基于空氣焓值的變風量空調冷量計量

邢麗娟，楊世忠

（青島理工大學自動化工程學院，山東 青島 266520）

0 引 言

近年來，國內的變風量（VAV）空調系統的應用逐漸增多，如何對空調系統進行準確地分戶計量也開始受到重視[1-2]。變風量空調的運行費用所占比例較大，如果沒有合理的計量依據，不僅會帶來能源的浪費，而且不利于日常管理。以往風機盤管式中央空調計量方法主要有面積分攤、水計量、電計量、時間計量和能量計量[3]，但是變風量空調系統的運行特點不同于風機盤管系統，計量方法也不能完全按照以前的方式。本文在分析變風量空調特點的基礎上，通過計量的理論依據和計量方法的探討，給出一種基于焓值的變風量空調系統分戶計量設計。

1 VAV空調計量現狀

在已有的各種計量方式中，按用戶消耗的能量進行計量是最為精確的一種。這種計量方式按照實際使用量來繳費[4]，能切實保證用戶的利益。傳統的風機盤管計量原理是計算供回水焓值的消耗，以此作為各個房間的能耗，并作為計費的依據[5-6]。

現有的變風量空調計量方法通常在表冷器的冷凍水入口處安裝流量和溫度傳感器，根據流量和冷凍水供水、回水的溫度和所用時間，計算空調的冷量消耗。在此時間內根據每個房間的空調末端送風量與總風量的比值來計算每個房間的冷量消耗，并以此為基礎得出費用[7]。該方法的理論基礎為

式中：Q——所得熱量，J或Wh；

qm——冷凍水質量流量，kg/h；

qv——冷凍水體積流量，m3/h；

ρ——冷凍水密度，kg/m3；

Δh——冷凍水的焓值差，J/kg；

t——時間，h。

空調末端的冷量公式為

VAV BOX耗冷量=空氣處理機組耗冷量×

這種測量方式雖然可以得到分戶費用，但是由于理論上的缺陷，不能保證計量的準確性和公平性。變風量空調的回風是節能的一個重要原因，而以往的計量方式卻不考慮回風的作用。回風的量越大，空調系統所需提供的能量越少，節能效果就越好。對于變風量空調的應用來說，在每個房間的送風量相同的情況下，哪個房間的回風量越大，其消耗的冷量就越少。

2 計量方法

VAV空調是全風量空調，送的是風量，由于房間中空氣有泄漏，加上排風等因素，造成回風量和送風量并不相等，不可以完全按照風機盤管中測量供回水焓值的方式進行。因此，本文采取如下方案：

確定送風的焓值，由送風管中的溫度計、濕度計和壓力計所測得值確定，設為h1。

確定回風管的焓值，方法同上，設為h2。

測量戶外環境的空氣焓值，也就是新風口的焓值，設為 h3。

用戶消耗的能量可以依據以下原理：計量依據空調冷機所消耗的能量，以夏季工況為例，室外空氣的焓值要高于送風焓值，用戶的回風焓值要小于室外空氣的焓值，而冷機處理的是混風溫度，這部分要消耗冷機的功率（送風風機的功率很容易算出，最后計量是可以用修正系數或附加功率等方式進行考慮）。那么不考慮送風管的泄漏時，送入房間的新風所消耗能量加上回風所消耗的能量就是用戶所用的能量。

計算公式如下：

設單位時間（例如：1min）送入房間的風量、回風量、新風量分別為 Q1、Q2、Q3，其中 Q1=Q2+Q3。由于每個房間的送風量和回風量都可以測量，其新風量可相應算出。用戶單位時間的能量消耗為

式中：ρg——干空氣的密度。

因為室外新風、空調送風及室內回風的焓值都在不斷變化，而空氣的溫度、含濕量、壓力的變化較緩慢，所以設計中采集周期定為15min。

這樣室內用戶每小時的冷量消耗為

用戶每天的冷量為

式中：J——用戶每天消耗的能量，kJ；

Jj——用戶每小時消耗的能量，kJ；

Wj——用戶每分鐘消耗的能量，kJ。

3 VAV空調焓值計量理論基礎

在本文的VAV空調計量中，依據送入房間中混風（包括新風和回風兩部分）消耗的能量作為計量依據。VAV空調能量計算的一個重要依據是其焓值[8]。在變風量空調工程中，根據冷量交換過程中空氣焓值的變化來判斷能量的轉化。所以，可根據空氣焓值的改變來得出處理前后得到或失去熱量：

式中：h——焓值，kJ/kg；

t——溫度，℃；

d——含濕量，g/kg。

3.1 焓值的計算

（1）公式法。在實際測量中，溫度、相對濕度、空氣壓力都可測，根據溫度可以得出水蒸氣飽和壓力Ps，則可由式（6）得出含濕量：

式中：d——含濕量，g/kg；

P——空氣壓力，MPa；

φ——相對濕度；

Ps——水蒸氣飽和壓力，MPa。

然后根據焓值計算式（5）得出所需焓值。

（2）查表法。在實際測量中，如果溫度、相對濕度、空氣壓力都可測，根據在對應空氣壓力下的焓濕圖，由測量的溫度和相對濕度的交點確定空氣的狀態點，過該狀態點分別沿等焓線、等濕線可以查出空氣的焓值。在實際應用中可以根據新風、回風、送風的溫度、壓力、濕度變化范圍做成表格供查找。

3.2 空氣質量計算

濕空氣是由干空氣和水蒸氣組成的，它們均勻混合，所占的容積相同。所以，空氣的密度為干空氣密度與水蒸氣密度之和，其計算公式為

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

ρg——干空氣密度，kg/m3；

ρq——濕空氣密度，kg/m3。

根據焓值的定義需要知道干空氣的質量，先求出干空氣的密度：

式中：P——空氣的絕對壓力，kPa；

T——空氣的熱力學溫度（K），T=273+t，t為空氣的攝氏溫度（℃）。

計算得到干空氣密度后，由于VAV空調風管中空氣的風量或風速可測，則在單位時間內的風量與空氣密度相乘后可以得到該時間內的干空氣質量。

式中：m——空氣質量，kg；

ρg——干空氣密度，kg/m3；

Q——空氣風量，m3/s；

ν——空氣風速，m/s；

s——風管截面積，m2。

3.3 空氣能量計算

單位時間空氣的能量可由式（10）得到：

式中：J——空氣能量，kJ；

h——空氣焓值，kJ/kg；

m——干空氣質量，kg。

4 計量系統設計

4.1 測量裝置

根據第3節的測量原理，在VAV空調分戶計量系統中需要裝配的傳感器為溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、風速傳感器（由第3節可知需要測量空氣的風量或風速，但流量傳感器較貴，從經濟上考慮選擇風速傳感器）。

需要測量的量有新風、回風和送風的焓值。傳感器安裝的位置如下：

對于新風，各傳感器安裝在變風量空調系統的新風閥之后，但不要安裝在新風與回風交叉處，那里所測量的值不是室外新風的狀態；對于回風，各傳感器安裝在室內的回風口處，要注意的是風速傳感器不能在風道的彎角處安裝，要在室內回風管的直管處安裝；對于送風，各傳感器應該安裝在空調風機的送風口。VAV空調計量原理圖如圖1所示。

另外，從實際空調工程經濟性考慮，采用以下替代方式：

圖1 VAV空調計量原理圖

（1）可將每個房間回風處的溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、風速傳感器安裝在回風總管中，這樣可以大大節省傳感器的數量。但是這種方式會造成較大的誤差，只有各用戶的房間和排風情況大致相同時可以考慮這種方式。

（2）只將風速傳感器安裝在用戶房間的回風側，溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器則安裝在回風總管中，這樣可以節省傳感器的數量，誤差要比把全部傳感器安裝在回風總管的方式小，在測量準確度要求不高時可以采用。

（3）將風速傳感器安裝在用戶回風側，壓力傳感器安裝在回風總管中，溫度傳感器、濕度傳感器采用室內空調末端自帶的傳感器，這種方式也可以節省傳感器的數量，誤差要比方式（2）小，在一般的應用中推薦使用該方法以節約成本。

4.2 系統構成

對于多用戶VAV空調能量而言，可以采用分層或分區域信號采集單元和計量管理單元組成。區域信號采集單元可由PLC（可編程控制器）、DDC（直接數字控制器）或者由單片機構成的信號采集單元，完成現場傳感器信號的采集和傳輸任務。計量管理單元可由計算機構成，完成用戶能耗計量和管理任務。VAV計量的結構如圖2所示。

圖2 VAV計量結構圖

設計中的測量和控制部分包括以下模塊：新風、回風、送風的狀態采集；新風、回風、送風的焓值計算；集中處理的中央控制；新風量和回風量調節；用戶費用計算；測控指令收發。

信號采集單元和計量管理單元的控制流程如圖3和圖4所示。過渡季工況，新風焓小于回風焓，新回風焓差足以抵消冷負荷，只進行通風換氣，不啟動冷熱源，調節新風閥開度，控制送風溫度。在這種方式下，只需考慮風機等耗能設備，計量方式簡單。

5 結束語

圖3 信號采集單元流程圖

圖4 計量管理單元流程圖

VAV空調由于其節能的優勢而被廣泛應用，但用戶的分戶計量卻沒有很好地解決。由于運行方式不同，已有的風機盤管中央空調的計量方式并不完全適用于VAV空調的計量。本文結合VAV空調風系統運行特點，提出一種基于焓值的計量方法，在新風、送風和回風焓值的基礎上實現能量計量。這種測量方式合理、準確，實現了用戶對計量準確度的要求，而且在測量設備上可以按照經濟性的要求有多種選擇，能滿足工程實踐的需要。

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