基于風壓特性的換氣扇發展趨勢研究

趙紫明

(順德出入境檢驗檢疫局 廣東順德 528303)

0 前言

隨著社會的發展，人們的居住環境也在逐步得到改善，居住環境的通風條件也正日益受到重視。日本早就立法規定居室環境的通風條件，在我國行業內也在為制定居住環境的通風條件的相關規定作前期準備。各種換氣扇正被廣泛使用，在我國高檔住宅區，以換氣扇及熱交換結構為主體的新風熱交換系統正被大量采用，既清新了居住環境的空氣，也明顯地縮短了空調的使用時間，從而有效地實現了節能環保[1]。

普通型家用換氣扇以其結構簡單、價格適中已被廣泛使用，但隨著社會的不斷發展，人們對居住環境長期所使用的換氣扇的要求越來越高。比如外觀要更簡單大方且經久耐看、風量要大、噪音要小、功率也要小，并且都要求這些性能要能長久保持等等。但現階段我國行業內的設計及制造水平有限，一般還處于仿制或者經驗值估計階段，不能提供準確的產品的關鍵電氣安全或使用性能相關參數值。隨著人們節能環保意識的不斷增強，換氣扇產品的風量特性正受到行業內的更多關注。而隨著歐美地區能效要求的不斷提高，風扇類產品的風量特性也必將成為生產企業重點關注的產品質量關鍵控制點。

1 五種軸流式換氣扇的風量特性測試

近兩年順德轄區內的各類家用型換氣扇出口每年約80萬臺，其生產企業的設計及制造水平也參差不齊，有世界500強的大企業，也有剛剛成立的小規模企業，換氣扇產品的質量水平也相差甚遠。相似設計作為旋轉式葉輪機械設計中的一種重要手段，已無數次地被成功應用于大中型風扇的改型設計中[2-3]。在小家電行業，生產企業一般都采用相似設計理念，但在設計過程中往往會由于設計能力或者試驗及檢測條件的限制，只能關注到有限的幾個性能參數，對產品的綜合性能缺乏實質性的有效監控。

家用換氣扇所采用的電機一般有3種類型：單相電容啟動異步電動機、罩極電動機、直流電機。其中直流電機正處于蓬勃發展階段，各種直流電機結構差別較大，傳統有碳刷直流電機由于其使用過程中的損耗較大等問題正被其他性能更穩定的無刷直流電機所取代。本文中抽取了4家不同規模企業的5種軸流類換氣扇產品進行風量特性測試，所采用的測試設備及方法滿足AMCA210-99標準的要求。

表1 矽鋼片電機APB25-5-30型風量測試結果

表2 冷扎片電機APB25-5-30型風量測試結果

1.1 兩種不同定子材料單相電容啟動異步電機的換氣扇風量特性測試

抽取了同一企業生產的兩種不同定子材料的換氣扇進行風量特性測試，所采用的電機均屬于單相電容啟動異步

電機。一種定子材料是矽鋼片，另一種定子材料是普通的冷扎板，兩種換氣扇的其他結構均相同。表1與表2分別列出了風量測試結果，圖1與圖2分別繪出了風壓特性曲線。

測試說明：

（1）測試方法:AMCA210-99；

（2）風量測試狀態:帶整機測試；

（3）測試設備:LW-9120M-RSAN；

（4）出風口面積:530.91cm2；

（5）標準狀況(STP):溫度20℃,濕度50%,氣壓為760mmHg。

圖1與圖2的曲線明顯看出，在基本相同的測試條件下，矽鋼片電機的換氣扇在各風壓值的風量均大于普通冷扎板電機的換氣扇。轉速對風量的影響方面，當轉速達到1200r/min左右時，風量與轉速的關系已完全不能再靠經驗估計，矽鋼片電機的換氣扇較高風壓范圍內的轉速也高于普通冷扎板電機的換氣扇，在正常工作轉速范圍內的風量均大于普通冷扎板電機的換氣扇。

1.2 直流電機換氣扇風量特性測試

此款型號為FV-20WH3-07換氣扇外接220V電源，采用直流無刷電機，通過專用集成芯片達到正常啟動及控制工作。表3列出了其風量測試結果，圖3繪出了其風壓特性曲線。

測試說明：

（1）測試方法:AMCA210-99；

（2）風量測試狀態:帶整機測試；

（3）測試設備:LW-9120M-RSAN；

（4）出風口面積:379.94cm2；

（5）標準狀況(STP):溫度20℃,濕度50%,氣壓為760mmHg。

從圖3的RPM曲線可明顯看出，此種換氣扇風壓對轉速的影響較小，即說明這種換氣扇工作轉速非常穩定。還可看出，即便是工作范圍內，轉速與風量也沒有明顯的比例關系，再一次證明轉速估測風量的經驗方法不可取。從P-Q曲線也可看出，曲線正常變化的范圍較大，即說明這種換氣扇工作范圍也較大。綜合這兩種性能曲線變化都可說明這種換氣扇的使用性能非常穩定可靠。

1.3 兩種罩極電機換氣扇風量特性測試

型號為LANF-25-B與CAT-R621/2的軸流式換氣扇均采用罩極電機，結構簡單，兩者采用了不同的風葉結構，表4與表5分別列出了其風量測試結果，圖4與圖5分別繪出了其風壓特性曲線。

測試說明：

（1）測試方法:AMCA210-99；

（2）風量測試狀態:帶導風圈測試；

表4 軸流式型風量測試結果

表5 軸流式CAT-R621/2型風量測試結果

（3）測試設備:LW-9120M-RSAN；

（4）出風口面積:403.98cm2（LA N F-25-B）、706.84cm2（CAT-R621/2）；

（5）標準狀況(STP):溫度20℃,濕度50%,氣壓為760mmHg。

從圖4及圖5的P-Q曲線可看出，曲線的風壓范圍較小，即說明這種換氣扇工作范圍也較小，工作狀態時性能不穩定。同時由于罩極電機效率低，工作狀態時的風量也較小。從圖4及圖5的RPM曲線可看出，當轉速變化較大時，風量的變化量較小，又一次證明依據轉速估測風量的經驗方法不可取。從圖4與圖5的差異也說明，不同結構的整機匹配性會明顯影響產品的使用性能。

2 結論

結合不同結構類型換氣扇的成本差異，由于換氣扇的主要構件為電機，成本差異也就主要體現在電機的成本上。異步電機由于結構最簡單，成本相對最低，但從其以上的風量特性測試結果可知，其能量轉換效率低，且能達到的輸入輸出功率較小，已漸漸不能滿足人們日益提高的對節能環保的要求。在相同較小輸入功率的前提下，電容啟動異步電機的生產成本一般低于直流電機，但由于異步電機性能較穩定、能達到較大的輸入功率且制造工藝較成熟等特點，在整個小家電行業還是得到了廣泛應用。直流電機由于能耗較低、噪音小、體積較小、性能穩定，特別是方便與新型能源如太陽能結合使用等特點正被大量采用。在采用同類電機的條件下，如果不注重整個產品各主體結構間的匹配性，也將會導致整個產品的使用性能達不到最優點。隨著更專業的生產企業不斷成熟，所關注的產品性能將不僅僅是某幾個參數，更多的關注點將會隨著設計及檢測條件的改進逐步向產品的綜合性能轉移。

在激烈的市場競爭條件下，順德家用換氣扇出口企業在立足傳統產品的基礎上，積極創新，涌現出了大批的新產品，并在出口市場上贏得了先機，取得了很好的成效。以松下直流無刷電機為代表的節能高效型新一代換氣扇，引領換氣扇直流無刷電機的發展潮流，將會在一定時期內在換氣扇高端市場處于統治地位；以配合安裝空間整體結構而設計的各類帶燈換氣扇,將產品的整體結構及外形設計融入使用環境的整體建筑風格，從而實現更加和諧一致的良好效果；以太陽能光電板為主要能源結構的各類直流風扇，在節能環保這一全世界關注的主題下，正受到更多關注。

[1]冉紅衛、王昱.關于熱交換效率和能量回收方面存在的認識誤區問題的探討[J].空調暖通技術，2009，1(5)：24-27.

[2]王企鯤.微型軸流風扇氣動設計與相似性研究[D].上海：上海理工大學,2008.WANG Qikun.Aerodynamic design and similitude analysis for axial microfan[D].Shanghai：University of Shanghai for Science and Technology,2008.

[3]王企鯤，陳康民.微型軸流風扇中變環量指數對扭葉片氣動性能的影響叨[J].機械工程學報，2009，45(4)：76.82.WANG Qikun,CHEN ICangmin.Aerodynamic characteristics of twisted blade influenced by twisted power in micro axial fans[J].Journal of Mechanical Engineering，2009，45(4)：76—82.