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阐述净化空调系统在运行中，初、中、高效过滤器的灰尘沉积量的增加引起送风量的变化，以及对洁净室内的洁净度、正压、新风量的影响。应用变频调速技术控制送风风机的转速，使其达到恒送风量的目的。本文从理论上并结合实际工程讨论恒送风系统的特性和节能。
关键词：净化空调 数学模型 变频调速 节能

1、引言

　　洁净厂房的空调净化系统投入运行后，常常会发现净化空调系统的送风量逐渐减少、室内正压下降、空气中含尘量提高、新风量减少，当送风量减少到某一数量时，洁净室内的空气含尘量就超过设计的要求。本文通过对初效、中效、高效过滤器和风管路以及送风机建立数学模型，分析了初、中，高效过滤器和风管道在系统运行过程中阻力的变化对系统的送风量、室内洁净度、室内正压、新风量的影响。提出应用变频调速技术使系统中的送风风机达到恒送风量，以解决空调净化系统在使用过程中送风量衰减的问题，并讨论送风系统的特性以及节能。

2、 空气系统的数学模型的建立和分析

　　为了讨论问题的方便，在此选择了单风机净化空调系统的形式，如图1-1。

图中：

1-初效过滤器；
2-温湿度处理室；
3-送风风机；
4-中效过滤器；
5-高效过滤器；
6-送、回风管道；
7-风管阀门；

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2.1、 初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器阻力的数学模型

　　过滤器的初阻力与过滤器的滤速、结构有关，其全阻力可以写成：

　　P₁ =CV^m〔1〕 （2-1）

　　当过滤器结构确定时，公式（2-1）可以以公式（2-2）的形式表达：

　　P₁ =C`Q_L^m （2-2）

　　以上两式中：P₁ -- 初始时全阻力（Pa）；
　　　　　　　　C、C`--当过滤器结构确定时它是常数，结构阻力系数；
　　　　　　　　V -- 气流通过滤层的速度（米/秒）；
　　　　　　　　Q_L -- 气流通过过滤器的流量（立方米/小时）；
　　　　　　　　m － 实验得出的常数（高效过滤器在1.35～1.36左右）；

图2-1是国产高效过滤器初阻力曲线图。当过滤器在运行过程中，灰尘渐渐在过滤器内沉积，由于系统在运行时通过过滤器的流量和含尘量在短时内不会有很大的变化，故假设通过过滤器的流量和含尘量不变。

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设净化系统从初始0时刻开始运行到t时刻，由灰尘在过滤器上沉积所引起的阻力可由式（2-3）表达：

　　P₂ =K_LQ_Lqdt （2-3）

　　式中 P₂ —因灰尘在过滤器上沉积产生的阻力（Pa）；
　　　　 K_L— 阻力系数；
　　　　 q— 通过过滤器气流的含尘量（克/立方米）；
　　　　 Q_L—气流通过过滤器的流量（立方米/小时）；

　　把式（2-2）与式（2-3）相加就得出过滤器在运行过程中随时间变化的阻力，其阻力可以写成式（2-4）

　　p = （2-4）

　　式中 P_L —过滤器随运行时间变化的阻力（Pa）；

　　根据上述假设：“通过过滤器的流量和含尘量不变”式（2-4）可写为式（2-5）

　　P_L = （2-5）

　　式中 K`— 阻力系数： 常数；

图2-2是国产高效过滤器随运行时间变化的阻力曲线图。

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2.2、管路和空气处理室阻力的数学模型

2.2.1、 管路阻力的数学模型

　　从图1-1可知系统中送风量和回风量是不等的，有下式关系：

　　送风量=回风量+新风量

　　因此，风管路阻力应分成送风管路阻力和回风管道阻力计算，它们分别以式（2-6）和式（2-7）表示：

　　P送 =K送Q^２送^〔２〕 （2-6）

　　P回 =K回Q^２回 （2-7）

　　式中 P送、P回 — 送、回风管路阻力（Pa）；

　　K送、K回 — 阻力系数：常数；

　　Q送、Q回 — 送、回风管路中流量（立方米/小时）；

　　由于净化空调系统的新风量和送风量是有一定的比例关系，所以送、回风管路阻力可以由式（2-8）表示：

　　P_ｇ= K_ｇQ^２送　　　　　　（2-8）

　　式中 P_ｇ—风管路阻力（Pa）；
　　　　 K_ｇ　—阻力系数，常数；

2.2.2、空气处理室阻力的数学模型；

　　根据厂家的实验数据，空气处理室的空气阻力一般均可由式（2-9）表示：

　　P_ｃ= K_ｃQ_ｃ^1.98 （2-9）

　　式中 P_ｃ—空气处理室阻力（Pa）；
　　　 　K_ｃ—空气处理室阻力系数，常数；
　　　　 Q_ｃ—通过空气处理室的气流流量（立方米/小时）；

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2.3、 系统数学模型

　　根据图1-1 将空气循环系统中各种管道和设备的阻力相加就得出与流量和时间有相关的系统阻力P，由式（2-10）表示：

　　P= P_ZL + P_ｇL + P_ｇ + P_ｃ （2-10）

　　式中 P_ZL —中效过滤器阻力（Pa）；

　　P_ｇL —高效过滤器阻力（Pa）；

　　设系统中风管路和各设备均不漏风，式（2-10）可由式（2-11）表示：

　　P= （2-11）

　　式中 P —系统空气阻力（Pa）；
　　　　 Q —系统送风量（立方米/小时）；
　　　　 、—中、高效过滤器结构阻力系数；
　　　　 、—中、高效过滤器阻力系数；
　　　　 ｎ、ｍ—实验得出的常数；

2.3.1、风机的特性曲线

　　如果不考虑通风机的效率，通风机的有效功率由式（2-12）表示：

　　N_F =K_F Q_F P_F^[3] （2-12）

　　式中 N_F —通风机的有效功率（KW）；
　　　　 P_F —通风机的全压（Pa）；
　　　　 Q_F —通风机流量；
　　　　 K_F —换算系数（常数）；

　　通风机的全压P_F和通风机转速的平方成比例，由式（2-13）表示：

　　P_F= K_ｆｑｎ^２_F（2-13）

　　式中 K_ｆｑ—比例系数，常数；

　　通风机的流量Q_F 和通风机转速的成比例，由式（2-14）表示：

　　Q_F= K_ｆｑｎ_F （2-14）

　　式中 K_ｆｑ—比例系数，常数；

　　通风机的有效功率N 和通风机转速的三次方成正比例，由式（2-15）表示：

　　N_F= K_FFｎ³_F（2-15）

　　式中 K_FF—比例系数，常数；

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2.3.2、净化空调系统空气流量分析：

　　根据上述，图1-1净化空调系统的气流循环数学模型由式（2-16）表示：

=) （2-16）

　　经过整理得式（2-17）

(+)Q=-（) （2-17）

　　当净化空调系统设计被确定时，风机的功率N 也被认为是个恒定值，设净化空调系统从初始开始运行，运行到t时刻，在这时刻的系统中气流的变化趋势，见式（2-18）

（2-18）

　　从式（2-17）可以得出以下结论：

　　a、 可以看出式中的dQ/dt小于0，系统中的气流是随着运行时间增加而减少。

　　b、 系统中气流随运行时间的减少与中效、高效过滤器灰尘的沉积有关，如果(+)等于0，那么dQ/dt也等于0，系统中的气流就是恒量。

　　在实际的工程中，设计人员对系统的空气阻力计算和风机的选配时，对中效、高效过滤器的阻力都是按终阻力取值，即初阻力的两倍，如：中效过滤器的初初力是80Pa，那么它的终阻力就是160Pa，而D类标准的高效过滤器的初阻力250Pa、终阻力就是500Pa。在选择风机的全压时再增加10%的管道阻力附加率，所以在实际工程中的风机风压都要比初始时系统的阻力高出400Pa左右，由于风机的风压大大的超过系统初始时的空气阻力，因此在净化空调系统工程安装完毕的调试过程中，系统的空气流量超过设计流量很多，调试工作人员不得不调节风管上的调节阀，以增加管道阻力来降低系统空气流量。否则因系统风量太大，引起系统噪声增加、洁净室内正压太高、排风量增加、新风加大、能耗增加，甚至会把表冷器的凝结水带到风管里来。这样经调试人员调试后，系统空气流量达到设计流量，选择风机时高出系统初始阻力的风压被系统中的风管调节阀等附件消耗掉了。投入正常运行后，净化空调系统随着运行时间增加空气流量减少。大家都知道洁净室的洁净度和洁净室的换气次数有关，换气次数越大它的洁净度就越高，而换气次数和系统流量成正比，所以系统流量的减少即送风量的减少会导致洁净室的洁净度下降。

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3、变频技术的应用

　　根据上述，净化空调系统在投入运行后，因中、高效过滤器灰尘沉积，引起系统阻力增加，使系统的送风量减少导致洁净室不能正常使用。如果让通风机的送风量不随着系统阻力增加而减少，是恒流量，那么这净化空调系统是一个比较完美的系统。

　　由式（2-13）可以知道风机的风压和流量与风机转速的关系：由于风机的风压和流量应该与系统的阻力和流量相等，因此有式（3-1）和式（3-2）

 =　（3-1）

 -(+)=　　（3-2）

从式（3-2）可以看出，当系统阻力变化时只要调整风机转速即可达到系统流量不变。

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变频器类似变压器，它输出电源的频率是根据输入信号的变化而改变的。由于拖动风机的电机转速是由变频器的频率控制，而通过传感器可以得到系统流量的信号，再把系统流量的信号以负反馈的方式输入变频器，那么就使系统有这样的功能：当系统流量减少时，由流量传感器得到让变频器输出频率提高的信号，传给变频器，变频器的输出频率升高，电动机和风机的转速提高，系统流量增加，反之亦然。变频净化空调系统如图3-1：



现讨论系统在高效过滤器更换的一个周期间，系统在运行中，当流量不变时，系统阻力的变化。根据实际工程的情况，设定系统投入运行后，每隔三个月清洗或更换一次中效过滤器，高效过滤器三年更换一次，在三年的运行周期中中效过滤器随时间变化的阻力如图 3-2，高效过滤器随时间变化的阻力如图2-2，中、高效过滤器阻力的和如图 3-3，系统阻力变化曲线如图3-4，在此设中效过滤器初阻力为80Pa、终阻力为160Pa。高效器初阻力为250Pa、

　　终阻力为500Pa，系统管道和其它设备与配件阻力的和为600Pa。

　　从图 3-4可以看出变频净化空调系统的阻力三个月会发生一次阶跃性变化。

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变频净化空调系统风机的特性如图 3-5。图中曲线是风机各转速下风机风压和流量的关系。风机的转速在C、D区间内自动调整。


恒风量风机的调速过程：如图3-6净化空调系统阻力，因中、高效过滤器灰尘沉积增加阻力ΔP时，系统的风量就沿n转速的P-Q曲线，从a 点到b点，这时系统流量减少了ΔQ， 同时流量传感量下降的信号传给了变频器，变频器输出频率升高，这时拖动风机的电动机转速上升，风机的转速也随着上升了Δn，风机的风压也上升了ΔP，系统流量上升了ΔQ，调整后的Q应在n+Δn转速时，风机P-Q的曲线上，即c点。

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系统阻力增量ΔP与风机调整量转速调整量Δn关系如式（3-3）

　　ΔP=K_ｆｐ2Δn

　　式中 --风机在a点的转速

　　图3-7是系统在更换高效过滤器一个周期间，变频净化空调恒流量系统风机转速变化的曲线。

4、节能

　　由于本文仅讨论净化空调系统中的系统阻力、流量的关系，因此本节只讨论净化空调系统送风风机的节能。

　　在上节已讨论了，非变频净化空调净化系统风机的选择，风机的风压选择在（如图 3-4）B点上的系统阻力（不考虑系统的附加值），这点的阻力是系统的最大阻力，系统在其它所有小于B点系统阻力的状态运行时，只能通过调节风管上的阀门来增加阻力调整系统流量，因此很多能量被风管上的阀门消耗掉。

　　引用式（2-15）:

　　N_F= K_FFｎ³_F（2-15）

　　那么，三年里净化空调系统风机消耗的能量由式（4-1）表示:

　　（4-1）

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根据图3-7可计算得出：

　　非变频净化空调系统风机的耗能为：

＝（千瓦*小时）

　　变频净化空调系统风机的耗能应分12个时段计算，结果为：

＝

　　+

　　+ --------------

　　+＝（千瓦*小时）

　　变频系统节能率为：

　　=0.36

　　式中 H — 三年运行时间 （小时）

5、结论

　　用交流变频调速器对净化空调系统的风机进行恒流量控制，不但洁净室获得稳定洁净度和室内正压值，而且操作方便、容易，维护量少，并且有明显的节电效果。如果在净化空调系统中装有恒温恒湿控制调节器，那就可以排除人工调节因素，实现高度自动化调节，提高净化空调系统的质量，保证工艺生产需要，同时达到更好的节电效果。

主要参考文献

　　[1] 许钟麟 著 空气洁净技术原理 中国建筑工业出版社 1983
　　[2] 冯永芳 主编 实用通风空调风道计算法 中国建筑工业出版社 1995
　　[3] 商景泰 主编 通风机手册 机械工业出版社 1996

清风

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