基于空氣焓值的變風(fēng)量空調(diào)冷量計(jì)量

邢麗娟，楊世忠

（青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東 青島 266520）

0 引 言

近年來，國內(nèi)的變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增多，如何對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地分戶計(jì)量也開始受到重視[1-2]。變風(fēng)量空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用所占比例較大，如果沒有合理的計(jì)量依據(jù)，不僅會帶來能源的浪費(fèi)，而且不利于日常管理。以往風(fēng)機(jī)盤管式中央空調(diào)計(jì)量方法主要有面積分?jǐn)偂⑺?jì)量、電計(jì)量、時間計(jì)量和能量計(jì)量[3]，但是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)不同于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，計(jì)量方法也不能完全按照以前的方式。本文在分析變風(fēng)量空調(diào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)量的理論依據(jù)和計(jì)量方法的探討，給出一種基于焓值的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)分戶計(jì)量設(shè)計(jì)。

1 VAV空調(diào)計(jì)量現(xiàn)狀

在已有的各種計(jì)量方式中，按用戶消耗的能量進(jìn)行計(jì)量是最為精確的一種。這種計(jì)量方式按照實(shí)際使用量來繳費(fèi)[4]，能切實(shí)保證用戶的利益。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管計(jì)量原理是計(jì)算供回水焓值的消耗，以此作為各個房間的能耗，并作為計(jì)費(fèi)的依據(jù)[5-6]。

現(xiàn)有的變風(fēng)量空調(diào)計(jì)量方法通常在表冷器的冷凍水入口處安裝流量和溫度傳感器，根據(jù)流量和冷凍水供水、回水的溫度和所用時間，計(jì)算空調(diào)的冷量消耗。在此時間內(nèi)根據(jù)每個房間的空調(diào)末端送風(fēng)量與總風(fēng)量的比值來計(jì)算每個房間的冷量消耗，并以此為基礎(chǔ)得出費(fèi)用[7]。該方法的理論基礎(chǔ)為

式中：Q——所得熱量，J或Wh；

qm——冷凍水質(zhì)量流量，kg/h；

qv——冷凍水體積流量，m3/h；

ρ——冷凍水密度，kg/m3；

Δh——冷凍水的焓值差，J/kg；

t——時間，h。

空調(diào)末端的冷量公式為

VAV BOX耗冷量=空氣處理機(jī)組耗冷量×

這種測量方式雖然可以得到分戶費(fèi)用，但是由于理論上的缺陷，不能保證計(jì)量的準(zhǔn)確性和公平性。變風(fēng)量空調(diào)的回風(fēng)是節(jié)能的一個重要原因，而以往的計(jì)量方式卻不考慮回風(fēng)的作用?；仫L(fēng)的量越大，空調(diào)系統(tǒng)所需提供的能量越少，節(jié)能效果就越好。對于變風(fēng)量空調(diào)的應(yīng)用來說，在每個房間的送風(fēng)量相同的情況下，哪個房間的回風(fēng)量越大，其消耗的冷量就越少。

2 計(jì)量方法

VAV空調(diào)是全風(fēng)量空調(diào)，送的是風(fēng)量，由于房間中空氣有泄漏，加上排風(fēng)等因素，造成回風(fēng)量和送風(fēng)量并不相等，不可以完全按照風(fēng)機(jī)盤管中測量供回水焓值的方式進(jìn)行。因此，本文采取如下方案：

確定送風(fēng)的焓值，由送風(fēng)管中的溫度計(jì)、濕度計(jì)和壓力計(jì)所測得值確定，設(shè)為h1。

確定回風(fēng)管的焓值，方法同上，設(shè)為h2。

測量戶外環(huán)境的空氣焓值，也就是新風(fēng)口的焓值，設(shè)為 h3。

用戶消耗的能量可以依據(jù)以下原理：計(jì)量依據(jù)空調(diào)冷機(jī)所消耗的能量，以夏季工況為例，室外空氣的焓值要高于送風(fēng)焓值，用戶的回風(fēng)焓值要小于室外空氣的焓值，而冷機(jī)處理的是混風(fēng)溫度，這部分要消耗冷機(jī)的功率（送風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率很容易算出，最后計(jì)量是可以用修正系數(shù)或附加功率等方式進(jìn)行考慮）。那么不考慮送風(fēng)管的泄漏時，送入房間的新風(fēng)所消耗能量加上回風(fēng)所消耗的能量就是用戶所用的能量。

計(jì)算公式如下：

設(shè)單位時間（例如：1min）送入房間的風(fēng)量、回風(fēng)量、新風(fēng)量分別為 Q1、Q2、Q3，其中 Q1=Q2+Q3。由于每個房間的送風(fēng)量和回風(fēng)量都可以測量，其新風(fēng)量可相應(yīng)算出。用戶單位時間的能量消耗為

式中：ρg——干空氣的密度。

因?yàn)槭彝庑嘛L(fēng)、空調(diào)送風(fēng)及室內(nèi)回風(fēng)的焓值都在不斷變化，而空氣的溫度、含濕量、壓力的變化較緩慢，所以設(shè)計(jì)中采集周期定為15min。

這樣室內(nèi)用戶每小時的冷量消耗為

用戶每天的冷量為

式中：J——用戶每天消耗的能量，kJ；

Jj——用戶每小時消耗的能量，kJ；

Wj——用戶每分鐘消耗的能量，kJ。

3 VAV空調(diào)焓值計(jì)量理論基礎(chǔ)

在本文的VAV空調(diào)計(jì)量中，依據(jù)送入房間中混風(fēng)（包括新風(fēng)和回風(fēng)兩部分）消耗的能量作為計(jì)量依據(jù)。VAV空調(diào)能量計(jì)算的一個重要依據(jù)是其焓值[8]。在變風(fēng)量空調(diào)工程中，根據(jù)冷量交換過程中空氣焓值的變化來判斷能量的轉(zhuǎn)化。所以，可根據(jù)空氣焓值的改變來得出處理前后得到或失去熱量：

式中：h——焓值，kJ/kg；

t——溫度，℃；

d——含濕量，g/kg。

3.1 焓值的計(jì)算

（1）公式法。在實(shí)際測量中，溫度、相對濕度、空氣壓力都可測，根據(jù)溫度可以得出水蒸氣飽和壓力Ps，則可由式（6）得出含濕量：

式中：d——含濕量，g/kg；

P——空氣壓力，MPa；

φ——相對濕度；

Ps——水蒸氣飽和壓力，MPa。

然后根據(jù)焓值計(jì)算式（5）得出所需焓值。

（2）查表法。在實(shí)際測量中，如果溫度、相對濕度、空氣壓力都可測，根據(jù)在對應(yīng)空氣壓力下的焓濕圖，由測量的溫度和相對濕度的交點(diǎn)確定空氣的狀態(tài)點(diǎn)，過該狀態(tài)點(diǎn)分別沿等焓線、等濕線可以查出空氣的焓值。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)的溫度、壓力、濕度變化范圍做成表格供查找。

3.2 空氣質(zhì)量計(jì)算

濕空氣是由干空氣和水蒸氣組成的，它們均勻混合，所占的容積相同。所以，空氣的密度為干空氣密度與水蒸氣密度之和，其計(jì)算公式為

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

ρg——干空氣密度，kg/m3；

ρq——濕空氣密度，kg/m3。

根據(jù)焓值的定義需要知道干空氣的質(zhì)量，先求出干空氣的密度：

式中：P——空氣的絕對壓力，kPa；

T——空氣的熱力學(xué)溫度（K），T=273+t，t為空氣的攝氏溫度（℃）。

計(jì)算得到干空氣密度后，由于VAV空調(diào)風(fēng)管中空氣的風(fēng)量或風(fēng)速可測，則在單位時間內(nèi)的風(fēng)量與空氣密度相乘后可以得到該時間內(nèi)的干空氣質(zhì)量。

式中：m——空氣質(zhì)量，kg；

ρg——干空氣密度，kg/m3；

Q——空氣風(fēng)量，m3/s；

ν——空氣風(fēng)速，m/s；

s——風(fēng)管截面積，m2。

3.3 空氣能量計(jì)算

單位時間空氣的能量可由式（10）得到：

式中：J——空氣能量，kJ；

h——空氣焓值，kJ/kg；

m——干空氣質(zhì)量，kg。

4 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 測量裝置

根據(jù)第3節(jié)的測量原理，在VAV空調(diào)分戶計(jì)量系統(tǒng)中需要裝配的傳感器為溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速傳感器（由第3節(jié)可知需要測量空氣的風(fēng)量或風(fēng)速，但流量傳感器較貴，從經(jīng)濟(jì)上考慮選擇風(fēng)速傳感器）。

需要測量的量有新風(fēng)、回風(fēng)和送風(fēng)的焓值。傳感器安裝的位置如下：

對于新風(fēng)，各傳感器安裝在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)閥之后，但不要安裝在新風(fēng)與回風(fēng)交叉處，那里所測量的值不是室外新風(fēng)的狀態(tài)；對于回風(fēng)，各傳感器安裝在室內(nèi)的回風(fēng)口處，要注意的是風(fēng)速傳感器不能在風(fēng)道的彎角處安裝，要在室內(nèi)回風(fēng)管的直管處安裝；對于送風(fēng)，各傳感器應(yīng)該安裝在空調(diào)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)口。VAV空調(diào)計(jì)量原理圖如圖1所示。

另外，從實(shí)際空調(diào)工程經(jīng)濟(jì)性考慮，采用以下替代方式：

圖1 VAV空調(diào)計(jì)量原理圖

（1）可將每個房間回風(fēng)處的溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速傳感器安裝在回風(fēng)總管中，這樣可以大大節(jié)省傳感器的數(shù)量。但是這種方式會造成較大的誤差，只有各用戶的房間和排風(fēng)情況大致相同時可以考慮這種方式。

（2）只將風(fēng)速傳感器安裝在用戶房間的回風(fēng)側(cè)，溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器則安裝在回風(fēng)總管中，這樣可以節(jié)省傳感器的數(shù)量，誤差要比把全部傳感器安裝在回風(fēng)總管的方式小，在測量準(zhǔn)確度要求不高時可以采用。

（3）將風(fēng)速傳感器安裝在用戶回風(fēng)側(cè)，壓力傳感器安裝在回風(fēng)總管中，溫度傳感器、濕度傳感器采用室內(nèi)空調(diào)末端自帶的傳感器，這種方式也可以節(jié)省傳感器的數(shù)量，誤差要比方式（2）小，在一般的應(yīng)用中推薦使用該方法以節(jié)約成本。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成

對于多用戶VAV空調(diào)能量而言，可以采用分層或分區(qū)域信號采集單元和計(jì)量管理單元組成。區(qū)域信號采集單元可由PLC（可編程控制器）、DDC（直接數(shù)字控制器）或者由單片機(jī)構(gòu)成的信號采集單元，完成現(xiàn)場傳感器信號的采集和傳輸任務(wù)。計(jì)量管理單元可由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，完成用戶能耗計(jì)量和管理任務(wù)。VAV計(jì)量的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 VAV計(jì)量結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)中的測量和控制部分包括以下模塊：新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)的狀態(tài)采集；新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)的焓值計(jì)算；集中處理的中央控制；新風(fēng)量和回風(fēng)量調(diào)節(jié)；用戶費(fèi)用計(jì)算；測控指令收發(fā)。

信號采集單元和計(jì)量管理單元的控制流程如圖3和圖4所示。過渡季工況，新風(fēng)焓小于回風(fēng)焓，新回風(fēng)焓差足以抵消冷負(fù)荷，只進(jìn)行通風(fēng)換氣，不啟動冷熱源，調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開度，控制送風(fēng)溫度。在這種方式下，只需考慮風(fēng)機(jī)等耗能設(shè)備，計(jì)量方式簡單。

5 結(jié)束語

圖3 信號采集單元流程圖

圖4 計(jì)量管理單元流程圖

VAV空調(diào)由于其節(jié)能的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，但用戶的分戶計(jì)量卻沒有很好地解決。由于運(yùn)行方式不同，已有的風(fēng)機(jī)盤管中央空調(diào)的計(jì)量方式并不完全適用于VAV空調(diào)的計(jì)量。本文結(jié)合VAV空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，提出一種基于焓值的計(jì)量方法，在新風(fēng)、送風(fēng)和回風(fēng)焓值的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量。這種測量方式合理、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了用戶對計(jì)量準(zhǔn)確度的要求，而且在測量設(shè)備上可以按照經(jīng)濟(jì)性的要求有多種選擇，能滿足工程實(shí)踐的需要。

[1]李志生，彭兆斌，劉旭紅，等.中央空調(diào)計(jì)費(fèi)應(yīng)用調(diào)查與探討[J].制冷與空調(diào)，2010，10（2）：18-22.

[2]肖文，劉浙華.中央空調(diào)節(jié)能措施研究[J].中國測試技術(shù)，2007，33（3）：47-49.

[3]王逸侃.新型中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)及其在工程中的應(yīng)用[J].能源工程，2002（4）：49-47.

[4]聶永磊.能源管理平臺技術(shù)分析和實(shí)現(xiàn)-中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)方式選型[J].建設(shè)科技，2011（18）：72-73.

[5]楊世忠，邢麗娟.中央空調(diào)計(jì)費(fèi)的設(shè)計(jì)方法[J].自動化儀表，2007，28（1）：67-70.

[6]董濤，龍惟定，周輝，等.風(fēng)機(jī)盤管集中空調(diào)系統(tǒng)的焙差法冷量計(jì)量方法[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，24（1）：51-55.

[8]周悅友.變風(fēng)量空調(diào)（VAV）系統(tǒng)計(jì)費(fèi)研發(fā)[J].供熱制冷，2011（7）：54-56.

[8]戴世龍，王敏，齊淑芳，等.房間空調(diào)器空氣焓值法測量不確定度簡化計(jì)算研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2010，31（6）：51-55.