风量罩测量误差原因及基于静压补偿法的研究

刘世杰 邹钺 刘赟

1 东华大学环境科学与工程学院

2 上海典唯科技有限公司

0 引言

目前，通风量最普遍的测量方法有直接风量测量和间接风量测量两种方法[1-2]。间接测量法是通过风速仪[3]测定各点风速，以各点风速测量值的算术平均值作为风口截面平均风速，将平均风速乘以风口截面积计算出风口风量。直接测量方法主要是采用风量罩进行风量测量，它的优点是直接读取风量，减去了大量计算的麻烦，能够实现快速测量且操作方便。在风口复杂的气流方向条件下,相较于直接测量法,间接测量法中所用的风速仪对气流方向不够敏感,不能保证测试结果的准确性,且风速仪造价较高,风速探头易断,在结构复杂的风口处,极易被损坏。因此在通风工程中，常采用各种形式的风量罩来测量风口风量。

尽管风量罩在我国的风量测量领域越来越普及，但在出风口处使用风量罩进行风量检测时，所测风量相比于设计风量均偏小[4]。即便在检测过程采用的是美国TSI、瑞典SWEMA 公司专业检测工具，其测量精度达到国际标准且通过CNAS 专业机构的计量认证，测量结果仍与设计风量不符。2014 年，罗运有介绍当前风量测量主要技术特点，在研究风量罩罩体阻力对测量结果的影响基础上，得出风量罩精度所引起的不确定度为风量罩罩体自身阻力所引起的不确定度的2.5 倍这样的结论[5]。2016 年，黄聪进行了风量罩测量方法的研究，认为空气流体流经风量罩时，流速、静压和能量都会发生变化[6]。陆科,臧立新,张弦等利用以皮托管为主标准器的风洞进行风量罩风量的校准,得出风量罩风量示值误差测量的不确定度为0.49%的结论[7]。国内外相关文献对于解决空调系统风量精确测量及补偿这类问题的研究较少，因此针对这一现象，我们需要进行相关实验。旨在探求造成这种现象的原因及提出一种解决方案。

1 本文思路

探寻风量罩测量不准确原因：首先在实验室内搭建实验台模拟空调系统出风过程。通过风量罩安装在出风口前后，测量得到出风口静压大小的变化，探寻风量罩测量风量不准确的原因。

提出解决方案：基于风量罩测量不准确的原因，提出相应的解决方案，即通过静压补偿[8]的方式将出风口静压影响消除，保证气流无阻力出风，使风量罩可测得准确风量值。

解决方案的验证：在标准风洞实验室内，风洞系统内的实际风量值已知的情况下，测量将风量罩安装在风洞风口前后风洞出口处的静压大小变化进一步验证原因，并通过静压补偿的方式将风洞出口处静压降低至0 Pa，比较风洞此时风量大小是否与设定值相等来判断此方法的有效性。

2 模拟风口出风实验

2.1 实验介绍

在实验室内模拟风口出风试验初步探究风量罩测量不准确原因。通过小型轴流风机模拟系统中动力装置，再通过静压箱出风。Swema 风量罩与静压箱连接，在静压箱出口处设置静压采集点，实时监测出口静压的状况。整体装置示意图如图1 所示：

图1 实验装置连接示意图

2.2 实验装置

表1 为模拟风口出风实验器材及型号。

2.3 实验过程

1）将轴流风机与静压箱相连，静压箱出口截面设置采压点，采压点利用Swema3000 与压力探头进行静压力采集读数。采集静压时，注意压力探头与气流方向保持垂直或背对状态，将风速带来的动压的影响降低到最小以测得静压大小。

2）运行小型轴流式风机，将风速调至固定值大小。测量并记录采压点此时的静压值。

3）将静压箱出口与风量罩相连，再次测量并记录采压点静压值，观察静压值的变化

4）参照风量罩出口尺寸改变静压箱出口截面尺寸，重复进行上述的实验。探寻两者尺寸与静压值大小之间是否存在必然关系。

2.4 数据分析

实验测得在静压箱出口处不加风量罩的情况下，采压点静压值基本维持在0 pa 左右，表明该系统自然出流无阻力影响。风量罩出口截面尺寸为13.5×14.5 mm。

在不同播种量下，小麦的出苗期完全相同，均为4月16日出苗。但抽穗期偶有不同，其中以播量为180 kg/hm2时抽穗最早，为6月7日；播量为150 kg/hm2、210 kg/hm2、240 kg/hm2 时次之，均为6月8日，播量为 270 kg/hm2、300kg/hm2时最迟，为6月9日。在成熟期上，播量为150～240kg/hm2时均在7月23日成熟，而播量为 270kg/hm2、300kg/hm2时成熟较晚，为7月24日。总整体来看，随着播种密度的增大，小麦的抽穗期和成熟期均有一定的推迟。生育期也在播量较小的情况下较短，均为98 d，播量较大时，延长了生育期，为99 d。

将静压箱出口与风量罩相连，用胶布等辅助工具进行密封措施，避免风量泄露。风量罩出口截面尺寸为13.5×14.5 mm。实验数据记录如表2：

表2 采压点测得数据

静压箱出口截面尺寸由13.5 mm×14.5 mm 增大至18 mm×18 mm 时，采压点静压值从1.2 Pa 增大至8.2 Pa，风量罩产生的阻力影响越大。

更重要地，静压箱出口罩上风量罩后，出口处的静压从0 Pa 增加至1.2 Pa。风量罩罩体对出风性能产生了影响，阻碍了系统出风，使得风量罩测量的风量不准确。

3 基于静压补偿法的概念及模型

由上述实验得出风量罩罩体对出风产生阻力[9]这一特点，主要体现在风量罩罩体对出风性能产影响。对此，提出一种静压补偿的方法，将风量罩罩体产生的静压影响消除，得到系统内实际风量大小。

静压补偿法目的是为了通过添加一个辅助动力的方式让出风口处存在的静压降低为0 Pa。这一方式的实现是在风量罩上增加一辅助装置。本方法采用的辅助装置为小型轴承风扇。将风扇安装至风量罩内，通过风扇的抽吸作用将静压降低至0 Pa，实现补偿的目的。装置模型如图2 所示。

图2 装置模型图

系统由风量采集罩1、采压仪器2、补偿风扇4 及补偿风扇的控制装置构成。风量显示屏3 可直接读出实时风量罩测得风量大小。其特征在于：通过测量系统出风口2 处静压值的正负及其大小来判断风量采集罩对出风性能产生的影响，进而通过补偿风扇4 的抽吸作用将采压点2 的静压值降低至0 Pa。其中，补偿风扇4 固定于风量罩下方，不影响风量罩测量段测量风量过程、易于携带且安装拆卸方便。风扇风量可通过控制装置调节。

由于模拟风口出风实验无法明确知道轴流式风机的实时风量大小，使用基于静压补偿这一方法无法判断是否有效。因此在已知系统内实时风量大小的标准风洞实验室内展开压力测试及补偿实验，判断上述方法的有效性。

4 标准风洞实验室出风测试

4.1 实验装置

表3 标准风洞实验室出风测试器材及型号

在风量罩罩体内设置三个采压点，分别位于风量罩最小截面处点1、风量罩与风洞连接处点3、风量罩罩体中间点2，采压点处的橡胶管背风固定在风量罩罩体上。设置三个采压点的目的在于：测出采压点1、2、3 三处的静压值，若测量静压值不同，则分别作为补偿基准点进行补偿，将补偿过后的风量值与系统设定风量值进行对比验证，判断各点是否为补偿参考点。采压点布置图及整体实验装置连接示意图分别如图3、图4 所示。

图3 风量罩内部采压点

图4 实验装置连接示意图

4.2 实验过程

1）在风洞出风口上罩上风量罩。若风量采集罩截面面积大于出口面积，使用海绵条、单面胶，胶带等材料达成转接目的，并缠绕胶带于两者连接处以保证密封性。本次实验中，风量罩面积与风洞出口截面积近似相等，于是仅用胶带进行密封措施，密封后将风量罩取下。

2）在风量罩内设置采压点1、2、3，在风洞运行稳定后依次测量各点静压值大小。

3）设定风洞系统风量值Q，运行风洞系统，待系统稳定后，在风洞出口处加上风量罩，对比此时系统实际风量值Q’与设定风量值Q，判断风量罩对风洞系统产生的阻力大小。

4）分别对三个采压点进行压力采集，记录为P1、P2、P3。

5）将小型轴流风机固定在风量罩内，分别将三处压力点均降低至0 Pa，记录下每个采压点降低至0 Pa时，对应的风洞内实时风量Q1、Q2、Q3的大小。比较风量Q1、Q2、Q3与系统设定风洞风量值Q 是否相等。

6）改变风洞内设定的风量值Q，待系统稳定后，重复上述实验步骤。

4.3 数据及分析

设定风量值由小到大。前三个风量值风洞系统采用Φ60 的孔板，流量范围为50～350 m3/h，称为第一种工况。后两个风量值采用Φ225 的孔板，流量范围为350～600 m3/h，称为第二种工况。实验所得数据如表4：

表4 静压补偿法所得实验数据

风洞所设定的五个风量值在罩上风量罩后，均出现系统风量变小的现象。在第一种工况下，设定风量Q从97.0 m3/h、199.2 m3/h 和299.7 m3/h 减小至Q’为95.0 m3/h、197.0 m3/h、295.6 m3/h，风量减小，但风量罩对系统产生的影响不大。在第二种工况下，设定风量Q从397.0 m3/h 和503.0 m3/h 减小至Q’为206.9 m3/h 和255 m3/h，风量减小至设定风量的一半。表明风量罩对系统出风产生较大影响。

三个采压点，对于每个不同的风量值，在将P1压力补偿为0时，Q1对应的96.8 m3/h、197.4 m3/h、295.9 m3/h、274.0 m3/h 和349.0 m3/h 与其设定风量值Q都不等相，表明采压点1 在静压补偿方面不具有参考意义。相反地，可以发现五个测量风量下，P2=P3，采压点2、3 处的静压值相等。运用静压补偿法将P2、P3压力值降低为0 时，系统风量Q2=Q3，均增加至97.0 m3/h、199.2 m3/h、299.0 m3/h、397.0 m3/h 和502.7 m3/h。考虑到一定的测量误差，可以判断补偿后的风量值Q2和Q3与系统设定风量值Q 相等。

5 结论

1）通过实验表明风量罩对于送风系统存在送风阻力影响，主要体现于在风口处安装风量罩会对出风口处产生静压的作用，阻碍系统自然出风，从而减小了系统内风量大小，风量罩风量测量不准确。

2）提出了一种基于静压补偿的方法，通过在风量罩内安装小型风扇，利用风扇的动力作用将出风口处存在的静压降低为0 Pa，保证系统自然无阻力地出风，可使得标准风量罩测得的风量大小准确无误。

3）在标准风洞实验室内，通过实验证实了这一方法的可行性。例如设定风量为503 m3/h，安装风量罩后，风量降低至255.0 m3/h，出风口处静压为15.6 Pa，运用静压补偿法将出风口静压降低为0 Pa 时，风量值大小返回为502.7 m3/h，验证了该方法的有效性。