重庆科技学院  居发礼 刘丽莹 余晓平
重庆海润节能技术股份有限公司  丁艳蕊 祝根原 黄雪

      【摘  要】对动力分布式通风系统各支路在不同入口静压下的风量测试发现，同一转速下支路风机的风量随着支路入口静压的增大而增大，部分情况下支路风机起阻碍作用。对该现象进行了理论分析并推导得出支路设计风量偏移的理论表达式，揭示了影响风量偏移的因素为支路阻力特性、支路风机性能及支路进口压力比，并给出了支路设计风量偏移的图解分析方法。该解析分析法和图解分析法可为动力分布式通风系统支路设计风量偏移的计算与分析提供理论依据。

      【关键词】动力分布式；支路风量；解析法；图解法

      【基金项目】重庆市教委科学技术研究项目（KJ1713352）、重庆科技学院建筑工程学院院内科研项目（JG201705）

Abstract:Based on the air flow rate testing of each branch in distributed fan ventilation system under different branch inlet static pressure, the conclusion can be found that the air volume of branch fan increases with the increasing of branch inlet static pressure at the same fan speed, as well as the branch fan plays a role of hindering the air flow in some cases. Theoretical expression of branch design air volume migration is established, and the influence factors of branch fan air volume migration is obtained as branch resistance characteristics, branch fan performance and branch inlet pressure ratio, and the graphic analytic method of branch design air volume migration is also proposed. Both of the methods can provide theoretical basis for calculating and analyzing branch design air volume migration of distributed fan ventilation system.
Keywords:distributed fan, branch air volume, analytical method, graphic method

0 引言

      动力分布式通风系统由主风机和支路风机组成，主风机负责干管的风量输送，支路风机负责支路风量的输送。作为一种新型的可满足动态不均匀性通风需求变化的通风系统，越来越受到重视并付诸于工程实践，其系统性能、设计方法^[1~5]及相关工程案例^[6,7]均有文献报道。但在实际运行中发现，支路风机的风量往往偏离设计工况，且其风量调节性能并不佳，如何在设计阶段使后期的末端支路风机满足风量需求并具有很好的可调性是需要解决的关键问题。这就需要采用一套可靠的方法来分析支路风机的风量及其调节性能，以满足系统可靠稳定的运行。

1 支路风量的测试

      1.1 测试目的

      掌握支路风机的性能，了解支路风机在不同入口静压下的风量情况及变化特性。

      1.2 测试对象

      选择某动力分布式试验台中的支路风机作为测试对象，系统图如图1所示，实际实验台如图2所示。系统主干管尺寸为320mm×200mm，200mm×200mm，末端支管尺寸为160mm×120mm。实验台占地约为15m×4.5m，风管离地面0.6m以方便测试。将支路风机离主风机的远近逐个标号为①、②、③、④、⑤。

      1.3 测试仪器

      采用法国凯茂MP200 多功能差压风速仪测试支路入口静压和支路风速与风量，压力量程为0~500pa，误差为±（0.2%+0.8）。

      1.4 测试步骤

      （1）调节主风机及各个支路风机的运行状态，使各个支路风量为250m3/h（风机的转速大小为n1＜n2＜n3＜n4＜n5＜n6）；

      （2）关闭一个末端的工况：分别关闭1、3、5号末端，测试各个支路以及干管的风量、静压（支路处）；

      （3）关闭两个末端的工况：关闭1和2、4和5、2和4号末端时，测试各个支路以及干管的风量、静压（支路处）；

      （4）关闭三个末端的工况：关闭1/2/3、3/4/5、1/3/5时末端时，测试各个支路以及干管的风量、静压（支路处）。

      1.5 测点布置

      离主风机1.5米主管上布置测点，离支路风机前后1米处布置测点。测试主管断面为320mm 200mm，支管断面为160mm 120mm。将断面分成四个均等的矩形，在每个矩形中心布置测点，每个断面共计4个测点。每个测试断面打两个测试孔。

2 测试结果

      2.1 支路风机运行风量随入口静压的变化特性

      通过测试数据分析得到①～⑤号风机在不同的入口静压下的运行风量不同，如图3所示：

      由图3可知，5条曲线分别是①～⑤号支路风机在定转速下，在不同的入口静压下的风量。由此可知，支路风量随着支路入口静压的增大而增大，大致成线性关系。以②号支路风机为例，风量与入口静压的关系为y=0.99x+189.3（R2=0.9634），风量与入口静压呈显著线性相关关系。其他风机也呈现类似的特性。

      2.2 ②号支路风机性能分析

      以②号支路风机为研究对象，测试风机性能曲线图4所示，风量随支路入口静压如图5所示，支路风量随入口静压的增大而增大，在入口静压Pr为3.8Pa下，支路风机提供的压力Pt为45Pa，支路风量为195m3/h，在入口静压为110Pa下，支路风机提供的压力Pt为12Pa，支路风量为298m3/h，利用Pr+Pt=SQ2，得到支路的阻抗S≈16632kg/m7 。在不同静压下，管网的阻抗S近似不变，在110Pa静压下，风量为298 m3/h时，带入Pr+Pt=SQ2，得Pt ≈ -30 Pa ，由此可知此时支路风机起阻碍作用，对风机具有损害作用。因此当支路入口静压大于设计风量下的支路阻力时，支路风机会起阻碍作用，这种情况需要避免。

      在动力分布式通风系统中，支路风机选择的关键是保证支路风机能够达到设计风量的需求，且应避免支路风机起阻碍作用，以及在运行时具有良好的风量可调性，这些能否定量分析，其产生的机理需要深入研究分析。

3 分析与讨论

      3.1支路风量偏移的解析分析

      3.1.1 支路风量偏移的公式推导

      动力分布式通风系统的一个特点是支路风机的入口压力与主风机入口压力不同，主风机入口直接接入大气，为零压，而支路风机接入主风道，其入口压力可能为正压，零压或负压。

      当支路入口为零压时，有：

      P₀=SQ_²0     (1)

      当支路入口为ΔP时，有：

      P_x+ΔP= SQ²_x      (2)

      式中：P₀，P_x为风机运行压力，Pa；ΔP为支路风机的入口静压，Pa；Q₀，Q_x为风机的运行风量，m³/h；S为管路阻抗，kg/m⁷。

      设m=ΔP/ P₀，为支路入口静压比，即支路入口压力与设计风量下支路管段总阻力的比值。当入口为正压时，m>0；当入口为负压时，m<0。

      式（2）/（1）可得，

     

      又P_x，Q_x在转速为n_o的风机性能曲线上，a,b,c为风机性能曲线参数，故应满足

      P_x= 𝑎𝑄_𝑥² + 𝑏𝑄_𝑥 + 𝑐（ 4）

      故

      设Q_x/Q₀=β，为风量偏差系数，表明了实际风量偏离支路设计风量的程度。则上式可变换为：

   

      上式为一元二次等式，故可求出方程的根，舍去负根为：

   

      3.1.2 支路风量偏移的影响因素

      由式（7）可知支路风量偏离的影响因素为支路阻力特性S、风机性能（主要表现为风机性能曲线的系数a，b，c）及支路进口压力比（m）。利用这些影响因素可定量分析支路风量的偏离程度。对于支路进口压力比（m）而言，有以下特性：

      1）当m＞1时，即ΔP＞P0，表明支路入口压力完全可克服支路的阻力。即支路风量大于设计值或支路风机起阻碍作用，如测试案例所示，这种情况是需要避免的。

      2）当m=1时，即ΔP=P0，表明支路入口压力正好可克服支路的阻力。这种情况在动力分布式通风系统中较少存在，最多存在一个支路是此情况。

      3）当m<1时，即ΔP<P0，表明支路入口压力不足以克服设计风量下支路的总阻力。

      以支路风机⑤为例（风机性能曲线为P=-0.0018Q²+0.256Q+106.5）进行分析，不同的设计风量（分别为170m³/h，200m³/h和250m³/h）下随m的变化情况如图7。

      由图7可知，当m在某一区间内，m与β成线性相关。由图7（a）可知，当m在-0.4~0.6，β的范围为0.8~1.2；由图7（b）可知，当m在-0.5~0.6，β的范围为0.8~1.2；由图7（c）可知，当m在-0.9~1.2，β的范围为0.8~1.2。由此可知，该风机在入口静压为-50pa~50pa时，运行风量的偏差为-20%~20%。

      当风量需求变化时，风机转速发生变化，则变速后的风机性能曲线变化，具体表现在风机性能曲线表达式参数a,b,c发生变化，但仍可采用解析表达式分析其他工况下的风量偏离程度。利用该解析法可具体定量计算支路风量的偏差范围，为风机的合理选择奠定了理论基础。

      3.2 支路风量偏移的图解分析

      实验证明了在同一转速下支路风量随着支路入口静压的增加而增加，解析理论可定量分析支路风量的偏差大小，但计算较为复杂，在工程设计中一种有效的方法是利用管网特性曲线（q-ΔP曲线）和风机性能曲线（q-p曲线）的综合图解分析方法，如图8所示，曲线A~D为支路风管的阻力特性曲线，曲线a、b、c是支路风机的风量风压性能曲线，a，b，c代表不同的风机转速，且转速大小为b＞a＞c。

      阻力特性曲线在图中的位置是由支管入口静压决定的，当支路起点静压为负值时，支路阻力特性曲线与坐标纵轴交与正向，且负静压绝对值越大，越往上移；当支路起点静压为零值时，支路阻力特性曲线与坐标轴交于坐标原点；当支路起点静压为正值时，支路阻力特性曲线与坐标纵轴交与负向，且正静压越大，越往下移。由图8可知，对于A，B，C，D这四条具有相同阻力特性的支路，若选择相同性能相同转速的风机（如曲线a），支路的实际运行风量不同，风量大小关系为Q_D＞Q_C＞Q_A＞Q_B ,原因就是各支路入口的静压不同，B支路入口静压为负，A支路入口静压为零压，C，D支路的入口静压为正压，且D支路的入口静压大于C支路的入口静压。这就要求在工程设计时需要特别注意到支路风机的入口静压值，根据静压分布进行支路风机的选择与转速的设定。当然考虑到支路风机后期的良好运行调节特性，设计工况下各支路风机的转速不能太低，也不能以最大转速运行，转速设定太低，风量调节空间大但需增大设备选型，转速设定为最大值则丧失了风量调大的可能，因此在设计时需要控制在一定的转速范围，如图中曲线b与c之间。通过图解分析，可以很简单便捷的了解支路风机的实际运行风量。

4 结论与建议

      （1）对动力分布式通风系统各支路在不同入口静压下的测试发现，同一转速下，支路风机的风量随着支路入口静压的增大而增大，部分情况下支路风机反而起阻碍作用。因此动力分布式通风系统中支路风机的选择是关键，不仅可以保证支路风机实际运行风量能够达到设计风量的要求，而且还能够起到很好的风量动态调节作用。同时在支路风机设计选型时要避免其起阻碍作用。

      （2）本文推导得出了支路风量偏离的解析表达式，理论分析得到支路风量偏移的影响因素为支路风机所在支路的管路阻力特性、支路风机性能曲线以及支路进口压力比。可利用解析表达式对支路风量偏移情况作定量分析。

      （3）本文提出了用管网特性曲线（q-ΔP曲线）和风机性能曲线（q-p曲线）的综合图解分析方法分析支路风机的风量偏移情况，为简单快速选择支路风机，了解支路风量的运行状态奠定了基础。

参考文献

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      备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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