中央空调风系统的控制特性分析

薛永飞, 王春燕, 王迎辉, 段焕林

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2.成都纺织高等专科学校 纺织系，四川 成都 610063)

中央空调风系统的控制特性分析

薛永飞1, 王春燕2, 王迎辉1, 段焕林1

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2.成都纺织高等专科学校 纺织系，四川 成都 610063)

设计了某区的中央空调风系统并研究了其中间负荷特性.当小支管的风量发生变化时，总压力呈上凸抛物线函数关系；当小支管上两个房间同时发生变化时，系统的风压几乎相等；系统中原最不利管路上的节点负荷变化，易造成最不利管路的转移；分支管段起点的调节阀对管路调试起重要作用；系统总体的压降流量是二次曲线，近似呈线性关系.对中央空调的中间负荷特性进行研究，为系统调试和自控系统的安装设计打下了基础.

中央空调风系统；中间负荷特性；最不利管路转移；管路调试

国家标准GB 50155— 92《采暖通风与空气调节术语标准》[1]第7.1.1 条对自动控制的定义为“在无人直接参与下，采用控制装置使被控设备、系统、生产过程或环境按着预定的方式运行或使被控参数保持规定值的操作”.空调系统的空气处理方案和设备容量都是根据冬夏季节室外设计计算参数及最不利于室内热湿散发的情况计算所得的空调冷热负荷来确定的[2-3].然而，实际运行中空调系统的多干扰性、温湿度的相关性和室外气象参数随季节交替而时时变化，室内冷(热)、湿散发量也时常改变[4].国内不少学者对中央空调系统进行了控制研究[5-8]，通过对不同系统性能的分析，利用一定的手段去控制温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标，以满足人们的生产与生活需要.总体来说，自动控制系统是在非满负荷时，使调节系统设备达到提高大楼管理水平、节约能源、降低工人工作量的目的.然而，对中间负荷状态研究的文献尚较少.因此，本课题以中央空调风系统为例，研究中央空调系统的中间负荷特性.

图1 某区风系统Fig.1 A wind system schematic diagram

1 中央空调风系统模型

对某建筑进行负荷计算，照明功率密度为20 W/m2，设计了中央空调系统，如图1所示.风机前面有过滤段和处理段，暂不考虑回风，送风风机负担整个区域的风量.因节点数目过多，采用基数和序数混合的方式，13～17负担大厅送风，21～26负担6个房间的送风,31～35为散流器风口(400 mm2×400 mm2)，41～46为房间百叶送风风口，送风口设计为320 mm2×150 mm2，总风量由空调机组控制，风量可自由调节.

11节点下游有3条风管并联(命名为1，2，3支路)，每条风管有5个送风口均匀布置，上游节点5，4，3，2有小支管，每个小支管有一个风口.节点5下游的另外一个方向称为4支路.

当所有风口满负荷运行时，系统中风量为50 954 m3/h，总风压为268 Pa，风机需要的流量呈式(1)变化：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；n为转速，r/min；λ为比例系数；p为磁极对数；s为转差率；f为电源频率，Hz.

2 中间负荷情况

系统在运行时，当系统中1020房间负荷为0(关闭46)时，系统中总风量为49 134m3/h，此时系统中总风压为226.2Pa；当该风口以50%负荷运行时，该风口总流量为910m3/h，系统总风量为50 044m3/h，系统中总风压为270.1Pa；当风口所在段以75%负荷运行时，风口风量为1 365m3/h，系统总风量为50 499m3/h，系统中总风压为272.1Pa.此时，负荷变化与风量变化的关系如图2所示，风量与压力的变化不是呈线性关系，压力和流量呈抛物线函数全枝变化.

取26，9，24，17和16.2这5个系统节点，让它们的阀门分别关闭，系统中减少的流量对应为1 804m3/h，2 084m3/h，2 184m3/h，2 308m3/h和2 308m3/h.此时，系统中风压随风量变化的关系见图3.显然，此时的风压随风量变化也不是呈线性关系.系统中1-17管路是原最不利管路，由于节点35的关闭，造成了最不利管路的转移，变为1-6-11-17.2，此时所需的压力也明显下降为245Pa左右.大厅另外一侧末端管路的关闭对最不利管路没有影响，压力值为258.2Pa.若不考虑17节点，压力变化仍然不是线性变化.

图2 负荷与风量的关系Fig.2 The relationship between the load and air volume

图3 风压与风量的关系Fig.3 The relationship between wind pressure and air volume

考虑两个房间同时发生变化：当1020(46)和1026(41)房间没有负荷时，系统的总风量和风压分别为46 674m3/h和250.985 2Pa；当1020(46)和1021(45)房间没有负荷时，系统的总风量和风压分别为46 594m3/h和250.657 4Pa.由此可知，系统总风压没有变化，小范围内近似呈线性.

考虑大厅支路上两个风口同时关闭：当35.2和33.2风口关闭时，系统风量和风压分别为46 338m3/h和219.52Pa；当35.2和35风口关闭时，系统需求总风量没有变化，风压为236.72Pa，系统最不利管路变为1-6-11-17.1.

由此可见，系统所需风量是可以准确确定的，但风压的需求不断变化且没有规律，比满负荷时的268.1Pa小一些.

龙斌笑了笑，又轻轻地握住了竹韵的手：“海力从前名叫王小林，被开除后就去广东打工去了，没想到这些年混出了名堂，做了大老板。可我呢？却成了活着没埋的死人，什么也不能做，吃国家劳保，还要老婆侍候，连老婆做女人的权利都不能给她。小韵，你讲，我做了英雄之后的岁月还是英雄吗？海小林当初贪生怕死做了狗熊是不那么光彩，可是他保住了生命和健全的身体，现在不但自己发了财，还可以招收下岗职工就业，接济贫困职工，还能关照我这个英雄。如果我当初跟他一样，今天的我会是这个样子吗？和他相比，到底他是英雄，还是我是英雄……”

对1个风口关闭时系统管路上的压力，选取26号风口和9号风口与满负荷时相比较.26号风口对下游管路不产生影响，9号风口只影响4支路的情况，压强单独在一个位置下降，需要在此增加阻抗.35号风口与满负荷时比较，35号风口关闭造成最不利管路的转移，此时要求在1支路上11节点处装设阀门调节装置，否则会造成1支路的流量增加，此时的系统总压以3支路为依据，3支路的11节点阻抗可调为0，也就是让调节风门全开.

最不利管路上流量的变化会引起系统风压计算依据的变化，此时对支路上的主调节阀门要格外重视.其他主支路上的流量变化可近似认为是流量的上凸二次函数的下降曲线(图3，除17点).26节点的流量变化对系统而言，压力和流量呈上凸抛物线函数全枝变化，系统流量的变化和压力的关系变得更加复杂.

选取26号风口和综合房间风口，通过对比观察发现，系统中两个房间同时发生变化的时侯，在不影响主支路1的负荷发生变化时，系统分支后面要增加一定的管路阻抗，之后的管路压力分布相同.系统要满足管路中的压力，是通过管路的阀门调节实现的.此时，阀后的压力不能作为传感参数使用，支路4的9节点关闭，见图4.这个管路中的7-8-9已经不再流动，仅7节点压力提供22风口使用.

大厅中多两个风口同时发生关闭，一个发生在1支路的末端，一个发生在3支路的末端，见图5.这时，最不利管路转移到2支路上，系统要满足管路中的压力，是通过管路阀门调节1，3，4支路上的阀门开度而实现的.此时，1，3两个支路的压力几乎全部小于满负荷时，4支路上在6节点之后全部等于满负荷情况，而2支路上在分叉点之后的压力要稍高于满负荷时，此时对应的调节阀门应全开.

图4 4支路风压的分布Fig.4 Distribution of wind pressure on the No.4 branch

图5 风量分布变化Fig.5 Distribution of air pressure

当所有风口处的负荷都发生变化时，见图6，所有位置负荷均为原来的50%，总送风量为25 447m3/h，风道压力为132.86Pa，此时最不利管路转移到2支路上，压差为1.47Pa.所有曲线没有交叉，此时可考虑变频运行.

当所有风口75%负荷运行时，系统风量为38 215.5m3/h，系统风道内总压力为188.15Pa.整体看一下风量风压的情况，把满负荷、全0.5倍风量与全0.75倍风量的情况列出.

对所需压强拟合，用直线和曲线两种方式，系统总体的流量和压降是二次曲线，近似呈直线特性，见图7.

图6 风量分布变化Fig.6 Distribution of air pressure

图7 风压风量变化及拟合Fig.7 Variation diagram and fitting of air pressure

风机流量调节依赖转速的改变，在相似条件下，风机的流量与转速成正比.

单独看式(1),风机的流量和转速及频率成比例关系，但考虑到系统所需的压力，风机的压力要抵抗中间负荷时最不利支路的影响，对其他支路要采用阀门调节的方式来平衡.系统中，流量是多变的，相比压力变化幅值较小.系统中,对总压变化敏感的管段是今后关注的方向.

3 结论

针对全空气空调系统，负荷变化的时候，风机压力的变化规律如下：

(1)小支管的风量发生变化，不影响其他支路压力的分布，但总压力的变化不是呈线性关系，压力和流量呈上凸抛物线全枝变化.小支管上的两个房间同时发生变化时，系统的风压几乎不变.

(2)随机取系统节点，仅对一个节点分析，其风压随风量变化呈非线性关系，系统中原最不利管路上的节点关闭造成了最不利管路的转移，使压力计算依据发生了变化.

(3)大厅中两个风口同时关闭，一个发生在主1支路的末端，一个发生在3支路的末端.这时，最不利管路转移到了2支路上，系统要满足管路中的压力，是通过管路阀门调节1，3，4支路上的阀门开度实现的.此时，1，3两支路的压力几乎全部小于满负荷时，4支路上在6节点之后全部等于满负荷情况，而2支路上在分叉点之后的压力要稍高于满负荷时，此时对应的调节阀门应全开.

(4)系统总体的流量和压降关系是二次曲线，系统中总体风压风量近似呈线性关系.当系统风量增加时，斜率在不断增加，系统中的需求风压会增加.在实际工程中，可以根据系统所得数据对系统进行一些调整，让空调系统在实际应用过程中尽量减少一些损耗，实现节能的目的.

[1] 国家技术监督局，中华人民共和国建设部.采暖通风与空气调节术语标准：GB50155—92[S].北京：中国标准出版社，1992.

[2] 潘云刚.我国暖通空调自动控制系统的现状与发展[J].暖通空调,2012,42(11):1-8.

[3] 王毅立,强天伟.中央空调自动控制系统概述[J].洁净与空调技术,2014(3):85-88.

[4] 李玉刚.建筑设备自动化[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[5] 胡曙敏.中央空调控制系统的研究[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[6] 李剑峰.基于DDC自动控制对中央空调系统的节能[J].煤矿机械,2012(3):154.

[7] 周洪煜,陈小健,陈孜虎.变水量与变风量的中央空调节能控制策略[J].控制工程,2011(3):474-478.

[8] 王日英,罗文广,吴小娜,等.中央空调冷却水系统节能优化控制研究[J].计算机测量与控制,2014(11):3568-3571.

Analysis of control characteristics of central air conditioning system

XUE Yongfei1，WANG Chunyan2，WANG Yinghui1，DUAN Huanlin1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；2.DepartmentofTextile,ChengduTextileCollege,Chengdu610063,China)

In this paper, a central air conditioning system is designed to study the intermediate load characteristics. When a small branch of the air flow changed, a convex parabolic function relationship of the total pressure is created. When two little branches change at the same time, the changed system pressure is almost equal. The nodes load changing in the most unfavorable pipeline, would transfer the most unfavorable line. The regulating valves at the starting position of the branch pipeline play an important role about pipeline adjustments. The total pressure drop of the system is the quadratic function curve, is approximately linear. Thus, the study of central air conditioning load characteristics laid the foundation for the system debugging and installing design of automatic control system.

central air conditioning system; intermediate load characteristics; the most unfavorable pipeline transferring; pipeline debugging

2016-12-05

河南省教育厅自然科学研究项目(2010A560006，2011B510002)；河南工程学院本科重点课程建设项目(201618)；河南工程学院“建筑环境与能源应用工程”专业综合改革试点教学工程项目(201505)

薛永飞(1972-)，男，河南鲁山人，副教授，博士，主要从事暖通空调系统、流体机械与气动声学方面的研究.

TU83

A

1674-330X(2017)01-0053-04