節消相應變化。當然,由于管路綜合阻力系數S的微耗的功率小,是一種比較經(jīng)濟的調節方法。小變化,系統運行工況點(diǎn)的位置也可能發(fā)生微小3.3定靜壓控制與變靜壓控制的節能分析的偏離,如圖7所示3.3.1定靜壓控制節能分析定靜壓系統根據室內負荷的變化調節末端裝置的閥門(mén)開(kāi)度,控制送風(fēng)量,同時(shí)通過(guò)改變風(fēng)機轉速維持總風(fēng)管靜壓值不變。當房間負荷下降,風(fēng)管閥門(mén)關(guān)小,為保持風(fēng)管靜壓需調節風(fēng)機性能曲線(xiàn)下移;部分房間或空調區域的變風(fēng)量末端裝置閥門(mén)開(kāi)度調小,管道的局中國煤化工部阻力增加,管路性能曲線(xiàn)變陡,二者結合,使風(fēng)CNMHG管系統運行工況點(diǎn)從1→2,如圖6所示。1和2兩點(diǎn)工況下風(fēng)機功率及其比值如下:圖7變靜壓控制風(fēng)機運行曲線(xiàn)第四屆中國制冷空調行業(yè)信息大會(huì )論文集根據相似準則式(1)~(5)同樣成立?？紤]到4結束語(yǔ)H,=S, QI(7)空調系統的風(fēng)量改變可以通過(guò)管路閥門(mén)開(kāi)度H2=S, Q2(8)改變以及風(fēng)機風(fēng)量改變調節。風(fēng)機風(fēng)量調節系代人式(5),得統,即變風(fēng)量空調系統具有節省能量的特點(diǎn)。變N2 QSN, QiS中變靜壓控制具有更好的節能效果。對于變靜壓控制方法,系統阻力變化(9)風(fēng)量空調系統分為定靜壓控制和變靜壓控制其≈S2。風(fēng)機雖會(huì )偏離額定工況,但只要選擇風(fēng)機參考文獻時(shí)將額定工作點(diǎn)選在效率變化平緩區,則孫≈孕,[1]霍小平中央空調自控系統設計,北京:中國電力出版社,2004.N, QQ(10)[2]王字清流體力學(xué)泵與風(fēng)機北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001由式(10)可知,對于變靜壓控制系統,風(fēng)機功[3]符永正吳克啟背壓對泵與風(fēng)機變速調節節能效益率的變化比例接近風(fēng)機風(fēng)量的3次方。因此,在風(fēng)的影響.暖通空調,2004,34(3):7476.量變化相同的情況下,變靜壓控制比定靜壓控制[4]孫勇,翁文斌,黃晨,等變風(fēng)量空調系統控制方法∥更具節能優(yōu)勢。上海制冷年會(huì ),2004.中國煤化工CNMHG