个体化动态送风方式和方法研究进展
孙淑凤 任小坤 王立
(北京科技大学热科学与能源工程系 北京100083)
摘 要：本文提出了一种新的个体化动态送风方式和实现方法，采用贯流风机局部等温送风方式，设计并开发出一套新型的基于单片机控制系统的动态送风装置。该装置主要包括贯流风扇、直流电机及控制系统。本文实验验证了该方法的可行性，对送风特性进行了实验研究。
关键词：个体送风；自然风；单片机
STUDY ON PERSONALIZED DYNAMIC VENTILATION
Sun Shufeng，Ren Xiaokun，Wang Li
(Dept．of Thermal Science and Energy Engineering，University of Science &Technology Beijing，Beijing 100083)
Abstract：A new mode and a realization method in personalized ventilation with dynamic air supply were put forward．The new type of dynamic air supply set was designed and developed which had a single chip-based control system．The new set consisted of a cross-flow fan．a direct current electromotor and the control system．The performance of the ventilation set was conducted experimentally．and the result proved the feasibility Of the personalized ventilation set supplying simulated natural wind．
Keywords：personalized ventilation；natural wind；single chip
前言
动态热环境空调策略集健康、舒适、节能三大特点于一体，是未来空气调节发展的趋势。动态送风口富于变化，可有效提高人体对送风的评价，显著改善局部热环境。个性送风将风口布置在工作台周围，在满足使用者自由调节需求的同时，改善了局部热环境，并提高了呼吸区的空气品质。个体化动态送风将两者结合起来，可有效满足人体热舒适和减小能耗。
通过分析目前个体送风和动态送风的研究现状，并针对相关研究中存在的一些问题，本文提出了采用贯流风机局部等温送风方式，设计并开发出一套新型的基于单片机控制系统的个体化动态送风装置。
1个体送风方式的改进
1.1研究现状
个体送风是相对于传统的全空间空气调节而言，主要分为地板式系统和桌面式系统。地板式个体送风的一个典型应用为国家大剧院观众厅。国家大剧院观众厅采用椅下送风、在上部灯光密集处回风及排风的气流组织方式。桌面式个体送风研究较多，主要有水平桌面格栅式、垂直桌面格栅式、个体环境单元式、可移动送风口式等。
上述各种个体送风方式均有送风管道，可对局部送风进行处理，调整送风的温度和湿度。但是不论个体送风是否开启使用，主风机均处在工作状态；当室内家具发生变动时，可能会造成送风管道重新布置；大量的风管支路布置在地面上或地板夹层中，对空间的利用也有影响。在温带地区，通过调整背景环境的温度、湿度等参数，采用局部风机等温送风方式，可省去大量的风管，还可以节约空调能耗，灵活安装。
1.2个体送风方式的改进
针对办公环境，本文提出采用贯流风机局部等温送风方式。由于贯流风机和控制器在一起，体积小，可以横放或竖放(如图l (a)、(b)所示)，使用者可根据需要和喜好放置。使用者还可以通过调节控制器上的按钮来选择所希望的平均风速，不使用时可以方便的关机。
(a)横放
(b)竖放
图1带控制器的贯流风机
该送风装置由于摆放位置灵活，且有控制器可供使用者调节，可有效克服因个体差异对舒适性造成的影响。该装置相对于室内背景温度而言，是一套等温送风装置，当人体热反应高于热中性时才使用，若等温动态送风条件下仍无法满足要求时，需通过制冷措施适当降低背景温度，进入非等温动态送风模式；当人体热反应为中性时，该装置不使用，提倡自然通风模式。因此，该装置的使用符合动态空调策略。该装置没有专门的空气处理系统，也就没有了复杂不便的送风管道，给人们的工作和生活带来便利，同时也对背景环境的空气品质提出了较高的要求。
2动态送风装置的改进
2.1送风动态化的方式
目前动态送风装置的研究主要有两个方向，一是步进电机控制法，二是交直流电机转速控制法。步进电机控制法№。’是由计算机输出控制信号，控制步进电机来实现转动盘的位置变化，进而出风风速变化。该控制方法无滞后，精度高，能够产生较好的模拟自然风，缺点是噪音较大。交流电机转速控制法[8]是通过计算机和数模转换器输出模拟控制信号到变频器，通过变频器控制交流电机的转速，进而控制风机风速。使用变频器可改变电机转速，但受变频器和装置自身响应时间限制，使转速调节受到影响。若输入的控制信号间隔时间小于设备的响应时间，会使风速变化不能很好地按照控制信号变化。且变频器体积较大，成本较高。
2.2送风装置的改进
本文针对上述问题，提出了基于单片机的直流电机控制系统带动贯流风扇，实现送风动态化的方法。依据该方法设计的送风装置主要包括贯流风扇、直流电机及控制系统。控制系统以C8051F330单片机为处理器，配合控制电路，采用脉宽调制技术，根据自然风特性，对直流电机的转速进行控制，实现出风动态化。
图2为送风装置原理示意图。C8051F330单片机按照控制程序输出PWM波，根据电平信号的高低选择进入正相或反相输出器，然后通过开关驱动元件的导通与关断控制直流电机电枢两端的平均电压，从而控制贯流风扇的出风口风速。
图2个体化动态送风装置的原理示意图
2.3贯流风扇
风扇按其工作时的流动方式可分为：离心式、轴流式、混流式(前两种的结合)和贯流式
(又称横流式)。
本文采用贯流风扇进行送风，出口尺寸为300*21.8mm。贯流风扇不像离心式风扇那样靠普通的螺旋桨叶旋转使气流轴向进入风机，而是将机壳部分地敞开，使用一个较长的圆桶状扇叶轮旋转，通过压差的作用力，使气流直接径向进入风机，气流横穿叶片两次。因为出风口长宽尺寸的比例较大，在长度方向上叶轮均匀旋转，可近似认为，风速大小在长度方向上不变。
反观离心式风扇和轴流式风扇，由于气流存在较强的涡动，出口风速在方向和大小上都不均匀，不利于对其进行精确的控制。但是这种不均匀性，包括风速大小和方向的不确定性，在动态送风过程中是否可以加以利用，利弊与否还有待于进一步研究。
贯流风扇在结构上的特点使出风口送风比较均匀，更容易满足人体的舒适性，同时也能更好地实现风速按照控制信号变化，提高了控制的准确性；贯流风扇体积小，两端的支座可使之方便地摆放。缺点是贯流风扇的效率与离心风扇和轴流风扇相比偏低，有待于进一步改进。
2.4直流电机
直流电机具有优良的起动与调速性能，调速平滑、方便，调速范围广；可实现频繁的快速起动和制动。在本文中，将直流电动机作为动态送风系统的动力源，采用电枢控制法，即在励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压的大小来实现调速。由于调速时机械特性硬度不变，即使在较低转速下，电动机也能稳定运行；电枢控制法可实现无级调速，且控制灵活方便。将直流电机电枢控制法应用在动态送风控制中，可方便实现各种风速尤其是小风速的调节。
3送风特性实验研究
3.1实验安排
本实验采用北京大学大气物理实验室制作的热线风速仪对风速进行采集，热线由直径为20¢m的钨铼丝制作，标定结果表明在0.2～9m／s范围内风速测量误差小于5％。采样频率为10Hz，即采集的时间间隔为0.1秒。
采样点的选取如图3所示，由于出风口高度尺寸仅为21．8ram，考虑到热线风速仪的摆放问题，本实验设置了三个采样点A、B、C。B点为出风口的几何中心，A点和C点分布在B点左右，和B点相距100mm。
图3采样点位置示意图
图4为实验系统示意图，热线风速仪在进行风速测量时，将探头感受到的信号转变为电压信号并放大，放大后的电压信号经A/D转换器转变为数字信号，最后由采集用计算机处理。
本实验分别对距离风口300mm，400mm，500mm，600mm，700mm处进行了风速采集。采集时间为每组120分钟，每组获得实验数据(风速值)72000*3个。
图4实验系统示意图
3.2送风特性分析
3.2.1湍流度
图5为本实验产生的动态气流湍流度Tu与平均风速歹的关系图，共15组数据。平均风速与距风机出口的远近位置和距气流中心的位置不同有直接关系。从图中可以看出，整体上湍流度Tu随平均风速矿的增加而减小，当平均风速>lm／s时，Tu的减小趋势变缓。
图5动态气流Tu与的关系
3.2.2速度分布
图6风速概率分布
一个完全随机的均匀各向同性物理量，其概率分布为正态分布，但由于受湍流的间歇性及空气流动边界条件的影响，自然风的速度分布为偏态分布。图6为本实验中距离风机出口不同位置各点的风速概率分布，其中横坐标V为风速，p为概率密度。从图6中可以看出，虽然距离风机出口远近不同，但是风速分布均为偏态分布，与普通机械风的正态速度分布有明显区别，更接近自然风特性。
3.2.3功率谱
功率谱密度(PSD)E(f)反映了气流的波动能量随频率f的分配，对自然风的功率谱特性的研究发现，虽然自然风千差万别，但功率谱具有共性，其基本形状是相似的；自然风的波动能量集中在低频部分。图7为本实验中距离风机出口不同位置各点的功率谱分布。对比两图可以看出，虽然距离风口远近不同，但二者的功率谱分布是相似的，能量主要集中在低频区，高频区的能量较低，接近自然风特性。
图7功率谱分布
4结论
1)提出采用贯流风机等温送风的个体化动态送风方式：当室内背景温度满足条件时，使用者通过可移动送风装置，按照自己的需求和意愿，可调节送风距离、吹风方向、送风强弱等，充分克服由于个体差异对舒适性造成的影响。
2)设计并开发出一套新型的基于单片机控制系统的动态送风装置。该装置主要包括贯流风扇、直流电机及控制系统，具有出风均匀，噪音低，功耗小，成本低等特点。
3)对装置的送风特性进行了实验研究得出：湍流强度在低风速时较高，在高风速时较低；风速的概率分布为偏态分布；功率谱密度在低频区较高，在高频区较低。该装置的送风特点接近自然风的特点。
参考文献
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