引言发达国家暖通空调能耗占据建筑能耗的50%，占其全国总能耗的20%[1]。我国大型公共建筑的暖通空调用电占建筑总能耗的50%~60%。风机和水泵作为暖通空调最常用的流体输送设备，其能耗约占暖通空调系统总能耗的40%[2]。实际工程中的不当设计和使用会造成风机水泵总扬程的一半被用于克服风阀水阀的压降，表明50%以上的风机水泵电耗被消耗在风阀水阀上，未被用于克服管道阻力[3]。因此，选择合适的变频控制方式在风机和水泵节能中具有十分重要的意义。1风机节能分析与风机变频控制方式1.1风机节能分析电机转速与频率之间关系[4]为：n=60fp1-s (1)式中：n——风机转速，r/min；f——供电频率，由变频器控制，Hz；p——电机旋转磁场的极对数；s——转差率。风机转速发生改变时，功率N与风机转速n之间关系[5]为：NN1=nn13 (2)式中：N——转速为n时的功率；N1——转速为n1时功率。NN1=nn13=ff13 (3)风机运行功率与供电频率的3次方成正比，风机在较高频率状态下运行时，风机能耗较高。1.2风机变频控制方式风机变频控制方式分为定静压控制、变静压控制和总风量控制法共3种[6]。定静压控制是通过闭环控制方式尽量减小管道中的静压，同时保证管道中的最小静压满足所有末端设备风量需求的风机变频控制方式。实验室通风系统中，定静压控制是最常用的风机变频控制策略。压力测点的位置是决定定静压系统效果的关键。变风量系统的动态特性导致最不利末端难以确定，无法在系统最不利环路端口的入口处确定静压测点，ASHRAE建议将静压传感器设置在风机送风口距离末端2/3处，以确定位置[7]。考虑动态特性系统最不利环路末端风量，静压设定值通常较高，因此造成末端风阀在多数时间里处于较小开度，系统始终处于相对较高的压力下，会产生噪声，造成风机低效运行。变静压控制也被称为变定静压法或静压值重置法，依据静压值变化和阀门开度反馈进行调整，即尽可能使各末端阀门开度维持在最大开度，通过调节风机运行频率，使管道系统维持一个相对较低的静压值运行，确保系统既满足末端风量需求又满足节能目标。总风量控制法根据风机相似律，在排风系统阻力曲线不发生变化时，总风量和风机转速成正比关系[8]。随着变风量阀调节，排风系统的阻力曲线会发生变化，但仍可通过建立总风量与风机转速的函数关系，使系统依据末端风量需求合计值直接计算风机转速。由于总风量法只保证风量需求，并不能控制每一个末端风阀的开度，所以无法保证多数风阀开度处于高位以尽量降低风管压力，不能够最大限度地降低风机能耗[9]。从运行节能效果角度分析，变静压控制在3种控制方式中的效果最显著。Shim[10]等对定静压控制和变静压控制进行对比研究，与定静压控制相比，变静压控制能够节能50%以上。2变静压控制在实验室中的应用2.1变静压控制变静压控制策略依据静压值变化和阀门开度反馈，实现对风机的变频控制。若采用变静压控制，系统需满足以下2个条件：末端为压力无关型，即末端能够独立调节风量且与压力无关；各末端能够向变静压控制器实时反馈末端阀位开度。变静压控制的关键是静压值的重新设定，经典的控制方法包括试错法、计算法、修正的PI算法和启发式算法、变静压变温度法、静压设定算法[11]。文中采用基于静压固定步长设定算法实现变静压控制策略。2.2案例应用及系统调试流程以某高校化学合成实验室和分析实验室设计为例，实验室位于江苏省南京市，面积分别为42 m²和57 m²，层高4.5 m。化学合成实验室、分析实验室局部排风设备同时使用率、风量平衡计算结果如表1、表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.022.T001表1化学合成实验室局部排风设备同时使用率、风量平衡计算结果设备名称数量/台最小风量/(m³/h)最大风量/(m³/h)同时使用率/%实际风量/(m³/h)1500型变风量排风柜6.01 800.09 000.0676 600.0万向抽气罩2.0300.0300.0100300.0总计—2 100.09 300.0—6 900.010.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.022.T002表2分析实验室局部排风设备同时使用率、风量平衡计算结果设备名称数量/台最小风量/(m³/h)最大风量/(m³/h)同时使用率/%实际风量/(m³/h)1500型变风量排风柜1.0300.01 500.01001 500.0万向抽气罩4.0600.0600.0100600.0总计—900.02 100.0—2 100.0化学合成实验室最小风量运行时，实验室换气次数为11.1次/h，满足最低8.0次/h的要求，实验室无须再设置全面排风。实验室排风量为2 100~6 900 m³/h，余风量为690 m³/h，新风量为1 410~6 210 m³/h，换气次数为11.1~36.5次/h。分析实验室最小风量运行时，实验室换气次数仅为3.5次/h，不满足最低6.0次/h的要求，还应设置全面排风，全面排风量为0~639 m³/h。此时，实验室排风量为1 539~2 100 m³/h，余风量为210 m³/h，新风量为1 329~1 890 m³/h，换气次数为6.0~8.2次/h。实验室采用多联机加独立新风系统，化学合成实验室和分析实验室共用1套排风系统和1套新风系统。实验室万向抽气罩通过设置压力无关型定风量阀实现排风量恒定控制，排风柜选用基于位移传感器、风量测量与反馈型变风量蝶阀（压力无关型）的变风量控制系统，实验室微负压控制采用余风量控制方式，全新风空调箱和排风机均采用基于静压固定步长设定算法的变静压变频控制方式，实验室控制流程如图1所示。排风柜变风量阀和新风送风变风量阀均具有实时风量和阀位反馈功能，可以通过RS485总线Modbus RTU通信协议与变静压控制器进行通信，提供实时的风量和阀位信号反馈。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.022.F001图1变静压控制流程通风系统初步调试完成后，确保所有已安装的定、变风量阀门均已完成工厂标定和校验，对通风控制系统进行调试。步骤1：依照设计同时使用率，对2间实验室局部排风设备进行设置。化学合成实验室排风柜的同时使用率为67%，任意打开6台排风柜中的4台（调节门打开至设计开度），另外2台排风柜移门关闭。步骤2：变风量控制系统（排风柜变风量控制、实验室压差控制、风机变静压控制）供电，进入手动模式调节排风柜、新风送风变风量阀至最大开度。步骤3：开启排风机和新风空调箱，手动调节变频器至风量满足调试要求。使用合适量程的风速仪对每台排风柜面风速进行测量，配合变频器进行调节，使每台排风柜面风速均处于0.50~0.60 m/s。使用合适量程的压力表对静压传感器压力测点处的管道静压值进行测量并记录。使用合适量程的风量罩对实验室房间的送风量进行测量和统计，确保送风量在设计值附近，并记录新风静压传感器压力测点的静压值。步骤4：对实验室与压力参照区域（通常为走廊）压差进行测试，使实验室处于微负压状态。步骤5：依次对实验室内所有排风柜进行调试，调试后排风柜按照自动控制模式运行。步骤6：依据两个实验室的参数，对实验室余风量进行设置，并对实验室送风系统进行调试，调试完成后进行自动控制模式运行。步骤7：将步骤3记录的静压值作为变静压控制器的静压设定值，对步长和系统调节机制进行设置和调试，变静压控制逻辑如图2所示。设置及调试完成进行自动控制模式运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.022.F002图2变静压控制逻辑确定各变风量末端（变风量排风柜和变风量送风阀门）的阀位；读取各变风量末端的最大阀位Pmax；Pmax90%且风机未达到最大转速，静压设定值Pset在原来的基础上增加一个步长，即Pset*=Pset+∆Pup（∆Pup为压力设定值增加步长）；Pmax70%且风机未达到最小转速，静压设定值Pset在原来的基础上减小一个步长，即Pset*=Pset-∆Pdown（∆Pdown为压力设定值减小步长）；70%Pmax90%，表明静压设定值正合适，无须改变静压设定值。∆Pup和∆Pdown的设置根据现场调试情况而定。步骤8：对自动运行模式下的排风柜面风速、实验室压差进行随机检测，对变静压控制系统进行检查，确保系统在设计工况下运行。采用固定步长调整静压设定值时，如果步长设定过小，到达需求风量值的调整次数将增加；如果步长设定过大，可能出现震荡和超调现象。为了保证风机转速的调节对末端风量产生作用，不因静压的频繁设定引起系统压力调节的震荡，每次进行静压设定时，需要保证适当的时间间隔[12]。调整量调节机制是变静压控制系统稳定性和节能的关键。3结语采用变静压控制时，静压设定值可以根据系统实际风量需求和末端阀位反馈，通过改变风机转速作出灵活调整。保持末端阀门开度为70%Pmax90%，减小系统阻力并保持风机，以最小转速运行来满足实际风量需求。在实验室变风量控制系统中，采用基于静压固定步长设定算法的变静压控制策略可以提供既节能、又稳定可靠的变频控制策略，其系统简单、调试便捷，具有广阔的应用前景和节能减排潜力。