基于變頻技術(shù)的新風(fēng)風(fēng)機(jī)研究

繆宏圣

【摘 要】本設(shè)計(jì)針對(duì)公共建筑中央空調(diào)新風(fēng)機(jī)組能耗高、室內(nèi)空氣品質(zhì)差等缺點(diǎn)，采用CO2濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)CO2濃度，將測(cè)得的CO2濃度梯度傳遞給PLC控制器，通過PLC將CO2濃度梯度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來控制變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)組負(fù)荷，調(diào)節(jié)新風(fēng)量以達(dá)到節(jié)能的效果。傳統(tǒng)中央空調(diào)定新風(fēng)量系統(tǒng)相比具有明顯的創(chuàng)新：根據(jù)室內(nèi)CO2濃度作為衡量指標(biāo)來確定室內(nèi)空氣新風(fēng)量，既可以滿足室內(nèi)人員對(duì)空氣品質(zhì)的要求又可以減少風(fēng)機(jī)和制冷機(jī)組的能耗，避免了空調(diào)主機(jī)制冷過多的新風(fēng)，從而減少用電量。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào)；新風(fēng)機(jī)組；CO2濃度傳感器；PLC控制器

0 引言

根據(jù)國(guó)家采暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJI19—87）中規(guī)定的要求，我國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)在新風(fēng)量設(shè)計(jì)階段，往往采用按照當(dāng)?shù)氐淖罡摺⒌蜌鉁睾徒ㄖ镌谠O(shè)計(jì)規(guī)范中要求并考慮到最大冷熱量需求，在此基礎(chǔ)上還要預(yù)留10%～20%的設(shè)計(jì)余量。

在空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，室內(nèi)人員密度是隨著時(shí)間不斷發(fā)生著變化，故室內(nèi)CO2含量也時(shí)刻在更新。相應(yīng)的，新風(fēng)量就需要時(shí)時(shí)變化。但在設(shè)計(jì)階段，新風(fēng)引入量已經(jīng)按照最不利人員密度的最大數(shù)值確定[1]。也就是說，新風(fēng)機(jī)組大多數(shù)時(shí)間都是在低于負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，有時(shí)甚至在設(shè)計(jì)負(fù)荷的10%以下運(yùn)行[2]。如果在低負(fù)荷下卻按照高負(fù)荷的需求運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致中央空調(diào)的運(yùn)行效率下降，帶來資源的浪費(fèi)[3]。另外，由于空氣調(diào)節(jié)機(jī)組具有定規(guī)格特性，不適用于大幅度新風(fēng)量變化工作（或是變新風(fēng)量工作將導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，降低機(jī)組壽命），這也阻礙了變新風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

同時(shí)，對(duì)待中央空調(diào)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的冷凝水的傳統(tǒng)做法是將其作為廢物排到下水管道。這種做法既浪費(fèi)了大量水資源和冷凝水所含的能量[4]，而且有時(shí)候會(huì)帶來環(huán)境上的污染和生活上的不便。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)中存在的問題，本設(shè)計(jì)方案采用“基于變頻技術(shù)的新風(fēng)風(fēng)機(jī)研究”，該設(shè)計(jì)不僅創(chuàng)新地提出了根據(jù)CO2濃度監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)變新風(fēng)量系統(tǒng)工作，而且打破了新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)閥在變流量體系下工作僵化的狀態(tài)，同時(shí)通過對(duì)回風(fēng)中CO2的處理以及冷凝水的回收利用，對(duì)于節(jié)約中央空調(diào)耗能和保持室內(nèi)衛(wèi)生質(zhì)量有著重要意義。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 CO2濃度傳感器工作原理

CO2濃度是人群聚集的重要衡量指標(biāo)[5]，為了在節(jié)能的同時(shí)提供適宜的空氣環(huán)境，需對(duì)CO2的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)在回風(fēng)口安裝CO2濃度傳感器，用來測(cè)定室內(nèi)CO2濃度，將其檢測(cè)的數(shù)值上傳到PLC控制器。

CO2濃度傳感器是通過檢測(cè)CO2分子吸取的紅外線來測(cè)CO2的比重。由于同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與CO2濃度成正比關(guān)系。因此通過檢測(cè)氣體對(duì)光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響，以確定CO2的濃度。

1.2 PLC工作原理

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用專用編程軟件，根據(jù)對(duì)室內(nèi)CO2濃度的變化情況對(duì)PLC進(jìn)行梯形圖編程，使得PLC輸出控制變頻器的起/停。PLC控制器通過已編程的程序?qū)O2濃度傳感器傳來的CO2濃度進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送給變頻風(fēng)機(jī)，控制變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3 CO2的凈化裝置

CO2的含量是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]，本系統(tǒng)加入了CO2凈化裝置可以進(jìn)一步提高回風(fēng)用量同時(shí)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。CO2凈化裝置采用表層為聚丙烯腈基的網(wǎng)狀活性炭纖維（Activated Carbon Fiber），活性炭纖維因其孔徑分布窄較以往的活性炭粉末和活性炭顆粒有更快的吸附速度和更強(qiáng)的吸附性，且易再生。ACF經(jīng)過特殊的化學(xué)工藝浸漬后，改變了表面的含氮官能團(tuán)，從而使CO2的吸附能力大幅度提高。ACF能夠出掉靜電場(chǎng)產(chǎn)生的臭氧和CO2，除掉各種異味，以達(dá)到調(diào)控空氣品質(zhì)的目的。同時(shí)活性炭纖維材料由于其質(zhì)量輕，成本只是略有提高。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案是一種基于CO2濃度傳感器監(jiān)測(cè)和分段調(diào)控新風(fēng)流量系統(tǒng)，現(xiàn)已風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)夏季工況來說明。運(yùn)行圖如圖2所示，圖中紅色圖線標(biāo)記的是該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備部件；圖中空氣的溫濕度是便于說明而假定的，實(shí)際應(yīng)根據(jù)具體工程條件設(shè)定。

本設(shè)計(jì)裝置整體分為上（新風(fēng)）下（回風(fēng)）兩側(cè)。回風(fēng)側(cè)的CO2濃度傳感裝置通過PLC控制器與新風(fēng)側(cè)的變頻風(fēng)機(jī)相連。回風(fēng)側(cè)CO2濃度傳感器前段裝有CO2處理裝置，在新風(fēng)側(cè)入口處裝有冷凝水處理裝置。

在回風(fēng)側(cè)，從室內(nèi)抽吸26℃的室內(nèi)空氣進(jìn)入回風(fēng)口，通過風(fēng)閥和過濾器和CO2處理裝置后，在回風(fēng)管道內(nèi)CO2濃度傳感器測(cè)定回風(fēng)中的CO2含量，將濃度梯度信號(hào)傳送至PLC控制器，PLC將濃度梯度信號(hào)分段處理，轉(zhuǎn)化為控制新風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電信號(hào)，使得變頻風(fēng)機(jī)可以根據(jù)室內(nèi)人員的實(shí)際情況來抽吸室外新風(fēng)量。

在新風(fēng)側(cè)，被變頻風(fēng)機(jī)抽吸的室外新風(fēng)（經(jīng)過冷凝水初步降溫）通過可調(diào)節(jié)風(fēng)閥和過濾器后，變量新風(fēng)（34℃）通過新型的空氣處理機(jī)組（不定規(guī)格）處理后，再經(jīng)過加熱（舒適性空調(diào)不必，可直接按機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)）加濕把室外空氣處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（稱O點(diǎn)）18℃，通過風(fēng)管和散流器輸送到室內(nèi)。O點(diǎn)狀態(tài)空氣帶走室內(nèi)余熱余濕，沿著熱濕比線（稱ε線）到室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)（稱N點(diǎn)），維持室內(nèi)空氣溫度為26℃，相對(duì)濕度為60%。有一定空氣齡的空氣再次被抽吸入回風(fēng)口，并按照上述過程循環(huán)往復(fù)。

本裝置采用變頻風(fēng)機(jī)不僅可較大幅度的提高電網(wǎng)功率因數(shù)，節(jié)省就地補(bǔ)償裝置，還可以消除啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)電流可限制在其額定電流的120%以內(nèi)，減輕電機(jī)軸承等運(yùn)動(dòng)部件的磨損程度，延長(zhǎng)其使用壽命；也在一定程度上具有完善的保護(hù)和自保護(hù)功能保證設(shè)備安全運(yùn)行，設(shè)備可靠性提高，減少備品備件消耗，降低維修成本；在裝置的入風(fēng)口處添加冷凝水降溫裝置，既可以利用冷凝水所含的能量，又可以降低熱交換機(jī)組的負(fù)荷；在回風(fēng)側(cè)的CO2濃度傳感裝置前添加凈化裝置，既可以通過降低CO2的濃度以提高回風(fēng)的使用量進(jìn)一步節(jié)能，同時(shí)可以凈化空氣中污染物提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)通過巧妙設(shè)計(jì)，減少了中央空調(diào)新風(fēng)機(jī)組對(duì)新風(fēng)所做的功，進(jìn)而大幅度地降低新風(fēng)機(jī)組的耗電量。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中模擬運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)都有利于節(jié)能。此外，在節(jié)能的基礎(chǔ)上即滿足了人員對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，也完全符合國(guó)家暖通空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范。所以，本設(shè)計(jì)方案在公共建筑中央空調(diào)新風(fēng)機(jī)組中具有很好的應(yīng)用前景。

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