动力分布式通风系统支路风机风量自适应性能测试与分析

2021-11-10重庆科技学院居发礼

暖通空调 2021年10期

重庆科技学院居发礼黄雪

重庆海润节能技术股份有限公司邓福华闫润

0 引言

动力分布式通风系统是一种可以满足各空间动态非均匀通风需求、能够独立调节、节能性良好的通风系统[1-5]，在越来越多的工程项目中得到应用[6-7]。常规的动力分布式通风系统即使在良好的系统设计前提下，支路风机在运行时也容易受支路入口压力的影响，从而导致实际运行风量产生偏移[8-9]，造成风量达不到实际需求的问题，为系统的良好使用、保障室内空气品质带来了困难。因此，提高动力分布式通风系统运行中的支路风量稳定性能是该系统需要迫切解决的技术问题。本文以重庆某公司开发的自适应支路风机为研究对象，对其自身性能及在系统中的自适应性能进行测试与分析。

1 测试方案

1.1 实验台搭建

实验采用动力分布式通风系统综合实验台，系统图见图1。该综合实验台可测试多种形式的送风末端和风口，由主风机、支路风机、三通风机、多种送风口(侧送、地板送风口等)等组成。实验台设备及相关技术参数见表1。

注：①为主风机；②为消声静压箱；③为支路风机；④为三通风机；⑤为散流器；⑥为侧送风口；⑦为支路圆形风管；1#～4#为支路风机编号。图1 动力分布式通风系统实验系统图

表1 动力分布式通风系统实验台设备技术参数

需要说明的是，该系统实验台中的支路风机为自适应风机，其基本原理为根据实际风量需求自动采集风机内部参数并进行自适应整定，采用特定算

法计算风机转速的修正值来稳定风量，不需要外置风速或风量传感器。风量的大小与电压信号(或挡位)有关，可通过手动调节挡位或根据空气品质传感器探测的0～10 V信号进行风量调节。本文实验测试时，仅运行主风机和1#～4#4台支路风机，其他支路风机及三通风机关闭。

1.2 测试工具

采用MP200多功能压差风速仪测试支路入口静压和支路风速与风量，压力量程为0～500 Pa，误差为±(0.2%量程+0.8 Pa)。

根据GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》风量测试要求，将圆形风管断面划分为3个面积相等的同心圆环，测点布置在各圆环面积等分线上，并在相互垂直的2条直径上布置2个测孔。风速或压力为各个测点风速或压力的平均值。

1.3 测试方案

本文实验重点为对支路风机的风量稳定性和抗干扰能力进行测试与分析，故在测试中仅开启主风机及1#～4#支路风机，其他风机与支路处于关闭状态。测试方案分为2种：第一种为支路风机的单机性能测试，重点测试支路风机在不同入口压力下的风压-风量性能曲线；第二种为支路风机在系统中的风量稳定性能(或称为抗干扰特性)，重点测试在不同的风机运行组合下，支路风机受主风机及其他支路风机调节干扰后的风量稳定性能。

1.3.1单机性能测试

目的是进行单机自适应性能测试，获得风机在不同入口压力、不同挡位下的风量和风压。

1) 断开2#支路风机与系统的连接，使其单独运行，分别调节支路风机挡位为10、7、6、5、4、3，每个挡位下通过调节风管出风口面积进行管网阻抗的调节，测试不同挡位下的风量-风压性能曲线。

2) 模拟支路风机入口有压力情况。开启主风机和2#支路风机，关闭其他支路风机。通过调节主风机转速模拟调节2#支路风机入口压力，测试支路风机不同挡位下风量与支路风机入口压力之间的关系曲线。

1.3.2系统联动测试

支路风机在系统中联动运行，分析支路风机在其他风机调节下的风量变化情况，即风量稳定性或抗干扰特性。

1) 支路风机调节工况。主风机挡位不变，测试其他支路风机调节时4#风机风量变化情况，研究某个支路风机在其他支路风机调节时风量保持稳定的能力。

2) 主风机调节工况。测试主风机调节、支路风机不调节时的风量变化曲线，研究各支路风机风量抗主风机调节的干扰能力。

3) 主风机及支路风机联动调节工况。测试主风机和1#、2#支路风机调节时其他支路风机的风量变化曲线，研究3#、4#支路风机风量(其中3#支路风机设定为10挡，4#支路风机设定为5挡)抗主风机和1#、2#支路风机调节的干扰能力。

2 测试结果

2.1 自适应支路风机风量-风压特性

2.1.1支路风机入口压力为零的工况

2#支路风机单独运行，不接入系统，即支路风机直接接入大气，入口压力为零。支路风机不同挡位下的风量-风压性能曲线如图2所示。

图2 入口压力为零时支路风机在不同挡位下的性能曲线

该支路风机10挡运行时，风量在400 m3/h时的压力范围较广，为0～150 Pa，也就是说，该支路风机若安装在管网阻力为0～150 Pa或管网阻力动态变化在此范围内的管网中，风机在10挡下的运行风量可以稳定保持在400 m3/h，而当管网阻力大于150 Pa时，该支路风机的风量会变小。这说明了该支路风机的风量稳定能力具有一定的压力范围(0～150 Pa)。

需要特别说明的是，由于该支路风机为自适应风机，因此其曲线并不是某一转速下的风量-风压曲线，而是风机随着管网阻力变化进行追踪调速下的风量-风压曲线，反映了自适应风机适应管网阻力变化而稳定风量的能力。

该支路风机在不同挡位下的稳定风量及其适配入口压力如表2所示，对应的稳定风量与挡位关系如图3所示。

由表2与图3可知：自适应支路风机在不同挡位下运行，在一定的压力范围内，均具有一定的风量稳定能力；在10、7、6挡时，各挡位稳定风量对应的风压范围为0～150 Pa；随着自适应支路风机挡位的下降，稳定风量的风压范围变窄，直至3挡时稳定风量的风压范围为0～80 Pa。由图3可知，稳定的风量与挡位并不完全存在线性关系，挡位从10挡降至7挡时，稳定风量变化幅度较小，而挡位从7挡降至3挡时，稳定风量变化幅度较前者大。

表2 支路风机入口压力为零时不同挡位下的稳定风量及其适配入口压力

图3 支路风机入口压力为零时的稳定风量与挡位关系

支路风机独立运行的情况可以理解为支路风机入口直接接入大气，入口压力为零。而在动力分布式通风系统中，每台支路风机入口压力不可能均为零。因此有必要对入口压力不为零，尤其是入口压力为正压的情况进行研究。

2.1.2支路风机入口压力不为零的工况

通过调节主风机挡位(10挡至3挡)，模拟调节2#自适应支路风机呈现不同的入口压力，分别测试自适应支路风机在不同挡位下的风量稳定能力，结果如图4所示。

图4 入口压力不为零时支路风机在不同挡位下的性能曲线

由图4可知：自适应支路风机10挡运行、入口压力为-20～110 Pa时，风量基本稳定在415 m3/h；随着入口压力的增大，风量增大，当支路入口压力增大到250 Pa时，风量增大到530 m3/h，风量增大比例为30%。因此可得，该支路风机稳定风量为415 m3/h，适配的支路风机入口压力范围为-20～110 Pa。

支路风机在不同挡位下的稳定风量及其适配的入口压力如表3所示。

表3 支路风机入口压力不为零时不同挡位下的稳定风量及其适配入口压力

由表3可知，支路风机入口压力不为零的情况下，在不同挡位下仍具有稳定风量的能力，且随着挡位的降低，风量下降，自适应支路风机稳定风量的入口压力范围变窄，从10挡稳定风量415 m3/h下入口压力范围为-20～110 Pa变化到3挡稳定风量200 m3/h下入口压力范围为0～30 Pa。由此可知，该支路风机在高挡位时的稳定风量所需要的入口压力范围更广，管网的适应性更强。

稳定风量与挡位的关系如图5所示。由图5可知：支路风机入口压力不为零时，稳定风量与挡位不存在完全的线性关系；挡位从10挡降至8挡时，稳定风量基本不变；挡位从7挡降至5挡时，风量变化率较大；挡位从5挡降至3挡时，稳定风量变化率相对减小。该规律与图3支路风机入口压力为零条件下的稳定风量与挡位关系的规律一致。由此可知，利用自适应支路风机的风量稳定性能，一定要掌握稳定风量与挡位、适配压力范围的关系，方能进行较好的风量调节。

图5 支路风机入口压力不为零时的稳定风量与挡位关系

2.2 系统中的自适应支路风机运行特性

2.2.1支路风机调节工况

图6显示了主风机保持10挡不变，1#～3#支路风机挡位同步调节后(从10挡逐步调到3挡)，4#支路风机在不同挡位下的风量变化情况。

图6 4#支路风机不同挡位下的风量变化

由图6可见，4#自适应支路风机在不同的挡位下，风量稳定能力较好，分别为150 m3/h(4挡)、200 m3/h(5挡)、250 m3/h(6挡)、320 m3/h(7挡)、400 m3/h(10挡)。

2.2.2主风机调节工况

图7显示了主风机挡位从10挡逐步调到3挡、自适应支路风机挡位不变时(1#、2#、4#支路风机挡位为10挡，3#支路风机挡位为5挡)各支路风机的风量变化情况。

图7 调节主风机挡位工况下的支路风机风量变化

由图7可知：各自适应支路风机风量变化相对较小，偏差在±10%内；3#支路风机位于5挡，风量稳定在200 m3/h；1#、2#、4#支路风机挡位均为10挡，2#、4#支路风机风量基本相当，约为400 m3/h，但1#风机风量为500 m3/h，且波动相对较大，这是由于1#风机靠近主风机，入口正压较大，超过其稳定风量的适配压力范围，因此在相同挡位下比2#、4#风机风量大100 m3/h。这就再次表明，自适应风机稳定风量的能力基于一定入口压力范围，超过这个范围，支路风机运行会产生风量偏差，但总体表现为风量相对稳定的趋势。

2.2.3主风机及支路风机联动调节工况

在主风机及1#、2#支路风机挡位联合调节下，3#支路风机(保持为10挡)、4#支路风机(保持为5挡)风量变化如表4所示。

表4 不同调节工况下的支路风量

由表4可知，主风机和1#、2#支路风机挡位变化时，3#支路风机(保持在10挡)的平均风量为380 m3/h，4#支路风机(保持在5挡)的平均风量为240 m3/h，风量相对比较稳定，偏差在±20%内。

3 分析与讨论

3.1 支路风机在通风管网中的水力工况特性

支路风机在动力分布式通风系统运行中存在着入口压力为零、负和正的3种状态。

3.1.1支路入口处正压

支路入口处为正压时的管网压力分布如图8所示。若某一支路入口存在着正静压pj，假设设计流量下克服该支路所需要的压力为p，若pjp，则该支路需要支路风机提供的压力为(p-pj)，此时(p-pj)<0，说明支路风机存在着阻碍作用，这种情况在设计和运行时是需要避免的，如图8b所示。

注：A为主风机处，B为支路风机处，C为支路末端风口处，下同。图8 支路入口处为正压时的管网压力分布

3.1.2支路入口处零压

支路入口静压为零时的管网压力分布如图9所示，此时支路设计流量下需要支路风机提供的压头即为该支路需要克服的阻力p。

图9 支路入口处为零压时的管网压力分布

3.1.3支路入口处负压

支路入口静压为负静压-pj时的管网压力分布如图10所示，这种情况在动力分布式通风系统中往往出现在离主风机较远端。在设计风量下此支路风机需要提供的压力为(p+pj)。

图10 支路入口处为负压时的管网压力分布

综上可得，在动力分布式新风系统中，支路风机存在3种运行状态，且在实际运行中存在着运行状态的切换现象。这显示了动力分布式通风系统中支路风机选型的重要性。支路风机在系统中存在着支路入口压力不同的情况，不仅要求在设计工况下达到风量要求，还要求工况调节下也具有对应的稳定风量的能力。这是系统良好运行的重要技术保障。

3.2 支路风机性能分析

传统的支路风机性能曲线一般是固定转速下的风量-风压关系曲线，呈现风量增大、风压降低的对应关系。一般采用固定转速下的风机性能曲线与通风管网的特性曲线的交点确定风量及其运行风量下的风压，当管网阻力特性不变时，风机的运行状态点不变。当管网阻力增大时，风机的流量减小，其提供的压头增大。

而自适应支路风机是一种新型的可根据风量要求进行动态追踪调速的风机，其风量-风压特性曲线并不是常规意义上的风量-风压曲线，而是在不同管网阻力特性下，风机适配其特性而呈现出的风机调速下的风量-风压曲线。也就是说，对于某一管网，设计时确定了风量，采用自适应支路风机提供压头，当管网阻力增大时，自适应支路风机可自动将风机转速调大，从而调大压力并稳定风量；当管网阻力减小时，可自动调小风机转速，减小压力并稳定风量。因此，自适应风机是以提供具体的风量大小为直接目标来进行调速匹配的。测试结果显示，自适应风机在调节工况下具有风量稳定性能，但不能忽视其风压适配范围。在动力分布式系统中，应充分分析不同支路的入口压力，分析其是否处在使风量稳定的风压范围内，这也是保障系统风量达到设计要求及良好运行的关键。

3.3 自适应支路风机的性能表征及工程应用

本文测试的自适应风机风量稳定在400 m3/h(误差±10%)的适配支路入口压力范围为-150～110 Pa(认为支路的阻力为0)。自适应支路风机的性能表征参数为稳定风量Q和压力适配范围p1～p2。当支路风机入口压力为负时(即-p0)，只要入口压力负值的绝对值小于适配入口压力范围的上限值(即p0

但在实际工程中，支路的阻力不可能为零，因此在具体的支路自适应风机匹配设计中，需对该稳定风量的适配压力范围作修正。对于自适应风机风量为Q时的适配支路入口压力范围p1～p2，当支路阻力为p时，其稳定风量为Q时的适配支路入口压力范围应修正为(p1+p)～(p2+p)。

工程应用中，需首先根据设计支路风量下的阻力对适配压力范围进行修正，其次确定该自适应支路入口压力是否处于修正后的压力范围内，如果处于修正后的范围内，则说明可以稳定风量，若处于该范围之外，则会偏离设计风量。若入口压力大于修正后的范围上限值，则该自适应支路风机的实际风量会大于设计风量；若入口压力小于修正后的范围下限值，则该自适应支路风机的实际风量会小于设计风量。