薛永飛, 王春燕, 王迎輝, 段煥林

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.成都紡織高等專科學(xué)校 紡織系，四川 成都 610063)

中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的控制特性分析

薛永飛1, 王春燕2, 王迎輝1, 段煥林1

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.成都紡織高等?？茖W(xué)校 紡織系，四川 成都 610063)

設(shè)計(jì)了某區(qū)的中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)并研究了其中間負(fù)荷特性.當(dāng)小支管的風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，總壓力呈上凸拋物線函數(shù)關(guān)系；當(dāng)小支管上兩個(gè)房間同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)壓幾乎相等；系統(tǒng)中原最不利管路上的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷變化，易造成最不利管路的轉(zhuǎn)移；分支管段起點(diǎn)的調(diào)節(jié)閥對管路調(diào)試起重要作用；系統(tǒng)總體的壓降流量是二次曲線，近似呈線性關(guān)系.對中央空調(diào)的中間負(fù)荷特性進(jìn)行研究，為系統(tǒng)調(diào)試和自控系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ).

中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)；中間負(fù)荷特性；最不利管路轉(zhuǎn)移；管路調(diào)試

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50155— 92《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》[1]第7.1.1 條對自動(dòng)控制的定義為“在無人直接參與下，采用控制裝置使被控設(shè)備、系統(tǒng)、生產(chǎn)過程或環(huán)境按著預(yù)定的方式運(yùn)行或使被控參數(shù)保持規(guī)定值的操作”.空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理方案和設(shè)備容量都是根據(jù)冬夏季節(jié)室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及最不利于室內(nèi)熱濕散發(fā)的情況計(jì)算所得的空調(diào)冷熱負(fù)荷來確定的[2-3].然而，實(shí)際運(yùn)行中空調(diào)系統(tǒng)的多干擾性、溫濕度的相關(guān)性和室外氣象參數(shù)隨季節(jié)交替而時(shí)時(shí)變化，室內(nèi)冷(熱)、濕散發(fā)量也時(shí)常改變[4].國內(nèi)不少學(xué)者對中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了控制研究[5-8]，通過對不同系統(tǒng)性能的分析，利用一定的手段去控制溫度、濕度、流動(dòng)速度、新鮮度及潔凈度等指標(biāo)，以滿足人們的生產(chǎn)與生活需要.總體來說，自動(dòng)控制系統(tǒng)是在非滿負(fù)荷時(shí)，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備達(dá)到提高大樓管理水平、節(jié)約能源、降低工人工作量的目的.然而，對中間負(fù)荷狀態(tài)研究的文獻(xiàn)尚較少.因此，本課題以中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)為例，研究中央空調(diào)系統(tǒng)的中間負(fù)荷特性.

圖1 某區(qū)風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 A wind system schematic diagram

1 中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)模型

對某建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，照明功率密度為20 W/m2，設(shè)計(jì)了中央空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示.風(fēng)機(jī)前面有過濾段和處理段，暫不考慮回風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)整個(gè)區(qū)域的風(fēng)量.因節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多，采用基數(shù)和序數(shù)混合的方式，13～17負(fù)擔(dān)大廳送風(fēng)，21～26負(fù)擔(dān)6個(gè)房間的送風(fēng),31～35為散流器風(fēng)口(400 mm2×400 mm2)，41～46為房間百葉送風(fēng)風(fēng)口，送風(fēng)口設(shè)計(jì)為320 mm2×150 mm2，總風(fēng)量由空調(diào)機(jī)組控制，風(fēng)量可自由調(diào)節(jié).

11節(jié)點(diǎn)下游有3條風(fēng)管并聯(lián)(命名為1，2，3支路)，每條風(fēng)管有5個(gè)送風(fēng)口均勻布置，上游節(jié)點(diǎn)5，4，3，2有小支管，每個(gè)小支管有一個(gè)風(fēng)口.節(jié)點(diǎn)5下游的另外一個(gè)方向稱為4支路.

當(dāng)所有風(fēng)口滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中風(fēng)量為50 954 m3/h，總風(fēng)壓為268 Pa，風(fēng)機(jī)需要的流量呈式(1)變化：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；n為轉(zhuǎn)速，r/min；λ為比例系數(shù)；p為磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率，Hz.

2 中間負(fù)荷情況

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中1020房間負(fù)荷為0(關(guān)閉46)時(shí)，系統(tǒng)中總風(fēng)量為49 134m3/h，此時(shí)系統(tǒng)中總風(fēng)壓為226.2Pa；當(dāng)該風(fēng)口以50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，該風(fēng)口總流量為910m3/h，系統(tǒng)總風(fēng)量為50 044m3/h，系統(tǒng)中總風(fēng)壓為270.1Pa；當(dāng)風(fēng)口所在段以75%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)口風(fēng)量為1 365m3/h，系統(tǒng)總風(fēng)量為50 499m3/h，系統(tǒng)中總風(fēng)壓為272.1Pa.此時(shí)，負(fù)荷變化與風(fēng)量變化的關(guān)系如圖2所示，風(fēng)量與壓力的變化不是呈線性關(guān)系，壓力和流量呈拋物線函數(shù)全枝變化.

取26，9，24，17和16.2這5個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，讓它們的閥門分別關(guān)閉，系統(tǒng)中減少的流量對應(yīng)為1 804m3/h，2 084m3/h，2 184m3/h，2 308m3/h和2 308m3/h.此時(shí)，系統(tǒng)中風(fēng)壓隨風(fēng)量變化的關(guān)系見圖3.顯然，此時(shí)的風(fēng)壓隨風(fēng)量變化也不是呈線性關(guān)系.系統(tǒng)中1-17管路是原最不利管路，由于節(jié)點(diǎn)35的關(guān)閉，造成了最不利管路的轉(zhuǎn)移，變?yōu)?-6-11-17.2，此時(shí)所需的壓力也明顯下降為245Pa左右.大廳另外一側(cè)末端管路的關(guān)閉對最不利管路沒有影響，壓力值為258.2Pa.若不考慮17節(jié)點(diǎn)，壓力變化仍然不是線性變化.

圖2 負(fù)荷與風(fēng)量的關(guān)系Fig.2 The relationship between the load and air volume

圖3 風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系Fig.3 The relationship between wind pressure and air volume

考慮兩個(gè)房間同時(shí)發(fā)生變化：當(dāng)1020(46)和1026(41)房間沒有負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的總風(fēng)量和風(fēng)壓分別為46 674m3/h和250.985 2Pa；當(dāng)1020(46)和1021(45)房間沒有負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的總風(fēng)量和風(fēng)壓分別為46 594m3/h和250.657 4Pa.由此可知，系統(tǒng)總風(fēng)壓沒有變化，小范圍內(nèi)近似呈線性.

考慮大廳支路上兩個(gè)風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉：當(dāng)35.2和33.2風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)壓分別為46 338m3/h和219.52Pa；當(dāng)35.2和35風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)需求總風(fēng)量沒有變化，風(fēng)壓為236.72Pa，系統(tǒng)最不利管路變?yōu)?-6-11-17.1.

由此可見，系統(tǒng)所需風(fēng)量是可以準(zhǔn)確確定的，但風(fēng)壓的需求不斷變化且沒有規(guī)律，比滿負(fù)荷時(shí)的268.1Pa小一些.

龍斌笑了笑，又輕輕地握住了竹韻的手：“海力從前名叫王小林，被開除后就去廣東打工去了，沒想到這些年混出了名堂，做了大老板?？晌夷?？卻成了活著沒埋的死人，什么也不能做，吃國家勞保，還要老婆侍候，連老婆做女人的權(quán)利都不能給她。小韻，你講，我做了英雄之后的歲月還是英雄嗎？海小林當(dāng)初貪生怕死做了狗熊是不那么光彩，可是他保住了生命和健全的身體，現(xiàn)在不但自己發(fā)了財(cái)，還可以招收下崗職工就業(yè)，接濟(jì)貧困職工，還能關(guān)照我這個(gè)英雄。如果我當(dāng)初跟他一樣，今天的我會(huì)是這個(gè)樣子嗎？和他相比，到底他是英雄，還是我是英雄……”

對1個(gè)風(fēng)口關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)管路上的壓力，選取26號(hào)風(fēng)口和9號(hào)風(fēng)口與滿負(fù)荷時(shí)相比較.26號(hào)風(fēng)口對下游管路不產(chǎn)生影響，9號(hào)風(fēng)口只影響4支路的情況，壓強(qiáng)單獨(dú)在一個(gè)位置下降，需要在此增加阻抗.35號(hào)風(fēng)口與滿負(fù)荷時(shí)比較，35號(hào)風(fēng)口關(guān)閉造成最不利管路的轉(zhuǎn)移，此時(shí)要求在1支路上11節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)閥門調(diào)節(jié)裝置，否則會(huì)造成1支路的流量增加，此時(shí)的系統(tǒng)總壓以3支路為依據(jù)，3支路的11節(jié)點(diǎn)阻抗可調(diào)為0，也就是讓調(diào)節(jié)風(fēng)門全開.

最不利管路上流量的變化會(huì)引起系統(tǒng)風(fēng)壓計(jì)算依據(jù)的變化，此時(shí)對支路上的主調(diào)節(jié)閥門要格外重視.其他主支路上的流量變化可近似認(rèn)為是流量的上凸二次函數(shù)的下降曲線(圖3，除17點(diǎn)).26節(jié)點(diǎn)的流量變化對系統(tǒng)而言，壓力和流量呈上凸拋物線函數(shù)全枝變化，系統(tǒng)流量的變化和壓力的關(guān)系變得更加復(fù)雜.

選取26號(hào)風(fēng)口和綜合房間風(fēng)口，通過對比觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中兩個(gè)房間同時(shí)發(fā)生變化的時(shí)侯，在不影響主支路1的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)分支后面要增加一定的管路阻抗，之后的管路壓力分布相同.系統(tǒng)要滿足管路中的壓力，是通過管路的閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的.此時(shí)，閥后的壓力不能作為傳感參數(shù)使用，支路4的9節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，見圖4.這個(gè)管路中的7-8-9已經(jīng)不再流動(dòng)，僅7節(jié)點(diǎn)壓力提供22風(fēng)口使用.

大廳中多兩個(gè)風(fēng)口同時(shí)發(fā)生關(guān)閉，一個(gè)發(fā)生在1支路的末端，一個(gè)發(fā)生在3支路的末端，見圖5.這時(shí)，最不利管路轉(zhuǎn)移到2支路上，系統(tǒng)要滿足管路中的壓力，是通過管路閥門調(diào)節(jié)1，3，4支路上的閥門開度而實(shí)現(xiàn)的.此時(shí)，1，3兩個(gè)支路的壓力幾乎全部小于滿負(fù)荷時(shí)，4支路上在6節(jié)點(diǎn)之后全部等于滿負(fù)荷情況，而2支路上在分叉點(diǎn)之后的壓力要稍高于滿負(fù)荷時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門應(yīng)全開.

圖4 4支路風(fēng)壓的分布Fig.4 Distribution of wind pressure on the No.4 branch

圖5 風(fēng)量分布變化Fig.5 Distribution of air pressure

當(dāng)所有風(fēng)口處的負(fù)荷都發(fā)生變化時(shí)，見圖6，所有位置負(fù)荷均為原來的50%，總送風(fēng)量為25 447m3/h，風(fēng)道壓力為132.86Pa，此時(shí)最不利管路轉(zhuǎn)移到2支路上，壓差為1.47Pa.所有曲線沒有交叉，此時(shí)可考慮變頻運(yùn)行.

當(dāng)所有風(fēng)口75%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量為38 215.5m3/h，系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)總壓力為188.15Pa.整體看一下風(fēng)量風(fēng)壓的情況，把滿負(fù)荷、全0.5倍風(fēng)量與全0.75倍風(fēng)量的情況列出.

對所需壓強(qiáng)擬合，用直線和曲線兩種方式，系統(tǒng)總體的流量和壓降是二次曲線，近似呈直線特性，見圖7.

圖6 風(fēng)量分布變化Fig.6 Distribution of air pressure

圖7 風(fēng)壓風(fēng)量變化及擬合Fig.7 Variation diagram and fitting of air pressure

風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)依賴轉(zhuǎn)速的改變，在相似條件下，風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比.

單獨(dú)看式(1),風(fēng)機(jī)的流量和轉(zhuǎn)速及頻率成比例關(guān)系，但考慮到系統(tǒng)所需的壓力，風(fēng)機(jī)的壓力要抵抗中間負(fù)荷時(shí)最不利支路的影響，對其他支路要采用閥門調(diào)節(jié)的方式來平衡.系統(tǒng)中，流量是多變的，相比壓力變化幅值較小.系統(tǒng)中,對總壓變化敏感的管段是今后關(guān)注的方向.

3 結(jié)論

針對全空氣空調(diào)系統(tǒng)，負(fù)荷變化的時(shí)候，風(fēng)機(jī)壓力的變化規(guī)律如下：

(1)小支管的風(fēng)量發(fā)生變化，不影響其他支路壓力的分布，但總壓力的變化不是呈線性關(guān)系，壓力和流量呈上凸拋物線全枝變化.小支管上的兩個(gè)房間同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)壓幾乎不變.

(2)隨機(jī)取系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，僅對一個(gè)節(jié)點(diǎn)分析，其風(fēng)壓隨風(fēng)量變化呈非線性關(guān)系，系統(tǒng)中原最不利管路上的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉造成了最不利管路的轉(zhuǎn)移，使壓力計(jì)算依據(jù)發(fā)生了變化.

(3)大廳中兩個(gè)風(fēng)口同時(shí)關(guān)閉，一個(gè)發(fā)生在主1支路的末端，一個(gè)發(fā)生在3支路的末端.這時(shí)，最不利管路轉(zhuǎn)移到了2支路上，系統(tǒng)要滿足管路中的壓力，是通過管路閥門調(diào)節(jié)1，3，4支路上的閥門開度實(shí)現(xiàn)的.此時(shí)，1，3兩支路的壓力幾乎全部小于滿負(fù)荷時(shí)，4支路上在6節(jié)點(diǎn)之后全部等于滿負(fù)荷情況，而2支路上在分叉點(diǎn)之后的壓力要稍高于滿負(fù)荷時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門應(yīng)全開.

(4)系統(tǒng)總體的流量和壓降關(guān)系是二次曲線，系統(tǒng)中總體風(fēng)壓風(fēng)量近似呈線性關(guān)系.當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量增加時(shí)，斜率在不斷增加，系統(tǒng)中的需求風(fēng)壓會(huì)增加.在實(shí)際工程中，可以根據(jù)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行一些調(diào)整，讓空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中盡量減少一些損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)：GB50155—92[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

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Analysis of control characteristics of central air conditioning system

XUE Yongfei1，WANG Chunyan2，WANG Yinghui1，DUAN Huanlin1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；2.DepartmentofTextile,ChengduTextileCollege,Chengdu610063,China)

In this paper, a central air conditioning system is designed to study the intermediate load characteristics. When a small branch of the air flow changed, a convex parabolic function relationship of the total pressure is created. When two little branches change at the same time, the changed system pressure is almost equal. The nodes load changing in the most unfavorable pipeline, would transfer the most unfavorable line. The regulating valves at the starting position of the branch pipeline play an important role about pipeline adjustments. The total pressure drop of the system is the quadratic function curve, is approximately linear. Thus, the study of central air conditioning load characteristics laid the foundation for the system debugging and installing design of automatic control system.

central air conditioning system; intermediate load characteristics; the most unfavorable pipeline transferring; pipeline debugging

2016-12-05

河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2010A560006，2011B510002)；河南工程學(xué)院本科重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目(201618)；河南工程學(xué)院“建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程”專業(yè)綜合改革試點(diǎn)教學(xué)工程項(xiàng)目(201505)

薛永飛(1972-)，男，河南魯山人，副教授，博士，主要從事暖通空調(diào)系統(tǒng)、流體機(jī)械與氣動(dòng)聲學(xué)方面的研究.

TU83

A

1674-330X(2017)01-0053-04