基于空气焓值的变风量空调冷量计量
2013-11-15邢丽娟杨世忠
邢丽娟，杨世忠
（青岛理工大学自动化工程学院，山东 青岛 266520）
0 引 言
近年来，国内的变风量（VAV）空调系统的应用逐渐增多，如何对空调系统进行准确地分户计量也开始受到重视[1-2]。变风量空调的运行费用所占比例较大，如果没有合理的计量依据，不仅会带来能源的浪费，而且不利于日常管理。以往风机盘管式中央空调计量方法主要有面积分摊、水计量、电计量、时间计量和能量计量[3]，但是变风量空调系统的运行特点不同于风机盘管系统，计量方法也不能完全按照以前的方式。本文在分析变风量空调特点的基础上，通过计量的理论依据和计量方法的探讨，给出一种基于焓值的变风量空调系统分户计量设计。
1 VAV空调计量现状
在已有的各种计量方式中，按用户消耗的能量进行计量是最为精确的一种。这种计量方式按照实际使用量来缴费[4]，能切实保证用户的利益。传统的风机盘管计量原理是计算供回水焓值的消耗，以此作为各个房间的能耗，并作为计费的依据[5-6]。
现有的变风量空调计量方法通常在表冷器的冷冻水入口处安装流量和温度传感器，根据流量和冷冻水供水、回水的温度和所用时间，计算空调的冷量消耗。在此时间内根据每个房间的空调末端送风量与总风量的比值来计算每个房间的冷量消耗，并以此为基础得出费用[7]。该方法的理论基础为
式中：Q——所得热量，J或Wh；
qm——冷冻水质量流量，kg/h；
qv——冷冻水体积流量，m3/h；
ρ——冷冻水密度，kg/m3；
Δh——冷冻水的焓值差，J/kg；
t——时间，h。
空调末端的冷量公式为
VAV BOX耗冷量=空气处理机组耗冷量×
这种测量方式虽然可以得到分户费用，但是由于理论上的缺陷，不能保证计量的准确性和公平性。变风量空调的回风是节能的一个重要原因，而以往的计量方式却不考虑回风的作用。回风的量越大，空调系统所需提供的能量越少，节能效果就越好。对于变风量空调的应用来说，在每个房间的送风量相同的情况下，哪个房间的回风量越大，其消耗的冷量就越少。
2 计量方法
VAV空调是全风量空调，送的是风量，由于房间中空气有泄漏，加上排风等因素，造成回风量和送风量并不相等，不可以完全按照风机盘管中测量供回水焓值的方式进行。因此，本文采取如下方案：
确定送风的焓值，由送风管中的温度计、湿度计和压力计所测得值确定，设为h1。
确定回风管的焓值，方法同上，设为h2。
测量户外环境的空气焓值，也就是新风口的焓值，设为 h3。
用户消耗的能量可以依据以下原理：计量依据空调冷机所消耗的能量，以夏季工况为例，室外空气的焓值要高于送风焓值，用户的回风焓值要小于室外空气的焓值，而冷机处理的是混风温度，这部分要消耗冷机的功率（送风风机的功率很容易算出，最后计量是可以用修正系数或附加功率等方式进行考虑）。那么不考虑送风管的泄漏时，送入房间的新风所消耗能量加上回风所消耗的能量就是用户所用的能量。
计算公式如下：
设单位时间（例如：1min）送入房间的风量、回风量、新风量分别为 Q1、Q2、Q3，其中 Q1=Q2+Q3。由于每个房间的送风量和回风量都可以测量，其新风量可相应算出。用户单位时间的能量消耗为
式中：ρg——干空气的密度。
因为室外新风、空调送风及室内回风的焓值都在不断变化，而空气的温度、含湿量、压力的变化较缓慢，所以设计中采集周期定为15min。
这样室内用户每小时的冷量消耗为
用户每天的冷量为
式中：J——用户每天消耗的能量，kJ；
Jj——用户每小时消耗的能量，kJ；
Wj——用户每分钟消耗的能量，kJ。
3 VAV空调焓值计量理论基础
在本文的VAV空调计量中，依据送入房间中混风（包括新风和回风两部分）消耗的能量作为计量依据。VAV空调能量计算的一个重要依据是其焓值[8]。在变风量空调工程中，根据冷量交换过程中空气焓值的变化来判断能量的转化。所以，可根据空气焓值的改变来得出处理前后得到或失去热量：
式中：h——焓值，kJ/kg；
t——温度，℃；
d——含湿量，g/kg。
3.1 焓值的计算
（1）公式法。在实际测量中，温度、相对湿度、空气压力都可测，根据温度可以得出水蒸气饱和压力Ps，则可由式（6）得出含湿量：
式中：d——含湿量，g/kg；
P——空气压力，MPa；
φ——相对湿度；
Ps——水蒸气饱和压力，MPa。
然后根据焓值计算式（5）得出所需焓值。
（2）查表法。在实际测量中，如果温度、相对湿度、空气压力都可测，根据在对应空气压力下的焓湿图，由测量的温度和相对湿度的交点确定空气的状态点，过该状态点分别沿等焓线、等湿线可以查出空气的焓值。在实际应用中可以根据新风、回风、送风的温度、压力、湿度变化范围做成表格供查找。
3.2 空气质量计算
湿空气是由干空气和水蒸气组成的，它们均匀混合，所占的容积相同。所以，空气的密度为干空气密度与水蒸气密度之和，其计算公式为
式中：ρ——空气密度，kg/m3；
ρg——干空气密度，kg/m3；
ρq——湿空气密度，kg/m3。
根据焓值的定义需要知道干空气的质量，先求出干空气的密度：
式中：P——空气的绝对压力，kPa；
T——空气的热力学温度（K），T=273+t，t为空气的摄氏温度（℃）。
计算得到干空气密度后，由于VAV空调风管中空气的风量或风速可测，则在单位时间内的风量与空气密度相乘后可以得到该时间内的干空气质量。
式中：m——空气质量，kg；
ρg——干空气密度，kg/m3；
Q——空气风量，m3/s；
ν——空气风速，m/s；
s——风管截面积，m2。
3.3 空气能量计算
单位时间空气的能量可由式（10）得到：
式中：J——空气能量，kJ；
h——空气焓值，kJ/kg；
m——干空气质量，kg。
4 计量系统设计
4.1 测量装置
根据第3节的测量原理，在VAV空调分户计量系统中需要装配的传感器为温度传感器、湿度传感器、压力传感器、风速传感器（由第3节可知需要测量空气的风量或风速，但流量传感器较贵，从经济上考虑选择风速传感器）。
需要测量的量有新风、回风和送风的焓值。传感器安装的位置如下：
对于新风，各传感器安装在变风量空调系统的新风阀之后，但不要安装在新风与回风交叉处，那里所测量的值不是室外新风的状态；对于回风，各传感器安装在室内的回风口处，要注意的是风速传感器不能在风道的弯角处安装，要在室内回风管的直管处安装；对于送风，各传感器应该安装在空调风机的送风口。VAV空调计量原理图如图1所示。
另外，从实际空调工程经济性考虑，采用以下替代方式：
图1 VAV空调计量原理图
（1）可将每个房间回风处的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、风速传感器安装在回风总管中，这样可以大大节省传感器的数量。但是这种方式会造成较大的误差，只有各用户的房间和排风情况大致相同时可以考虑这种方式。
（2）只将风速传感器安装在用户房间的回风侧，温度传感器、湿度传感器、压力传感器则安装在回风总管中，这样可以节省传感器的数量，误差要比把全部传感器安装在回风总管的方式小，在测量准确度要求不高时可以采用。
（3）将风速传感器安装在用户回风侧，压力传感器安装在回风总管中，温度传感器、湿度传感器采用室内空调末端自带的传感器，这种方式也可以节省传感器的数量，误差要比方式（2）小，在一般的应用中推荐使用该方法以节约成本。
4.2 系统构成
对于多用户VAV空调能量而言，可以采用分层或分区域信号采集单元和计量管理单元组成。区域信号采集单元可由PLC（可编程控制器）、DDC（直接数字控制器）或者由单片机构成的信号采集单元，完成现场传感器信号的采集和传输任务。计量管理单元可由计算机构成，完成用户能耗计量和管理任务。VAV计量的结构如图2所示。
图2 VAV计量结构图
设计中的测量和控制部分包括以下模块：新风、回风、送风的状态采集；新风、回风、送风的焓值计算；集中处理的中央控制；新风量和回风量调节；用户费用计算；测控指令收发。
信号采集单元和计量管理单元的控制流程如图3和图4所示。过渡季工况，新风焓小于回风焓，新回风焓差足以抵消冷负荷，只进行通风换气，不启动冷热源，调节新风阀开度，控制送风温度。在这种方式下，只需考虑风机等耗能设备，计量方式简单。
5 结束语
图3 信号采集单元流程图
图4 计量管理单元流程图
VAV空调由于其节能的优势而被广泛应用，但用户的分户计量却没有很好地解决。由于运行方式不同，已有的风机盘管中央空调的计量方式并不完全适用于VAV空调的计量。本文结合VAV空调风系统运行特点，提出一种基于焓值的计量方法，在新风、送风和回风焓值的基础上实现能量计量。这种测量方式合理、准确，实现了用户对计量准确度的要求，而且在测量设备上可以按照经济性的要求有多种选择，能满足工程实践的需要。
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