3.2 可调性

3.2.1 调节形式

对于恒定通风量系统，只需设计并调节好通风管网的阻力特性，再配备适合的主风机运行即可。而对于一个需要考虑室内污染物浓度动态变化的通风系统，一个需要根据个人主观需求调节的通风系统，一个试图充分利用过渡季节新风运行节能的通风系统，丰富与扩充通风系统调节能力则显得尤为重要。

通风系统的运行调节能力包括系统调节与各末端用户的调节。对于系统调节，主要技术手段包括阀门调节与系统风机的变速运行调节。阀门调节应用广泛，技术手段成熟，随着节能的需要与风机变速技术的成熟，风机变速运行调节已经逐步推广应用。而针对通风系统各个末端用户的调节应用方式，还主要停留在阀门调节上。为分析通风系统各末端用户的调节性能，做以下分析。

对于动力分布式通风系统某一支路，存在下述关系：

式中 Δ P _z ——支路风机所提供的静压（Pa）；

Δ P ——支管入口处主风机所提供的静压（Pa）；

Δ P _y ——支路的沿程阻力（Pa）；

Δ P _j ——支路的局部阻力（Pa）；

ξ _z ——支路局部阻力系数；

λ ——摩擦阻力系数；

d _e ——支路管径（m）；

l ——支路长度（m）；

ρ ——空气密度（kg/m ³ ）；

V ——支路空气流速（m/s）；

S ——支路管段阻抗[Pa/（m ³ /h） ² ]；

Q ——支路流量（m ³ /h）。

对于一个管道尺寸确定的管网，要实现支路管段流量 Q 的改变只能从调节Δ P 、 ξ _z （或 S ）以及Δ P _z 三点来考虑。

1. 调节Δ P ——调节主风机

调节主风机的运行状态，即实现支路入口静压值的改变。这种方式在需求控制通风（DCV）系统中常用，可同时调节系统所有支路的风量。但是，当仅仅是几个支路需要调节，或各个支路调节需求不一致时，这种调节方式将引发“众口难调”的矛盾。这种调节方式适用于分区合理，各末端需求一致变化的整个通风系统的调节。

2. 调节 ξ _z ——调节支路阀门

这种方法相当于调节阀门开度。调节阀门的过程中在一定程度上会影响系统主风机的工作状态点，影响系统的稳定。这种调节方式在供热、空调、给水排水等系统中应用广泛，技术手段也较成熟。但由于是一种增加系统阻抗的方法，比较耗能。

3. 调节Δ P _z ——调节支路风机

这种方法相当于调节支路风机的运行状态。调节支路的过程中在一定程度上会影响系统主风机的工作状态点，影响系统的稳定。受益于电动机调速技术的发展，这种方式也逐步在供热、空调等系统中应用。这种方式降低了系统输配能耗，技术也逐步成熟。当然，要避免其调节过程的不利影响，还应采用措施控制主风机的工作状态，保持系统的稳定性。

以上三种调节方式是实现各支路可调性能的基本方式。此外，管网特性也是调节性能的影响因素，在进行管网设计时应将调节方式纳入考虑范围。

3.2.2 阀门可调性

1. 节流原理

从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对于风阀，有：

式中 P ₁ 、 P ₂ 、Δ P ——调节阀前、后的压力及其压差（Pa）；

ξ ——调节阀阻力系数，随调节阀的开度而变；

ρ ——流体密度（kg/m ³ ）；

F ——调节阀接管截面面积（m ² ）；

v ——调节阀接管内流体流速（m/s）；

Q ——调节阀接管内流体流量（m ³ /s）。

得：

如另：

其中， C 称为调节阀的流通能力，则：

即：

从上式可知，对于某一规格的调节阀，其流通能力随开度而变化；在某一开度下，流通能力为定值，通过的流量取决于阀前后的作用压差。

2. 流量特性

调节阀的流量特性是指流体介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的特定开度，即：

式中 Q ——调节阀在某一开度时的流量；

Q _max ——调节阀全开时的流量；

l ——调节阀某一开度阀芯的行程；

l _max ——调节阀全开时阀芯的行程。

调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比称为可调比 R ：

Q _min 是调节阀可调流量的下限值，并不等于调节阀全开时的泄流量。一般最小可调流量为最大流量的2%～4%，而泄流量仅为最大流量的0.01%～0.1%。

流量特性有理想流量特性和工作流量特性两个概念。理想流量特性是在调节阀前后压差一定的情况下，相对流量与相对开度之间的关系。典型的理想流量特性有：①直线流量特性，②等百分比流量特性，③快开流量特性，④抛物线流量特性。

实际使用中，调节阀大都装在具有阻力的管道上，调节阀前后的压差保持不变，虽在同一开度下，通过调节阀的流量将与理想特性时所对应的流量不同。阀权度对调节阀工作特性具有重要影响：当管道阻抗为零时， S _v =1，系统的总压差全部降落在调节阀上，调节阀的工作特性与理想特性是一致的。随着阀权度值 S _v 的减小，流量特性发生很大的畸变，如理想的直线特性趋向于快开特性，理想的等百分比特性趋向于直线特性，使小开度时放大系数增大，大开度时放大系数减小， S _v 值太小时将严重影响自动调节系统的调节质量。

3.2.3 支路风机可调性

1. 调节原理

由式（3-13）有：

转速 n 下，支路风机的性能曲线表示为：

则可知：

式中 Δ P ——支路处主风机所提供的静压（Pa）；

S ——支路管网阻抗[Pa/（m ³ /h） ² ]；

Δ P _z ——支路风机所提供全压（Pa）；

Q ——支路空气流量（m ³ /s）；

a 、 b 、 c ——支路风机性能曲线系数。

式（3-24）左边为风机性能曲线，是 Q 的一元二次方关系，等式右边是考虑了支路处静压状况的一元二次方关系，描绘曲线如图3-4所示。

支路风机的可调性就是支路风机在一定支路入口静压Δ P 以及支路管网阻抗 S 下，通过改变风机转速以改变支路风机性能曲线，从而改变支路风量的能力。

为此，在一定支路静压Δ P 以及支路管网阻抗 S 下，支路风机调节转速的能力直接影响支路的可调性。对此支路风机调速能力应达到以下几点要求：①调速范围应较广。②可达到较高调节精度。③在各转速下均有较高效率。支路风机采用直流无刷电动机可以达到以上调速要求。

为评价支路风机的调节性能，可以建立类似于调节阀的可调比公式，用以反映支路风机可调节风量的幅度与精确度，即支路风机可调比，如下：

Q _min 是支路风机可调节风量的下限值，与支路风机调节转速的精确度有关，支路风机的调速理论上可以实现无级调速，但应用到实际中往往取用几个转速点，用档位表示。

此外，支路静压Δ P 以及支路管网阻抗 S 对支路风机的调节性能有一定的影响。

2. 支路入口静压Δ P 对支路风机可调性的影响

定义支路风机额定转速下的风量为基准风量。通过对式（3-22）及图3-4分析可知，支路静压Δ P 越大，基准风量越大，在图3-4表示为 O 点向右偏移；反之，静压越小，基准风量越小。为此，不同支路静压下，同一支路的风量可调节范围也会发生变化。

支路静压应控制在一定范围内，较大的静压会使得支路风机难以实现调小风量。当支路静压过大致使基准风量过大，不在支路风机的工作范围，则应安装阀门进行调节支路风量，这在风机分布式串联特性中表现为支路风机起阻碍作用。静压越小，甚至为负值时，支路风机的工作点将偏左，支路风量也将偏小，调大风量的能力将受到限制。

总之，支路静压对基准风量有一定影响，会影响支路风机的调节能力，进行支路风机的选型时需要注意这点。

3. 管网特性 S 对支路风机可调性的影响

通过对式（3-22）及图3-4分析可知，支路管网特性 S 越大，支路基准风量越小，超过一定值后，支路风机调大风量的能力将受到了限制。支路管网特性 S 越小，支路基准风量越大，超过一定值后，支路风机调小风量的能力将受到了限制。

3.2.4 调节方式对比

（1）原理不同 调节阀的作用原理是通过增加有利环路的阻抗来实现风量平衡；而支路风机则是通过增加不利环路的压力来实现风量平衡。

（2）能耗不同 调节阀是消耗多余的能耗，使得工程设计需要主风机选型应该有一定富裕量，从而加剧能耗浪费；而支路风机是动力源，是弥补系统不足能耗，主风机选型无需考虑一定富余量。

（3）工作特性不同 调节阀需要获得较好的调节性能就需调节阀所消耗的压力占总的压力损失比例大，且比例越大，调节性能越好，同时势必增加能耗。支路风机需要的调节性能与转速调节能力有很大关系，调速性能越好，调节性能越好；同时支路风机进口压力越小，支路风机调大能力越强，进口压力越大，支路风机调小能力越弱。

3.2.5 支路风量偏移分析方法

动力分布式通风系统在实际运行中发现，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，因此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）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。

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

（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%×风压+0.8Pa）。

（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250m ³ /h（风机的转速大小为 n _① ＜ n _② ＜ n _③ ＜ n _④ ＜ n _⑤ ，其中 n 为风机转速，下标为风机编号）。

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

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

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

（5）测点布置 距主风机1.5m主管上布置测点，距支路风机前后1m处布置测点。测试主管断面尺寸为320mm×200mm，支管断面尺寸为160mm×120mm。将断面分成4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2个测试孔。

2. 测试结果

（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号风机在不同入口静压下的运行风量不同，如图3-6所示。

图3-6中5条曲线分别为①～⑤号支路风机在定转速、不同入口静压下的风量。由图可以看出，支路风量随着支路入口静压的增大而增大，大致呈线性关系，以②号支路风机为例，风量与入口静压的拟合关系式为 y =0.99 x +189.3（ R ² =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号支路风机性能分析 以②号支路风机为研究对象，风机性能曲线如图3-7所示。

由图3-7可以看出，支路风量随入口静压的增大而增大，在入口静压 P _r 为3.8Pa下，支路风机提供的压力 P _t 为45Pa，支路风量为195m ³ /h，在入口静压为110Pa下，支路风机提供的压力 P _t 为12Pa，支路风量为298m ³ /h，根据 P _r + P _t = SQ ² （其中 S 为支路的阻抗， Q 为支路风量），得到支路的阻抗 S ≈16632kg/m ⁷ 。在不同静压下，管网的阻抗 S 近似不变，在110Pa静压下，风量为298m ³ /h时，代入 P _r + P _t = SQ ² ，得 p _t ≈-30Pa，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。

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。

3. 支路风量偏移的解析分析法

（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。

当支路风机入口压力为零压时，有：

当支路风机入口压力为Δ P 时，有：

式（3-26），式（3-27）中， P ₀ ， P _x 为支路风机入口压力为零压和Δ P 时风机的运行压力（Pa）； Q ₀ ， Q _x 为支路风机入口压力为零压和Δ P 时风机的运行风量（m ³ /h）。管网特性曲线与风机性能曲线如图3-8所示。

设支路入口静压比 ，即支路入口压力与设计风量下支路管段总阻力（其数值大小等于支路入口压力为零时的风机压力）的比值。当入口压力为正压时， m ＞0；当入口压力为负压时， m ＜0。

由式（3-26），式（3-27）可得：

P _x ， Q _x 在转速为 n ₀ 的风机性能曲线上， a ， b ， c 为风机性能曲线参数，应满足：

故：

设 ，为风量偏差系数，表明实际风量偏离支路设计风量的程度。则式（3-20）可变换为：

上式为一元二次方程，故可求出方程的根，舍去负根为：

（2）支路风量偏移的影响因素 由式（3-32）可知，支路风量偏离的影响因素为支路阻抗 S 、风机性能参数（主要表现为风机性能曲线的系数 a ， b ， c ）及支路入口静压比 m 。利用这些影响因素可定量分析支路风量的偏离程度。对于支路入口静压比 m 而言，有以下特性：

1）当 m ＞1时，即Δ P ＞ P ₀ ，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Δ P = P ₀ ，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，最多存在一个支路有此情况。

3）当 m ＜1时，即Δ P ＜ P ₀ ，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 =-0.0018 Q ² +0.256 Q +106.5）进行分析，不同设计风量（分别为170m ³ /h，200m ³ /h，250m ³ /h）下 β 随 m 的变化情况如图3-9所示。

由图3-9可知：当 m 在某一区间内时， m 与 β 呈近似线性关系；设计风量为170m ³ /h情况下，当 m =-0.4～0.6时， β =0.8～1.2；设计风量为200m ³ /h情况下，当 m =-0.5～0.6时， β =0.8～1.2；设计风量为250m ³ /h情况下，当 m =-0.9～1.2时， β =0.8～1.2。由此可知，该风机在入口静压为-50～50Pa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。

通过推导得到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做定量分析。

4. 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支路入口静压的增大而增大，利用解析方法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和风机性能曲线的综合图解分析方法，如图3-10所示，曲线A～D为支路风管的阻力特性曲线，曲线Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为支路风机的风量风压性能曲线，它们也代表不同的风机转速，且转速大小为Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ。

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相交于正向，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相交于坐标原点；当支路起点静压为正值时，支路阻力特性曲线与坐标纵轴相交于负向，且正静压越大，越往下移。由图3-10可知，对于A～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（曲线Ⅰ），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Ⅱ与Ⅲ之间。通过图解分析，可以很简单便捷地了解支路风机的实际运行风量。

假定A、B、C、D四个支路设计风量相同，风机性能曲线为Ⅰ。支路风机的运行存在下面四种状态：

（1）支路入口处正压 如图3-11所示，若某一支路在零压点的上游侧，即在支路入口存在着正静压 P _j ，若假设克服该支路所需要的压头为 P ，则该支路需要支路风机提供的压头为（ P-P _j ）。这种情况在动力分布式通风系统中是存在的，尤其是离主风机较近的支路。这种情况选择支路风机时的风压风量设计参数为[( P-P _j ), Q ]。

如图3-12所示，若某一支路在零压点的上游侧，即在该支路入口存在着正静压 P _j ，若假设克服该支路所需要的压头为 P ，且存在着 P _j ＞ P ，则该支路需要支路风机提供的压头为（ P-P _j ）＜0，也就是说明此时支路风机存在着阻碍作用，这种情况在设计和运行时是需要避免的。

（2）支路入口处零压 如图3-13所示，若支路的入口静压为零，这种情况相当于支管直接接入大气，那么此支路的风机风压风量设计参数为[ P ， Q ]。

（3）支路入口处负压 如图3-14所示，若支路的入口静压为负静压 -P _j ，那么此支路的风机风压风量选择参数为[( P + P _j ), Q ]。支路入口状况不同时支路风机设计参数见表3-1。

综上可得，在动力分布式新风系统中支路风机选择时存在以下四种状况：

1）假设A支路入口正好为零压点，则入口静压为零，则A支路的风量为 Q ₀ ，满足设计要求。

2）B支路入口为负静压，若保持风机性能曲线为Ⅰ，则B支路实际运行的风量 Q _B ＜ Q ₀ ，达不到设计要求，此时需要将风机转速增大至Ⅱ。

3）C支路入口为正静压，若保持风机性能曲线为Ⅰ，则C支路实际运行的风量 Q _c ＞ Q ₀ ，超过设计要求，导致能耗浪费，此时需要将风机转速减小至Ⅲ。

4）D支路入口为正静压，若保持风机性能曲线为Ⅰ，则D支路实际运行的风量 Q _d ＞ Q ₀ ，超过设计要求，导致能耗浪费，若按照C的方式调小转速，由于考虑到后期末端的可调性，风机转速最小调至Ⅲ，那么只有在D支路增设阀门等消耗部件，如图3-10中将D支路特性曲线从D调整到D′。

在设计时需要利用支路入口静压曲线分析法保证支路在运行时具有较好的风量可调性。用管网特性曲线和风机性能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。 KaOoR96vzf4/J8welblHo6QsotLndewt355GLEYGCXsHDVIacAYCftN7UQBHX+Tl