变风量系统末端装置性能与噪声的实验分析_图文

1、变风量系统末端装置性能与噪声的实验分析*上海理工大学陈剑波白建民黄俊毅摘要参照相关标准,对变风量系统末端装置的性能进行了实验分析,为实际工程应用中存在的末端调节问题和噪声问题的解决提供依据。变风量末端装置安装时在进口加装整流栅,可以有效保证末端风量在调节范围内的测量精确性,且整流栅阻力可忽略。末端装置阀门开度过小不利于末端的调节性能,还会增加末端的噪声。变风量末端装置后加装消声器能有效降低噪声,提高声环境的舒适性。关键词变风量系统末端装置调节性能噪声Experimental analysis of performance andnoise of VAV terminal devicesB y

2、Ch e nJ i a n b o ,B a iJ i a nm i na n d Hu a n gJ u n y iAbstract Analyses the per form ance of VAV ter min al devices based on the e xper iment and r ele vantstandards ,providing the basis f or solving the pr oblem of contr olling VAV te rminal devices and noises in pr actical engine er ing appli

3、c ations .The installa tion of honeycomb scr een in upstre am of VAV ter minal devices eff ectively guar antees the accur acy of ter minal air f low r a te m easure ment ,and the r esistance of honeycomb scr een has little e ffe cts .Too small valve opening is not conducive to the regulating per f o

4、r mance of VAV ter minal devices and incre ases the ter minal noise .The m uf fle r downstr eam the VAV ter minal device eff ectively r educes the noise and impr ove the acoustic environment .Keyword s VAV system ,ter minal device ,r egulating pe rf or mance ,noiseUniversity of Sha nghai for Science

5、 and Tec hnology ,Sha nghai ,Chin a*上海市教委重点学科建设项目资助(编号:J505020引言变风量(variable air vo lum e ,VAV 空调系统是全空气空调系统的一种形式,它是随着空调的节能要求而发展出来的一种新系统1。末端装置是变风量空调系统的关键设备,通过它来调节送风量,适应室内负荷的变化,维持室温2。变风量末端装置是由进风短管、箱体、风量调节器、电动调节风阀以及离心式风机(仅风机动力型末端装置具备等部件组成的机电一体化设备。变风量空调系统是否能够安全、可靠、经济地运行,不但取决于系统设计、设备选型、安装调试是否合理正确,更取决于变风量

6、末端装置调节性能的优劣。因为在压力无关型(pressure independent 末端装置的控制逻辑中,温控器根据房间内温度设定变风量末端装置的风量,而变风量末端装置能否准确调节风量会直接影响到房间内温度控制的准确性和系统的节能性。变风量末端装置生产厂家会提供设计选型技术参数,但是在应用过程中由于设计或安装的原因陈剑波,男,1962年7月生,博士,教授200090上海市军工路334号上海理工大学南校区第9宿舍104室(02155273240(0136*E -mail :bjm777 收稿日期:20090403修回日期:2009导致实际性能与产品资料的技术参数有所出入。针对这种情况,笔者就变风

7、量末端装置的调节性能进行了实验研究,包括末端风量测量及末端局部阻力测试。 噪声是评价空调系统优劣的关键指标之一,变风量空调系统和常规空调系统相比在靠近工作区增加了变风量末端装置,因此增加了噪声源。本文就变风量空调系统中单风道变风量末端装置与常规送风散流器共同产生的噪声问题进行探讨,用实验的方法评价室内噪声,并找出有效的末端消声手段。 1变风量末端装置调节性能实验与分析压力无关型变风量末端装置与压力相关型(pressure dependent 变风量末端装置相比,只是在结构上多了一个风速测量装置,其余只有控制上的区别,因此在选择实验装置设备时,笔者选用了压力无关型末端装置,以风量控制器作为副控制

8、器,构成串级控制环路进行调节。如果风量控制器未连接不参与控制,则该末端装置就可实现压力相关型的调节控制。现对压力无关型变风量末端装置的调节性能进行实验分析。1.1变风量末端装置风量测量实验分析各种变风量末端装置的主要差别在于其所选用的风速传感器,不同的风速传感器有不同的风速测量范围和测量精度3。本实验的目的是测试变风量末端装置的风速传感器的精度,同时分析末端装置不同进口直管道条件下风速测量的误差。大多数文献、产品样本和工程经验都指出,变风量末端装置进口直管段的长度应大于45倍的进口直径。本实验将对上述说法进行验证,并提出一种可以同时满足测量精确性和安装经济性的工程设计和安装方法。将变风量末端装

9、置连接到测试实验装置上,实验装置原理图见图1。 图1实验装置原理图作为实验对象的变风量末端装置名义进口直径为100mm ,额定最大风量为340m 3/h ,最小风量为85m 3/h 。实际风量范围为45360m 3/h 。图2、图3分别是直管进口状态和弯头进口状态进口静压为500Pa 时不同整流段的误差对比。图2直管进口状态进口静压为500Pa 时不同整流段误差对比图3弯头进口状态进口静压为500Pa 时不同整流段误差对比由图2和图3可见,在最小风量的工况下,变风量末端装置的风量测量误差均远大于其他工况。这是由于末端的风量测量采用皮托管式风速传感器,皮托管式风速传感器本身不输出电信号,只能输出

10、压差信号。当测量的风速低于2.58m /s 时,其所测得的风速信号没有意义3,此时实验获得的测量值不具有可信度。该末端装置最小风量所对应的进口风速为3m /s ,接近极限值,因此任何微小的波动都会增加测量误差。弯头进口状态下的测量误差值普遍要大于直管进口状态下的测量误差值,这是由于空气经过弯头时气流产生紊乱,风管内的气流不均匀,风速传感器所测几个点的平均风速不能代表风管内的平均风速,因此一般安装变风量末端装置时需要在进口安装一段直管段进行整流。弯头进口状态对应于实际工程中经过风管局部构件后接出的管道,直管进口状态可等同于实际工程中从静压箱接出的管道。实际安装中,若变风量末端装置前无风管局部构件

11、,末端前的直管段可适当缩短。随着进口静压的增大,测量误差值增大。当静压增大时,要保持相同风量,阀门开度势必减小,过小的阀门开度难以准确调节风量,还会导致气流通过变风量末端时出现扰动。当弯头进口状态下进口直管段长度为4倍进口管径时,大部分的工况下误差都能保证在5%以内,但当进口直管段长度为1倍进口管径时,各工况下的误差值明显增大,而且大都大于5%。进口直管段长度为4倍进口管径时能够起到较好的整流作用,但是在小风量或高静压的情况下误差较大,不满足要求。在直管段前加装整流栅后误差值明显减小,原因是整流栅内的格栅将湍流气流中的扰流分解,整流成较为平顺的气流。加装整流栅后必然会引起风管阻力的增加,整流栅

12、在不同风量下的阻力测量结果见图4,本实验装置中所采用的整流栅在最大 图4整流栅在不同风量下的阻力曲线风量下的压降为14Pa 。从图2,3中的“4倍管径+整流栅”曲线可以看出,在风量为136m 3/h 时各工况下的测量误差均在5%之内,满足测量要求。送风量136m 3/h 与最大送风量340m 3 /h 的比值为40%,可见40%的最小风量比不但能满足室内换气次数、最小新风量的要求,还能够保证末端风量测量的准确性。40%正是本实验装置选取的最小风量比。1.2变风量末端装置阻力测试实验变风量末端装置阻力测试实验装置与风量测量实验装置基本相同,所不同的是阻力测试实验装置在变风量末端装置后连接了一段长

13、为5倍变风量末端出口当量直径的直管,直管上开静压测量孔。通过测量变风量末端装置前后的静压差以及通过变风量末端装置的实际风量,可计算出末端的阻力。不同阀门开度和不同风量下对应的变风量末端装置阻力测试结果见表1。变风量末端装置的局部阻力系数按下式计算:=p sp v+1(1表1某变风量末端装置不同阀门开度对应的阻力值Pa阀门开度/%风量/(m 3/h 851281702553402011524845198418094018417015627160203561127217801427459215810012274491157式中p s 为静压测量值,Pa ;p v 为动压,Pa ,p v =(/2(

14、Q /A 2,其中A 为静压测量面的截面积,m 2,Q 为风量。依据式(1计算该变风量末端装置不同阀门开度下的局部阻力系数,计算结果见表2。表2某变风量末端装置不同阀门开度对应的局部阻力系数阀门开度/%风量/(m 3/h 平均值851281702553402019.818.919.519.919.519.5402.93.03.03.13.13.0602.72.72.62.42.32.6802.42.11.91.81.72.01002.12.11.91.81.71.9从表2可以看出,在阀门开度一定时,不同风量下局部阻力系数值相差不大,将变风量末端装置局部阻力系数的平均值与阀门开度绘制成一条关系曲

15、线,如图5所示。图5某变风量末端装置局部阻力系数曲线从图中可以看出:1阀门开度在40%100%区间内变风量末端装置的局部阻力系数变化不大,当阀门在此区间内动作时,由于局部阻力变化而产生的风管内压力波动不会很大,即使是在名义风量340m 3/h 的情况下,局部阻力最大只增加114Pa 。2变风量末端装置内阀门全开时局部阻力系数为1.9,最小阻力为157Pa ,占末端装置后风管管件总阻力的比例较大,因此阀门调节的线性度较好,保证了变风量末端装置良好的控制能力和调节质量。3当末端装置内的阀门开度小于40%时,局部阻力系数突然增大,这将导致阀门微小的变化引 起风量较大的变化,给风量控制带来困难。因此应

16、该在变风量系统设计时确定合理的静压值,尽量避免末端装置阀门处于过小的开度。2变风量末端装置的噪声测量与分析 变风量末端装置设置在空调区域内,噪声控制设计时应根据末端装置产品样本提供的声学数据进行计算和处理4。一般的变风量末端装置产品样本上都附带该末端装置各工况下的出口噪声和辐射噪声,但是在实际工程中,往往是两种噪声相互叠加,并和风口噪声共同影响着室内声学环境。通常会由于安装方法等问题使环境实际噪声值不能达到设计要求。2.1变风量末端装置噪声的测量噪声频谱中,频率分布在250H z 以下的噪声称为低频噪声,频率分布在2501000H z 范围内的噪声称为中频噪声,频率分布在1000H z 以上的

17、噪声称为高频噪声。变风量末端装置产生的噪声中以中、低频噪声为主。2.1.1变风量末端装置噪声测量环境 上海理工大学暖通空调研究所的噪声实验室为半消声实验室,其各项环境指标均达到国家标准GB 68821986中对半消声测试室的要求5。2.1.2变风量末端装置与风口的安装变风量末端装置产生的噪声通过风口传播到室内,同时,由于变风量末端装置一般安装在室内,其产生的噪声还可以通过辐射直接传播到室内,因此通常是两个设备噪声的叠加共同影响着室内声学环境。变风量末端装置与送风散流器之间一般通过消声软管连接,消声软管的长度一般不大于4m ,本实验的消声软管长度选择2m 。2.2不同静压下风口末端装置噪声随风量

18、的变化图6和图7是不同进口静压下变风量末端装置的噪声随风量的变化曲线。阀门开度与噪声的 图6末端装置出口无消声器时不同进口静压下的噪声图7末端装置出口有消声器时不同进口静压下的噪声关系曲线见图8和图9。图8末端装置出口无消声器时不同阀门开度下的噪声图9末端装置出口有消声器时不同阀门开度下的噪声随着阀门开度的减小,变风量末端装置的噪声值逐渐增大,而且增幅随着阀门开度的减小而迅速增大。这是由于变风量末端装置的阀门开度小于40%后阀门的局部阻力系数大幅增加,随之产生的是空气扰动的噪声。在阀门开度小的情况下,变风量末端装置产生高频噪声。要避免风管静压过大,设计时应减小系统规模,控制策略上应采用变静压法

19、或变定静压法,至少让一个末端装置的风阀全开以减小风管静压,防止末端装置风阀噪声超标。2.3消声器对变风量末端噪声的影响在入口压力为750Pa 时,变风量末端装置出口带消声器和不带消声器时的平均声压级对比见图10。为了进一步量化消声器对提高声环境舒适性的影响,将变风量系统中最常见的工况之一,即入 图10入口压力为750Pa 时有无消声器的噪声对比口静压为375Pa 、风量为340m 3/h 的工况测得的各倍频程A 声级声压级值拟合到图11的NC 曲线上,声压级值点集下方最接近的曲线就是该工况下的NC 曲线。拟合的结果为该工况下末端装置 不带消声器时NC 曲线值为35,而带消声器时的NC 曲线值为

20、30。带消声器时的噪声感属于“无特别感觉”,不带消声器时的噪声感属于“感到有噪声”,可见消声器能够有效降低末端装置的噪声,提高工作环境的舒适性。 图11NC 曲线在实际工程中,由于风口与人员之间有一定的距离,房间存在噪声的自然衰减,人的实际噪声感觉会小于测量值。在设计过程中如办公区对噪声的要求较高,在进行噪声计算后不满足要求时,可在变风量末端装置后加装消声器。2.4常见工况下1/3倍频程分析选入口静压为375Pa 、风量为340m 3/h 的工况进行分析。图12是该工况下末端装置不带消声器时的1/3倍频程频谱图,图13是该工况下末端装置带消声器时的1/3倍频程频谱图。对比图12和图13可知:1

21、经过消声器消声后各个倍频程下的A 声级声压值均得到了衰减。实验证明,该种消声器对中、高频(1000H z 附近的噪声有着更好的消声效果,最大消声量能够达到10dB ,对低频的噪声图12变风量末端装置某工况下无消声器时的1/3倍频程频谱图图13变风量末端装置某工况下有消声器时的1/3倍频程频谱图消声效果相对较差,消声量为46dB 。250250H z 范围内的噪声值较大,属于低频噪声。这是由于末端噪声主要是由风阀引起的,虽然经过末端装置内部吸声棉和连接软管的消声,中、高频噪声得到了部分消减,但是通过变风量末端装置箱体直接辐射出的低频噪声较难处理。当前常用的消声器在平均声压级上具有良好的消声效果,

22、但是低频的消声效果不如高频明显。人耳对低频噪声感觉不如中、高频噪声灵敏,低频噪声的消声效果差对整体消声性能影响不大。3结论3.1变风量末端装置在安装时若进口处存在风管局部构件,则在进口加装4倍进口管径长的直管段与整流栅,可以保证风量测量的精确性;若无风管局部构件,则在进口加装2倍进口管径长的直管段与整流栅,就可以保证风量测量的精确性。不必在进口接过长的直管段,以免增加安装占用的空间。3.2设定合适的风管静压值十分重要,过大的静压值不但使风机转速过高从而不节能,还会导致末(下转第84页· 84 · 专题研讨 暖通空调 HV & AC 2010 年第 40卷第 1 期

23、究及技术方 案论证 D . 重庆 : 重庆大学 , 2007 7 段 凯 , 康 侍民 , 刘俊跃 , 等 . 辐射吊顶 +热泵式 溶液除 湿系 统 在 夏 热 冬 暖 地 区 的 应 用 J . 制冷 与空调, 2008 , 22( 1: 58 61 8 中国建筑科学研究院 , 中国建筑业协会建筑节能专业 委员会 . GB 50189 2005 公 共建 筑 节能 设 计标 准 S . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2005 9 赵荣义 , 范存 养 , 薛殿 华 , 等 . 空气 调节 M . 3 版. 北 京: 中国建筑工业出版社 , 2000 10 中国 有色 工程 设计 研 究总

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26、压差之比可以 忽略不计 。 在确定了湿负荷的计算方法后 , 还需要根据新 风量的确定原则分析送风参数与新风机组的处理 能力 , 从而最终确定除湿新风量 。 关于送风参数的 确定以及除湿新风量的最终确定方法 , 笔者将另文 详述 。 参考文献 : 1 薛志峰 , 江亿 . 北京 市大型 公共建 筑用能 现状与 节能 潜力分析 J . 暖通空调 , 2004 , 34( 9 : 8 10 2 江亿 . 我国建筑 耗能状况及有效的节能途径 J . 暖通 空调 , 2005 , 35( 5: 30 40 3 陈晓阳 , 江亿 , 李震 . 湿度独立控制空调系统的工程实 践 J . 暖通空调 , 2004 , 34( 11: 103 109 4 刘晓华 , 江亿 . 温湿度独 立控制 空调 系统 M . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2006 5 张桂荣 , 李敏霞 , 郝长生 . 温湿度独立控制在医院建筑 中的应用研究 J . 建 筑热 能通风 空调 , 2008 , 27( 4 : 37 39 6 崔文盈 . 温湿度独立控制溶液除湿空调系统的理论研 ( 上接第 65 页 端装置阀门 开度过 小从而 使得末 端风 量测 量不 准确 , 不利于末端装置的调节性能 ; 同时 ,