王文修 謝軍龍 劉 鑫 郭用松

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船用VAV末端裝置風量傳感器布置對風量傳感特性的影響研究

王文修1謝軍龍2劉 鑫2郭用松2

（1.華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院 武漢 430074；2.華中科技大學能源與動力工程學院 武漢 430074）

船用變風量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)空調(diào)負荷的變化，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)送風量，以滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求，而末端裝置風量傳感器的風量傳感特性對變風量系統(tǒng)的運行至關重要。以配置均速管流量傳感器的船用壓力無關型VAV末端裝置為研究對象，該末端裝置采用圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成的風閥。搭建變風量末端裝置風量測量實驗臺，設定三種典型進口基準風量條件，測量末端裝置風道斷面的動壓分布?；跍y得的風道斷面動壓分布，分析風量傳感器布置對風量傳感特性的影響，優(yōu)化傳感器布置來提高末端裝置風量傳感特性，為VAV末端裝置的改造提供了參考。

船用；變風量空調(diào)；末端裝置；風量傳感特性

0 引言

變風量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)空調(diào)負荷的變化來自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)送風量，以此滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求的。同時根據(jù)實際送風量自動調(diào)節(jié)送風機的頻率，進而最大限度減少風機動力，節(jié)約風機能耗。變風量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置是變風量系統(tǒng)中最關鍵的設備之一，能根據(jù)被服務區(qū)域的冷熱負荷和通風要求來調(diào)節(jié)送風量，從而達到節(jié)省能耗的目的[1]。風量傳感器是變風量末端裝置的關鍵部件，其傳感特性的優(yōu)劣直接關系到變風量末端裝置能否準確調(diào)節(jié)風量，從而影響到房間內(nèi)溫度控制的準確性與系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性[2]。如果風量測量值大于真實值，將不能滿足室內(nèi)冷熱負荷要求；如果風量測量值小于真實值，將造成能源的浪費[3]。

目前國內(nèi)對變風量末端裝置的風量傳感特性的專門研究和工程設計應用中所能參考的資料都比較少。有研究人員對我國常用的幾種風速傳感器的基本原理進行了闡述，對風速傳感器的選型及系統(tǒng)設計時應注意的一些技術要求進行了探討[4,5]，并介紹了變風量末端裝置的整定測試裝置和測試方法[6]；有研究者搭建了變風量試驗臺，并針對控制方法和末端的動態(tài)送風特性進行了探討[7,8]；有研究者利用Matlab仿真VAV空調(diào)系統(tǒng)壓力無關型末端裝置的穩(wěn)定性能，體現(xiàn)出計算機仿真技術的應用價值和前景[9]。

本文從風量傳感器的放置位置入手來研究變風量末端裝置的風量傳感特性，首先搭建變風量末端裝置風量測量實驗臺，設定三種典型進口基準風量條件，測量末端裝置風量傳感器所在風道截面的動壓分布?；跍y得的風道截面動壓分布，分析風量傳感器放置位置對風量傳感特性的影響，提出優(yōu)化方案提高風量傳感器的風量傳感特性，為VAV末端裝置的改造提供了參考。

1 船用VAV末端裝置及風量測量試驗臺

1.1 船用VAV末端裝置結(jié)構(gòu)

本文所研究的船用變風量末端裝置為配置差壓式均速管流量傳感器的壓力無關型變風量末端裝置，其名義進口尺寸為100mm，額定最大風量為350m3/h，最小風量為120m3/h。壓力無關型末端與壓力有關型相比，在結(jié)構(gòu)上只是多了一個風速測量裝置，其余只有控制上的區(qū)別。末端裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣流從進口流入末端裝置后經(jīng)過圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成的風閥的節(jié)流作用，流過壁面和導流板形成的風道后經(jīng)出口撞擊到擋風板進入到空調(diào)區(qū)域。風閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成，風量傳感器位于風閥下游270mm處，執(zhí)行機構(gòu)通過改變圓形平板葉片的位移來調(diào)節(jié)風閥開度的大小。風量傳感器采用圖2所示的均速管，其中a、b、c、d表示四組取壓孔，安裝在圖1所示位置。均速管對被測截面上各測點的動壓取平均值，求取平均流速。將被測截面分成若干區(qū)域，在每個區(qū)域中心位置的細管上開小孔作為測點，迎著氣流方向，這些孔就是全壓測孔，同時，在另一根相同截面的細管的背流方向開一個或多個靜壓測孔[5]。利用均速管測量風量的計算公式見式（1）至式（4）。

圖1 末端裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 均速管結(jié)構(gòu)示意圖

（2）

（3）

式中：P為全壓，Pa；P為靜壓，Pa；為動壓，Pa；為平均速度，m/s；為空氣密度，kg/m3；為風道斷面面積，m2；為風量，m3/h。

1.2 末端裝置風量測量試驗臺

變風量系統(tǒng)是通過風量傳感器來實現(xiàn)對風量的測量，通過風量傳感器，可了解氣流流動規(guī)律，也可經(jīng)過計算得到流過變風量末端裝置的空氣的體積流量，從而實現(xiàn)對每個末端裝置乃至整個空調(diào)系統(tǒng)的送風量進行有效控制。本試驗的目的是測試變風量末端風量傳感器的性能，風量測量實驗臺主要由風機、風量測試裝置、風管、被測變風量末端裝置及測試數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成。圖3為變風量末端裝置風量測量實驗臺整體概況圖，圖4為試驗臺原理圖，實驗臺參照國家標準的要求建立，該實驗方法參照相關標準進行[6]，整個數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)以計算機、采集模塊和壓差變送傳感器為核心。

圖3 末端裝置風量測量試驗臺架

圖4 試驗臺原理圖

2 末端裝置風道斷面風速試驗

2.1 風速測量風道斷面及測點布置

試驗測試閥門固定在100%開度時三種工況下兩個風道斷面的風速分布情況，工況設定詳見表1，風道斷面位置示意見圖5所示，風道斷面1位于風閥下游285mm處，兩個風道斷面等間隔相距25mm。風道斷面尺寸為長445mm、寬37mm，每個風道斷面上布置7個測點，測點4位于風道斷面中心位置，作為坐標原點建立x坐標系，標出各測點的x坐標如圖6所示。試驗測試用直徑為4mm的L型皮托管進行測量，測得風道斷面各測點的動壓值，經(jīng)過計算得到風量值。

表1 試驗工況

圖5 風道斷面位置示意圖

圖6 風道斷面測點位置示意圖

2.2 試驗結(jié)果與分析

圖7是三種工況下風道斷面動壓測量結(jié)果，由此可看出風道斷面動壓分布是不均勻的，且三種工況風道斷面1和斷面2呈現(xiàn)出相同的動壓分布規(guī)律。

（a）工況1

（b）工況2

由圖7可知，在三種工況條件下風道斷面1和斷面2動壓測試結(jié)果接近，可簡化為具有相同的動壓分布，由此簡化帶來的誤差可忽略不計。由曲線擬合得到三種工況下動壓與測點x坐標的公式，匯總于表2。

表2 動壓計算擬合公式

其中，x為測壓孔的坐標，mm；Δ為動壓，Pa。

3 傳感器布置對風量傳感特性的影響

基于風道斷面動壓分布情況，提出三種風量傳感器布置方案，每種方案的位置用測壓孔a的x坐標來標識，詳見表3，其中方案3為均速管風量傳感器原布置位置，測壓孔b、c和d的x坐標可通過各測壓孔的間距計算得到，見公式（5）至公式（7）。將均速管的四個測壓孔a、b、c、d的x坐標帶入表2中的三種工況的動壓擬合公式，即可得到四個測壓孔處動壓、、、，然后將、、、帶入公式（2）計算得到平均動壓，最后根據(jù)公式（3）和（4）計算得到風量。最后利用計算得到的風量同進口基準風量進行比較求得風量測量誤差，誤差計算見公式（8）。

（6）

（7）

經(jīng)計算得到三種方案的風量和風量測量誤差如表3所示，各方案誤差對比如圖8所示，方案1比末端裝置均速管原布置方案3風量測量誤差率減小4%左右。

表3 傳感器各布置方案風量誤差對比

圖8 各方案風量測量誤差對比圖

4 結(jié)論

（1）由于現(xiàn)有VAV末端裝置風道結(jié)構(gòu)的設計問題，使得風道斷面動壓分布并不均勻，而風量傳感器均速管只有4組測壓孔，只能取4組測壓孔所在位置處動壓的平均值來計算風量，這勢必造成一定的風量測量誤差。因此風量傳感器的布置對于風量傳感特性非常重要，本文為提高末端裝置風量傳感特性提供了一種優(yōu)化方法。

（2）本文測試了末端裝置風道斷面的動壓分布，說明了風量測量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了傳感器布置的優(yōu)化方案提高風量傳感特性，為設計者提高VAV末端裝置風量傳感特性提供了一種思路和參考。

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Influence of Air Flow Sensor Arrangement on the Airflow Sensing Characteristics of Marine VAV Terminal

Wang Wenxiu1Xie Junlong2Liu Xin2Guo Yongsong2

( 1.College of Clean and Renewable Energy, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074;2.College of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

The VAV air conditioning system can automatically adjust the indoor air supply quantity according to the change of the air conditioning load to meet the requirements of the indoor hot and humid environment. The air volume sensing characteristic of the end air volume sensor is crucial to the operation of the VAV system. In this paper, a pressure-independent VAV terminal device is designed, which is composed of a circular plate vane and a porous cylindrical valve. The air flow measurement station of the VAV terminal was set up, and three typical reference air flow conditions were set up to measure the dynamic pressure distribution of the duct section of the terminal device. Based on the measured dynamic pressure profile of the duct section, the influence of the air flow sensor arrangement on the air flow sensing characteristics is analyzed, and the sensor arrangement is optimized to improve the air flow sensing characteristic of the terminal device. It provides a reference for the retrofit of the VAV terminal device.

marine; variable air volume air conditioning; terminal device; air volume sensing characteristics

1671-6612（2017）04-396-05

U664.86

A

國家自然科學基金資助項目（No.51376077）

王文修（1990-），男，在讀碩士研究生，E-mail：hustwwx007@163.com

謝軍龍（1970-），男，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2016-11-07