CN1174965A - 加热、通风和空调分配系统中分支流量的自动校准 - Google Patents
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Abstract
一种HVAC系统能自动进行校准该系统的各分支流量的过程。对于该系统的每个分支,关闭一个风挡并测量主推动装置的出口和该风挡的入口处的流量值。随后把风挡打开50%并再次测量主推动装置的出口和在风挡入口处的流量值。然后确定出流量系数,该系数把在主推动装置的出口处测得的流量差与在风挡的入口处测得的流量差联系起来。用这种方式对通过每个分支的每个风挡的流量进行校准从而形成HVAC系统的整体平衡。
Description
一般说来,本发明涉及控制系统,更具体地说,涉及在加热、通风和空调(HVAC)流体分配系统中分支流量的校准。
在技术中已经熟知流体分配系统。流体分配系统的一个例子是与加热,通风和空调(HVAC)流体分配系统有关的系统。HVAC分配系统在商业用途即居民住宅、单元楼房、办公大楼等中得到了广泛的应用。然而,HVAC分配系统在实验室类型的设施中也得到了广泛的应用。在这种设施中,HVAC系统主要是排放潜在有害的烟雾等。
在大多数HVAC分配系统设施中,主要目的是产生和分配热能,以便满足一个具体的设施的冷却和加热的需要。为了分析的目的,可以把分配系统分为两个子系统:全局子系统和局部子系统。全局子系统由一个主要的推动装置(即一个源)构成,它在一个空气分配系统中可以是一个风扇,或在一个水分配系统中可以是一台泵。在全局子系统中也包括把全局子系统连接到局部子系统上所需要的管路。在空气或水的分配系统中,局部子系统分别主要由风挡或阀门构成。
一个典型的HVAC空气分配系统包括一个风扇、管路和局部的终端单元,以便满足空间的冷却/加热的需要。风扇把电能传递给空气,以使空气通过管路运动,管路作为一种媒介传送空气,而局部终端单元则依照所述空间的热需求进行流量控制。
局部终端单元包括控制器、风挡、驱动器和流量传感器。控制器接受来自流量传感器的信号并确定出所测得的流量。随后,控制器把实际流量与所要求的流量或流量设定值作比较,然后调节风挡的驱动器,以确保实际流量等于流量设定值。
上面所描述的分配系统在体积可变(VAV)和体积不变(CAV)的HVAC系统中都是常见的。在一个体积可变系统中,改变所要求的通过终端单元的流量来满足变化着的空间热需求。其结果是,控制器调节风挡/驱动器来满足对流量的动态要求。在体积不变的系统中,对流量的要求保持不变。然而,实际的流量可能由于管道中静压的变化而改变。因此,控制器仍然必须调节风挡/驱动器的位置,以便保持所测量的流量不变并等于所要求的流量设定值。
图1大致示出了一种先有技术的HVAC分配系统,该系统有一个风扇控制器10,此控制器通过控制风扇12的速度来控制可变的空气体积,从而保持在管道的任意的一个位置(例如,位置14)处的静压不变。一个本地控制器18控制着一个风挡16。一个静压传感器20在位置14测得的静压随着对风挡16的流量要求的改变而起伏。然而,风扇控制器10忽略了在整个系统中对静压的要求,从而可以满足对风挡16的流量的要求。在这种情况下,风扇控制器10试图维持一个任选的压力设定值,该设定值常常是以最大的设计操作条件为基础设定的。
不仅管理系统运行的HVAC的承包人、而且控制系统的供应商均关心运行的成本。当前运行一个HVAC系统的过程是冗长的并且花费大量劳动,结果对于建筑物的所有者导致成本十分可观,并使承包人和/或控制系统供应商浪费大量时间。
由单一的风扇提供服务的每一结构段被称为一个分支。例如,一个分支可以是在一座楼房的天花板中的管路。在大多数装置中,单一的风扇为多个分支提供服务。当前运行一个HVAC系统的过程要求对每个分支加以单独地校准,以便整个系统可以逐渐地被"平衡"。
系统中的分支需要校准是由于局部控制器发出的控制风挡的控制信号不一定与经过该风挡的预期流量相对应。出现这种情况是因为在整个系统中出现的流量取决于安装和系统的结构本身。结果,为了精确地把所要求的流量提供给由特定的分支提供服务的特定区域,必须对每个分支单独地进行校准。
对系统的每一分支进行校准的过程工作量很大,并且花费许多时间。首先,装置的承包人不得不进入该分支到达或基本上接近流量要被校准的那个风挡处。比如,如果该风挡位于一个拥挤的角落或其它受限制的区域,这就可能造成问题。随后,承包人用一个外部的流量测量装置测量通过该分支的流量以改变的风挡位置。可以利用局部控制器(如果是可以使用的话)来改变该风挡的位置。
当承包人完成手工测量之后,就可确定出一个流量系数。该流量系数把手工测量的流量与被风挡附近的一个流量传感器所测得的流量相关起来。随后,手工地把该流量系数送进局部控制器,从而该局部控制器可以对上述分支所服务的区域提供出适当的流量。然后,对于系统中的每一分支和所有分支重复这一过程。
在安装过程中和在安装之后,现有的方法都有更大的问题。例如,此过程必须重复地进行,以便判断所述系统是否在第一个状态下正常地运行。另外,由于如建筑物所有者要求的那样增加或除去一些分支,系统可能会被改变。随着系统的改变,对于一个特定的流量传感器和一个特定分支的流量系数也可能改变,这就会显著地影响整个系统的性能。只有在该HVAC系统重新交付使用之后,才能检测到这些变化。因为使一个HVAC系统开始运行非常麻烦,所以整个系统的变化可能在相当长的时间内检测不到。
因此,需要有这样一种HVAC系统,这种系统不需要装置的承包人的任何介入就能使该系统平衡,并且因此能够进行自启动过程,从而可以省去启动一个HVAC系统的非常麻烦的工作。
因此,本发明的一个目的是提供一种改进了的系统,它用来使一个HVAC分配系统运行。
本发明的另一目的是提供一种改进了的系统,它使得在一个局部控制器与一个源控制器之间能进行数据传输,以便实现HVAC系统的自动运行。
本发明的一个相关的目的是提供一种改进了的系统,它使得一个源控制器能管理分支流量的校准,而不需要手工测量和人工确定校准信息。
通过阅读下面的对本发明的优选实施例的详细描述,同时参考附图,将会清楚这些和其它目的。
图1以方框图的形式一般性地示出了在一个HVAC系统中实现的先有技术的控制系统;
图2以方框图的形式示出了本发明用来自动地平衡系统流量的一个HVAC系统的一个实施例;
图3以方框图的形式示出了本发明用来自动地平衡系统流量的一个多区域HVAC系统;以及
图4以方框图的形式示出了本发明用来自动地平衡系统流量的一个HVAC系统的另一实施例。
在先有技术的分配系统中一般存在有一个流量传感器,此传感器包括一个压差测量装置和一个把压力信号转换成电信号的变换器。随后,控制器把电信号转换回压差值,并采用下面的公式确定出在上述流量传感器的位置处测得的速度:
Pv=C*(V/4005)2.0
其中,Pv是所测得的速度压力,V是速度,4005是对于标准空气的一个常数,C是一个流量系数。
在Pv完全相应于速度的理想情况下,C为1。然而,实际上,C随着传感器的类型、它的安装和位置以及其它因素而改变。这些流量传感器的厂家常常采用一个较大的C来放大压力信号。
在HVAC工业中的现实实际是用一个独立的流量传感装置由终端单元测出总流量。一旦该流量被独立地测出,就可以通过把该流量代入式l并用相应的Pv值算出C。所采用的装置作为一种流体装置(flowhood)已经为人所知,并且,测量独立流量然后算出流量系数的过程是使HVAC系统平衡的过程的一个组成部分,这一过程通常由平衡承包人进行。
虽然这似乎是一种简单的方法,但是,采用上述流体装置测量流量和人工计算出流量系数值是一个工作量很大、要花费大量劳动的过程,对于建筑物所有者来说是昂贵的。还有,对于一个HVAC控制装置公司来说,以及时的方式与平衡承包人的协调会成为后勤保障的问题,这常常使启动过程变得复杂,并对于控制装置承包人来说常常是花费很大的。在确定由不适当的平衡或由控制系统所引起的的运行问题的责任方面出现问题并不是少见的。另外,由于系统随时间变化,控制流量传感器的校准系数可能改变,这将影响整个系统的性能。这一点可由于管路的改变、终端单元的重新安置以及类似原因而发生。这些变化可能直到重新确定流量系数时才会被发现。
本发明的系统有两个实施例,它们中的任何一个都不要求平衡承包人的任何介入。如果一个操作者要求系统进行校准,那么,就在网络上远距离地收集校准流量传感器的数据,算出校准系数并将把校准系数送给局部控制器,所有这些都是自动进行的。可以在启动过程中和其后如果是必要的任何时侯采用本发明。把在线流量校验的能力作为已有的控制系统的一部分也将对使用者有利。上述系统也可以被用于通风量校验和故障诊断并能确保所述控制系统可以适当地运行。本发明消除了对平衡承包人在平衡过程中所采用的流体装置的需要。
两个实施例均能确定出所述系统的流量系数。对于在商业建筑物中的大多数普通应用来说,第一实施例是优选的。第二实施例适用于要求更多的应用,在这些应用中需要定期地进行校准,比如在实验室,清洁室,操作间,包括保健,药学,科学和研究设施。
按照本发明的第一实施例并参见图2,通过应用下述过程将风扇出口处的流量传感器20用作测量每个终端单元1,2,3,4处的流量的一个单独的源。
终端单元通常具有由工厂提供给这些单元的流量系数缺省值。虽然这些缺省值也许不正确,但这些值可以用来在开始时保持通过每个终端单元的恒定流量,这是靠固定一个流量设定值并采用比例-积分-微分(PID)控制实现的,如果通过每个终端单元的流量保持不变,则在风扇出口所测得的总系统流量Qtot也将不变。每次测量Qtot时,应该容许有足够的时间使系统达到稳定。开始,可以人为地把终端单元的流量设定值选定为相应终端单元的最小值与最大值之间的中点值。
这时,可以指令终端单元1关闭,以便确保Q1为零。可以靠从一个远距离控制器26中通过网络28提供一个对应于关闭风挡位置的控制信号来作到这一点。这时,应该测出Qtot。随后,指令终端单元1打开到50%或100%。在稳定状态下,应该再次测量Qtot,也应该记录下用于终端单元1的Pv传感器36信号。应该理解到,分别存在有用于房间2,3和4的其它终端单元2,3和4,并且,分别设有用于房间1-4的速度压力传感器36,38,40和42。如图所示,在管道中还设有压力传感器44和46。上次值与当前值之间的流量Qtot的差应该等于流量Q1。这是真实的,因为通过上述其它终端单元的流量没有变化,保持为它们的先前值不变。因此,利用公式1,用风扇的Pf和用于终端单元1的相应P1可以校准终端单元1的风挡的流量传感器36。
上述步骤可以相继用于计算出每个其它的终端单元2,3和4的流量传感器的系数。一旦远距离控制器26的使用者启动这一过程,整个过程可以自动地进行。装在风扇出口处的流量传感器20必需是相当精确的,是预先校准的,并且局部终端单元在额定工作压力下应该有低的泄漏速率。
对于一个小系统来说,上述步骤可以工作得很好,在所说的小系统中,由于关闭一个个别的终端单元使流量发生的变化是可以检测得到的,并可以被总流量传感器测出。一种经验法则是终端单元的总数应该大约为10或更少。
上述实施例也可以通过把所述分配系统分成几个区域而用于一个大系统。在这种情况下并参见图3,每一个区域都安装一个流量传感器20′,从而,能借助于区域流量传感器20′算出用于一个特定区域中的终端单元的流量系数。为了降低成本,对于每个区域均不设置一个固定的区域流量传感器,而应只有一个永久的流量传感器壳体,它带有一个进入门。当需要使用它们时,可以把区域流量传感器一次插入到一个区域中,以便完成对于每个区域终端单元的流量系数的计算。
当在启动过程中每个终端单元的入口处都有静压传感器可供使用时,就可以采用第二实施例。该实施例被示于图4中,图4与图2类似并有用于相同的部件的相同参考标号,且如图所示还带有静压传感器50,52,54和56。
在一根管道中的任意两点之间压力降的基本规律有两个分量:摩擦损失和由于管道装配的局部损失。摩擦损失可以被表示为
ΔPF=f(12L/Dh)(V/4005)2.0 (1)
其中,f为摩擦因子,L为管道的长度(以英尺为单位),Dh为管道的水力学直径(以英寸为单位)。
水力学直径Dh被定义为流动面积与周长之比。对于圆形的管道来说,Dh为管道的直径d,对于长方形的管道,Dh为(W1*W2/(2*(W1+W2))),其中W1和W2为长方形的两个侧边。
摩擦因子f是管道速度V,L,Dh和管道粗糙度E的函数。管道粗糙度的数值的范围很小,从管道的一个截面到另一截面很少改变。已知管道参数可按下述速度的函数直接地算出摩擦因子:
其中雷诺数Re被表示为
其中Nu为空气的动力学粘性。对于标准的空气来说,Re=8.56*V*Dh。如果f′≥.018,则f=f′。否则,f=0.85f′+.0028。
管道压力损失的第二个分量起因于管道的装配,已经知道这是局部损失,被表示为
ΔP1=K*(V)2.0 (4)
因此,在管道系统中的任何两点之间压力降可以表示为
ΔPT=ΔPF+ΔP1. (5)
对于一个给定的管道截面,水力学直径Dh、长度L和粗糙度因子保持不变。因此,ΔPt可以表示为
其中Kf1,Kf2为摩擦常数,K为局部损失系数。然而,对于一定范围的管道速度V来说,摩擦项(Kf1+Kf2/V)0.25的数值变化非常小。所以,对于所有的实际目的来说,可以把它假设为一个常数。因此,
ΔPt=Keq(V)2.0(7)
因为V=Q/A,式(7)变成
ΔPt=K(Q)2.0(8)
对于每个管道段来说均有两种途径得到K的值。当对于一个管道系统来说可以获得设计数据和计算值(即管道长度,直径,粗糙度因子,局部损失系数)时,可以估计出Kf1,Kf2和K1,并且这些数值可以在式(6)中使用。对于新的结构,可以由咨询工程师那里知道设计数据和计算值。在没有设计数据时,对于每个管道段来说所有的系数均合并到一个参数K中。实际测量的压力值将被用来计算出K。测量值也可以用来修正或确认从设计数据中所得到的系数。
关于对于主管道中的不同段的管道压力损失系数的计算过程以及随后确定流量系数的步骤,将与图4联系起来加以说明。在点f(风扇出口,在此处测量压力)与在该处用传感器50测量静压P1的终端单元1的入口之间的管道压力损失可以被写成
Pf-P1=Kfc(Vfc)2+KC1(VC1)2 (9)
在上式中,Vfc为所测得的风扇总流量,VC1为通过该终端单元的未知的流量。如在第一实施例中所解释的那样,靠采用缺省的流量系数和利用终端单元的控制循环,可以保持通过终端单元1的未知的流量不变。
在保持终端单元1的流量不变的同时,指令另外的终端单元打开或关闭,可以改变风扇的流量。因此,可以得到两组Pf,P1的测量值,并可以得到Vfc,它们表示如下:
(Pf-P1)|1=Kfc(Vfc|1)2+KC1(VC1|1)2 (10)和
(Pf-P1)|2=Kfc(Vfc|2)2+KC1(VC1|2)2 (11)
取式10和11的差,并注意经过该终端单元的速度VC1保持不变,可以算出在标号58处的主管道段的系数为
可以采用类似的过程计算诸如段60之类的其它主管道段的系数。一旦主管道段被校准之后,下一步将如下地计算出每个终端流量:
1.例如,对于终端单元1来说,指令终端单元2,3和4完全关闭。在这种情况下,PC=P2和Pd=P3=P4。
2.使终端单元1处于任何打开的状态(最好打开50%)。
3.算出通过第一主管道段的速度
因此,可知通过第一管道段58的流量为
Qfc=Vfc *Afc (14)
类似地,通过第二主管道段60的速度为
并且,通过该管道段60的流量为
Qcd=Vcd *Acd (16)
两个数值的差必然等于通过终端单元1的流量。因此,靠简单的现场调节就可以精细地调节流量系数。可以采用相同的过程顺序地确定其它部分的流量系数。
尽管已经示出了和描述了本发明的几种实施例,应该理解到,可以采用多种改型,替代形式或等价形式,本发明应该只被权利要求和权利要求的等价内容所限定。
在以下的权利要求中陈述了本发明的各种特点。
Claims (15)
1.一种用来自动校准流体分配系统的至少一个分支中的流量的设备,所述流体分配系统在该至少一个分支中装有一个局部控制部件,该流体分配系统有一个源部件,它用来把流体分配给前述至少一个分支,所述设备包括:
用来有选择性地对上述局部控制部件发出指令使它处于至少第一和第二位置的装置;
用来测量上述源部件的出口处的第一和第二流量的第一装置,所述源部件出口处的第一和第二流量对应于所述局部控制部件的第一和第二位置;
用来测量上述局部控制部件的入口处的第一和第二流量的第二装置,所述局部控制部件入口处的第一和第二流量对应于所述局部控制部件的第一和第二位置;以及
用来根据在上述源部件出口处所测量出的第一和第二流量和在局部控制部件入口处所测量出的第一和第二流量校准该流体分配系统的至少一个分支中的流量的装置。
2.按照权利要求1所述的设备,其特征在于,所述对局部控制部件发出指令的装置还包括一个源控制器,它连接到前述用于测量的第一装置。
3.按照权利要求2所述的设备,其特征在于,所述源控制器通过一个局部控制器对局部控制部件发出指令。
4. 按照权利要求2所述的设备,其特征在于,它还包括用来把在局部控制部件入口处测得的第一和第二流量传输给所述源控制器的装置。
5.按照权利要求4所述的设备,其特征在于,所述用来校准流体分配系统的装置还包括所述源控制器。
6.一种用来自动校准加热、通风和空调(HVAC)分配系统的至少一个分支中的空气流量的设备,所述HVAC分配系统在该HVAC分配系统的至少一个分支中装有一个风挡件,该风挡件可以调整到多个位置,该HVAC分配系统带有一个风扇,它用来把空气分配给前述至少一个分支,上述设备包括:
用来有选择地控制风挡件使它处于第一和第二位置的装置;
用来测量上述风扇出口处的第一和第二空气流量的第一流量传感器,该风扇出口处的第一和第二空气流量对应于风挡件的第一和第二位置;
用来测量上述风挡件入口处的第一和第二空气流量的第二流量传感器,该风挡件入口处的第一和第二空气流量对应于所述风挡件的第一和第二位置;以及
用来根据在上述风扇出口处所测量出的第一和第二空气流量和在风挡件入口处所测量出的第一和第二空气流量校准前述HVAC分配系统的至少一个分支中的空气流量的装置。
7.按照权利要求6所述的设备,其特征在于,所述用来校准的装置还包括一个局部控制器或一个源控制器。
8.一种自动校准流体分配系统的至少一个分支中的流量的方法,所述流体分配系统在该流体分配系统的至少一个分支中装有一个局部控制部件,该局部控制部件可以调整到多个位置,所述流体分配系统带有一个源部件,它用来把流体分配给前述至少一个分支,上述方法包括如下步骤:
(a)对所述局部控制部件发出指令使它处于第一和第二位置;
(b)测量出前述源部件出口处的第一和第二稳态流量,所述源部件出口处的第一和第二稳态流量对应于所述局部控制部件的第一和第二位置;
(c)测量出前述局部控制部件入口处的第一和第二稳态流量,所述局部控制部件入口处的第一和第二稳态流量对应于所述局部控制部件的第一和第二位置;以及
(d)根据在上述源部件出口处所测量出的第一和第二稳态流量和在局部控制部件入口处所测量出的第一和第二稳态流量,校准前述流体分配系统的至少一个分支中的流量。
9.按照权利要求8所述的方法,其特征在于,对所述流体分配系统的每个分支来说均重复步骤(a)到(d)。
10.一种自动校准流体分配系统的至少第一分支中的流量的方法,上述类型的流体分配系统在用来在所述系统中供应流体的一个源部件与所述第一分支之间有第一主管道段,以及在所述第一主管道段和所述第一分支的下游有第二主管道段,并且在所述第一主管道段下游有另外的分支,所述系统在该流体分配系统的每个分支内都有一个局部控制部件,每个局部控制部件可以调整到多个位置,上述方法包括如下步骤:
确定出用于所述第一主管道段的流量系数,这是通过在两种不同的运行条件下测量出所述主管道段和所述第一分支处的静压并计算出所述第一主管道段的流量系数而实现的,所说的两种不同运行条件包括所述第一主管道段中的不同的流量、同时保持通过所述第一分支的流量不变;
确定出用于所述第二主管道段的流量系数,这是通过在上述两种不同运行条件下测出所述源部件处的静压和所述第一分支处的静压而实现的:
把所述第一分支局部控制部件设定在第一预定的打开位置,同时关闭所有其它的分支局部控制部件,并计算出通过第一主管道段的速度;
计算出通过所述第一主管道段的流量;
计算出通过第二主管道段的速度;
计算出通过所述第二主管道段的流量;
从所述第一主管道段的流量减去所述第二主管道段的流量,以确定出通过所述第一分支的流量。
11.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,所述计算通过上述第一主管道段的速度的步骤采用公式:
12.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,所述计算通过所述第一主管道段的流量的步骤采用公式:
Qfc=Vfc *Afc
13.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,所述计算通过所述第二主管道段的速度的步骤采用公式:
14.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,所述计算通过所述第二主管道段的流量的步骤采用公式:
Qcd=Vcd *Acd
15.一种自动校准流体分配系统的至少第一分支中的流量的方法,上述类型的流体分配系统在用来在所述系统中供应流体的一个源部件与所述第一分支之间有第一主管道段,以及在所述第一主管道段和所述第一分支的下游有第二主管道段,并且在所述第一主管道段下游有另外的分支,所述系统在该流体分配系统的每个分支内都有一个局部控制部件,每个局部控制部件可以调整到多个位置,上述方法包括如下步骤:
确定出用于所述第一主管道段的流量系数,这是通过在两种不同的运行条件下测量出所述主管道段和所述第一分支处的静压并采用以下公式计算出所述第一主管道段的流量系数而实现的,所说的两种不同运行条件包括所述第一主管道段中的不同的流量、同时保持通过所述第一分支的流量不变,所说的公式是:
确定出用于所述第二主管道段的流量系数,这是通过在所述两种不同的运行条件下测量出所述源部件和所述第一分支的静压,并采用以下公式计算出所述第二主管道段的流量系数而实现的,所说的两种不同运行条件包括所述第二主管道段中的不同的流量、同时保持通过所述第一分支的流量不变,
所说的公式是:
把所述第一分支局部控制部件设定在第一预定的打开位置,同时关闭所有其它的分支局部控制部件,并采用下式计算出通过第一主管道段的速度:
采用下式计算出通过所述第一主管道段的流量:
Qfc=Vfc *Afc
采用下式计算出通过第二主管道段的速度:
采用下式计算出通过所述第二主管道段的流量:
Qcd=Vcd *Acd
从所述第一主管道段的流量中减去所述第二主管道段的流量,以确定出通过所述第一分支的流量。
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