樓宇自控系統(tǒng)中兩類空氣流量計的技術(shù)對比
摘要：摘要在樓宇自控系統(tǒng)中采用了大批的流量采集設(shè)備，由于采集設(shè)備所采用的技術(shù)不同，大大影響整個自控系統(tǒng)的效果。文章詳細(xì)地對目前采集器所采用的溫感和壓感技術(shù)進(jìn)行分析，為樓宇系統(tǒng)的設(shè)計者提供一些參考。
關(guān)鍵詞：流量計 溫度感應(yīng) 壓力感應(yīng)
1.引言
筆者在設(shè)計嘉匯新城的樓宇自控系統(tǒng)時，發(fā)展商提出了一個要求：希望能對業(yè)主的房間提供單獨(dú)的空調(diào)流量采集，這樣就可以進(jìn)行獨(dú)立的計費(fèi)。因為當(dāng)初筆者并沒有好的思路，也考察了一些樓盤，但關(guān)于這部分的做法沒有太多可參考之處，致使關(guān)于這方面的設(shè)計被淘汰。事后筆者專門對這部分的技術(shù)進(jìn)行研究，在HVAC系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了正確選擇空氣流量采集設(shè)備的重要性。因為技術(shù)安裝位置、氣流比率不同，會對整個系統(tǒng)的運(yùn)行效果造成巨大的影響。
目前在HVAc系統(tǒng)中最通用的空氣流量采集與測量技術(shù)主要是：(1)全電子溫度感應(yīng)技術(shù)；(2)陣列式壓力感應(yīng)技術(shù)。為此，筆者認(rèn)為全面了解這兩個技術(shù)的內(nèi)核對樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計者至關(guān)重要。
2.空氣流量計的演變歷史
在氣動控制主宰歷史的時代，壓力式流量計是必然的選擇，壓力感應(yīng)管將單點的壓力感應(yīng)換算后直接傳給控制主機(jī)。但是后來隨著變速系統(tǒng)(VAV)的出現(xiàn)，需要大量空氣流量測試設(shè)備來控制扇體的轉(zhuǎn)速，廠商也意識到單點感應(yīng)的局限性，進(jìn)而向陣列式感應(yīng)方向發(fā)展。因為此類設(shè)備是通過非線性壓力信號的均值來計算采樣的，必然有一些誤差存在，但是也滿足了早期VAV系統(tǒng)的需求。
在80年代中期，隨著直接數(shù)字控制技術(shù)(DDC)逐漸替代傳統(tǒng)的氣動控制，氣流測量需要一些格外的“轉(zhuǎn)換器”將原來的氣動信號轉(zhuǎn)換為DDC可識別的電子信號。在壓力陣列技術(shù)中，由于不同的氣壓差很小，信號轉(zhuǎn)換中的誤差就十分重要，當(dāng)然這是目前也無法保證的問題之一。
傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)均是為實現(xiàn)基本舒適和溫度適宜而設(shè)計的，大多數(shù)系統(tǒng)額定的氣流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。當(dāng)然也要配置相應(yīng)粗細(xì)的通風(fēng)管道與氣流測量裝置。但隨著技術(shù)的發(fā)展，對氣流測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均比以往要求的更高，所以新的氣流測量技術(shù)也就加入到樓宇自控的行列中，最主要的就是采用了溫感技術(shù)。這樣不通過信號轉(zhuǎn)換，溫感裝置就可通過各個獨(dú)立的傳感器信號直接以線性信號發(fā)給中央控制系統(tǒng)，另外溫感裝置也可以準(zhǔn)確的度量到氣流從有到無的狀態(tài)(理論上是如此，但是現(xiàn)實中很少應(yīng)用)，最后中央控制系統(tǒng)按照各個溫感裝置提供的平均溫度計算出需要控制的參數(shù)來實現(xiàn)及時的調(diào)節(jié)與控制。
3.兩種技術(shù)之對比
除了溫感與壓差的測量原理不同外，對實際運(yùn)行的影響也有很多微妙的因素。
3．1氣流波動的影響
氣流變化對如下因素影響最大：
(1)各個傳感器準(zhǔn)確度的影響；
(2)全采樣誤差的影響；
(3)傳感器調(diào)校的準(zhǔn)確度；
(4)轉(zhuǎn)換器／傳輸儀調(diào)校的準(zhǔn)確度；
(5)傳感探頭的安裝位置；
(6)設(shè)備長期的穩(wěn)定性。
風(fēng)機(jī)盤管的各個部分，包括拐彎、接頭、扇體、壓力機(jī)和填充物均會對氣流產(chǎn)生特殊的渦流，這對流量設(shè)備的測量結(jié)果制造了不少的麻煩。當(dāng)然，這些影響對溫感和壓感設(shè)備也各有不同，下面是一個參考后的數(shù)字對比(測量設(shè)備由Ebtron公司提供)。
3．1．1對各個傳感器準(zhǔn)確度的影響
(1)溫感設(shè)備
在最初測量時，溫感設(shè)備受盤管的影響最大，尤其是安裝在接近混合風(fēng)口的地方時，計量表經(jīng)常顯示嚴(yán)重錯誤。這主要是因為溫感設(shè)備對熱傳導(dǎo)的感應(yīng)誤差造成的，測試的結(jié)果是傳感器讀到的數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際的溫度。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，主要是溫感傳感器自己“涼”造成的。后來我們選擇了可以自熱的傳感器，就減少了這一誤差。
(2)壓感設(shè)備
首先看一個公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指壓差DehaP，p指空氣密度。
在大多HVAC系統(tǒng)中，壓差相對于總氣壓是極月的數(shù)值，但是最后的信噪比在總氣壓下波動取樣更重要。
例如，一個盤管內(nèi)有2kPa的總氣壓，則一個百分比的氣壓波動將引起相應(yīng)信噪比為O．05kPa的變化。而當(dāng)速度在1000Mpm，相應(yīng)壓力達(dá)到2．5kPa時，噪音占了全部信號的1／3。結(jié)果就是管內(nèi)的壓感設(shè)備放大了誤碼，尤其是在氣流低速時更是嚴(yán)重。我們得出結(jié)論，在盤管拐彎等風(fēng)速較底的位置采用壓差感應(yīng)設(shè)備是不明智的。經(jīng)過反復(fù)測試結(jié)果也是一樣的。所以要采用壓感設(shè)備測量，最好安裝在直管的地方。 3．1．2全采樣誤差
溫感和壓感均通過速度采樣來確定一定體積內(nèi)的均速。而溫感設(shè)備是直接測量其速度，壓感是通過壓力變化來確定當(dāng)前速度的。這樣就有一個問題，放置幾個采樣點才可以采集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)呢?溫感和壓感的采樣點又有何不同呢?根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS03966建議的壓感設(shè)備是一個立方的管內(nèi)至少為25個。而溫感則為4-20個點。理論上當(dāng)然是點越多，測量數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。
(1)溫感設(shè)備
首先我們在0．1個m。的管道內(nèi)放置了4個溫感設(shè)備，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)溫感設(shè)備的數(shù)量減少一半，相應(yīng)的誤碼增加1％。經(jīng)過對比我們建議一個對應(yīng)的數(shù)據(jù)：
大小與密度對應(yīng)表 表l
管道大小(m。) 溫感設(shè)備密度(個) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)壓感設(shè)備
理論上來講，在通過壓感設(shè)備測試平均速度時首I要確定氣流的比例。由于各個測試設(shè)備的算法差別I會導(dǎo)致測試結(jié)果的差別，因為壓感設(shè)備采取的是多l(xiāng)采集的方式，所以也會得到不同的測試結(jié)果。通過以下簡單的理論公式也可以證明。
(3)管槽測量
我們首先在一個90。的鍍鋅彎槽管中進(jìn)行了測量，其內(nèi)徑約為60cmx60cm，彎管左接一個2．5m的直管，右接一個長度為5m的直管，5m直管前加接一個離心扇，而測量的位置距風(fēng)扇3．4m。如圖。2所示：
我們把風(fēng)速分別調(diào)到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，測試結(jié)果如下：
我們在安裝變速開關(guān)的情況下，兩者測得的數(shù)據(jù)相差無幾，但是我們在不安裝開關(guān)的狀態(tài)下測試，溫感設(shè)備的變動幅度為10％，而壓感變動幅度為50％，這就說明如果在回風(fēng)管道中安裝流量計，由于回風(fēng)管道沒有變速開關(guān)，所以建議選擇溫感設(shè)備效果更好。
經(jīng)過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)越接近拐彎的地方，溫感的測試效果越好，其實壓感設(shè)備的誤碼可以通過公式(1)來證明。
雖然流量計的安裝位置可以通過選擇使壓感設(shè)備的測試效果變好，但本次實驗僅是在一個管道中進(jìn)行的，而實際的HVAC環(huán)境卻要復(fù)雜的多，所以我們建議設(shè)計者要根據(jù)環(huán)境不同而選擇不同的流量計量技術(shù)，安裝簡單未必就能滿足實際的要求，何況安裝的工人未必將設(shè)備完全按照設(shè)計的位置來架設(shè)。
(2)另外的一次測試是確定接近加濕機(jī)時哪種設(shè)備的效果更好。結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫感設(shè)備不受加濕機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，而壓感設(shè)備無法采集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，
4.結(jié)束語
設(shè)計者在選擇流量計時必須仔細(xì)研究測試后的數(shù)據(jù)才能選擇正確的設(shè)備。溫感設(shè)備主要是用在管道氣流變化較大的情況，尤其是有渦流的時候，而壓感設(shè)備用在長且直的管道內(nèi)可以獲取更好的信噪比。
由于管道內(nèi)速度的不斷變化，也造成環(huán)境干擾的不斷變化，而速度的變化需要通過多點的數(shù)據(jù)采集才能獲取準(zhǔn)確的數(shù)值，永久安裝在管道內(nèi)的流量計要比我們實驗所測的數(shù)據(jù)具備更少的隨機(jī)誤差。獲取的數(shù)據(jù)也更可靠。溫感設(shè)備由于是單點采集相關(guān)位置的流量，相對于壓感設(shè)備的陣列式多點采集的均值而言，均值的誤碼要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單點獨(dú)立采集的數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：流量計 溫度感應(yīng) 壓力感應(yīng)
1.引言
筆者在設(shè)計嘉匯新城的樓宇自控系統(tǒng)時，發(fā)展商提出了一個要求：希望能對業(yè)主的房間提供單獨(dú)的空調(diào)流量采集，這樣就可以進(jìn)行獨(dú)立的計費(fèi)。因為當(dāng)初筆者并沒有好的思路，也考察了一些樓盤，但關(guān)于這部分的做法沒有太多可參考之處，致使關(guān)于這方面的設(shè)計被淘汰。事后筆者專門對這部分的技術(shù)進(jìn)行研究，在HVAC系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了正確選擇空氣流量采集設(shè)備的重要性。因為技術(shù)安裝位置、氣流比率不同，會對整個系統(tǒng)的運(yùn)行效果造成巨大的影響。
目前在HVAc系統(tǒng)中最通用的空氣流量采集與測量技術(shù)主要是：(1)全電子溫度感應(yīng)技術(shù)；(2)陣列式壓力感應(yīng)技術(shù)。為此，筆者認(rèn)為全面了解這兩個技術(shù)的內(nèi)核對樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計者至關(guān)重要。
2.空氣流量計的演變歷史
在氣動控制主宰歷史的時代，壓力式流量計是必然的選擇，壓力感應(yīng)管將單點的壓力感應(yīng)換算后直接傳給控制主機(jī)。但是后來隨著變速系統(tǒng)(VAV)的出現(xiàn)，需要大量空氣流量測試設(shè)備來控制扇體的轉(zhuǎn)速，廠商也意識到單點感應(yīng)的局限性，進(jìn)而向陣列式感應(yīng)方向發(fā)展。因為此類設(shè)備是通過非線性壓力信號的均值來計算采樣的，必然有一些誤差存在，但是也滿足了早期VAV系統(tǒng)的需求。
在80年代中期，隨著直接數(shù)字控制技術(shù)(DDC)逐漸替代傳統(tǒng)的氣動控制，氣流測量需要一些格外的“轉(zhuǎn)換器”將原來的氣動信號轉(zhuǎn)換為DDC可識別的電子信號。在壓力陣列技術(shù)中，由于不同的氣壓差很小，信號轉(zhuǎn)換中的誤差就十分重要，當(dāng)然這是目前也無法保證的問題之一。
傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)均是為實現(xiàn)基本舒適和溫度適宜而設(shè)計的，大多數(shù)系統(tǒng)額定的氣流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。當(dāng)然也要配置相應(yīng)粗細(xì)的通風(fēng)管道與氣流測量裝置。但隨著技術(shù)的發(fā)展，對氣流測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均比以往要求的更高，所以新的氣流測量技術(shù)也就加入到樓宇自控的行列中，最主要的就是采用了溫感技術(shù)。這樣不通過信號轉(zhuǎn)換，溫感裝置就可通過各個獨(dú)立的傳感器信號直接以線性信號發(fā)給中央控制系統(tǒng)，另外溫感裝置也可以準(zhǔn)確的度量到氣流從有到無的狀態(tài)(理論上是如此，但是現(xiàn)實中很少應(yīng)用)，最后中央控制系統(tǒng)按照各個溫感裝置提供的平均溫度計算出需要控制的參數(shù)來實現(xiàn)及時的調(diào)節(jié)與控制。
3.兩種技術(shù)之對比
除了溫感與壓差的測量原理不同外，對實際運(yùn)行的影響也有很多微妙的因素。
3．1氣流波動的影響
氣流變化對如下因素影響最大：
(1)各個傳感器準(zhǔn)確度的影響；
(2)全采樣誤差的影響；
(3)傳感器調(diào)校的準(zhǔn)確度；
(4)轉(zhuǎn)換器／傳輸儀調(diào)校的準(zhǔn)確度；
(5)傳感探頭的安裝位置；
(6)設(shè)備長期的穩(wěn)定性。
風(fēng)機(jī)盤管的各個部分，包括拐彎、接頭、扇體、壓力機(jī)和填充物均會對氣流產(chǎn)生特殊的渦流，這對流量設(shè)備的測量結(jié)果制造了不少的麻煩。當(dāng)然，這些影響對溫感和壓感設(shè)備也各有不同，下面是一個參考后的數(shù)字對比(測量設(shè)備由Ebtron公司提供)。
3．1．1對各個傳感器準(zhǔn)確度的影響
(1)溫感設(shè)備
在最初測量時，溫感設(shè)備受盤管的影響最大，尤其是安裝在接近混合風(fēng)口的地方時，計量表經(jīng)常顯示嚴(yán)重錯誤。這主要是因為溫感設(shè)備對熱傳導(dǎo)的感應(yīng)誤差造成的，測試的結(jié)果是傳感器讀到的數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際的溫度。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，主要是溫感傳感器自己“涼”造成的。后來我們選擇了可以自熱的傳感器，就減少了這一誤差。
(2)壓感設(shè)備
首先看一個公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指壓差DehaP，p指空氣密度。
在大多HVAC系統(tǒng)中，壓差相對于總氣壓是極月的數(shù)值，但是最后的信噪比在總氣壓下波動取樣更重要。
例如，一個盤管內(nèi)有2kPa的總氣壓，則一個百分比的氣壓波動將引起相應(yīng)信噪比為O．05kPa的變化。而當(dāng)速度在1000Mpm，相應(yīng)壓力達(dá)到2．5kPa時，噪音占了全部信號的1／3。結(jié)果就是管內(nèi)的壓感設(shè)備放大了誤碼，尤其是在氣流低速時更是嚴(yán)重。我們得出結(jié)論，在盤管拐彎等風(fēng)速較底的位置采用壓差感應(yīng)設(shè)備是不明智的。經(jīng)過反復(fù)測試結(jié)果也是一樣的。所以要采用壓感設(shè)備測量，最好安裝在直管的地方。 3．1．2全采樣誤差
溫感和壓感均通過速度采樣來確定一定體積內(nèi)的均速。而溫感設(shè)備是直接測量其速度，壓感是通過壓力變化來確定當(dāng)前速度的。這樣就有一個問題，放置幾個采樣點才可以采集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)呢?溫感和壓感的采樣點又有何不同呢?根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS03966建議的壓感設(shè)備是一個立方的管內(nèi)至少為25個。而溫感則為4-20個點。理論上當(dāng)然是點越多，測量數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。
(1)溫感設(shè)備
首先我們在0．1個m。的管道內(nèi)放置了4個溫感設(shè)備，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)溫感設(shè)備的數(shù)量減少一半，相應(yīng)的誤碼增加1％。經(jīng)過對比我們建議一個對應(yīng)的數(shù)據(jù)：
大小與密度對應(yīng)表 表l
管道大小(m。) 溫感設(shè)備密度(個) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)壓感設(shè)備
理論上來講，在通過壓感設(shè)備測試平均速度時首I要確定氣流的比例。由于各個測試設(shè)備的算法差別I會導(dǎo)致測試結(jié)果的差別，因為壓感設(shè)備采取的是多l(xiāng)采集的方式，所以也會得到不同的測試結(jié)果。通過以下簡單的理論公式也可以證明。
(3)管槽測量
我們首先在一個90。的鍍鋅彎槽管中進(jìn)行了測量，其內(nèi)徑約為60cmx60cm，彎管左接一個2．5m的直管，右接一個長度為5m的直管，5m直管前加接一個離心扇，而測量的位置距風(fēng)扇3．4m。如圖。2所示：
我們把風(fēng)速分別調(diào)到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，測試結(jié)果如下：
我們在安裝變速開關(guān)的情況下，兩者測得的數(shù)據(jù)相差無幾，但是我們在不安裝開關(guān)的狀態(tài)下測試，溫感設(shè)備的變動幅度為10％，而壓感變動幅度為50％，這就說明如果在回風(fēng)管道中安裝流量計，由于回風(fēng)管道沒有變速開關(guān)，所以建議選擇溫感設(shè)備效果更好。
經(jīng)過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)越接近拐彎的地方，溫感的測試效果越好，其實壓感設(shè)備的誤碼可以通過公式(1)來證明。
雖然流量計的安裝位置可以通過選擇使壓感設(shè)備的測試效果變好，但本次實驗僅是在一個管道中進(jìn)行的，而實際的HVAC環(huán)境卻要復(fù)雜的多，所以我們建議設(shè)計者要根據(jù)環(huán)境不同而選擇不同的流量計量技術(shù)，安裝簡單未必就能滿足實際的要求，何況安裝的工人未必將設(shè)備完全按照設(shè)計的位置來架設(shè)。
(2)另外的一次測試是確定接近加濕機(jī)時哪種設(shè)備的效果更好。結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫感設(shè)備不受加濕機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，而壓感設(shè)備無法采集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，
4.結(jié)束語
設(shè)計者在選擇流量計時必須仔細(xì)研究測試后的數(shù)據(jù)才能選擇正確的設(shè)備。溫感設(shè)備主要是用在管道氣流變化較大的情況，尤其是有渦流的時候，而壓感設(shè)備用在長且直的管道內(nèi)可以獲取更好的信噪比。
由于管道內(nèi)速度的不斷變化，也造成環(huán)境干擾的不斷變化，而速度的變化需要通過多點的數(shù)據(jù)采集才能獲取準(zhǔn)確的數(shù)值，永久安裝在管道內(nèi)的流量計要比我們實驗所測的數(shù)據(jù)具備更少的隨機(jī)誤差。獲取的數(shù)據(jù)也更可靠。溫感設(shè)備由于是單點采集相關(guān)位置的流量，相對于壓感設(shè)備的陣列式多點采集的均值而言，均值的誤碼要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單點獨(dú)立采集的數(shù)據(jù)。
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