1 引言

空调机组经常需要随室内外环境参数的变化调节其制冷量或制热量，以满足室内环境舒适性要求。采用启停压缩机调节的方法时，压缩机的频繁启动对局部电网、机组本身都会产生不利影响，而且室内环境参数的变化响应慢，常常会有忽冷忽热的感觉。变频调节风量可以实现无级调节，调节性能好，在实际工程中得到了越来越多的应用。空调风系统属于开式系统，在开式系统中，由于空调房间保持一定的正压，变频调节时，节能效果变差，风量和功率不是简单的三次方关系^[1]，同时由于电机效率变化，变频调节的节能效果需要具体分析。本文就本专业实验室水冷空调机组风系统变频和阀门调节进行了分析和测试。

2 两种风量调节方法

2.1 阀门调节

阀门调节原理就是改变阀门开度，通常是减小阀门开度，增加管路阻力，降低实际送风量，风机的性能曲线并未改变，只是改变运行工况点的位置，如图1。假设空调房间要求保持正压为P₀，则管路特性曲线可以表示为^[2]：

P= P₀+SQ²…………(1)

式中： P--风机出口全压（Pa）

P₀--空调房间正压（Pa）

S--管路特性系数

Q--管路风量（m³/s）

当送风风道阀门依次从全开调节至全闭，管路特性系数S变大，管路特性曲线上翘变陡，风量慢慢变小，见图1

当管路特性曲线从1变到2，风机运行点从A到B，A点运行时，风机的轴功率与Q₁A P₁O所包容的面积成正比，同样，B点运行时，轴功率与Q₂B P₂O所包容的面积成正比，由图可知，两个工况点所包容的面积变化不大，故风量减小时，轴功率减小不明显。克服管道阻力消耗的功率增加了，没有起到节能的作用。

2.2 变频调节

变频调节风系统风量是通过变频器改变风机电机输入交流电源的频率，改变电机转速，从而改变风机送风量，是调节流量的最好手段^[3]。当电源频率从f₁降到f₂时，电机转速从n₁降到n₂，有：

n₁/ n₂= f₁/ f₂……………（2）

变频调节方法只是偏移风机运行性能曲线，管路阻力特性未变，风机运行效率不变，如图2。由通风机相似定律有：

n₁/ n₂= Q₁/ Q₂……………（3）

由（2）和（3）式得f₁/f₂= Q₁/ Q₂，在开式系统中，由式（1）有 P₁=P₀+SQ₁² P₂=P₀+SQ₂²

由此得频率、风量、风压、轴功率之间的关系：

f₁/f₂= Q₁/ Q₂=(P₁-P₀)^1/2/(P₂-P₀)^1/2………(4)

N₁/N₂=(P₀+SQ₁²)Q₁/(P₀+SQ₂²)Q₂………(5)

式中：n₁ ，n₂ --电机转速（r/min）

f₁ ，f₂--交流电源频率（Hz）

P₁ ，P₂--风机出口全压（Pa）

N₁ ，N₂--风机轴功率（W）

由式（5）知，由于空调房间正压的存在，风量Q和轴功率N并不成三次方关系，但风量减小时，见图2，工况点与坐标轴所包含的面积减少非常明显，可见变频调节的节能效果比较明显，具体数据可由试验测出。

3 测试方法及结果

3.1 测试方法

测试系统如图3，测试设备及型号如下：

1--空调机组：H15-01

2--倾斜微压计YYT-200B和比托管0.5m

3---变频器：FR-E540-0.75K-CH

4--功率表：D51

5--热式风速计：KA31

测试时，启动空调机组风机，送风方式为上送侧回，风管尺寸为320*250，使用倾斜微压计和比托管测量送风口和回风口全压及风量，新风口阀门控制空调房间保持10Pa正压，功率表测量风机输入功率，热式风速计未在图中标出，当风速小于5m/s时，用比托管测动压误差较大，改用热式风速计直接测风速。阀门调节时，电源频率设定为额定频率50Hz，送回风风管阀门开度分8等份，改变阀门开度，分别读出风机输入功率，风机进出口全压，直管段动压，根据测得的数据计算风量和风压；变频调节时，阀门全开，电源频率按步长5Hz从10Hz变到50Hz，记录数据同阀门调节。

3.2 试验数据和性能曲线

阀门调节测试数据如表1：

根据试验数据绘制的阀门调节性能曲线如图4、图5、图6。

　　　图4 阀门开度和风量变化曲线

变频调节测试数据如表2：

根据试验数据绘制的变频调节特性曲线如图7、 图8、图9。

3.3 测试结果分析

3.3.1 如图5，阀门调节时输入功率随风量变化不明显，阀门从全开到全闭，输入功率只是从620W减少到394W；风量从2122m³/h减少到1080m³/h时，功率从620W减少到440W，节能效果不明显。阀门全关时，风量不为零，说明系统存在少量漏风。

3.3.2 如图7，变频调节频率和风量基本成正比关系，实际测试的数据f₁/ f₂和Q₂/Q₁不相等，有一点偏差,主要是因为风量测量误差和空调机组漏风。

3.3.3 下面具体分析风量从Q₁减少到约1/2 Q₁时，两种风量调节方法的节能效果。空调房间正压p₀=10Pa,变频调节时，当频率从f₁=50Hz变到f₂=25Hz， Q₂/Q₁=995/2138=0.47，（P₂-P₀）^1/2/（P₁-P₀）^1/2=0.52，轴功率N₂/N₁=P₂Q₂/P₁Q₁=0.134，结果基本符合(4)式，由于p₀的影响，轴功率和频率三次方并不成正比关系，即N₂/N₁不等于0.125，而是偏大，p₀越大，节能效果越差^[4]。从节能角度看，主要看输入功率降低多少，在这里，风量降到一半时，输入功率之比是240/610=0.39，并不是0.134，这是因为频率降低后，电机工作点远离额定工作点，其效率随之降低。实际消耗功率只减少61%，所以变频调节的节能效果低于理论预期效果。阀门调节时，当阀门开度从100%变到25%时，Q₂/Q₁=0.51，风量减小约一半，输入功率之比是440/620=0.71，输入功率几乎是变频调节的两倍。测试数据还表明，风量减小越多，变频调节的节能效果越明显。

4 结论

4.1 变频调节风量的节能效果明显好于阀门调节，尤其在风量调节范围较大时更为显著。

4.2 变频调节风量时降低电机转速，电机效率也随之降低，电机发热消耗的无用功相对增大，加上变频器本身消耗的功率，部分抵消了变频调节的节能效果，实际节能效果低于理论预期效果。

4.3 具体应用时，风量变化（最小风量）必须满足房间气流组织的要求；变频调节风量对空调机组制冷/热量的影响需进一步分析试验。

参考文献

1 朱贞涛. 制冷空调系统中离心泵变频调速的性能分析与试验. 流体机械，2001，29（11）：58~60

2 周谟仁. 流体力学泵与风机（第三版）. 北京： 中国建筑工业出版社，1994

3 江亿. 用变速泵和变速风机代替调节用风阀水阀. 暖通空调，1997，27（2）：66~71

4 狄洪发 李吉生等. 开式系统中变速泵的节能分析. 暖通空调，2002，32（1）：59~61

熊军，男，1970年3月生，大学，工学学士，工程师

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