CN103383127B - 用于调节通风系统的方法 - Google Patents

Abstract

用于调节通风系统的方法，包括下述步骤：选择具有最大压力损失的支路；打开选择的支路中的控制阀并关闭所有其他支路中的控制阀；通过利用风扇轴功率-空气流率特性曲线、来自频率转换器的轴功率估算以及通过利用频率转换器调节电动马达的旋转速度从而获得所需的空气流率，来控制通风扇以产生所需的空气流率进入选择的支路内；基于所需的空气流率和电动马达的旋转速度，根据风扇压力-空气流率特性曲线同时计算与所需的空气流率对应的风扇压力；以及将在频率转换器中计算的风扇压力存储为参考压力，用于下一步骤；在风扇由频率转换器控制以不断产生基准压力的同时，逐个调节剩余支路的每一个中的控制阀，从而向每个支路输入所需的空气流率。

Description

用于调节通风系统的方法

技术领域

本发明涉及用于调节通风系统的方法。

背景技术

通风系统存在于几乎每个建筑物中。通风系统是必需的，以确保向建筑物连续提供新鲜空气。空气传送所需的能量主要取决于将被传送的空气体积和被传送的空气产生的压力损失。因此，如果要通风系统形成的更有效，则应该将压力损失减少到最小。

压力损失主要由系统过滤器、管道弯曲处、管路系统以及在每一个房间的控制阀产生。大致上可以说，过滤器压力损失和控制阀压力损失远大于管道压力损失。管道设计成使得压力损失小于1Pa/m，以减小由在管道中通过的空气所产生的噪音。控制阀的压力损失通常为大约1至100Pa，而过滤器压力损失一般为大约150Pa。控制阀压力损失是可调节的并且因此应当最小化，以确保通风系统的高能效操作。

在通风系统的安装之后执行通风系统的调节。调节阶段极为重要，并且不经意的调节可能很容易破坏高能效设计及定尺寸的通风系统。根据现有技术方法的适当通风调节是重复且费时的过程。另外，在安装地，很难利用手持设备进行压力和空气流率的精确测量。在现有技术的调节方法中，打开在最远支路中的阀并关闭其他支路中的阀。然后，通过将由频率转换器控制的电动马达驱动的风扇的旋转速度调节至适当水平，将在最远支路中的空气流率设定成所需的水平。然后，风扇的旋转速度保持在此水平，并且调节在其他支路中的阀，使得在每个支路中实现所需的空气流率。当每个支路已经被设定时，必须再一次通过调节风扇的旋转速度来调节最远支路的流率。然后，风扇的旋转速度保持在该水平并再一次调节其他支路中的阀，使得在每个支路中实现所需的空气流率。由于当到其他支路的流率增加时由风扇产生的压力下降，其意味着第一次调节的到支路的流率也下降的情形，所以需要再重复循环。

发明内容

本发明的目的是实现一种用于调节通风系统的快速及可靠的方法。

根据本发明的方法的特征在于下述内容中所陈述的内容。

要被调节的通风系统包括通风扇，通风扇将空气供应至多个支路，每一个支路包括控制阀，控制阀用于调节到所述支路的空气流，所述通风扇由频率转换器控制的电动马达驱动。

根据本发明的方法包括下述步骤：

选择具有最大压力损失的支路，

打开在所述选择的支路中的控制阀并关闭所有其他支路中的控制阀，

通过使用风扇轴功率-空气流率特性曲线、来自频率转换器的轴功率估算以及通过利用频率转换器调节电动马达的旋转速度从而实现所需的空气流率来控制通风扇，以产生所需的空气流率进入所述选择的支路内，

基于所需的空气流率和电动马达的旋转速度，根据风扇压力-空气流率特性曲线同时计算与所需的空气流率对应的风扇压力，以及将在频率转换器中计算的风扇压力保存为基准压力，用于下一步骤，

在由频率转换器控制风扇以恒定地产生基准压力的同时，逐个地调节剩余支路的每一个中的控制阀，从而向每个支路输送所需的空气流率。

可进一步计算通风系统在标定操作点的作为由频率转换器消耗的电功率与频率转换器中计算的总空气流率的比率的具体风扇功率的估算。

根据本发明的调节方法可使得通风系统的电能消耗最小化。这通过使通风系统的压力损失最小化得以实现。根据本发明的调节方法可以在不反复的情况下执行。这通过利用公知的基于模型的估算方法，即，风扇特征曲线来计算风扇流率和风扇压力得以实现。根据本发明的调节方法不需要任何另外的测量设备。根据本发明的调节方法产生最佳的系统能效，并且给出了通风系统效率，即，具定风扇功率(SFP)的估算。然后，具体风扇功率可用于检验通风系统的设计和调节。

附图说明

在下文中，将通过参照附图的优选实施方式对本发明进行更具体地描述，图中，

图1示出风扇具体轴功率与空气流率图示。

图2示出风扇具体风扇压力与空气流率图示。

图3示出用于实现在该方法中的第一步骤的控制回路。

图4示出通过使用基于模型的估算方法以恒定压力控制风扇的方块图。

图5示出用于使能量消耗最优化并且使通风系统初始化的程序的流程图。

图6示出已经模拟的通风系统的方块图。

图7示出用于图6中示出的通风系统的模拟程序。

图8示出根据图7的模拟程序中的压力和控制阀设定。

具体实施方式

通风系统的安装程序以调节阶段为结束。在调节阶段中，调节通风系统中的空气管道的阀使得：

1)所需的空气流率输送到每个不同的房间。

2)空气管道中存在所需的静压力，其确保了空气阀的适当操作。

3)使用最少能量来输送所需的空气流(具体风扇功率(SFP)的最优化)。

本发明以基于软件的用于控制驱动风扇的电动马达的方法为基础。该方法使得可以以满足存在于点1)、2)和3)中的条件的方式直接调节通风系统。调节可以在没有任何额外的测量仪器的情况下执行。该方法基于利用控制电动马达的频率转换器的控制能力，以及同样已知的风扇流率和风扇压力估算方法。

图1示出风扇具体轴功率与空气流率图，以及图2示出风扇具体的风扇压力与空气流率图。

基于模型的风扇空气流率和压力估算使用风扇特征曲线作为模型，并且频率转换器控制电动马达的旋转速度和功率估算作为模型的输入值。首先，风扇特征曲线转换成瞬时旋转速度。可以通过如下相似定律执行空气流率Q、压力p以及轴功率P的这种转化：

$Q=\frac{n}{n_0}{Q}_0---\left(1\right)$

$p={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2{p}_0---\left(2\right)$

$P={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^3{P}_0---\left(3\right)$

其中，n是当前旋转速度并且脚标0表示特征曲线的值。

然后，在旋转速度校正的风扇轴功率与空气流率图示上找到与估算的轴功率P_est对应的估算的空气流率Q_est。通过使用估算的空气流率Q_est和旋转速度校正的风扇压力与空气流率图示估算产生的风扇压力p_est。

图1示出风扇必须在1300rpm的旋转速度下操作，以获得2.25m³/s的空气流率，2.25m³/s的空气流率导致3.05kW的轴功率。图2示出2.25m³/s的空气流率和1300rpm的旋转速度导致1150Pa的风扇压力。

众所周知，风扇输出处的流体功率(hydraulicpower)可利用如下公式计算：

P_Hydraulic＝QΔp_tot(4)

其中，Q是空气体积流率以及△p_tot是总压力差。

为必须通风的每个空间计算空气体积流率，并且通风扇负责该空气流率的输送。因此，空气流率是固定的通风过程相关的常数。此外，总压力差是可被影响的唯一变量。因此，总压力差应该最小化，以达到能效最优化。满足所有需要通风的空间的需要的最小压力是在具有最大压力损失P_Loss,Branch的支路中所需的压力。对于支路的压力损失可以用如下公式计算：

$p_{\mathrm{Loss},\mathrm{Branch}}=k_{\mathrm{Branch}}{Q}_{\mathrm{Branch}}^2---\left(5\right)$

其中，k_Branch是支路的动态阻力并且Q_Branch是通过所述支路的所需的空气体积流率。

如果压力低于其，则将没有足够的压力实现到该支路的所需的空气流率。如果压力较大，则该支路的控制阀必须被调节以对系统增加流动阻力。该过量压力增加了该支路以及所有其他支路中的能量损失，导致通风系统中的非最佳能效。因此，为了实现最佳能效，具有最大压力损失的支路应该被选择为用于最优化程序的开始点。该原理总体上为已知的并且用在通风系统的调节中。

根据本发明的基于频率转换器的方法使得可以以下述方式直接地调节通风系统，即，以最小电能损耗将正确空气流率输送至每个空间。调节完全基于频率转换器的控制和估算能力。因此，不必需要额外的测量仪器。在该方法中，也可以在调节程序完成之后计算通风系统的具体能量消耗。具体能量消耗(kWh/m³)是通风系统的性能的惯用手段。一些国家具有规定用于建筑物的最大具体能量消耗的规程。

步骤1：

在本方法的第一步骤中，选择期望具有最大压力损失、不包括控制阀的管道支路。支路p_Loss,Branch的压力损失可利用公式(5)计算。支路的控制阀被设定打开并且关闭通风系统中的所有其他支路的控制阀。通风扇由频率转换器控制，以产生基于风扇模型的到支路的正确流率，然而，频率转换器同时计算对应的风扇压力估算。接着，由频率转换器估算的风扇压力存储为基准压力p_reference，用于第二步骤。

图3示出了能实现步骤1的控制回路。风扇旋转速度基准n_reference由PID控制器控制。频率转换器根据速度基准控制风扇的实际旋转速度并且在旋转速度n_estimate和轴功率P_estimate上产生估算。基于模型的空气流率和压力估算方法用于估算流率Q_estimate和压力p_estimate。估算的流率连同具有最高压力损失的支路的流率基准Q_{Branch1,reference}一起用于计算馈送至PID控制器的流率误差Q_error。当达到基准流率时，压力估算保存为压力基准p_reference，用于步骤2。

步骤2：

在调节的第二步骤中，对通风系统中的所有其他支路进行调节，以产生正确流率。为此，对风扇进行控制以产生第一步骤中所需要的恒定压力基准p_reference。频率转换器利用基于模型的操作点估算来以始终保持压力基准p_reference的方式调节风扇的旋转速度。然后，利用所述支路控制阀对通风系统中的每个支路逐个地调节，以产生正确空气流率。为此，频率转换器给出总流率估算和/或另外的流率估算。调节控制阀直到空气流率估算对应于用于通风系统中的每个支路所需的值。

图4示出通过使用基于模型的估算方法，以恒定压力控制通风系统的方块图。使用基于模型的估算方法可控制风扇以保持恒定压力。压力误差变量p_error被馈送至PID控制器。PID控制器计算对风扇的新的旋转速度基准n_reference。控制风扇的电驱动马达的频率转换器根据旋转速度基准控制实际系统，并且估算马达旋转速度n_estimate和轴功率P_estimate。然后，估算用于风扇压力p_estimate的基于模型的估算。空气流率信息不断地向用户更新，因此，用户可以利用控制阀将流率调节至所需的设定。

步骤3：

当通风系统中的所有支路的流率调节为所需的流率时，频率转换器利用如下公式计算用于通风系统在标定操作点的具体风扇功率(SFP)的估算：

$\mathrm{SFP}=\frac{P_{\mathrm{in}}}{Q_{\mathrm{est}}}---\left(6\right)$

其中，P_in表示由频率转换器消耗的电功率，Q_est是由频率转换器估算的总空气流率。

在此之后，频率转换器可被设定成以基于模型的估算为基础控制总流率。该方法使得可以容易地实现通风系统的不同模式，例如，对于建筑物中没有人的时期。除了流率控制之外，可以补偿由于在过滤器上的污物堆积而减小的流率。其可以利用图3中示出的方块图来实现，除了不使用步骤“压力基准，用于步骤2”并且流率基准是所需的总流率。

图5示出用于使能量消耗最优化以及使通风系统初始化的程序的流程图。

在两个不同支路具有公共管道区段的通风系统中，公共管道区段的流动阻力影响两个支路。当在第一支路中的控制阀首先设定到所需的点时，在第二支路中的控制阀的设定将影响第一支路的流率设定。因此，如果在通风系统中存在任何这样的支路，则需要重复过程。影响越小，公共管道的流动阻力与支路的总流动阻力相比越小。通常，公共管道使得其阻力可被忽略。但是，如果具有最大流动阻力的支路不被节流，则系统处于其能量最优。

在具有频率转换器驱动的风扇的通风系统中，本方法不需要任何另外的测量装置。存在公知的方法，它们可被用于仅使用与风扇特征曲线有关的马达旋转速度和扭矩的频率转换器的估算，来估算风扇输出。所述方法可用于估算步骤一中的流率。在第二步骤中，如果控制阀被逐个地设定到优选设置，则所述方法可被用于以恒定压力控制系统并且计算增加的流率。

根据图6利用具有四个支路的模型进行程序的模拟。风扇F1由电动马达M1驱动并且电动马达M1由频率转换器FC控制。风扇F1将空气供给至公共支路CB。四个平行支路1、2、3、4随从于公共支路CB。每个支路1、2、3、4包括控制阀1、2、3、4。公共支路CB在模拟中被忽略。支路1设定为在所需流率下具有最大压力损失。对于支路1、2、3和4，所需流率分别是12、10、8和6l/s。在模拟中，阀设定50对应于关闭的阀。其意味着支路1、2、3、4的流率在开始时为零。

在图7的模拟中的步骤如下：在从0至500s的第一时隙中，支路1中的流率通过控制通风扇F1被设定，在从500至1000s的第二时隙中，支路2中的流率通过控制相应的阀2被设定，在从1000至1500s的第三时隙中，支路3中的流率通过控制相应的阀3被设定，在从1500至2000s的第四时隙中，支路4中的流率通过控制相应的阀4被设定。风扇F1的基准压力在第一时隙之后，即，在500至2000s的时间间隔中保持恒定。

图8示出在第一时隙500s之后支路1的流率保持恒定，因为通风扇以恒定基准压力操作，即使支路2至4的控制阀如所述图中可见地受到控制。阀设定50表示其中阀关闭的情形并且阀设定零表示打开阀。当支路2中的控制阀设定成使得通过所述支路的流率为10l/s时，当控制支路3至4的控制阀时，支路2中的流率不改变。其确保用于模拟所建议的程序。

本发明及其实施方式不限于上文描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (2)

1.一种用于调节通风系统的方法，所述通风系统包括通风扇，所述通风扇将空气供应至多个支路，每个所述支路包括控制阀，所述控制阀用于调节到所述支路的空气流，所述通风扇由受频率转换器控制的电动马达驱动，其特征在于，还包括下述步骤：

选择所述通风系统中具有最大压力损失的支路，

打开选择的支路中的控制阀并且关闭所有其他支路中的控制阀，

通过使用风扇轴功率-空气流率特性曲线、来自所述频率转换器的轴功率估算以及通过利用所述频率转换器调节所述电动马达的旋转速度从而实现所需的空气流率，来控制所述通风扇，以产生所述所需的空气流率进入所述选择的支路内，

基于所述所需的空气流率与所述电动马达的旋转速度，根据风扇压力-空气流率特性曲线同时地计算与所述所需的空气流率对应的风扇压力，以及将频率转换器中计算的风扇压力存储为基准压力，用于下一步骤，

在所述通风扇由所述频率转换器控制以恒定地产生所述基准压力的同时，逐个地调节剩余支路的每一个中的控制阀，从而向每个所述支路输送所需的空气流率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下述进一步的步骤：计算通风系统在标定操作点的作为由所述频率转换器消耗的电功率与在频率转换器中计算的总空气流率的比率的具体风扇功率。