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变风量系统风机运行控制方案对比研究

标签: VAV系统

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1 引言 

  变风量(VAV)中央空调系统是一种全空气空调技术,与传统的风机盘管系统相比,它可以根据空调负荷及室内环境参数的改变而改变送风量来调节环境的温度与湿度。所有环境参数的控制都是围绕如何控制风机运行的问题。由于风机消耗的电能占整个系统消耗能源很大的一部分,VAV系统若在保证环境舒适的前提下,最大程度地节约能源,首先必须解决的问题是如何最佳控制风机运行。目前,VAV系统对风机的控制方案主要有三种:恒速电机结合风挡控制、变速(双速或多速)电机结合风挡控制及变频器控制。本文就此三种方案进行比较,并分析其特点。  暖通空调zaixian

2 风机工况调节 

  VAV系统根据空调负荷及室内环境参数的改变需要调整送风和回风量,风机的运行工况为适应风量的变化亦要求做出相应的调节。风机的工况调节有两种方法:一是改变风机本身的性能曲线,二是改变管网的特性曲线,也可以将这两种方法结合起来使用。目前VAV系统对风机的运行调节有以下几种方法。  版权为ehvacr.com

2.1 恒速电机结合风挡控制 
  如图1所示,当某一个区域的空调温度满足要求时,VAV的风箱调节挡就会使之处于关闭状态,风管内压力也随之升高,为保持其压力恒定,风挡控制器获得压力信号后,输出信号到风挡开关,使之通过调节风挡减小流量。同样的调节方法也适用于回风机,不过其风挡控制器采集到的是送风和回风两个风道的流量值。 

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  这种工况调节方法属于改变管网特性曲线的调节方法。如图2所示,当流量从额定流量的100%(Q1点)减少到50%(Q2点)时,由于风机的转速不能改变,只能改变管网的特性,通过调节风挡,增加阻力,管网特性从变化到,系统的工作点从A点移至B点,风量虽然降低了,但风压却增加了。风机在A点消耗的轴功率正比于OpAAQ1O所围成的面积,风机在B点消耗的轴功率正比于OpBBQ2O所围成的面积,从图上可以看出,减少得并不多。  版权为ehvacr.com


2.2 变速电机结合风挡控制 
  变速电机的基本原理是通过改变三相异步的磁极对数来改变电机的转速,根据改变磁极对数的方法也可进行双速或多速控制。因此,该方案比恒速电机结合风挡的控制方案多了一个风机的电机控制,其余部分与图1所示相同。根据风量的大小来改变风机的转速,当所需风量较大时,电机高速运行,当所需风量较小时,电机低速运行,这种调速是分级调速。  暖通空调zaixian


  如图3所示,假定所使用风机采用双速电机来进行调节,n1曲线为全速运行时的流量曲线,当流量从额定流量的100%(Q1点)减小到75%(Q3点)时,靠调节风挡,使系统工作点沿着n1曲线从A点移置B’点,当风量小于75%时,电机从全速减小到3/4速运行(n3曲线),当减小到50%时,系统工作点沿着n3曲线从C’点移置D点,比较面积OpDDQ2O和OpBBQ2O,可以看出,风机消耗的轴功率减小的幅度比较大。  ehvacr.com

2.3变频器控制 


  该方案是根据所需风量和风压的大小通过变频器来调节风机的转速。如图4所示,在该方案中不需要使用调节风挡,当负荷需求减小,风管内压力则随之升高,为保持其压力恒定,变频器在获得压力信号后,通过内置的PID控制器输出信号,以改变交流电机频率,降低电机转速和减少流量。回风也是采用同样的调节方法,但其变频器采集到的是送风和回风两个风道的流量值。 暖通空调zaixian


  从图5可以看出,采用变频调节时,管网的阻力特性并没有发生改变,是通过调节转速来改变风机的性能曲线,当流量从Q1降低到Q2时,转速根据管网特性不断减小,系统工作点从A点沿着管网特性曲线移至C点,比较面积OpCCQ2O和OpBBQ2O可以看出,风机消耗的轴功率减小的幅度更大。  暖通-空调-在线

3 经济性分析 

  VAV系统工作的经济性主要受到3个因素的影响:(1)风机本身的效率。当转速降低时,风机的效率会有所降低,当风机转速低于额定转速的40%时,效率将会明显降低;(2)系统负荷的变化情况。送风量的变化会影响风机的运行效率;(3)运行控制。根据负荷的变化选择不同的运行控制方案,其经济性也不相同。  nuantongkongtiaozaixian
  当采用恒速/变速电机结合风挡控制时,由于是采用调节管网阻力特性的方法来实现变风量,因此必须根据其对应转速下的Q-P曲线来计算消耗的功率。 
  当采用变频调速调节风量后,由于其改变了风机的性能,实际消耗功率可按下式计算: 


式中 P——实际消耗的功率,kW 

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   Qi——不同负荷时的实际需要风量,m3/s 
   QH——最大风量,m3/s 
   PH——最大风量时电机消耗的功率,kW 
   η——变频系统的效率 
  在下面的计算实例中,一台30kW的风机在一个工作季度(90天)中按表1所示的负荷变风量运行,其电能消耗如表1所示。  暖通空调zaixian


4 结论 

  (1)通过图1和图4可以看出,采用内置PID变频器控制电机比采用风挡控制器来控制风挡的开关度要精确得多,而且系统也比较简单,易于控制和管理。 
  (2)从表1计算出的结果可以得出以下结论:变频器控制电机的运行方式具有明显的优势,表现在:随着风量的减小,功率大幅度下降,当风量从100%降低到30%时,恒速电机消耗的功率下降了40%,变速电机消耗的功率则下降了73.3%,而变频调速电机消耗的功率下降了93.5%,其原因是功率的变化与转速的3次方成线性关系。 

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  (3)当风量随负荷变化时,在本例中,变频调速仍然具有明显的优势,在同等条件下,电机消耗的电能节省了55.6%,而变速电机则节省39.6%。 
  (4)当风量小于30%时,效率会下降很多,风压也会下降很多,变频器不宜在此条件下工作。 

5 讨论  暖通空调在线

  (1)变频调速具有明显优势,但使用时必须与风机和管网系统配合。从图5可以看出,当转速下降时风机的送风量减小,但静压也随之减小,此时管网的直径必须与之配合,以保证进入送风箱中的空气能满足静压要求,否则空调系统就无法正常工作。这种问题一般不会在变速电机中出现。  ehvacr.com
  (2)变频调速和变速电机两种运行方案的经济性在很大程度上取决于空调负荷变化引起的风量变化范围,从表1可以看出,变化范围越大,节能效果就越明显,假如变化范围比较小(如从100%~5%),而且在满负荷区域附近运行的时间也比较长,就应该考虑是否还采用变频方案,因为变频方案的初投资比较大。 
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  (3)空调运行的时间长短决定了初投资回收的年限。

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