動力分布式通風系統支路風機風量自適應性能測試與分析

重慶科技學院 居發禮 黃 雪

重慶海潤節能技術股份有限公司 鄧福華 閆 潤

0 引言

動力分布式通風系統是一種可以滿足各空間動態非均勻通風需求、能夠獨立調節、節能性良好的通風系統[1-5]，在越來越多的工程項目中得到應用[6-7]。常規的動力分布式通風系統即使在良好的系統設計前提下，支路風機在運行時也容易受支路入口壓力的影響，從而導致實際運行風量產生偏移[8-9]，造成風量達不到實際需求的問題，為系統的良好使用、保障室內空氣品質帶來了困難。因此，提高動力分布式通風系統運行中的支路風量穩定性能是該系統需要迫切解決的技術問題。本文以重慶某公司開發的自適應支路風機為研究對象，對其自身性能及在系統中的自適應性能進行測試與分析。

1 測試方案

1.1 實驗臺搭建

實驗采用動力分布式通風系統綜合實驗臺，系統圖見圖1。該綜合實驗臺可測試多種形式的送風末端和風口，由主風機、支路風機、三通風機、多種送風口(側送、地板送風口等)等組成。實驗臺設備及相關技術參數見表1。

注：①為主風機；②為消聲靜壓箱；③為支路風機；④為三通風機；⑤為散流器；⑥為側送風口；⑦為支路圓形風管；1#～4#為支路風機編號。圖1 動力分布式通風系統實驗系統圖

表1 動力分布式通風系統實驗臺設備技術參數

需要說明的是，該系統實驗臺中的支路風機為自適應風機，其基本原理為根據實際風量需求自動采集風機內部參數并進行自適應整定，采用特定算

法計算風機轉速的修正值來穩定風量，不需要外置風速或風量傳感器。風量的大小與電壓信號(或擋位)有關，可通過手動調節擋位或根據空氣品質傳感器探測的0～10 V信號進行風量調節。本文實驗測試時，僅運行主風機和1#～4#4臺支路風機，其他支路風機及三通風機關閉。

1.2 測試工具

采用MP200多功能壓差風速儀測試支路入口靜壓和支路風速與風量，壓力量程為0～500 Pa，誤差為±(0.2%量程+0.8 Pa)。

根據GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》風量測試要求，將圓形風管斷面劃分為3個面積相等的同心圓環，測點布置在各圓環面積等分線上，并在相互垂直的2條直徑上布置2個測孔。風速或壓力為各個測點風速或壓力的平均值。

1.3 測試方案

本文實驗重點為對支路風機的風量穩定性和抗干擾能力進行測試與分析，故在測試中僅開啟主風機及1#～4#支路風機，其他風機與支路處于關閉狀態。測試方案分為2種：第一種為支路風機的單機性能測試，重點測試支路風機在不同入口壓力下的風壓-風量性能曲線；第二種為支路風機在系統中的風量穩定性能(或稱為抗干擾特性)，重點測試在不同的風機運行組合下，支路風機受主風機及其他支路風機調節干擾后的風量穩定性能。

1.3.1單機性能測試

目的是進行單機自適應性能測試，獲得風機在不同入口壓力、不同擋位下的風量和風壓。

1) 斷開2#支路風機與系統的連接，使其單獨運行，分別調節支路風機擋位為10、7、6、5、4、3，每個擋位下通過調節風管出風口面積進行管網阻抗的調節，測試不同擋位下的風量-風壓性能曲線。

2) 模擬支路風機入口有壓力情況。開啟主風機和2#支路風機，關閉其他支路風機。通過調節主風機轉速模擬調節2#支路風機入口壓力，測試支路風機不同擋位下風量與支路風機入口壓力之間的關系曲線。

1.3.2系統聯動測試

支路風機在系統中聯動運行，分析支路風機在其他風機調節下的風量變化情況，即風量穩定性或抗干擾特性。

1) 支路風機調節工況。主風機擋位不變，測試其他支路風機調節時4#風機風量變化情況，研究某個支路風機在其他支路風機調節時風量保持穩定的能力。

2) 主風機調節工況。測試主風機調節、支路風機不調節時的風量變化曲線，研究各支路風機風量抗主風機調節的干擾能力。

3) 主風機及支路風機聯動調節工況。測試主風機和1#、2#支路風機調節時其他支路風機的風量變化曲線，研究3#、4#支路風機風量(其中3#支路風機設定為10擋，4#支路風機設定為5擋)抗主風機和1#、2#支路風機調節的干擾能力。

2 測試結果

2.1 自適應支路風機風量-風壓特性

2.1.1支路風機入口壓力為零的工況

2#支路風機單獨運行，不接入系統，即支路風機直接接入大氣，入口壓力為零。支路風機不同擋位下的風量-風壓性能曲線如圖2所示。

圖2 入口壓力為零時支路風機在不同擋位下的性能曲線

該支路風機10擋運行時，風量在400 m3/h時的壓力范圍較廣，為0～150 Pa，也就是說，該支路風機若安裝在管網阻力為0～150 Pa或管網阻力動態變化在此范圍內的管網中，風機在10擋下的運行風量可以穩定保持在400 m3/h，而當管網阻力大于150 Pa時，該支路風機的風量會變小。這說明了該支路風機的風量穩定能力具有一定的壓力范圍(0～150 Pa)。

需要特別說明的是，由于該支路風機為自適應風機，因此其曲線并不是某一轉速下的風量-風壓曲線，而是風機隨著管網阻力變化進行追蹤調速下的風量-風壓曲線，反映了自適應風機適應管網阻力變化而穩定風量的能力。

該支路風機在不同擋位下的穩定風量及其適配入口壓力如表2所示，對應的穩定風量與擋位關系如圖3所示。

由表2與圖3可知：自適應支路風機在不同擋位下運行，在一定的壓力范圍內，均具有一定的風量穩定能力；在10、7、6擋時，各擋位穩定風量對應的風壓范圍為0～150 Pa；隨著自適應支路風機擋位的下降，穩定風量的風壓范圍變窄，直至3擋時穩定風量的風壓范圍為0～80 Pa。由圖3可知，穩定的風量與擋位并不完全存在線性關系，擋位從10擋降至7擋時，穩定風量變化幅度較小，而擋位從7擋降至3擋時，穩定風量變化幅度較前者大。

表2 支路風機入口壓力為零時不同擋位下的穩定風量及其適配入口壓力

圖3 支路風機入口壓力為零時的穩定風量與擋位關系

支路風機獨立運行的情況可以理解為支路風機入口直接接入大氣，入口壓力為零。而在動力分布式通風系統中，每臺支路風機入口壓力不可能均為零。因此有必要對入口壓力不為零，尤其是入口壓力為正壓的情況進行研究。

2.1.2支路風機入口壓力不為零的工況

通過調節主風機擋位(10擋至3擋)，模擬調節2#自適應支路風機呈現不同的入口壓力，分別測試自適應支路風機在不同擋位下的風量穩定能力，結果如圖4所示。

圖4 入口壓力不為零時支路風機在不同擋位下的性能曲線

由圖4可知：自適應支路風機10擋運行、入口壓力為-20～110 Pa時，風量基本穩定在415 m3/h；隨著入口壓力的增大，風量增大，當支路入口壓力增大到250 Pa時，風量增大到530 m3/h，風量增大比例為30%。因此可得，該支路風機穩定風量為415 m3/h，適配的支路風機入口壓力范圍為-20～110 Pa。

支路風機在不同擋位下的穩定風量及其適配的入口壓力如表3所示。

表3 支路風機入口壓力不為零時不同擋位下的穩定風量及其適配入口壓力

由表3可知，支路風機入口壓力不為零的情況下，在不同擋位下仍具有穩定風量的能力，且隨著擋位的降低，風量下降，自適應支路風機穩定風量的入口壓力范圍變窄，從10擋穩定風量415 m3/h下入口壓力范圍為-20～110 Pa變化到3擋穩定風量200 m3/h下入口壓力范圍為0～30 Pa。由此可知，該支路風機在高擋位時的穩定風量所需要的入口壓力范圍更廣，管網的適應性更強。

穩定風量與擋位的關系如圖5所示。由圖5可知：支路風機入口壓力不為零時，穩定風量與擋位不存在完全的線性關系；擋位從10擋降至8擋時，穩定風量基本不變；擋位從7擋降至5擋時，風量變化率較大；擋位從5擋降至3擋時，穩定風量變化率相對減小。該規律與圖3支路風機入口壓力為零條件下的穩定風量與擋位關系的規律一致。由此可知，利用自適應支路風機的風量穩定性能，一定要掌握穩定風量與擋位、適配壓力范圍的關系，方能進行較好的風量調節。

圖5 支路風機入口壓力不為零時的穩定風量與擋位關系

2.2 系統中的自適應支路風機運行特性

2.2.1支路風機調節工況

圖6顯示了主風機保持10擋不變，1#～3#支路風機擋位同步調節后(從10擋逐步調到3擋)，4#支路風機在不同擋位下的風量變化情況。

圖6 4#支路風機不同擋位下的風量變化

由圖6可見，4#自適應支路風機在不同的擋位下，風量穩定能力較好，分別為150 m3/h(4擋)、200 m3/h(5擋)、250 m3/h(6擋)、320 m3/h(7擋)、400 m3/h(10擋)。

2.2.2主風機調節工況

圖7顯示了主風機擋位從10擋逐步調到3擋、自適應支路風機擋位不變時(1#、2#、4#支路風機擋位為10擋，3#支路風機擋位為5擋)各支路風機的風量變化情況。

圖7 調節主風機擋位工況下的支路風機風量變化

由圖7可知：各自適應支路風機風量變化相對較小，偏差在±10%內；3#支路風機位于5擋，風量穩定在200 m3/h；1#、2#、4#支路風機擋位均為10擋，2#、4#支路風機風量基本相當，約為400 m3/h，但1#風機風量為500 m3/h，且波動相對較大，這是由于1#風機靠近主風機，入口正壓較大，超過其穩定風量的適配壓力范圍，因此在相同擋位下比2#、4#風機風量大100 m3/h。這就再次表明，自適應風機穩定風量的能力基于一定入口壓力范圍，超過這個范圍，支路風機運行會產生風量偏差，但總體表現為風量相對穩定的趨勢。

2.2.3主風機及支路風機聯動調節工況

在主風機及1#、2#支路風機擋位聯合調節下，3#支路風機(保持為10擋)、4#支路風機(保持為5擋)風量變化如表4所示。

表4 不同調節工況下的支路風量

由表4可知，主風機和1#、2#支路風機擋位變化時，3#支路風機(保持在10擋)的平均風量為380 m3/h，4#支路風機(保持在5擋)的平均風量為240 m3/h，風量相對比較穩定，偏差在±20%內。

3 分析與討論

3.1 支路風機在通風管網中的水力工況特性

支路風機在動力分布式通風系統運行中存在著入口壓力為零、負和正的3種狀態。

3.1.1支路入口處正壓

支路入口處為正壓時的管網壓力分布如圖8所示。若某一支路入口存在著正靜壓pj，假設設計流量下克服該支路所需要的壓力為p，若pjp，則該支路需要支路風機提供的壓力為(p-pj)，此時(p-pj)<0，說明支路風機存在著阻礙作用，這種情況在設計和運行時是需要避免的，如圖8b所示。

注：A為主風機處，B為支路風機處，C為支路末端風口處，下同。圖8 支路入口處為正壓時的管網壓力分布

3.1.2支路入口處零壓

支路入口靜壓為零時的管網壓力分布如圖9所示，此時支路設計流量下需要支路風機提供的壓頭即為該支路需要克服的阻力p。

圖9 支路入口處為零壓時的管網壓力分布

3.1.3支路入口處負壓

支路入口靜壓為負靜壓-pj時的管網壓力分布如圖10所示，這種情況在動力分布式通風系統中往往出現在離主風機較遠端。在設計風量下此支路風機需要提供的壓力為(p+pj)。

圖10 支路入口處為負壓時的管網壓力分布

綜上可得，在動力分布式新風系統中，支路風機存在3種運行狀態，且在實際運行中存在著運行狀態的切換現象。這顯示了動力分布式通風系統中支路風機選型的重要性。支路風機在系統中存在著支路入口壓力不同的情況，不僅要求在設計工況下達到風量要求，還要求工況調節下也具有對應的穩定風量的能力。這是系統良好運行的重要技術保障。

3.2 支路風機性能分析

傳統的支路風機性能曲線一般是固定轉速下的風量-風壓關系曲線，呈現風量增大、風壓降低的對應關系。一般采用固定轉速下的風機性能曲線與通風管網的特性曲線的交點確定風量及其運行風量下的風壓，當管網阻力特性不變時，風機的運行狀態點不變。當管網阻力增大時，風機的流量減小，其提供的壓頭增大。

而自適應支路風機是一種新型的可根據風量要求進行動態追蹤調速的風機，其風量-風壓特性曲線并不是常規意義上的風量-風壓曲線，而是在不同管網阻力特性下，風機適配其特性而呈現出的風機調速下的風量-風壓曲線。也就是說，對于某一管網，設計時確定了風量，采用自適應支路風機提供壓頭，當管網阻力增大時，自適應支路風機可自動將風機轉速調大，從而調大壓力并穩定風量；當管網阻力減小時，可自動調小風機轉速，減小壓力并穩定風量。因此，自適應風機是以提供具體的風量大小為直接目標來進行調速匹配的。測試結果顯示，自適應風機在調節工況下具有風量穩定性能，但不能忽視其風壓適配范圍。在動力分布式系統中，應充分分析不同支路的入口壓力，分析其是否處在使風量穩定的風壓范圍內，這也是保障系統風量達到設計要求及良好運行的關鍵。

3.3 自適應支路風機的性能表征及工程應用

本文測試的自適應風機風量穩定在400 m3/h(誤差±10%)的適配支路入口壓力范圍為-150～110 Pa(認為支路的阻力為0)。自適應支路風機的性能表征參數為穩定風量Q和壓力適配范圍p1～p2。當支路風機入口壓力為負時(即-p0)，只要入口壓力負值的絕對值小于適配入口壓力范圍的上限值(即p0

但在實際工程中，支路的阻力不可能為零，因此在具體的支路自適應風機匹配設計中，需對該穩定風量的適配壓力范圍作修正。對于自適應風機風量為Q時的適配支路入口壓力范圍p1～p2，當支路阻力為p時，其穩定風量為Q時的適配支路入口壓力范圍應修正為(p1+p)～(p2+p)。

工程應用中，需首先根據設計支路風量下的阻力對適配壓力范圍進行修正，其次確定該自適應支路入口壓力是否處于修正后的壓力范圍內，如果處于修正后的范圍內，則說明可以穩定風量，若處于該范圍之外，則會偏離設計風量。若入口壓力大于修正后的范圍上限值，則該自適應支路風機的實際風量會大于設計風量；若入口壓力小于修正后的范圍下限值，則該自適應支路風機的實際風量會小于設計風量。

4 結論

1) 支路風機在動力分布式通風系統中的運行存在著入口壓力為正壓、負壓和零3種情況，且隨著通風工況的變化會呈現出正壓、負壓和零壓的切換。不同的支路入口壓力對支路風機的運行存在一定的影響。

2) 具有風量穩定能力的自適應支路風機在動力分布式通風系統中具有重要作用，可解決風量偏移及調節工況下的風量穩定性問題。但自適應支路風機在穩定風量下具有相適配的入口壓力范圍，且該適配壓力范圍隨著擋位的降低呈現變窄的趨勢。

3) 自適應支路風機在系統中受主風機和其他支路風機調節而影響自身風量程度較小，呈現了較好的風量自適應管網特性和風量抗干擾能力。自適應支路風機具備多種穩定風量及其適配的壓力范圍，可滿足系統設計和動態調節需求。

4) 自適應支路風機可采用穩定風量及適配壓力范圍表征其性能，當其處于某一支路時，首先需要根據設計風量下的支路阻力對適配壓力范圍進行修正，其次確定該支路入口壓力是否處于修正后的壓力范圍內，如果處于范圍內則說明可以穩定風量，若處于該范圍之外，則會偏離設計風量。