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3.1 节能性

动力分布式通风系统的节能性可以从以下几个方面进行考虑:

1)输配系统的节能。由于采用动力分布式,避免了阀门能耗损失,从而减少了输配能耗。

2)节省风机能耗。采用了动态通风的理念,应用直流无刷电动机,实现良好变速运行,大大减少风机能耗。

3)节省采暖空调能耗。一方面,由于采用了动力分布的输配方式,整个管网的压力降低,管道漏风量也相应降低,从而减少热湿处理后的新风被无益地损耗。另一方面,通过变流量运行,实现通风季节的通风需求,从而缩短采暖空调运行时间,达到节能的目的。

3.1.1 调节方式与节能

1. 两种输配调节手段

在进行通风设计时,各区域通风口以及通风量确定后,再确定通风管网布置,这就完成输配管网风量的初步分配。但由于初步设计的管网可能各环路阻力损失不一致,由此会造成各个风口的通风量不能达到设计要求,为此还需要通过以下两个手段进行输配调节:

(1)在风压过大处加调节阀门 对于动力集中式通风系统的设计,《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)第6.6.6条做了以下规定:通风与空调系统各环路的压力损失应进行水力平衡计算。各并联环路压力损失的相对差额,不宜超过15%。当通过调节管径仍无法达到上述要求时,应设置调节装置。

调节阀的作用是增加阻力,以消耗多余部分压头,实现调节流量的作用,调节阀所消耗的压力占总的压力损失比例越大,调节性能越好。这样,要获得较好的调节效果就需要消耗风机更多的电能。由此可见,调节阀在风压过大的支路调节性能更好,表明调节阀在耗能的同时有一定的适用条件。

(2)在风压不足处加支路风机 动力分布式通风系统在解决各并联环路压力损失不平衡问题时优先选用支路风机,此为动力分布式通风系统的主要特点之一,可以在减少系统输配能耗的同时,避免主风机选型过大。支路风机与调节阀的作用相反,它提供风压,适用于压头不足的支路。

2. 主风机与调节方式的组合

两种输配调节方式均有一定的适用前提,取决于管网的各并联环路的阻力损失与主风机压头的差值。若主风机提供压头大于环路的阻力损失,则需在该环路末端支路处添加调节阀门;若主风机压头不足以克服环路阻力损失,则在该环路支路处添加支路风机以弥补不足压头。为此,对于特定管网系统可能存在以下四种主风机与支路输配调节的组合方式:

(1)只需要主风机 此为通风系统各环路的压力损失比较平衡,主风机的选型刚好满足各环路阻力损失的状况。计算通风系统能耗时只有主风机能耗。

(2)主风机配备支路调节阀门 各环路阻力损失不平衡,主风机选型满足最不利环路阻力损失,此时其他环路根据不平衡率情况添加支路调节阀门。通风系统能耗只有主风机能耗。

(3)主风机配备支路风机 主风机压头只满足最有利环路阻力损失,甚至小于最有利环路阻力损失,此时其他支路根据阻力损失不平衡率情况进行添加支路风机进行输配调节。计算通风系统能耗时不仅有主风机能耗,还有支路风机能耗。

(4)主风机配备支路风机与调节阀门 系统各并联环路压力损失的相对差额比较大,选择的主风机压头只能满足部分环路压力阻力损失,还需分别在管网近端与远端分别增设调节阀门与支路风机进行阻力平衡调节。计算通风系统能耗时有主风机和支路风机能耗。

3.1.2 输配系统能耗模型

1. 建模步骤

1)计算通风系统各环路阻力损失。

2)假定主风机压头选型,配备相应输配调节方式。

3)计算主风机能耗与输配调节能耗,输配调节能耗为可能存在的支路风机能耗,由此得出系统能耗计算公式。

4)分析系统能耗与主风机压头选取之间的关系,并描绘输配能耗趋势图。

5)由能耗趋势图可寻找最佳主风机压头选择,以使系统输配能耗最低。

2. 输配能耗计算

(1)计算各环路阻力损失 对于一个送风通风管网,如图3-1所示。

图3-1 动力分布式新风系统阻力损失示意图

通风系统的各个风口位置以及管网结构尺寸等信息已知,假定有 n 个送风口,需设计的各风口风量与系统总风量为 Q 1 Q 2 、… Q k Q n-1 Q n Q ,此时可计算出通风系统的各个环路阻力损失,计算结果表示为 P 1 P 2 、… P k …、 P n-1 P n

其中 Q 1 Q 2 、… Q k Q n-1 Q n 为各风口设计送风量; Q 为系统总送风量; P 1 P 2 、… P k …、 P n-1 P n 为系统各环路阻力损失,为方便分析,假定 P 1 P 2 ≤…≤ P k …≤ P n-1 P n ,环路 n 表示为最不利环路,阻力损失为 P n ,而 P 1 代表为最有利环路的阻力损失。

(2)假定主风机压头,并配备相应输配调节方式 假定主风机所提供的全压为 P ,与系统各环路阻力损失 P 1 P 2 、… P k …、 P n-1 P n 对比,根据需要在支路加阀门或支路风机来进行输配调节。如主风机全压 P 大于环路 k 的阻力损失 P k ,则需在该环路末端增设阀门以消除多余压头;若主风机全压 P 小于环路 k 的阻力损失,则需在该环路末端增设支路风机以提升压力。

(3)计算系统能耗

1)主风机能耗。假定主风机的全压为 P 以及主风机效率为 η ,又知系统风量为 Q ,则可计算出主风机能耗:

式中 N ——主风机能耗(W);

P ——主风机全压(Pa);

Q ——系统风量(m 3 /h),也为主风机风量;

η ——主风机效率(%)。

2)支路风机能耗。确定主风机的风压为 P 后,对于环路阻力损失大于主风机风压,需要配置支路风机的环路,则需要计算支路风机能耗。假定支路风机效率为 η ,则环路 k 的计算过程如下:

①若 P-P k ≥0,说明支路需用调节阀门消除多余压头或恰好无需调节,该支路没有支路风机能耗,此时支路风机能耗为:

②若 P-P k <0,说明需要配置支路风机补充压头,该支路的支路风机能耗为:

将式(3-2)、式(3-3)两种可能的计算式用同一公式表示为:

由式(3-4)可计算所有支路风机能耗 N 为:

式(3-2)~式(3-5)中 N ——所有支路风机能耗(W);

N k ——第 k 环路风机能耗(W);

P k ——第 k 环路阻力损失(Pa);

Q k ——第 k 风口风量(m 3 /h),也为该支路风机风量;

N ——所有支路风机能耗(W);

η ——支路风机效率(%)。

3)系统能耗。系统能耗=主风机能耗+所有支路风机能耗,由式(3-1)与式(3-5)相加可计算得到:

式中 N ——系统能耗(W);

N ——主风机能耗(W);

N ——所有支路风机能耗(W)。

3.1.3 输配能耗分析

1. 系统输配能耗变化趋势

从式(3-6)得出,系统能耗与主风机风压 P 的选择密切相关,主风机风压 P 的不同,系统配备不同的输配调节方式,致使系统输配能耗发生变化。分析系统能耗与主风机压头之间的变化趋势关系如下:

1)当 P P 1 ,即主风机压头不能满足最有利环路阻力损失,则系统能耗为:

此时,系统能耗随主风机压头的变化趋势为:

2)当 P 1 P k P P k+1 P n ,主风机压头只能满足部分环路阻力损失,即只能满足环路1至环路 k 的阻力损失,环路 k +1至环路 n 的不能满足,需增设支路风机,计算系统能耗时需计算环路 k +1至环路 n 的支路风机能耗。故系统能耗为:

此时,系统能耗随主风机压头的变化趋势为:

3)当 P P n ,即主风机压头能够满足所有环路阻力损失,则系统能耗为:

此时,系统能耗随主风机压头的变化趋势为:

2. 系统输配能耗趋势图

(1)支路风机效率与主风机效率相同时 当 η = η = η ,说明支路风机与主风机的工作效率一样,这为较理想状态,此时:

1)当 P P 1 ,由式(3-8)得 ,即主风机压头在(0, P 1 )范围内选择,系统能耗不随主风机压头的选择而变化。

2)当 P 1 P k P P k+1 P n ,由式(3-10)得 ,主风机压头在[ P 1 P n ]范围内选择,此时系统能耗随主风机 P 的增大而增大,且变化率也增大。

3)当 P P n ,则由式(3-12)得 ,主风机压头在[ P n ,+∞)范围内选择,系统能耗随主风机压头 P 增大而逐渐增大,并与 P 成正比关系,比例系数为

由此可描绘出主风机压头在(0,+∞)范围内,系统能耗的变化趋势如图3-2所示。

图中 P 1 P k P n 为环路1、环路 k 、环路 n 的阻力损失,环路 n 代表系统最不利环路, P 1 P k P n P 1 P k P n 为主风机压头 P 的可能取值。

(2)支路风机效率小于主风机效率时 一般情况下,支路风机效率要小于主风机效率,即 η η 。因为一般支路风机的安装空间受限,许多产品为了控制结构尺寸,将箱体结构制作较小,致使支路风机效率较主风机低。

图3-2 主风机与支路风机效率相同时系统能耗的变化趋势

采用支路风机等于主风机效率时的系统能耗分析方法,同理可得:

1)当 P P 1 ,由式(3-8)得 ,斜率小于0,即此时系统能耗随主风机压头的选择而减小,比例系数为

2)当 P P n ,则由式(3-12)得 ,系统能耗随 P 增大而增大,系统能耗与主风机 P 成正比关系,比例系数为

3)当 P 1 P k P P k+1 P n ,由式(3-10)得:

此计算式为两数相减, 为常数,结果的正负与 的值有关, k 越大, 越大、 越小, 也越大,即斜率 P 的取值增大而增大,增大的起点是负数 ,终点为正数 ,故系统能耗随主风机 P P 1 P P n 区域内的变化斜率由负逐渐变到正,呈现出抛物线的变化趋势。

为此可描绘出支路风机效率小于主风机效率的情况下的系统能耗趋势,如图3-3所示。

图中 P 1 P m P n 为主风机压头 P 的可能取值, P 1 P m P n ,且 P 1 P n 为环路1、环路 n 的阻力损失,环路 n 代表系统最不利环路, P m 为使能耗最小时的主风机压头。 P 0 为考虑一定压头富裕情况下系统选择的主风机压头 P 0

由此可知,当支路风机效率小于主风机时,最佳零静压点应在最不利环路和最有利环路之间。值得注意的是,该图是基于设计风量工况下的分析,还可以通过逐时风量的变化情况进行全年综合分析以确定动态运行调节下的最佳零静压点。

图3-3 支路风机效率小于主风机效率时系统能耗趋势

主风机选择压头比 P n 小时,在曲线上往左偏移,表明需要弥补不足压头的支路会越来越多,系统支路风机也会越来越多,但调节阀越来越少。由于支路风机的效率要低于主风机效率,则往左偏移到一定程度时,系统能耗会到达一个极值点 m ,此时系统能耗最低。如果主风机压头再小的话则节能量减小,甚至不节能了。

对于动力集中式通风系统的设计,《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)第6.5.1条第2款做了以下规定:通风机采用定速时,通风机的压力在系统压力损失上宜附加10%~15%。为此,主风机选择压头往往比最不利环路的 P n 大,如 P 0 在曲线上表示为往右偏移,造成系统能耗偏大。

3.1.4 输配节能特性

在理论输配能耗的分析中,可以知道主风机压头的选择与系统能耗有着密切的关系。主风机压头在不同区域致使系统能耗变化的程度是不一样的,在传统的动力集中式通风系统设计中,风机选配要有一定的富余量,此时系统能耗增加是最剧烈的,在图3-2和图3-3中表现为 n 点后的曲线斜率最大。这也正是促使进行动力分布式通风系统设计的一个重要原因。为此,在进行通风管网设计时,主风机压头的选择可低于最不利环路的压头,采用支路风机调节方式进行输配调节,这样不仅可以降低系统输配能耗,还能减小主风机的压头选择。

通过以上分析,可以知道主风机在不同压头选择下的系统节能潜力,从而选择是否采用动力分布式通风系统,以及在采用动力分布式通风系统设计时如何合理设置末端输配调节方式。 1ODNc2S5ElvPrawa17tPoOsJm5/J9SM6eXn5V1+Gx5ZQfmjiDhZHnx7MXFij0v0s

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