王文修 謝軍龍 劉 鑫 郭用松

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船用VAV末端裝置風(fēng)量傳感器布置對(duì)風(fēng)量傳感特性的影響研究

王文修1謝軍龍2劉 鑫2郭用松2

（1.華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430074）

船用變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量，以滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求，而末端裝置風(fēng)量傳感器的風(fēng)量傳感特性對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。以配置均速管流量傳感器的船用壓力無關(guān)型VAV末端裝置為研究對(duì)象，該末端裝置采用圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成的風(fēng)閥。搭建變風(fēng)量末端裝置風(fēng)量測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)定三種典型進(jìn)口基準(zhǔn)風(fēng)量條件，測量末端裝置風(fēng)道斷面的動(dòng)壓分布?；跍y得的風(fēng)道斷面動(dòng)壓分布，分析風(fēng)量傳感器布置對(duì)風(fēng)量傳感特性的影響，優(yōu)化傳感器布置來提高末端裝置風(fēng)量傳感特性，為VAV末端裝置的改造提供了參考。

船用；變風(fēng)量空調(diào)；末端裝置；風(fēng)量傳感特性

0 引言

變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化來自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量，以此滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求的。同時(shí)根據(jù)實(shí)際送風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的頻率，進(jìn)而最大限度減少風(fēng)機(jī)動(dòng)力，節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置是變風(fēng)量系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，能根據(jù)被服務(wù)區(qū)域的冷熱負(fù)荷和通風(fēng)要求來調(diào)節(jié)送風(fēng)量，從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的[1]。風(fēng)量傳感器是變風(fēng)量末端裝置的關(guān)鍵部件，其傳感特性的優(yōu)劣直接關(guān)系到變風(fēng)量末端裝置能否準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而影響到房間內(nèi)溫度控制的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性[2]。如果風(fēng)量測量值大于真實(shí)值，將不能滿足室內(nèi)冷熱負(fù)荷要求；如果風(fēng)量測量值小于真實(shí)值，將造成能源的浪費(fèi)[3]。

目前國內(nèi)對(duì)變風(fēng)量末端裝置的風(fēng)量傳感特性的專門研究和工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中所能參考的資料都比較少。有研究人員對(duì)我國常用的幾種風(fēng)速傳感器的基本原理進(jìn)行了闡述，對(duì)風(fēng)速傳感器的選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些技術(shù)要求進(jìn)行了探討[4,5]，并介紹了變風(fēng)量末端裝置的整定測試裝置和測試方法[6]；有研究者搭建了變風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)，并針對(duì)控制方法和末端的動(dòng)態(tài)送風(fēng)特性進(jìn)行了探討[7,8]；有研究者利用Matlab仿真VAV空調(diào)系統(tǒng)壓力無關(guān)型末端裝置的穩(wěn)定性能，體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和前景[9]。

本文從風(fēng)量傳感器的放置位置入手來研究變風(fēng)量末端裝置的風(fēng)量傳感特性，首先搭建變風(fēng)量末端裝置風(fēng)量測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)定三種典型進(jìn)口基準(zhǔn)風(fēng)量條件，測量末端裝置風(fēng)量傳感器所在風(fēng)道截面的動(dòng)壓分布。基于測得的風(fēng)道截面動(dòng)壓分布，分析風(fēng)量傳感器放置位置對(duì)風(fēng)量傳感特性的影響，提出優(yōu)化方案提高風(fēng)量傳感器的風(fēng)量傳感特性，為VAV末端裝置的改造提供了參考。

1 船用VAV末端裝置及風(fēng)量測量試驗(yàn)臺(tái)

1.1 船用VAV末端裝置結(jié)構(gòu)

本文所研究的船用變風(fēng)量末端裝置為配置差壓式均速管流量傳感器的壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端裝置，其名義進(jìn)口尺寸為100mm，額定最大風(fēng)量為350m3/h，最小風(fēng)量為120m3/h。壓力無關(guān)型末端與壓力有關(guān)型相比，在結(jié)構(gòu)上只是多了一個(gè)風(fēng)速測量裝置，其余只有控制上的區(qū)別。末端裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣流從進(jìn)口流入末端裝置后經(jīng)過圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成的風(fēng)閥的節(jié)流作用，流過壁面和導(dǎo)流板形成的風(fēng)道后經(jīng)出口撞擊到擋風(fēng)板進(jìn)入到空調(diào)區(qū)域。風(fēng)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓形平板葉片和多孔圓柱形閥片組成，風(fēng)量傳感器位于風(fēng)閥下游270mm處，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過改變圓形平板葉片的位移來調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度的大小。風(fēng)量傳感器采用圖2所示的均速管，其中a、b、c、d表示四組取壓孔，安裝在圖1所示位置。均速管對(duì)被測截面上各測點(diǎn)的動(dòng)壓取平均值，求取平均流速。將被測截面分成若干區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心位置的細(xì)管上開小孔作為測點(diǎn)，迎著氣流方向，這些孔就是全壓測孔，同時(shí)，在另一根相同截面的細(xì)管的背流方向開一個(gè)或多個(gè)靜壓測孔[5]。利用均速管測量風(fēng)量的計(jì)算公式見式（1）至式（4）。

圖1 末端裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 均速管結(jié)構(gòu)示意圖

（2）

（3）

式中：P為全壓，Pa；P為靜壓，Pa；為動(dòng)壓，Pa；為平均速度，m/s；為空氣密度，kg/m3；為風(fēng)道斷面面積，m2；為風(fēng)量，m3/h。

1.2 末端裝置風(fēng)量測量試驗(yàn)臺(tái)

變風(fēng)量系統(tǒng)是通過風(fēng)量傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的測量，通過風(fēng)量傳感器，可了解氣流流動(dòng)規(guī)律，也可經(jīng)過計(jì)算得到流過變風(fēng)量末端裝置的空氣的體積流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)末端裝置乃至整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量進(jìn)行有效控制。本試驗(yàn)的目的是測試變風(fēng)量末端風(fēng)量傳感器的性能，風(fēng)量測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)量測試裝置、風(fēng)管、被測變風(fēng)量末端裝置及測試數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成。圖3為變風(fēng)量末端裝置風(fēng)量測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體概況圖，圖4為試驗(yàn)臺(tái)原理圖，實(shí)驗(yàn)臺(tái)參照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求建立，該實(shí)驗(yàn)方法參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[6]，整個(gè)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、采集模塊和壓差變送傳感器為核心。

圖3 末端裝置風(fēng)量測量試驗(yàn)臺(tái)架

圖4 試驗(yàn)臺(tái)原理圖

2 末端裝置風(fēng)道斷面風(fēng)速試驗(yàn)

2.1 風(fēng)速測量風(fēng)道斷面及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)測試閥門固定在100%開度時(shí)三種工況下兩個(gè)風(fēng)道斷面的風(fēng)速分布情況，工況設(shè)定詳見表1，風(fēng)道斷面位置示意見圖5所示，風(fēng)道斷面1位于風(fēng)閥下游285mm處，兩個(gè)風(fēng)道斷面等間隔相距25mm。風(fēng)道斷面尺寸為長445mm、寬37mm，每個(gè)風(fēng)道斷面上布置7個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)4位于風(fēng)道斷面中心位置，作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立x坐標(biāo)系，標(biāo)出各測點(diǎn)的x坐標(biāo)如圖6所示。試驗(yàn)測試用直徑為4mm的L型皮托管進(jìn)行測量，測得風(fēng)道斷面各測點(diǎn)的動(dòng)壓值，經(jīng)過計(jì)算得到風(fēng)量值。

表1 試驗(yàn)工況

圖5 風(fēng)道斷面位置示意圖

圖6 風(fēng)道斷面測點(diǎn)位置示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7是三種工況下風(fēng)道斷面動(dòng)壓測量結(jié)果，由此可看出風(fēng)道斷面動(dòng)壓分布是不均勻的，且三種工況風(fēng)道斷面1和斷面2呈現(xiàn)出相同的動(dòng)壓分布規(guī)律。

（a）工況1

（b）工況2

由圖7可知，在三種工況條件下風(fēng)道斷面1和斷面2動(dòng)壓測試結(jié)果接近，可簡化為具有相同的動(dòng)壓分布，由此簡化帶來的誤差可忽略不計(jì)。由曲線擬合得到三種工況下動(dòng)壓與測點(diǎn)x坐標(biāo)的公式，匯總于表2。

表2 動(dòng)壓計(jì)算擬合公式

其中，x為測壓孔的坐標(biāo)，mm；Δ為動(dòng)壓，Pa。

3 傳感器布置對(duì)風(fēng)量傳感特性的影響

基于風(fēng)道斷面動(dòng)壓分布情況，提出三種風(fēng)量傳感器布置方案，每種方案的位置用測壓孔a的x坐標(biāo)來標(biāo)識(shí)，詳見表3，其中方案3為均速管風(fēng)量傳感器原布置位置，測壓孔b、c和d的x坐標(biāo)可通過各測壓孔的間距計(jì)算得到，見公式（5）至公式（7）。將均速管的四個(gè)測壓孔a、b、c、d的x坐標(biāo)帶入表2中的三種工況的動(dòng)壓擬合公式，即可得到四個(gè)測壓孔處動(dòng)壓、、、，然后將、、、帶入公式（2）計(jì)算得到平均動(dòng)壓，最后根據(jù)公式（3）和（4）計(jì)算得到風(fēng)量。最后利用計(jì)算得到的風(fēng)量同進(jìn)口基準(zhǔn)風(fēng)量進(jìn)行比較求得風(fēng)量測量誤差，誤差計(jì)算見公式（8）。

（6）

（7）

經(jīng)計(jì)算得到三種方案的風(fēng)量和風(fēng)量測量誤差如表3所示，各方案誤差對(duì)比如圖8所示，方案1比末端裝置均速管原布置方案3風(fēng)量測量誤差率減小4%左右。

表3 傳感器各布置方案風(fēng)量誤差對(duì)比

圖8 各方案風(fēng)量測量誤差對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）由于現(xiàn)有VAV末端裝置風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，使得風(fēng)道斷面動(dòng)壓分布并不均勻，而風(fēng)量傳感器均速管只有4組測壓孔，只能取4組測壓孔所在位置處動(dòng)壓的平均值來計(jì)算風(fēng)量，這勢必造成一定的風(fēng)量測量誤差。因此風(fēng)量傳感器的布置對(duì)于風(fēng)量傳感特性非常重要，本文為提高末端裝置風(fēng)量傳感特性提供了一種優(yōu)化方法。

（2）本文測試了末端裝置風(fēng)道斷面的動(dòng)壓分布，說明了風(fēng)量測量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了傳感器布置的優(yōu)化方案提高風(fēng)量傳感特性，為設(shè)計(jì)者提高VAV末端裝置風(fēng)量傳感特性提供了一種思路和參考。

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Influence of Air Flow Sensor Arrangement on the Airflow Sensing Characteristics of Marine VAV Terminal

Wang Wenxiu1Xie Junlong2Liu Xin2Guo Yongsong2

( 1.College of Clean and Renewable Energy, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074;2.College of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

The VAV air conditioning system can automatically adjust the indoor air supply quantity according to the change of the air conditioning load to meet the requirements of the indoor hot and humid environment. The air volume sensing characteristic of the end air volume sensor is crucial to the operation of the VAV system. In this paper, a pressure-independent VAV terminal device is designed, which is composed of a circular plate vane and a porous cylindrical valve. The air flow measurement station of the VAV terminal was set up, and three typical reference air flow conditions were set up to measure the dynamic pressure distribution of the duct section of the terminal device. Based on the measured dynamic pressure profile of the duct section, the influence of the air flow sensor arrangement on the air flow sensing characteristics is analyzed, and the sensor arrangement is optimized to improve the air flow sensing characteristic of the terminal device. It provides a reference for the retrofit of the VAV terminal device.

marine; variable air volume air conditioning; terminal device; air volume sensing characteristics

1671-6612（2017）04-396-05

U664.86

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51376077）

王文修（1990-），男，在讀碩士研究生，E-mail：hustwwx007@163.com

謝軍龍（1970-），男，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2016-11-07