来源：《制冷》2024年6月  第六期文章编号: ISSN1005-9180 (2024) 06-0078–05

王建伟，陈丽，陈文强

(上海核工程研究设计院股份有限公司，上海，200233)

[摘要] 通风系统调试过程中风量平衡试验过程是其中关键，在现有的风量平衡试验中，通常采用人工分别串行测量风道各支路风量，该方法需要耗时长，需要投入的人力也较多，本文提出一种在现有测量的基础上，通过并行流量计算方法以提高现场风量平衡效率的方法。

[关键词] 通风系统;风量测量;风量平衡;串行测量;并行流量计算

[中图分类号]TU831.3   [文献标志码] A    doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2024.06.0017

Discussion on Air Flow Measurement of Ventilation System with Multiple Air Channels

WANG Jianwei, CHENLi, CHEN Wenqiang

(General Technology Department, Shanghai Nuclear Engineering Research and DesignInstitute Co., Ltd., Shanghai 200233)

Abstract: In the process of air flow balance test of ventilation system, the air flow of each branch of the air duct needs to be measured. Due to the limitation of measurement methods and manpower, the current practical air flow measurement methods are mostly serial measurement, which takes a long time and requires more manpower input. This paper proposes a parallel flow calculation method on the basis of measurement to improve the efficiency of field air flow balance test.

Key words: Ventilation System; Air Flow Measurement; Air Flow Balance; Serial Flow Measurement; Parallel Flow Calculation

当前通风系统调试过程中在进行风道各支路风量平衡试验时，通风风量测量方法为通过使用风量罩进行测量后人工读数记录，人工手持风量罩测量方式，由于受人力限制，一次能测量的测点有限，各测量点需要串行进行，效率太低。通过对风量罩进行改造，测量支路静压与支路上各风口流量，在风道阻力系数调整好后，建立支路静压与出风口流量关系，通过测量风道静压来测量支路风量，这样进行风量平衡试验时，可减少试验测量次数缩短测量时间。在现场项目调试过程中通风系统风量平衡试验耗费了大量的人力、物力，几乎占了通风系统调试一半以上的人工时。通过对风量测量方法的研究，改进测风方式，可以大幅度提高调试过程中通风系统风量测量结果准确度、大幅度缩短风量平衡试验工期，提高效率。

1 通风系统风量测试方式现状

当前通风类系统风口测量方法主要是手持式风量罩，或用热式风速仪，叶轮风速仪测量风速后计算。但以上的方式都为手持式，同时多点并行测量且远程传送数据的方式不多见，本文提出一套适用于多风口同时测量，可进行风量平衡试验的风量测量方法。

如图1-1所示为通用手动测量风量方式，其中风量罩风量测量量程为40~4000m³/h，精度控制在5%内。两种风速仪风速测量范围为0~30m/s，精度也可控制在5%范围内，但由于风口面积内风速的不均匀，实测风量的精度不易把握。

图1-1风量罩测量仪、热式风速仪与叶轮风速

2 改进测量方式

图2-1通风示意图

图2-1为简化的通风支路示意图，根据伯努利方程，流阻与风速平方成正比，通过计算可以使风量平衡在进行支路调节时主要关注支路的全压即可。计算如下:

伯努利方程使用条件:1、流体连续。2、流体不可压缩。3、无粘性。4、流体沿流线运动。

气体在0.3倍的马赫数范围内流动时可看成不可压缩流体，空气在常温常压下音速为340m/s，0.3倍的马赫数的流速为0.3*340=102m/s，取整计算中100m/s以下流速时常温常压下的空气在流动中即认为为不可压缩的流体。在本文计算中空气通过风量的速度通常在30m/s以下，因此本文公式中的密度以常量计算。

关于粘性，在高雷诺数边界层以外点计算时粘性可忽略，本文计算都是远离边界层。雷诺数的计算公式为Re=pvd/μ，其中v、p、μ分别表示流体的流速、密度和粘性系数，d表示当量直径。在压强为101.325kPa、温度为25°C的条件下，空气的动力粘度和运动粘度为:u=18.6x10^-6 Pa·s，v=15.78x10^-6m²/s，密度为p=1.168kg/m³。通风管道的当量直径通常都大于0.5m，以2m/s的风速计算雷诺数为6369，如果以20m/s的风速计算则大于63690，雷诺数大于2000即开始进入湍流区，因此在2m/s以上风速时即可忽略粘性而使用伯努利方程计算。

图2-2风量分流示意图

图2-2所示的多支路时流体伯努利方程在1-2断面使用式2.1，在1-3断面上使用式2.2，更多支路时类推:

沿程总阻力h有两类阻力，摩擦阻力hf与局部阻力hj，即:

h=hf+hj    (2.3)

理论上如果流动在层流范围，即雷诺数小于2000情况下流体为层流，层流的流体阻力与速度成正比。以上雷诺数的计算可知整体计算过程可看成是湍流，所以整体计算流阻时以湍流的流阻公式计算。

根据图2-1，公式2.1与2.2，因为是开口系统，忽略空气位能，中间没有能量的输入，风口出口B，C，D，E，F等压力点取大气压力表压为0，根据分流伯努利方程，可以列出不同风口的方程式，则公式2.1变为:

式2.7左侧部分代表全压，其中P₁为静压，式2.8中An代表各断面位置的横截面积，Vn代表在各风口的风速，这样V1在测出各个Vn后即可得出，VI还可以通过测得全压后计算获得。所以当把P₁(图2-1中以A点处计算)点后的系统阻力系数当做常数时，上游A点的静压、流速与支路以及各通风口流量即有对应关系，如果不再调节出口风阀，测一次各出风口的流量后即可通过测量静压、全压来计算支路风口风量，这样在做风量平衡试验时将大大减少工作量。

3 支路风口风量并行测量

如图2-1中所示，通风系统的一条支路有多个风口，理论上这些风口应该同时进行风量以及支路风道中的静压测量，但这在当前的手动测量方法中同时测量多个风量或静压并不容易，需要大量人力，因此如开发出多点风量测量分析系统，用于通风系统风口风量测量，则会大幅提高效率。即将现有的单点测量设备转换成可数字网络化单点测量的设备，然后联网汇总数据直接将公式2.7与2.8中的阻力系数与支管风速联立方程计算出，如图3-1所示，采集装置可以直接通过无线方式将信号送入数据服务器，数据服务器既可以存储数据同时有应用计算软件将需要的数据计算出，这个响应较快，能做到秒级的响应，可以认为是实时采集计算了。当前已有用电池做电源的无线输出变送器，一次充电按10Hz采样数率做到可用一周以上，完全能满足现场使用需求，但当前的手持或支架式风量罩、热式风速仪或叶轮风速仪测量装置通用商品级产品不具备这些功能，需定制生产。因此，如有以下技术指标的装置将会使平衡试验的效率成倍提高:

(1)同时实现16点或以上出风口风量测量，8点或以上风道静压测量;

(2)风口风量测量量程范围:100~40000Nm2/h，精度:优于5%，采样速率10Hz;

(3)支路静压量程:0~10kPa，测量精度:优于1%，采样速率10Hz;

(4)实现数据无线或总线传输，实时与历史趋势数据显示和数据分析与计算，可进行所选数据内最大、最小与平均值等计算，可计算阻力系数与风量。

图3-1数据采集与远程传送示意图

4 风量测量的不确定度分析

风量测量是通过多个测量点经计算获得，每个测点都有自己的不确定度，通过公式计算后就有一个合成不确定度，下面分析其不确定度。

当被测量Y由N个其他量X1，X2,...，XN通过线性测量函数确定时，被测量的估计值y为:

y=f(x1,x2,...,xn)    (5.1)

被测量的估计值y的合成标准不确定度uc(y)按下式计算^[13]:

灵敏系数通常是对测量函数f在X_i=x_i,处取偏导数得到，用c_i表示。灵敏系数是一个有符号有单位的量值，它表明了输入量x_i不确定度u(x_i)影响被测量估计值不确定度uc(y)的灵敏程度。有些情况下，灵敏系数难以通过函数计算得到，可以用实验确定，即采用变化一个特定的X_i，测量出由此引起的Y的变化。

当输入量间相关时，需要考虑它们的协方差，当输入量间均不相关时，相关系数为零。被测量的计值y的合成标准不确定度uc(y)按下式计算:

当测量函数为非线性，由泰勒级数展开成近似线性的测量模型进行。

当测量模型为Y=A1X1+A2X2+...+AnXn且各输入量间不相关时，合成标准不确定度用下式计算:

当测量模型为Y=AXlplX2p2····Xnpn且各输人量间不相关时，合成标准不确定度用下式计算:

将式2.7左侧部分写为全压形式，全压用p0表示，则式2.7改写如下:

式5.7中，不确定度由密度p、p₀与v_n确定，又因为p₀与v_n是分别测量得出，可以认为相关系数为0，这样假设p₀与v_n相对不确定度分别为为1%与5%，密度因测量过程中温度变化很小以常数看待(密度通过测环境温度给出)，按照式5.5计算不确定度为:

上面的计算可以看出阻力系数的不确定度达到10%左右，其中主要影响是风速测量的不确定度。

通过式5.6式，计算全压已知的情况下各风口的风速计算的不确定度，公式变换为:

同样将密度不确定度忽略，计算不确定度如下：

公式5.10

通过以上计算可知计算不确定度跟测量不确定相近，稍大于测量不确定度，此计算是忽略密度不确定度下的计算，实际上通过温度测量后给出的密度也有不确定度，考虑密度的不确定度后，计算的风速不确定度还会大一些。

5 结论

通过一次测量各风口风量计算出各风道流阻系数后，在改变总风量后即可通过计算得到支路风量，可提高多支路每支路有多出风口的通风系统风量平衡试验效率。

如实现同时多点测量各风口风量与支管静压的装置，则在风量平衡试验中将更加便捷。

通过计算风量的不确定度分析，得出计算风量不确定度范围跟测量不确定度接近，降低计算不确定度关键在于提高首次测量的精度。

参考文献:

[1]张华,赵文柱.热工测量仪表[M].第3版.北京:冶金工业出版社，2006.

[2]万金庆等.热工测量[M].北京:机械工业出版社，2013.

[3]林建忠，阮晓东.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]谢振华.工程流体力学[M].北京:冶金工业出版社，2013.

[5]江苏省计量科学研究院，中国计量科学研究院，北京理工大学等.测量不确定度评定与表示:JJF1059.1-2012[S].北京:中国标准出版社,2013.

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