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关于压力无关型变风量末端装置的讨论

　　格伊尔•阿佛里 孙宁
摘要　　列举事实澄清了对压力无关型变风量末端装置的某些误解。指出如设计合理，则压力有关型末端装置不但可避免系统的不稳定，还可降低初投资、简化控制和维护等。
关键词变风量系统 压力无关 压力有关 末端装置 要实现一台空调机组多区控制，变风量系统毫无疑问是一种经济的形式。然而，像军事部门和大型建筑管理公司这样一些大的用户，正逐渐反对采用这种系统。
压力无关控制变风量末端装置选型不舒适是导致很多问题的根源。专业人员几乎普遍认为压力无关特性可以弥补末端装置选择过大、风道设计不合理以及送风压力控制不力等方面的不足。这已经成为我们认识上的一个误区。在150mm①的蒸汽管道上安装150mm的调节阀是不合理的，同样在150mm的支风道上安装150mm的末端装置也是不合适。
变风量设备生产厂家很少提供不带风量传感器的压力有关型末端装置的性能数据，所以，本文从数学上进行所计算而不是基于设备的测试数据。表1所示的末端装置的设计风量是压力有关型末端典型的性能参数，但不宜用于设计。计算设计风量是根据有效流通截面，即已经扣除了末端装置内风阀所占的面积。由于机箱厚度、轴的大小及风阀叶片形式等因素，实际性能参数会因厂家而异。由表1可知，130mm末端在前后压差为200Pa时的风量几乎和200mm末端25Pa压降时的风量相同。 表1 压力有关型末端装置的典型性能参数 型号
净流通面积
/m2 200 Pa动压下的设计风量
/ m3 /h25 Pa动压下的设计风量
/ m3 /h备注(76)21476见注①(89)308109见注①(100)416148　(110)584207见注①(130)688243　(140)846299见注①(150)1023362　(180)1308462　(200)1886858见注①(250)30411075　(280)36871307见注①(305)44341566　(356)60822151　(406)71192518　
净流通面积是按进风扣除风阀所占面积计算的。进风口直径比公称管径小。
注：①大部分厂家不生产非标准型号末端装置，但实际需要它们。
②设计风量是按200Pa动压时的风速/s乘以净流通面积得出的。
③设计风量是按25Pa动压时的风速/s乘以净流通面积得出的。
空气流过普通的全开蝶阀之后进入矩形静压箱，这时风阀处的压降几乎等于流经净流通面积时的动压。下游气流是紊乱的，流速实际等于零，所以没有静压复得。既然末端风阀压降等于风阀处的动压，那么对于任何选型偏大的末端，总可以通过开大风阀叶片使得风阀处的动压加上支风道压降等于主风道提供的静压。
末端装置的压力比P等于末端风阀全开时设计风量下的动压值除以资用压差，如图1所示。图1为风阀最大开度与P值的关系曲线。
图1 压略比和见阀开试关系
几个问题的讨论
问题之1：采用压力无关控制可以减小末端装置的压降吗？
对于有多个末端装置的系统，即使采用静压复得法设计，主风道静压小于250Pa也是难于维持系统正常运行的，所以，大部分变风量系统的主风道静压值至少取250Pa。图2中，200mm的支风道连接了一个200mm的末端装置，风阀全开时的动压为25Pa，压力比P为
从图1所示曲线查得，风阀最大开度为50°。
图2　两种末端装置的比较
　　130mm末端装置在相同的资用压力下处理相同的风量，其压力比P为
此时风阀最大开度可以达到90°。
显然，选择130mm末端装置要好一些。用这种方法选择末端装置不需要压力无关控制。如果风道压力增加50%，达到375Pa，末端装置的最大风量仅增加约22%；如果压力增加一倍，风量增加约41%。不过，等室内温控器响应之后，风量就又会恢复正常。
由于200mm压力无关型末端上的执行器只能使风阀开到大约一半，控制环路的增益就几乎增加一倍。那么，室内温度或风道压力产生很小的变化，就会对末端风量产生很大的影响。很多压力无关型末端选择偏大的变风量系统出现"压力多米诺骨牌效应"：当某一末端关小阀门，使系统压力升高，就会导致其他末端也关小风阀。最后，压力升高到一定程度，静压控制器会减小静压。随之，整个调节过程开始向相反方向进行。
如果这种情况再伴随着风阀执行机构和压力积分控制器环节的滞后，就会导致系统更加不稳定。
问题之2：末端装置选择大些可以降低噪声吗？
选择合理的压力有关型末端产生的噪声与选择偏大的压力无关型末端基本上是相同的。图2，阀片关闭时，200mm压力无关型末端和130mm压力有关型末端的压降都为250Pa。调节过程中，由于资历用压力相同，风量相同，二者压降必然也相同。当噪声问题出现时，应当设法降噪，而不应该选择偏大的末端，那样会降低系统的控制水平。
问题之3：对于再热系统，压力无关控制是必需的吗？
当末端处于再热工况时，动压信号极低，所以选择压力无关再热型末端是很困难的。假设，再热时的风量是最大风量的1/2，那么图2中200mm末端风量340m3/h时的动压只有。这种情况下，风速控制器无法实现可靠的控制。相反，130mm末端在340m3/h的风量时的动压却能达到47Pa。如果一定要采用压力无关再热型末端，那么风阀型号应当尽量小，压力比P应可能地接近1。
问题之4：压力无关型末端选择偏大没关系，DDC可以解决所有问题吗？
直接数字控制可以改善不稳定系统的运行状况，通过采取一些措施解决问题。通过DDC重新调整风阀，使得执行器能够达到满行程，同时又使风阀最大开度小于90°，这可能会有助于解决问题。例如，图3中200mm压力无关型末端的风阀旋转范围可以重新定为0--50°，而不是0～90°。不过，重新调整并不改善风量传感器的性能，相反，会产生增加环节滞后的负面影响。
合理选择压力有关型末端装置不仅可以解决大部分压力无关型末端的系统不稳定问题，而且还有如下优点：
·减少初投资。压力有关型末端的安装费用要比压力无关型的少30%～40%。
·简单易懂的控制方法。
·维护工作量少。
·没有风速传感器污染的问题。
·风阀关闭时漏风较少。
·控制系统承包责任明确。控制承包商可以提供所有的压力有关控制，而压力无关型变风量末端装置控制器通常是由不同的厂家提供的②。
本文所讨论的问题不仅适用于变风量系统而且同样也适用于变水量系统。只要阀门选择合理，平衡阀和流量控制器都是不必要的，应该由调节阀来承担它们的压降。
定义
·压力无关是指阀门的执行机构由速度控制器来控制，而速度控制器由房间温度控制器设定。
·压力有关是指阀门的执行机构直接由房间温度控制器控制。
注释：
①原文所用单位为英制，现均换算为我国法定单位----编者注。
②这样，工程的控制部分的质量责任可以完全由控制承包商承担--译注。