1、动态送风装置的研究现状Research Situation of Dynamic Forced Draft Installation摘要：简要介绍了国内外动态送风装置的研究现状，并对当前研究的两个方向转盘控制法和电机控制法进行了对比。对未来的研究方向做了初步的设想。关键字：动态送风装置 动态风 自然风 热舒适 Abstract: The research situation of dynamic forced draft installation at home and abroad is introduced. Comparison is carried out on two researc
2、h directions: the turnplate-control way and the electric-control way. The primary assume is done on the future research direction.Key words: Dynamic forced draft installation Dynamic wing Nature wind1 引言建筑热环境质量对居住者的舒适健康具有非常重要的意义，因此人类为保证获得满意的建筑热环境往往消耗大量的社会资源和能源，从而成为社会能源与环境问题的症结所在。有不少的研究成果已表明，人体对自然风与机
3、械风的接受程度是不同的，因此，若能在建筑空间采用被动或机械的方法形成近似自然风的环境，那么就可产生符合人体生理健康的环境，同时还能有效节省空调能耗，这样就不用再使用会导致人体温度调节功能衰退和抵抗力下降的传统稳态空调方式，从而促使空调方式发生根本性变革。但迄今为止，用人工的方法模拟自然风是很困难的。这是因为作为人工模拟自然风必要的理论基础气流紊动特征的形成和改变机理及其影响因素尚未得到充分的揭示，这些成为创造真正回归自然的健康室内物理环境，即实现“仿自然空调”的主要障碍。尽管如此，仍有不少研究者试图研制各种形式的动态送风装置，以期能够从实验的角度首先实现机械产生的自然风。笔者仅就这一方面作一简
4、单介绍。2 建筑环境与设备实验室研究工作的进展2.1 动态末端送风装置 1该试验装置总风量不变，两个出口的流量分配由一转盘来调节。转盘由计算机控制的步进电机驱动，因此控制计算机输出信号使可控制步进电机，进而也可控制转盘位置变化引起的风速变化。图1是试验装置的示意图。由于出口风速的变化与转盘的位置是一一对应的，因此出口风速完全取决于控制信号,只要调节控制信号就可得到一系列具有不同流动参数的空气流动方式。(a)关于控制信号的产生：首先将基于三角函数序列的多维随机过程模拟方法化简，得到一维平稳随机过程的数字模拟计算方法，产生正态分布的随机序列后映射到非正态随机序(b)图 1 试验装置示意图列，得到伪
5、随机序列，再对其作时域随机化处理，得到真随机序列。平均风速的大小由转动盘的零点位置所确定，风速的波动即湍流度由转盘的摆动幅度确定，而风速概率分布与频谱由控制信号确定，因此风速的特性可完全由转动盘及控制信号来决定。但用自然风风速样本作为控制信号并不能得到具有自然风特性的空气流动，是转盘位置与风速之间的非线性关系造成了控制信号与出口流动特性的不一致。因此为了得到所需要的流动特性必须对控制信号作必要的修正，即根据出风口的流动特性与控制信号之间的差异来调整控制信号。图 1-2 是实验装置产生的送风频谱与自然风频谱的比较。从结果来看，二者在频谱特征上具有相当的相似性。图中纵轴符号 E(f)是描述频域中信
6、号能量结构的功率谱密度函数。对气流波动而言，功率谱密度反映了气流的波动能量随频率的分配，单位为 dB。图 2 模拟自然风频谱和自然风频谱比较2.2 个体送风系统 2李俊的动态个体送风系统基本就是贾庆贤装置的小型化，只不过将其集成在桌面式的可移动送风系统中。风口通过机械臂置于人头部前上方，高度、角度均可灵活调节，并能较好地将新鲜空气送至人的呼吸区，直接冷却人体上半部，而且不会影响人的正常工作。该系统从室外抽取新鲜空气，过滤后送入新风机组、静压箱，然后利用管道风机将空气沿保温软管抽送至桌面矩形孔板式风口。图 3 为送风与自然风、稳态风之间的频谱特性比较。图 3 送风与自然风、稳态风之间的频谱特性比
7、较从结果来看，该送风系统所产生的动态风在频谱特性上与自然风也较为接近，但具有这种特性的气流仅限于距离风口很近的范围内，随着距离的增大，频谱特性迁移变化相当显著，以至于不再具有类似于自然风的特征，成为本系统最大的问题所在。2.3 新型送风末端装置 3,4该动态送风末端装置如图 4 所示，简称 DFCU(Dynamic Fan-coil Unit)。风口尺寸为500120mm，与普通风机盘管的不同之处是来自风机的气流被隔板分成两部分。隔板由步进电机驱动,可根据控制信号改变其位置,两个通道空气流量发生相应变化,从而使送风速度产生较大的脉动。该装置有两个并联的换热器，当两个通路的风量变化时，送风温度也
8、会有所不同。此外，其出口风速与控制信号之间有着很好的一致性，因此可以通过不同的控制信号实现不同的出口速度动态化。对它在模拟自然风信号控制下的出风速度进行频谱分析表明，与稳态风相比，其在频谱上更接近自然风。图 4 动态送风末端装置结构示意图3 国内相关厂家的自然风产品国内厂家在这方面炒做得比较厉害，相关的新名词也是层出不穷。例如某公司提出的数字化混沌逻辑自然风（DIGITAL CHAOS）概念。这类产品几乎全部是利用数字技术对风轮、导风板、内部管路等构件加以控制，从而影响空气的某方面特征（如风量、风速、送风角等） ，实现所谓的自然风。目前已经开发出能够模拟自然风的通用电子式调节器。但纵观这些产品
9、的特性，发现这里所提的“自然风”和学术上所说的“自然风”在多数情况下并不是同一个概念。主要是原因如下：(1)厂家所宣称的自然风更多的是指空气品质。例如长虹的 “自然风”空调主要利用微电脑芯片对送风进行过滤、杀菌并生成负氧离子，提高空气品质，实现“自然风” ；同时也包括在气流组织上的改进，例如长虹公司将 CDA（“ 舒适分布气流 ”）理论运用于空调研究，将多种自然界的空气质量和气流运行状态数据存储在空调控制芯片中，使长虹空调拥有一颗“自然芯 ”。(2)学术上所讲的自然风则更多的强调与机械风的区别。目前的研究集中在二者的功率谱密度函数、二维相空间重构、信息熵、信息维数等方面的紊动特性差异比较上。这
10、种差异性研究缘于自然风和机械风所造成的热舒适性差异，并与热舒适研究密不可分，对于空气品质和气流组织形式的关注则不是太多。清华大学贾庆贤博士曾对商用风扇模拟自然风进行过分析 1。图 5 是这类电风扇所形成的空气流动频谱的典型分布。图中所显示的模拟自然风频谱与传统电风扇机械风频谱差别很小，其曲线较为平坦。图 5 电风扇模拟自然风的频谱4 国内相关研究进展4.1 风扇转速的 控制 51/f北京航空航天大学研究者毛峡使用了 LPF（低通滤波器）和 HPF（高通滤波器）并联后级联构成的 1/f 波动滤波器（如图 6 所示，其中 为衰减系数） ，产生的变化规律符合1/f 波动特性的数据。由于实验数据是自动
11、生成的，重复概率极小，避免了固定数据给人带来的单调感。为便于使用单片机对风扇电机进行控制，研究者使用了双线性变换法将模拟滤波器变换为数字滤波器。生成的 1/f 数据如图 7 所示。图 6 波动滤波器结构1/f图 7 波动数据1/f试验装置主要由控制单元和功率驱动单元构成。控制单元以单片机为核心，功率驱动单元以可控硅为核心，采用调相调压的方式使风扇电机两端的电压变化符合 1/f 波动规律，并使得转速变化范围扩大。毛峡使用 SD（Semantic Difference）尺度法，对 1/f 波动、白噪声和 1/f2 波动等 3 种不同类型的风做了对比试验，同时使用单因素方差分析法，讨论了舒适试验结果
12、差异显著性，确定了 1/f 波动控制方式对于提高人体舒适感的有效性。4.2 其他研究单位的进展早期研究者认为产生自然风就是改变风扇送风的强弱，因此大都通过改变电机端的电压和电流加以实现。例如利用 PIC 单片机有规律地控制晶闸管开始导通的时间，使电机负载上的电压和电流变化，实现自然风功能 6，7 。此外，早期也有人使用 PT2125 和 PT2126 型控制器控制风扇分别实现 “简单自然风”和“真正模拟自然风”功能 8，但是并不了解这两种自然风的区别何在。其中 PT2126 型控制器实现的自然风在风速上具有韵律变化规律，但不了解这种变化规律下的送风是否和自然风的紊动特性相同；其所实现的 3 种
13、不同风速的自然风皆以 256s 为单位周期变化，因此可能会产生单调感。自然风研究的商业化使得在设计电风扇智能控制模块时也融合了自然风技术。有的产品在自然风状态下，风扇按预定程序不规则运转，风量忽大忽小；配合风速键的设定可以有强、中、标准、弱等不同形式的自然风；研究者评价其“模拟大自然的风吹效果，柔和而舒适” 9。西北工业大学有学者在实验基础上提出了一种新型风扇的结构设想。这种风扇只需要电机和灌流式叶轮、弓形架和控制器，不需要涡壳和涡舌便可以实现 竖向均匀柔和送360风，结构简单、噪声低且送风类似自然风，但没有进一步的实验研究证实 10。90 年代初中期以后，有研究者利用 MCS51 单片微型计
14、算机、固态继电器控制交流电扇，设计了实现电扇自动换档调速，模拟自然风的软硬件方法 11，12 。但是这种方法实际上还是在有限几种稳态风速之间的切换，难免产生单调感，与真正的模拟自然风相差甚远。最近有研究者采用 AT89C51 为中央处理单元，作为控制系统的核心，通过控制双向可控硅的导通角实现三档风速的无极调速，并可实现模拟自然风，使风速更符合人的感受 13。但未说明如何产生控制信号和送风的频谱分析。综上所述，国内各单位的研究基本都集中在使用各种软硬件措施控制电机转速从而实现自然风功能。但是这些方案大都是在有限的几种风速间按照某种方式进行切换，吹风时间稍长，便可能会使人感到单调，容易疲乏；几乎所
15、有的控制方案均未细致说明控制信号是如何确定，并且也未提供吹风的紊动特性分析结果及热舒适实验结果。5 国外相关研究进展鹿岛建设在 1989 年建成的鹿岛(KI)大厦就声称采用了仿自然风的空调送风形式 16。安久正紘等日本研究者均试图通过控制风扇的转速变化来产生自然风 14，15 ，但均未能给出所产生气流的紊动特征参数，如功率谱，来证明其产生自然风的尝试是成功的。日本的山武-Honeywell 公司也曾投入大量研究经费来开发仿自然风的空调设备，发现在风口附近模拟出自然风就很难，更难以在房间空间模拟出自然风，因此在 90 年代中期停止了这项产品研究。尽管日本的学者在多篇论文中都强调了舒适的自然风 值
16、接近 1，但却未见有详实的实测数据公开。6 对于未来研究方向的初步设想综上所述，目前动态送风装置的研究主要集中在两个方向，即转盘控制法和电机控制法。转盘控制法中电机转速基本恒定，通过信号控制步进电机来带动转盘转动，从而实现风速动态化。这种方式目前还处于实验室阶段，尚无成熟产品，但是试验数据较为详细丰富，并有相关的频谱分析和热舒适试验，是目前研究较为充分的一个方向。电机控制法中，通过信号控制变频电机的转速从而实现风速的动态化，这种方式研究起步较早，并有相关产品投入生产营销，但是大都因控制策略简单，与自然风特性相去甚远。目前这个方向的研究难点就是如何来保证送风的频谱特性满足 1/f 特性，或者说如
17、何在频谱特性上更接近自然风，并能通过相应的热舒适试验对其性能加以证明。笔者认为，除了上述两个研究方向之外，还可以从以下角度加以研究：（1）送风装置扇叶的材质、形状、表面特征、边缘特征等，考虑这些特征对于送风的频谱特性的影响；（2）送风方向。自然风的特征不仅体现在它的风速动态性上，还体现在它的风向变化上。目前关于这个方面的研究还尚未起步。（3）扰流装置。这种装置对风速的动态化并无多大影响，但是对于改变送风的精细结构特征如湍流度、频谱特性等则会起到相当作用。这种装置是否会改善机械送风的特性使其更加接近自然风，尚无相关研究。（4）送风方位。有文献报道类似于吊扇的上送风形式可接受性更好，但目前尚无研究
18、者系统研究送风方位对于动态送风的影响。7 结论在动态送风装置的研究中，尚有太多的问题待探索，包括揭示气流紊动特征的形成与改变机理及其影响因素等。本文简要介绍了目前这个领域的研究现状，并对今后的研究方向提出了自己的见解。参 考 文 献1 贾庆贤.送风末端装置的动态化研究.清华大学博士学位论文， 2000.2 李俊，赵荣义.个体化微环境调节研究进展.暖通空调， 2003,33(3).3 孙淑凤，丁容仪，赵荣义等.新型送风末端装置性能的实验研究 .低温与超导，2003, 31(2).4 孙淑凤，丁容仪，赵荣义等.动态送风末端装置特性的实验研究 .制冷与空调，2002,2(5).5 毛峡，朱刚.1/
19、f 波动数据的产生及其舒适感分析.北京航空航天大学学报，2002,28(3).6 李东星，陈小牧.用 PIC 单片机制作电扇自然风发生器.电子技术，1993(11).7 金文.HT6337 系列遥控风扇译码控制器的特点及应用.国外电子元器件，1998(10).8 石秀芳.风扇控制器 PT2125 和 PT2126 的特性及应用.电子技术，1995(6).9 李昔华，王延川.电风扇智能控制模块的设计.渝州大学学报， 2000, 17(2).10 高永卫，周瑞兴，上官云信.一种新型风扇.风机技术， 2000(5).11 申桂英，史庆军，张颖.风扇控制器的微机控制.工业仪表与自动化装置， 2000(
20、2).12 喻汉平，杨木清.交流电扇的单片微机控制.中南民族学院学报 .，1994,13(2).13 丁建军，陈定方，周国柱.基于 AT89C51 的智能电风扇控制系统.湖北工学院学报，2003, 18(2).14 K. Oguchi，H. Adachi，T. Kusakabe，M. Agu，Digital system for 1/f fluctuation-speed control of a small-fan motor，Proceedings of IEEE，March 1988，Vol.76，Issue: 3，299-300.15 T. Hara，M. Shimizu，K. Iguchi & G. Odagiri，Chaostic Fluctuation in Natural Wind and Its Application to Thermal Amenty，Nonlinear Analysis， Theory， Methods & Application， 1997，30(5) ， 2803-2813.16 A. Okamoto，T. Hasegawa，S. Togari，Air-conditioning system of the KI Building，ASHRAE Journal，Aug. 1992，32-37.
