基于故障樹分析的排風熱回收空調系統(tǒng)故障診斷與應用

陳振陽，劉成剛，錢陽陽，徐宏列

（1.蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009；2.惠氏制藥有限公司，江蘇 蘇州 215128）

暖通空調系統(tǒng)的故障診斷起源于20世紀80年代后期[1]。從20世紀90年代開始，IEA（國際能源組織）、DOE（美國能源部）、ASHRAE（美國采暖，制冷與空調工程師學會）等國際組織已經相繼開展了暖通空調系統(tǒng)故障診斷方面的研究。在國內，香港理工大學的王盛衛(wèi)團隊、上海交通大學的晉欣橋團隊、天津大學的李冬輝團隊、湖南大學的陳友明團隊，也基于不同的分析方法對空調系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)、傳感器等多種故障展開了較為系統(tǒng)地研究。

目前國內外學者對常規(guī)空調系統(tǒng)的故障診斷已有大量的研究，但很少有人對排風熱回收空調系統(tǒng)的運行及故障進行系統(tǒng)地研究。該類空調系統(tǒng)出現故障時，由于缺少故障診斷和維修方面的參考，加上維修人員在此知識上的匱乏，往往不能及時排除故障，影響了該類空調系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。該文通過故障樹分析FTA方法對排風熱回收空調系統(tǒng)進行故障診斷，為該類空調系統(tǒng)的故障診斷和維修提供了參考。

1 排風熱回收空調系統(tǒng)結構與原理

板式、轉輪式、中間熱媒式是空調系統(tǒng)中最常使用的幾種熱回收方式。中間熱媒式憑借其布置靈活方便、占用空間小、新風和排風不會產生交叉滲透和污染等特點，一般應用于制藥廠、實驗室、醫(yī)療建筑等這些需要隔離送風和排風的空調系統(tǒng)[2]。

蘇州某制藥廠現有一臺服務于實驗區(qū)的全新風定風量空調機組，處理新風量56 575 m3/h。實驗區(qū)配備多臺排風機，其中排風量最大的排風機排風量為36 675 m3/h，空調機組使用的熱水由熱水機房統(tǒng)一供應。基于制藥廠空調系統(tǒng)的特點，采用了體積濃度25%的乙二醇溶液作為中間熱媒式對空調排風進行熱回收，通過排風換熱器將排風與乙二醇溶液進行換熱，將排風中的熱量（冷量）傳遞給乙二醇溶液，溶液溫度升高（降低），然后通過循環(huán)泵將乙二醇溶液輸送到新風換熱器中與新風進行換熱，提高（降低）新風的溫度，以此降低空調機組的功耗，達到熱回收和節(jié)能的目的[2]。

該排風熱回收空調系統(tǒng)由新風換熱器、排風換熱器、熱盤管、循環(huán)泵（額定流量25 m3/h）、風機、數個傳感器和閥門組成。新風換熱器、排風換熱器、熱盤管前都設有過濾網（見圖1）。排風熱回收模式下新、排風旁通關閉，循環(huán)泵開啟。

2 故障樹模型的建立

故障樹分析法是一種以圖論表示的定性分析方法，該方法將系統(tǒng)最不愿意發(fā)生的故障作為頂事件 （符號：），圍繞頂事件找出導致頂事件發(fā)生的中間事件 （符號：），以此類推直到找到最終導致故障發(fā)生的底事件（符號：），再用邏輯“或門”（符號：）和“與門”（符號：）將這些事件相互連接，形成故障樹模型[3]。

2.1 故障樹模型建立的前提和準則

（1）主要考慮該排風熱回收空調系統(tǒng)的軟故障（部件性能下降或部分失效），如過濾網堵塞、風管堵塞等；不考慮該系統(tǒng)的硬故障（部件完全失效），如風機燒毀、風管破裂等[3]。

（2）文中故障樹建立以該系統(tǒng)設計合理且各部件選型正確為前提。

（3）由于實際運行時兩個故障源同時發(fā)生的概率很小，本文故障樹建立只考慮單一故障源發(fā)生。

（4）文中主要針對空調系統(tǒng)進行分析，對導致熱回收效果差的故障不再作進一步分析。即不再進一步分析導致“新風換熱器換熱能力下降”和“排風換熱器換熱能力下降”的原因，將“新風換熱器換熱能力下降”和“排風換熱器換熱能力下降”作為不可分割的底事件。

圖1 排風熱回收空調系統(tǒng)簡圖

2.2 故障樹模型的構建

該排風熱回收空調系統(tǒng)與常規(guī)的空調系統(tǒng)的結構和原理有很大的不同，根據對該系統(tǒng)的組成和工作原理的理解，可知，熱回收模式下，冬季空調區(qū)域的熱負荷主要由空調機組和排風熱回收的熱量兩部分來承擔。

選取“冬季空調區(qū)域溫度過低”這一常見故障作為頂事件進行故障分析。構建的故障樹如下圖2，圖中T為頂事件，M為中間事件，X為底事件。圖2中各事件的含義如表1所列。

圖2 “冬季空調區(qū)域溫度過低”故障樹

2.3 故障樹定性分析

故障樹定性分析，主要指求出故障樹的所有最小割集，找出系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。該故障樹模型中只包含“或”門，采用上行法求該故障樹模型的最小割集，計算過程如下：

M7=X21+X22+X23+X24

M6=X19+X20

M5=X17+X18

M4=M5+M6+M7

M3=X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16

M2=X3+X4

M1=M3+M4

T=M1+M2+X1+X2

=(M3+M4)+(X3+X4)+X1+X2

=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+M5+M6+M7)+X3+X4+X1+X2

=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24

運算結果顯示，最小割集的完整集合就是全部底事件，表1中的底事件X就是該空調排風熱回收系統(tǒng)“冬季空調區(qū)域溫度過低”的所有故障因素。

表1 故障樹各事件含義表

3 故障樹模型的應用

在冬季的某幾天中使用者反映空調區(qū)域出現溫度過低的現象，根據“冬季空調區(qū)域溫度過低”故障樹模型，結合監(jiān)測平臺和已有設備進行了現場測試，檢驗該故障樹模型能否解決實際故障，操作步驟如下。

第1步：溫度傳感器顯示空調區(qū)域溫度為18.6°C，遠遠低于冬季空調區(qū)域設計溫度22.0°C，根據圖2所給出的故障樹模型，首先檢驗空調區(qū)域溫度傳感器是否失效，檢查事件X1，現場采用溫度計對空調區(qū)域的溫度進行測量，測量結果顯示空調區(qū)域的溫度為18.0°C，在誤差范圍內，繼而排除底事件X1“空調區(qū)域溫度傳感器失效”。

第2步：檢查底事件X2，即檢查送風管道的保溫效果是否下降，經現場排查，送風管道的保溫層無明顯破損，繼而排除底事件X2“送風管道保溫效果差”。

第3步：檢查中間事件M1，即檢查空調機組換熱能力是否下降，即檢查中間事件M3、M4。首先檢查中間事件M3，現場采用氣體流量計對送風量進行測量，測量結果顯示風量為55 900 m3/h，在正常范圍，排除中間事件M3“送風量過少”下的所有底事件。

第4步：檢查中間事件M4，即檢查送風溫度是否過低，現場采用溫度計對送風溫度進行測量，顯示送風溫度為21.1°C，遠遠低于送風溫度設計值，進而檢查中間事件M4下的所有事件。

第5步：檢查中間事件M5，即檢查事件X17、X18，現場檢查發(fā)現熱盤管氣側積灰嚴重。

第6步：確定故障為X17“熱盤管氣側積灰”，對熱盤管進行清洗操作。

以上排查過程驗證了該故障樹模型在解決實際故障時實用性和高效性，本文根據實際經驗針對底事件的故障原因給出維修意見，如表2所示。

4 結語

基于故障樹分析FTA方法得到了該排風熱回收空調系統(tǒng)“冬季空調區(qū)域溫度過低”的故障樹模型，并在實際空調系統(tǒng)發(fā)生故障時，證實了該故障樹模型的實用性和高效性，減少了故障診斷時的不必要操作，簡化了維修程序，保證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為該類排風熱回收空調系統(tǒng)的故障診斷提供了參考，對該類排風熱回收空調系統(tǒng)的發(fā)展和應用有實際的意義。

表2 故障維修意見