動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)支路風(fēng)機風(fēng)量自適應(yīng)性能測試與分析

重慶科技學(xué)院 居發(fā)禮 黃 雪

重慶海潤節(jié)能技術(shù)股份有限公司 鄧福華 閆 潤

0 引言

動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)是一種可以滿足各空間動態(tài)非均勻通風(fēng)需求、能夠獨立調(diào)節(jié)、節(jié)能性良好的通風(fēng)系統(tǒng)[1-5]，在越來越多的工程項目中得到應(yīng)用[6-7]。常規(guī)的動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)即使在良好的系統(tǒng)設(shè)計前提下，支路風(fēng)機在運行時也容易受支路入口壓力的影響，從而導(dǎo)致實際運行風(fēng)量產(chǎn)生偏移[8-9]，造成風(fēng)量達不到實際需求的問題，為系統(tǒng)的良好使用、保障室內(nèi)空氣品質(zhì)帶來了困難。因此，提高動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)運行中的支路風(fēng)量穩(wěn)定性能是該系統(tǒng)需要迫切解決的技術(shù)問題。本文以重慶某公司開發(fā)的自適應(yīng)支路風(fēng)機為研究對象，對其自身性能及在系統(tǒng)中的自適應(yīng)性能進行測試與分析。

1 測試方案

1.1 實驗臺搭建

實驗采用動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)綜合實驗臺，系統(tǒng)圖見圖1。該綜合實驗臺可測試多種形式的送風(fēng)末端和風(fēng)口，由主風(fēng)機、支路風(fēng)機、三通風(fēng)機、多種送風(fēng)口(側(cè)送、地板送風(fēng)口等)等組成。實驗臺設(shè)備及相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

注：①為主風(fēng)機；②為消聲靜壓箱；③為支路風(fēng)機；④為三通風(fēng)機；⑤為散流器；⑥為側(cè)送風(fēng)口；⑦為支路圓形風(fēng)管；1#～4#為支路風(fēng)機編號。圖1 動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)實驗系統(tǒng)圖

表1 動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)實驗臺設(shè)備技術(shù)參數(shù)

需要說明的是，該系統(tǒng)實驗臺中的支路風(fēng)機為自適應(yīng)風(fēng)機，其基本原理為根據(jù)實際風(fēng)量需求自動采集風(fēng)機內(nèi)部參數(shù)并進行自適應(yīng)整定，采用特定算

法計算風(fēng)機轉(zhuǎn)速的修正值來穩(wěn)定風(fēng)量，不需要外置風(fēng)速或風(fēng)量傳感器。風(fēng)量的大小與電壓信號(或擋位)有關(guān)，可通過手動調(diào)節(jié)擋位或根據(jù)空氣品質(zhì)傳感器探測的0～10 V信號進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。本文實驗測試時，僅運行主風(fēng)機和1#～4#4臺支路風(fēng)機，其他支路風(fēng)機及三通風(fēng)機關(guān)閉。

1.2 測試工具

采用MP200多功能壓差風(fēng)速儀測試支路入口靜壓和支路風(fēng)速與風(fēng)量，壓力量程為0～500 Pa，誤差為±(0.2%量程+0.8 Pa)。

根據(jù)GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》風(fēng)量測試要求，將圓形風(fēng)管斷面劃分為3個面積相等的同心圓環(huán)，測點布置在各圓環(huán)面積等分線上，并在相互垂直的2條直徑上布置2個測孔。風(fēng)速或壓力為各個測點風(fēng)速或壓力的平均值。

1.3 測試方案

本文實驗重點為對支路風(fēng)機的風(fēng)量穩(wěn)定性和抗干擾能力進行測試與分析，故在測試中僅開啟主風(fēng)機及1#～4#支路風(fēng)機，其他風(fēng)機與支路處于關(guān)閉狀態(tài)。測試方案分為2種：第一種為支路風(fēng)機的單機性能測試，重點測試支路風(fēng)機在不同入口壓力下的風(fēng)壓-風(fēng)量性能曲線；第二種為支路風(fēng)機在系統(tǒng)中的風(fēng)量穩(wěn)定性能(或稱為抗干擾特性)，重點測試在不同的風(fēng)機運行組合下，支路風(fēng)機受主風(fēng)機及其他支路風(fēng)機調(diào)節(jié)干擾后的風(fēng)量穩(wěn)定性能。

1.3.1單機性能測試

目的是進行單機自適應(yīng)性能測試，獲得風(fēng)機在不同入口壓力、不同擋位下的風(fēng)量和風(fēng)壓。

1) 斷開2#支路風(fēng)機與系統(tǒng)的連接，使其單獨運行，分別調(diào)節(jié)支路風(fēng)機擋位為10、7、6、5、4、3，每個擋位下通過調(diào)節(jié)風(fēng)管出風(fēng)口面積進行管網(wǎng)阻抗的調(diào)節(jié)，測試不同擋位下的風(fēng)量-風(fēng)壓性能曲線。

2) 模擬支路風(fēng)機入口有壓力情況。開啟主風(fēng)機和2#支路風(fēng)機，關(guān)閉其他支路風(fēng)機。通過調(diào)節(jié)主風(fēng)機轉(zhuǎn)速模擬調(diào)節(jié)2#支路風(fēng)機入口壓力，測試支路風(fēng)機不同擋位下風(fēng)量與支路風(fēng)機入口壓力之間的關(guān)系曲線。

1.3.2系統(tǒng)聯(lián)動測試

支路風(fēng)機在系統(tǒng)中聯(lián)動運行，分析支路風(fēng)機在其他風(fēng)機調(diào)節(jié)下的風(fēng)量變化情況，即風(fēng)量穩(wěn)定性或抗干擾特性。

1) 支路風(fēng)機調(diào)節(jié)工況。主風(fēng)機擋位不變，測試其他支路風(fēng)機調(diào)節(jié)時4#風(fēng)機風(fēng)量變化情況，研究某個支路風(fēng)機在其他支路風(fēng)機調(diào)節(jié)時風(fēng)量保持穩(wěn)定的能力。

2) 主風(fēng)機調(diào)節(jié)工況。測試主風(fēng)機調(diào)節(jié)、支路風(fēng)機不調(diào)節(jié)時的風(fēng)量變化曲線，研究各支路風(fēng)機風(fēng)量抗主風(fēng)機調(diào)節(jié)的干擾能力。

3) 主風(fēng)機及支路風(fēng)機聯(lián)動調(diào)節(jié)工況。測試主風(fēng)機和1#、2#支路風(fēng)機調(diào)節(jié)時其他支路風(fēng)機的風(fēng)量變化曲線，研究3#、4#支路風(fēng)機風(fēng)量(其中3#支路風(fēng)機設(shè)定為10擋，4#支路風(fēng)機設(shè)定為5擋)抗主風(fēng)機和1#、2#支路風(fēng)機調(diào)節(jié)的干擾能力。

2 測試結(jié)果

2.1 自適應(yīng)支路風(fēng)機風(fēng)量-風(fēng)壓特性

2.1.1支路風(fēng)機入口壓力為零的工況

2#支路風(fēng)機單獨運行，不接入系統(tǒng)，即支路風(fēng)機直接接入大氣，入口壓力為零。支路風(fēng)機不同擋位下的風(fēng)量-風(fēng)壓性能曲線如圖2所示。

圖2 入口壓力為零時支路風(fēng)機在不同擋位下的性能曲線

該支路風(fēng)機10擋運行時，風(fēng)量在400 m3/h時的壓力范圍較廣，為0～150 Pa，也就是說，該支路風(fēng)機若安裝在管網(wǎng)阻力為0～150 Pa或管網(wǎng)阻力動態(tài)變化在此范圍內(nèi)的管網(wǎng)中，風(fēng)機在10擋下的運行風(fēng)量可以穩(wěn)定保持在400 m3/h，而當管網(wǎng)阻力大于150 Pa時，該支路風(fēng)機的風(fēng)量會變小。這說明了該支路風(fēng)機的風(fēng)量穩(wěn)定能力具有一定的壓力范圍(0～150 Pa)。

需要特別說明的是，由于該支路風(fēng)機為自適應(yīng)風(fēng)機，因此其曲線并不是某一轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量-風(fēng)壓曲線，而是風(fēng)機隨著管網(wǎng)阻力變化進行追蹤調(diào)速下的風(fēng)量-風(fēng)壓曲線，反映了自適應(yīng)風(fēng)機適應(yīng)管網(wǎng)阻力變化而穩(wěn)定風(fēng)量的能力。

該支路風(fēng)機在不同擋位下的穩(wěn)定風(fēng)量及其適配入口壓力如表2所示，對應(yīng)的穩(wěn)定風(fēng)量與擋位關(guān)系如圖3所示。

由表2與圖3可知：自適應(yīng)支路風(fēng)機在不同擋位下運行，在一定的壓力范圍內(nèi)，均具有一定的風(fēng)量穩(wěn)定能力；在10、7、6擋時，各擋位穩(wěn)定風(fēng)量對應(yīng)的風(fēng)壓范圍為0～150 Pa；隨著自適應(yīng)支路風(fēng)機擋位的下降，穩(wěn)定風(fēng)量的風(fēng)壓范圍變窄，直至3擋時穩(wěn)定風(fēng)量的風(fēng)壓范圍為0～80 Pa。由圖3可知，穩(wěn)定的風(fēng)量與擋位并不完全存在線性關(guān)系，擋位從10擋降至7擋時，穩(wěn)定風(fēng)量變化幅度較小，而擋位從7擋降至3擋時，穩(wěn)定風(fēng)量變化幅度較前者大。

表2 支路風(fēng)機入口壓力為零時不同擋位下的穩(wěn)定風(fēng)量及其適配入口壓力

圖3 支路風(fēng)機入口壓力為零時的穩(wěn)定風(fēng)量與擋位關(guān)系

支路風(fēng)機獨立運行的情況可以理解為支路風(fēng)機入口直接接入大氣，入口壓力為零。而在動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)中，每臺支路風(fēng)機入口壓力不可能均為零。因此有必要對入口壓力不為零，尤其是入口壓力為正壓的情況進行研究。

2.1.2支路風(fēng)機入口壓力不為零的工況

通過調(diào)節(jié)主風(fēng)機擋位(10擋至3擋)，模擬調(diào)節(jié)2#自適應(yīng)支路風(fēng)機呈現(xiàn)不同的入口壓力，分別測試自適應(yīng)支路風(fēng)機在不同擋位下的風(fēng)量穩(wěn)定能力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 入口壓力不為零時支路風(fēng)機在不同擋位下的性能曲線

由圖4可知：自適應(yīng)支路風(fēng)機10擋運行、入口壓力為-20～110 Pa時，風(fēng)量基本穩(wěn)定在415 m3/h；隨著入口壓力的增大，風(fēng)量增大，當支路入口壓力增大到250 Pa時，風(fēng)量增大到530 m3/h，風(fēng)量增大比例為30%。因此可得，該支路風(fēng)機穩(wěn)定風(fēng)量為415 m3/h，適配的支路風(fēng)機入口壓力范圍為-20～110 Pa。

支路風(fēng)機在不同擋位下的穩(wěn)定風(fēng)量及其適配的入口壓力如表3所示。

表3 支路風(fēng)機入口壓力不為零時不同擋位下的穩(wěn)定風(fēng)量及其適配入口壓力

由表3可知，支路風(fēng)機入口壓力不為零的情況下，在不同擋位下仍具有穩(wěn)定風(fēng)量的能力，且隨著擋位的降低，風(fēng)量下降，自適應(yīng)支路風(fēng)機穩(wěn)定風(fēng)量的入口壓力范圍變窄，從10擋穩(wěn)定風(fēng)量415 m3/h下入口壓力范圍為-20～110 Pa變化到3擋穩(wěn)定風(fēng)量200 m3/h下入口壓力范圍為0～30 Pa。由此可知，該支路風(fēng)機在高擋位時的穩(wěn)定風(fēng)量所需要的入口壓力范圍更廣，管網(wǎng)的適應(yīng)性更強。

穩(wěn)定風(fēng)量與擋位的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：支路風(fēng)機入口壓力不為零時，穩(wěn)定風(fēng)量與擋位不存在完全的線性關(guān)系；擋位從10擋降至8擋時，穩(wěn)定風(fēng)量基本不變；擋位從7擋降至5擋時，風(fēng)量變化率較大；擋位從5擋降至3擋時，穩(wěn)定風(fēng)量變化率相對減小。該規(guī)律與圖3支路風(fēng)機入口壓力為零條件下的穩(wěn)定風(fēng)量與擋位關(guān)系的規(guī)律一致。由此可知，利用自適應(yīng)支路風(fēng)機的風(fēng)量穩(wěn)定性能，一定要掌握穩(wěn)定風(fēng)量與擋位、適配壓力范圍的關(guān)系，方能進行較好的風(fēng)量調(diào)節(jié)。

圖5 支路風(fēng)機入口壓力不為零時的穩(wěn)定風(fēng)量與擋位關(guān)系

2.2 系統(tǒng)中的自適應(yīng)支路風(fēng)機運行特性

2.2.1支路風(fēng)機調(diào)節(jié)工況

圖6顯示了主風(fēng)機保持10擋不變，1#～3#支路風(fēng)機擋位同步調(diào)節(jié)后(從10擋逐步調(diào)到3擋)，4#支路風(fēng)機在不同擋位下的風(fēng)量變化情況。

圖6 4#支路風(fēng)機不同擋位下的風(fēng)量變化

由圖6可見，4#自適應(yīng)支路風(fēng)機在不同的擋位下，風(fēng)量穩(wěn)定能力較好，分別為150 m3/h(4擋)、200 m3/h(5擋)、250 m3/h(6擋)、320 m3/h(7擋)、400 m3/h(10擋)。

2.2.2主風(fēng)機調(diào)節(jié)工況

圖7顯示了主風(fēng)機擋位從10擋逐步調(diào)到3擋、自適應(yīng)支路風(fēng)機擋位不變時(1#、2#、4#支路風(fēng)機擋位為10擋，3#支路風(fēng)機擋位為5擋)各支路風(fēng)機的風(fēng)量變化情況。

圖7 調(diào)節(jié)主風(fēng)機擋位工況下的支路風(fēng)機風(fēng)量變化

由圖7可知：各自適應(yīng)支路風(fēng)機風(fēng)量變化相對較小，偏差在±10%內(nèi)；3#支路風(fēng)機位于5擋，風(fēng)量穩(wěn)定在200 m3/h；1#、2#、4#支路風(fēng)機擋位均為10擋，2#、4#支路風(fēng)機風(fēng)量基本相當，約為400 m3/h，但1#風(fēng)機風(fēng)量為500 m3/h，且波動相對較大，這是由于1#風(fēng)機靠近主風(fēng)機，入口正壓較大，超過其穩(wěn)定風(fēng)量的適配壓力范圍，因此在相同擋位下比2#、4#風(fēng)機風(fēng)量大100 m3/h。這就再次表明，自適應(yīng)風(fēng)機穩(wěn)定風(fēng)量的能力基于一定入口壓力范圍，超過這個范圍，支路風(fēng)機運行會產(chǎn)生風(fēng)量偏差，但總體表現(xiàn)為風(fēng)量相對穩(wěn)定的趨勢。

2.2.3主風(fēng)機及支路風(fēng)機聯(lián)動調(diào)節(jié)工況

在主風(fēng)機及1#、2#支路風(fēng)機擋位聯(lián)合調(diào)節(jié)下，3#支路風(fēng)機(保持為10擋)、4#支路風(fēng)機(保持為5擋)風(fēng)量變化如表4所示。

表4 不同調(diào)節(jié)工況下的支路風(fēng)量

由表4可知，主風(fēng)機和1#、2#支路風(fēng)機擋位變化時，3#支路風(fēng)機(保持在10擋)的平均風(fēng)量為380 m3/h，4#支路風(fēng)機(保持在5擋)的平均風(fēng)量為240 m3/h，風(fēng)量相對比較穩(wěn)定，偏差在±20%內(nèi)。

3 分析與討論

3.1 支路風(fēng)機在通風(fēng)管網(wǎng)中的水力工況特性

支路風(fēng)機在動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)運行中存在著入口壓力為零、負和正的3種狀態(tài)。

3.1.1支路入口處正壓

支路入口處為正壓時的管網(wǎng)壓力分布如圖8所示。若某一支路入口存在著正靜壓pj，假設(shè)設(shè)計流量下克服該支路所需要的壓力為p，若pjp，則該支路需要支路風(fēng)機提供的壓力為(p-pj)，此時(p-pj)<0，說明支路風(fēng)機存在著阻礙作用，這種情況在設(shè)計和運行時是需要避免的，如圖8b所示。

注：A為主風(fēng)機處，B為支路風(fēng)機處，C為支路末端風(fēng)口處，下同。圖8 支路入口處為正壓時的管網(wǎng)壓力分布

3.1.2支路入口處零壓

支路入口靜壓為零時的管網(wǎng)壓力分布如圖9所示，此時支路設(shè)計流量下需要支路風(fēng)機提供的壓頭即為該支路需要克服的阻力p。

圖9 支路入口處為零壓時的管網(wǎng)壓力分布

3.1.3支路入口處負壓

支路入口靜壓為負靜壓-pj時的管網(wǎng)壓力分布如圖10所示，這種情況在動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)中往往出現(xiàn)在離主風(fēng)機較遠端。在設(shè)計風(fēng)量下此支路風(fēng)機需要提供的壓力為(p+pj)。

圖10 支路入口處為負壓時的管網(wǎng)壓力分布

綜上可得，在動力分布式新風(fēng)系統(tǒng)中，支路風(fēng)機存在3種運行狀態(tài)，且在實際運行中存在著運行狀態(tài)的切換現(xiàn)象。這顯示了動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)中支路風(fēng)機選型的重要性。支路風(fēng)機在系統(tǒng)中存在著支路入口壓力不同的情況，不僅要求在設(shè)計工況下達到風(fēng)量要求，還要求工況調(diào)節(jié)下也具有對應(yīng)的穩(wěn)定風(fēng)量的能力。這是系統(tǒng)良好運行的重要技術(shù)保障。

3.2 支路風(fēng)機性能分析

傳統(tǒng)的支路風(fēng)機性能曲線一般是固定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量-風(fēng)壓關(guān)系曲線，呈現(xiàn)風(fēng)量增大、風(fēng)壓降低的對應(yīng)關(guān)系。一般采用固定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機性能曲線與通風(fēng)管網(wǎng)的特性曲線的交點確定風(fēng)量及其運行風(fēng)量下的風(fēng)壓，當管網(wǎng)阻力特性不變時，風(fēng)機的運行狀態(tài)點不變。當管網(wǎng)阻力增大時，風(fēng)機的流量減小，其提供的壓頭增大。

而自適應(yīng)支路風(fēng)機是一種新型的可根據(jù)風(fēng)量要求進行動態(tài)追蹤調(diào)速的風(fēng)機，其風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線并不是常規(guī)意義上的風(fēng)量-風(fēng)壓曲線，而是在不同管網(wǎng)阻力特性下，風(fēng)機適配其特性而呈現(xiàn)出的風(fēng)機調(diào)速下的風(fēng)量-風(fēng)壓曲線。也就是說，對于某一管網(wǎng)，設(shè)計時確定了風(fēng)量，采用自適應(yīng)支路風(fēng)機提供壓頭，當管網(wǎng)阻力增大時，自適應(yīng)支路風(fēng)機可自動將風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)大，從而調(diào)大壓力并穩(wěn)定風(fēng)量；當管網(wǎng)阻力減小時，可自動調(diào)小風(fēng)機轉(zhuǎn)速，減小壓力并穩(wěn)定風(fēng)量。因此，自適應(yīng)風(fēng)機是以提供具體的風(fēng)量大小為直接目標來進行調(diào)速匹配的。測試結(jié)果顯示，自適應(yīng)風(fēng)機在調(diào)節(jié)工況下具有風(fēng)量穩(wěn)定性能，但不能忽視其風(fēng)壓適配范圍。在動力分布式系統(tǒng)中，應(yīng)充分分析不同支路的入口壓力，分析其是否處在使風(fēng)量穩(wěn)定的風(fēng)壓范圍內(nèi)，這也是保障系統(tǒng)風(fēng)量達到設(shè)計要求及良好運行的關(guān)鍵。

3.3 自適應(yīng)支路風(fēng)機的性能表征及工程應(yīng)用

本文測試的自適應(yīng)風(fēng)機風(fēng)量穩(wěn)定在400 m3/h(誤差±10%)的適配支路入口壓力范圍為-150～110 Pa(認為支路的阻力為0)。自適應(yīng)支路風(fēng)機的性能表征參數(shù)為穩(wěn)定風(fēng)量Q和壓力適配范圍p1～p2。當支路風(fēng)機入口壓力為負時(即-p0)，只要入口壓力負值的絕對值小于適配入口壓力范圍的上限值(即p0

但在實際工程中，支路的阻力不可能為零，因此在具體的支路自適應(yīng)風(fēng)機匹配設(shè)計中，需對該穩(wěn)定風(fēng)量的適配壓力范圍作修正。對于自適應(yīng)風(fēng)機風(fēng)量為Q時的適配支路入口壓力范圍p1～p2，當支路阻力為p時，其穩(wěn)定風(fēng)量為Q時的適配支路入口壓力范圍應(yīng)修正為(p1+p)～(p2+p)。

工程應(yīng)用中，需首先根據(jù)設(shè)計支路風(fēng)量下的阻力對適配壓力范圍進行修正，其次確定該自適應(yīng)支路入口壓力是否處于修正后的壓力范圍內(nèi)，如果處于修正后的范圍內(nèi)，則說明可以穩(wěn)定風(fēng)量，若處于該范圍之外，則會偏離設(shè)計風(fēng)量。若入口壓力大于修正后的范圍上限值，則該自適應(yīng)支路風(fēng)機的實際風(fēng)量會大于設(shè)計風(fēng)量；若入口壓力小于修正后的范圍下限值，則該自適應(yīng)支路風(fēng)機的實際風(fēng)量會小于設(shè)計風(fēng)量。

4 結(jié)論

1) 支路風(fēng)機在動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)中的運行存在著入口壓力為正壓、負壓和零3種情況，且隨著通風(fēng)工況的變化會呈現(xiàn)出正壓、負壓和零壓的切換。不同的支路入口壓力對支路風(fēng)機的運行存在一定的影響。

2) 具有風(fēng)量穩(wěn)定能力的自適應(yīng)支路風(fēng)機在動力分布式通風(fēng)系統(tǒng)中具有重要作用，可解決風(fēng)量偏移及調(diào)節(jié)工況下的風(fēng)量穩(wěn)定性問題。但自適應(yīng)支路風(fēng)機在穩(wěn)定風(fēng)量下具有相適配的入口壓力范圍，且該適配壓力范圍隨著擋位的降低呈現(xiàn)變窄的趨勢。

3) 自適應(yīng)支路風(fēng)機在系統(tǒng)中受主風(fēng)機和其他支路風(fēng)機調(diào)節(jié)而影響自身風(fēng)量程度較小，呈現(xiàn)了較好的風(fēng)量自適應(yīng)管網(wǎng)特性和風(fēng)量抗干擾能力。自適應(yīng)支路風(fēng)機具備多種穩(wěn)定風(fēng)量及其適配的壓力范圍，可滿足系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)調(diào)節(jié)需求。

4) 自適應(yīng)支路風(fēng)機可采用穩(wěn)定風(fēng)量及適配壓力范圍表征其性能，當其處于某一支路時，首先需要根據(jù)設(shè)計風(fēng)量下的支路阻力對適配壓力范圍進行修正，其次確定該支路入口壓力是否處于修正后的壓力范圍內(nèi)，如果處于范圍內(nèi)則說明可以穩(wěn)定風(fēng)量，若處于該范圍之外，則會偏離設(shè)計風(fēng)量。