空调系统风量调节与节能

第8卷增刊制冷与空调2008年6月REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING178-182空调系统风量调节与节能金宁严庆翱李洋(上海理工大学)摘要介绍空调系统风量调节的方法,重点是变风量空调系统,其控制方面包括定静压、变静压控制等方法,同时讨论空调系统中的阀门、风机与管路性能对控制的影响,并分析比较各种控制方法的节能效果。关键词变风量系统定静压控制变静压控制节能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变风量空调系统起源于20世纪60年代的美控制,可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动国,70年代后爆发的能源危机推动了变风量空调调节工作环境。系统的研究和应用。变风量空调系统之所以能够2)节省能源和运行费用——空调系统大部分起到节能的作用,是因为该系统能够根据室内空时间是在部分负荷下工作,变风量系统通过改变调负荷的变化,自动调节室内空调送风量,控制风机运行方式,使得风机的能耗大为降低,同时也温、湿度在限定范围内,满足室内热、湿环境要求。降低了空调冷热源的冷热负荷,从而大大节省能于该系统根据调节后实际送风量自动调节源和运行费用。送风机的转速,从而最大限度地减少了风机动力,3)便于集中监控优化管理——随着自控技术节约能量消耗。实际运行和一些统计资料表明,在建筑领域的应用BA系统的技术取得了长足发变风量空调系统的能耗比定风量空调系统减少展,变风量系统本身自动化程度很高,有的变风量20%~30%因此变风量空调系统有着广泛的应末端装置还具有通讯功能极易与楼宇中其他系用前景统(如安防、照明、消防等)相互联网进行集中监控经历了多年的不断完善和发展,变风量空调优化管理。系统在控制方面取得了长足的进展。1.2变风量空调系统形式1变风量空调系统按照服务区间分类,变风量系统可以分为独定风量空调系统通过改变送风温度调节空调立区域和多区域系统。温度,变风量系统则通过改变送风量来调节和控独立区域变风量系统通过直接改变风机盘管制空调温度。机组V凵中国煤化工现对系统风量1.1变风量空调系统的特点的调CNMHG设置在空调房1)控制灵活——使用变风量末端调节装置,间内或罪近空调房同的机厉内,逍常仅负责一个变风量空调系统可以实现局部区域或房间的灵活区域,由置于空调房间的温控器来控制机组风机金宁等:空调系统风量调节与节能179的转速,改变送人房间的风量。由于在独立区域的送风机就可以实现,但是这种调节方法以消耗内,房间空调负荷的变化规律相同,故各送风口不风机的运行能耗为代价。通常设计中,风机的设需要再设置变风量末端装置,机组送风量根据房计容量都要比实际需要高得多,出现“大马拉小间负荷的变化而变化。考虑到送风温差问题,还车”的现象,造成能量的巨大浪费可以同时通过调节机组的水温或水量来控制机组压力无关型变风量末端装置是根据室温测定的送风温度,防止结露。独立区域变风量系统控值与设定值的温度偏差对风量控制回路给出风量制简单,节能效果好,没有复杂的末端控制,随着设定值,而风量控制回路再根据设定风量和测定变频器价格的下降,该方式具有较广泛的应用风量的风量偏差控制风阀阀位,从而调节送风量前景。达到对室温的控制,见图2。多区域空调系统负责多个区域。当变风量空调系统向不同的区域送风,而这些区域的负荷变送风量化互不相同时,多区域变风量系统就显示出其优越性。其与独立区域变风量系统的主要区别是,盈度传感器除了机组的风量可以调节外,每个空调房间的送图2压力无关型变风量末端控制风支管都设有变风量末端装置( VAV BOX),空调由图2可知,压力无关型变风量末端允许改变房间的温控器根据所在房间的温度调节对应末端送风机的风量,这种调节方法可以节约风机的运装置的阀门开度控制送入房间的风量达到变风行能耗。一般当1台空调机组为多个不同空间提量控制室内温度的目的。供空调时,大多数时间运行在最大负荷的70%~目前所指的变风量系统一般都是指多区域变80%状况。当采用变频方式调节风机转速时,允风量系统。因为独立区域变风量系统只有风机调许按最大负荷的70%~80%选择风机的额定功速部分,而无末端装置,因此往往将独立区域变风率避免了“大马拉小车”。量系统简单地归结于风机风量调节方法中。2变风量空调系统送风量控制1.3变风量末端装置静压法,即在满足一定静压条件下控制系统变风量末端装置有多种形式,可以分为单风风量,主要有定静压控制法和变静压控制法。道式和双风道式;又可按有无加热器分为单冷式、2.1定静压控制法系统控制带电加热式和带热水加热式;按有无风机分为有在变风量空调系统设计中,通常采用定静压风机式和无风机式;按末端控制方式分为压力有控制法。即在送风干管适当位置设置静压传感器关型和压力无关型(实际工程应用中,定压测点通常选择在管路阻力在目前国内外的变风量系统工程中,单风道为总阻力的2/3处),由静压信号控制送风机送风节流型变风量末端装置应用得较为广泛,笔者仅在系统运行过程中设定的静压值不变以末端装置控制方式来分析压力有关型末端装置2.2变静压控制法系统控制和压力无关型末端装置。变静压控制根据系统实际需要,在满足当前压力有关型变风量末端装置是根据室温测定流量要求的同时,阶段性地改变静压设定值尽量值与设定值的温度偏差控制风阀的阀位,从而调使静压保持允许的最低值从而节省风机能耗因节送风量,达到对室温的控制,如图1所示。此也称为最小静压控制。它实际上使用了一个串送风量→控制器[]度级控制回路,在主控制回路上串联一个风量控制回路,当末端装置入口静压变化时,能够根据风量温度传感器的变化较快地补偿压力变化,从而消除各个支路图1压力有关型变风量末端控制间的耦合关系。这种控制的不足之处是阀位的调整会影响到变静压控制是在定静压控制方法的基础上的其他房间。由于这种相互影响及系统的热惯性,改进rV凵中国煤化工状况来判断系导致变风量系统的振荡使房间温度产生不稳定统风CNMHG现系犹中有一个禾厢装直阀门开度达到压力有关型变风量末端装置只需要配合定频100%,而风量不足时,风机转速增大,提高送风第四届中国制冷空调行业信息大会论文集静压;失也从(S2-S1)Q(ED段)相应减小为(S2-S1)当系统各末端装置阀门开度均在75%以下Q(ED段),所以在风机吸入管处设置调节阀比时,表示风量富裕,风机转速降低,送风静压减小;在压出管处设置有利。当系统中至少有一个末端装置阀门开度在3.2改变风机性能曲线的调节法75%~100%之间时,表示风量适当,风机维持原为节约空调能耗,各种变流量的风机及变风有转速量系统等相继发展,它们大多以调节风机性能曲这样可以尽量降低风机运行的静余压,节省线来满足节能要求。风机运行能耗。3.2.1改变风机的转速变风量系统节能方式和原理由相似律可知,当改变风机转速n时,其效率变风量系统节能最主要的方法是根据室内负基本不变,但流量Q压头H及功率N都按式(1)荷调节系统工作状况。而调节系统工作状况可从改变:改变风机性能曲线或改变管路性能曲线这2个途径着手Q, VH"=ny(1)3.1改变管路性能曲线的调节方法参见图4,风机在不同转速下的性能曲线AB3.1.1压出管阀门节流和AB与管路性能曲线CE的交点分别为D和在风机转速不变的情况下,利用开大或关小风D。当工作点由D变至D点,风机的流量由Q1变机压出管上阀门开度,从而改变管路的阻抗系数S,至Q2,压头由H1降为H2。使管路性能曲线改变,以达到调节流量的目的。典下面讨论改变风机转速的调节方法。型的定风量系统风量控制就是采取此种方法。对于风机常用的异步电机,有如图3,AB是风机特性曲线,当阀门全开时,其管路性能曲线为H1D,设此时管路阻抗系数为S1,流量最大为Q,则管路阻力损失SQ较小式中,n为电机转速(rmin);f为交流电频率(CD段),工作点为D;当阀门关至某一开度时,则(Hz);P为电机磁极对数s为电机转差率(其值甚管路曲线由H1D变为H1D,此时管路阻抗系数为小,一般异步电机小于0.1)S2,流量减至Q2,工作点由D→D,阻力损失为S2(CD段),而该流量Q2对应于原管路的损失仅为SQ(CE段),其余部分(S2-S1)Q为节流HAA的额外压头损失(ED段)。22 21 2图4改变风机性能调节方法分析从式(2)可以看出,改变转速可从改变P或f着手,以下分别讨论。图3压出管和吸入管阀门流量调节1)采用可变具有多种磁极对数的变速电机,3.1.2吸入管阀门节流通过电气开关,可方便地改变转速。由于结构比如图3所示,在风机转速不变的情况下,当关较复杂,通常仅两级调速,即从3000跳至1500,小风机吸入管阀门时,不仅使管路性能曲线由原1500跳至100或由1000跳至750r/min。此方来的H1D变为HD,同时也改变了风机的性能曲法现在已很少用于空调系统线,由AB变为AB。因为当吸入阀门关小时,风中国煤化工子供电频率达到机入口气体的压强降低,相应的气体密度变小,其平滑CNMHG可以通过逐渐风机压头和流量同时变小。于是节流后的工作点增大频率和定子电压,使电机转速逐渐升高。当由节流前的D点移至D点,其节流的额外压头损风机达到设定的流量或压力时就自动地稳定旋金宁等:空调系统风量调节与节能181转,使风机在超过市电频率下运转,适应空调负荷短时间大幅提高的要求。变频调节是一种良好的空调节能调节方法。需要注意的是,由于变频装置会产生电磁波,应采取消除电磁波的技术手段,以达到相关技术标准要求。3.2.2改变风机进口导流叶片角度21在风机进口处安装导流器(又称风机启动多叶调节阀),当导流器叶片角度改变时,进入叶轮的气6定静压控制风机运行曲线流预旋方向改变,风机本身的性能曲线随之改变。N, QH(3)Q2 Hz(4)HH(5)式中,N为风机功率;Q为风机流量;H为风机全压;为风机效率。在定静压控制下,由于H1=H2,当风量从额23Q2g1定工况减少时,效率有所下降,所以有>,图5导流器调节特性曲线得到:导流叶片既是风机的组成部分,又是吸人管(6)路上的调节阀,因此它的角度变化既改变了风机由此可知,在部分负荷工况下,风机功率的下性能曲线,又改变了管路性能曲线,使该方法具有降幅度超过风机风量,因此定静压控制系统在部调节灵活的特点。分负荷运行时具有较大的节能潜力。导流器调节法的特性曲线如图5。以风机导3.3.2变静压控制节能分析流叶片角度分别为0°,30°和60°为例,风机性能曲变静压控制方法是保持每个变风量末端的阀线和管路性能曲线对应各有3条其工作点分别为门开度在85%~100%之间,通过调节风机转速来1,2和3。当调节导流叶片角度而减小风量时风改变空调系统的送风量。值得指出的是,此时管机功率沿着1,2和3下降。如不安装导流器只依道综合阻力系数S变化很小。靠管网节流使风量减小到Q2和Q3时,风机功率当空调负荷减小时,系统风量同时减少,工况沿着叶片角度为0°的功率曲线由1向2和3移点沿管路性能曲线从1→2,风机风量和风机压头动,所以用导流器调节,比单用管路节流阀调节消相应变化。当然,由于管路综合阻力系数S的微耗的功率小,是一种比较经济的调节方法。小变化,系统运行工况点的位置也可能发生微小3.3定静压控制与变静压控制的节能分析的偏离,如图7所示3.3.1定静压控制节能分析定静压系统根据室内负荷的变化调节末端装置的阀门开度,控制送风量,同时通过改变风机转速维持总风管静压值不变。当房间负荷下降,风管阀门关小,为保持风管静压需调节风机性能曲线下移;部分房间或空调区域的变风量末端装置阀门开度调小,管道的局中国煤化工部阻力增加,管路性能曲线变陡,二者结合,使风CNMHG管系统运行工况点从1→2,如图6所示。1和2两点工况下风机功率及其比值如下:图7变静压控制风机运行曲线第四届中国制冷空调行业信息大会论文集根据相似准则式(1)~(5)同样成立。考虑到4结束语H,=S, QI(7)空调系统的风量改变可以通过管路阀门开度H2=S, Q2(8)改变以及风机风量改变调节。风机风量调节系代人式(5),得统,即变风量空调系统具有节省能量的特点。变N2 QSN, QiS中变静压控制具有更好的节能效果。对于变静压控制方法,系统阻力变化(9)风量空调系统分为定静压控制和变静压控制其≈S2。风机虽会偏离额定工况,但只要选择风机參考文献时将额定工作点选在效率变化平缓区,则孙≈孕,[1]霍小平中央空调自控系统设计,北京:中国电力出版社,2004.N, QQ(10)[2]王字清流体力学泵与风机北京:中国建筑工业出版社,2001由式(10)可知,对于变静压控制系统,风机功[3]符永正吴克启背压对泵与风机变速调节节能效益率的变化比例接近风机风量的3次方。因此,在风的影响.暖通空调,2004,34(3):7476.量变化相同的情况下,变静压控制比定静压控制[4]孙勇,翁文斌,黄晨,等变风量空调系统控制方法∥更具节能优势。上海制冷年会,2004.中国煤化工CNMHG