船用VAV末端装置风量传感器布置对风量传感特性的影响研究

王文修 谢军龙 刘 鑫 郭用松



船用VAV末端装置风量传感器布置对风量传感特性的影响研究

王文修1谢军龙2刘 鑫2郭用松2

（1.华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院 武汉 430074；2.华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074）

船用变风量（VAV）空调系统能够根据空调负荷的变化，自动调节室内空调送风量，以满足室内热湿环境的要求，而末端装置风量传感器的风量传感特性对变风量系统的运行至关重要。以配置均速管流量传感器的船用压力无关型VAV末端装置为研究对象，该末端装置采用圆形平板叶片和多孔圆柱形阀片组成的风阀。搭建变风量末端装置风量测量实验台，设定三种典型进口基准风量条件，测量末端装置风道断面的动压分布。基于测得的风道断面动压分布，分析风量传感器布置对风量传感特性的影响，优化传感器布置来提高末端装置风量传感特性，为VAV末端装置的改造提供了参考。

船用；变风量空调；末端装置；风量传感特性

0 引言

变风量（VAV）空调系统是根据空调负荷的变化来自动调节室内空调送风量，以此满足室内热湿环境的要求的。同时根据实际送风量自动调节送风机的频率，进而最大限度减少风机动力，节约风机能耗。变风量空调系统末端装置是变风量系统中最关键的设备之一，能根据被服务区域的冷热负荷和通风要求来调节送风量，从而达到节省能耗的目的[1]。风量传感器是变风量末端装置的关键部件，其传感特性的优劣直接关系到变风量末端装置能否准确调节风量，从而影响到房间内温度控制的准确性与系统的节能性和经济性[2]。如果风量测量值大于真实值，将不能满足室内冷热负荷要求；如果风量测量值小于真实值，将造成能源的浪费[3]。

目前国内对变风量末端装置的风量传感特性的专门研究和工程设计应用中所能参考的资料都比较少。有研究人员对我国常用的几种风速传感器的基本原理进行了阐述，对风速传感器的选型及系统设计时应注意的一些技术要求进行了探讨[4,5]，并介绍了变风量末端装置的整定测试装置和测试方法[6]；有研究者搭建了变风量试验台，并针对控制方法和末端的动态送风特性进行了探讨[7,8]；有研究者利用Matlab仿真VAV空调系统压力无关型末端装置的稳定性能，体现出计算机仿真技术的应用价值和前景[9]。

本文从风量传感器的放置位置入手来研究变风量末端装置的风量传感特性，首先搭建变风量末端装置风量测量实验台，设定三种典型进口基准风量条件，测量末端装置风量传感器所在风道截面的动压分布。基于测得的风道截面动压分布，分析风量传感器放置位置对风量传感特性的影响，提出优化方案提高风量传感器的风量传感特性，为VAV末端装置的改造提供了参考。

1 船用VAV末端装置及风量测量试验台

1.1 船用VAV末端装置结构

本文所研究的船用变风量末端装置为配置差压式均速管流量传感器的压力无关型变风量末端装置，其名义进口尺寸为100mm，额定最大风量为350m3/h，最小风量为120m3/h。压力无关型末端与压力有关型相比，在结构上只是多了一个风速测量装置，其余只有控制上的区别。末端装置结构如图1所示，气流从进口流入末端装置后经过圆形平板叶片和多孔圆柱形阀片组成的风阀的节流作用，流过壁面和导流板形成的风道后经出口撞击到挡风板进入到空调区域。风阀结构如图1所示，由圆形平板叶片和多孔圆柱形阀片组成，风量传感器位于风阀下游270mm处，执行机构通过改变圆形平板叶片的位移来调节风阀开度的大小。风量传感器采用图2所示的均速管，其中a、b、c、d表示四组取压孔，安装在图1所示位置。均速管对被测截面上各测点的动压取平均值，求取平均流速。将被测截面分成若干区域，在每个区域中心位置的细管上开小孔作为测点，迎着气流方向，这些孔就是全压测孔，同时，在另一根相同截面的细管的背流方向开一个或多个静压测孔[5]。利用均速管测量风量的计算公式见式（1）至式（4）。

图1 末端装置结构示意图

图2 均速管结构示意图

（2）

（3）

式中：P为全压，Pa；P为静压，Pa；为动压，Pa；为平均速度，m/s；为空气密度，kg/m3；为风道断面面积，m2；为风量，m3/h。

1.2 末端装置风量测量试验台

变风量系统是通过风量传感器来实现对风量的测量，通过风量传感器，可了解气流流动规律，也可经过计算得到流过变风量末端装置的空气的体积流量，从而实现对每个末端装置乃至整个空调系统的送风量进行有效控制。本试验的目的是测试变风量末端风量传感器的性能，风量测量实验台主要由风机、风量测试装置、风管、被测变风量末端装置及测试数据处理与控制系统组成。图3为变风量末端装置风量测量实验台整体概况图，图4为试验台原理图，实验台参照国家标准的要求建立，该实验方法参照相关标准进行[6]，整个数据采集硬件系统以计算机、采集模块和压差变送传感器为核心。

图3 末端装置风量测量试验台架

图4 试验台原理图

2 末端装置风道断面风速试验

2.1 风速测量风道断面及测点布置

试验测试阀门固定在100%开度时三种工况下两个风道断面的风速分布情况，工况设定详见表1，风道断面位置示意见图5所示，风道断面1位于风阀下游285mm处，两个风道断面等间隔相距25mm。风道断面尺寸为长445mm、宽37mm，每个风道断面上布置7个测点，测点4位于风道断面中心位置，作为坐标原点建立x坐标系，标出各测点的x坐标如图6所示。试验测试用直径为4mm的L型皮托管进行测量，测得风道断面各测点的动压值，经过计算得到风量值。

表1 试验工况

图5 风道断面位置示意图

图6 风道断面测点位置示意图

2.2 试验结果与分析

图7是三种工况下风道断面动压测量结果，由此可看出风道断面动压分布是不均匀的，且三种工况风道断面1和断面2呈现出相同的动压分布规律。

（a）工况1

（b）工况2

由图7可知，在三种工况条件下风道断面1和断面2动压测试结果接近，可简化为具有相同的动压分布，由此简化带来的误差可忽略不计。由曲线拟合得到三种工况下动压与测点x坐标的公式，汇总于表2。

表2 动压计算拟合公式

其中，x为测压孔的坐标，mm；Δ为动压，Pa。

3 传感器布置对风量传感特性的影响

基于风道断面动压分布情况，提出三种风量传感器布置方案，每种方案的位置用测压孔a的x坐标来标识，详见表3，其中方案3为均速管风量传感器原布置位置，测压孔b、c和d的x坐标可通过各测压孔的间距计算得到，见公式（5）至公式（7）。将均速管的四个测压孔a、b、c、d的x坐标带入表2中的三种工况的动压拟合公式，即可得到四个测压孔处动压、、、，然后将、、、带入公式（2）计算得到平均动压，最后根据公式（3）和（4）计算得到风量。最后利用计算得到的风量同进口基准风量进行比较求得风量测量误差，误差计算见公式（8）。

（6）

（7）

经计算得到三种方案的风量和风量测量误差如表3所示，各方案误差对比如图8所示，方案1比末端装置均速管原布置方案3风量测量误差率减小4%左右。

表3 传感器各布置方案风量误差对比

图8 各方案风量测量误差对比图

4 结论

（1）由于现有VAV末端装置风道结构的设计问题，使得风道断面动压分布并不均匀，而风量传感器均速管只有4组测压孔，只能取4组测压孔所在位置处动压的平均值来计算风量，这势必造成一定的风量测量误差。因此风量传感器的布置对于风量传感特性非常重要，本文为提高末端装置风量传感特性提供了一种优化方法。

（2）本文测试了末端装置风道断面的动压分布，说明了风量测量误差产生的原因，并提出了传感器布置的优化方案提高风量传感特性，为设计者提高VAV末端装置风量传感特性提供了一种思路和参考。

[1] Liu R, Wen J, Waring M S. Improving airflow measurement accuracy in VAV terminal units using flow conditioners[J]. Building & Environment, 2014,71(1): 81-94.

[2] 邹志军,王重超,黄晨,等.变风量末端装置风量传感特性的试验研究[J].流体机械,2011,(1):1-5.

[3] Klaczek W, Fleming P, Ackerman M, et al. Field Performance Assessment of VAV Control Systems to determine the longevity of recommissioning[J]. ASHRAE Trans, 2005,111:37-52.

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[6] JB/T 5148-91,变风量末端装置试验方法[S].北京:机械科学研究院,1991.

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[8] 孙淑凤,赵荣义,许为全,等.动态送风末端装置特性的实验研究[J].制冷与空调,2002,(5):23-26.

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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

国家自然科学基金资助项目（No.51376077）

王文修（1990-），男，在读硕士研究生，E-mail：hustwwx007@163.com

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

2016-11-07