基于故障树分析的排风热回收空调系统故障诊断与应用

陈振阳，刘成刚，钱阳阳，徐宏列

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2.惠氏制药有限公司，江苏 苏州 215128）

暖通空调系统的故障诊断起源于20世纪80年代后期[1]。从20世纪90年代开始，IEA（国际能源组织）、DOE（美国能源部）、ASHRAE（美国采暖，制冷与空调工程师学会）等国际组织已经相继开展了暖通空调系统故障诊断方面的研究。在国内，香港理工大学的王盛卫团队、上海交通大学的晋欣桥团队、天津大学的李冬辉团队、湖南大学的陈友明团队，也基于不同的分析方法对空调系统的制冷系统、传感器等多种故障展开了较为系统地研究。

目前国内外学者对常规空调系统的故障诊断已有大量的研究，但很少有人对排风热回收空调系统的运行及故障进行系统地研究。该类空调系统出现故障时，由于缺少故障诊断和维修方面的参考，加上维修人员在此知识上的匮乏，往往不能及时排除故障，影响了该类空调系统的稳定运行。该文通过故障树分析FTA方法对排风热回收空调系统进行故障诊断，为该类空调系统的故障诊断和维修提供了参考。

1 排风热回收空调系统结构与原理

板式、转轮式、中间热媒式是空调系统中最常使用的几种热回收方式。中间热媒式凭借其布置灵活方便、占用空间小、新风和排风不会产生交叉渗透和污染等特点，一般应用于制药厂、实验室、医疗建筑等这些需要隔离送风和排风的空调系统[2]。

苏州某制药厂现有一台服务于实验区的全新风定风量空调机组，处理新风量56 575 m3/h。实验区配备多台排风机，其中排风量最大的排风机排风量为36 675 m3/h，空调机组使用的热水由热水机房统一供应。基于制药厂空调系统的特点，采用了体积浓度25%的乙二醇溶液作为中间热媒式对空调排风进行热回收，通过排风换热器将排风与乙二醇溶液进行换热，将排风中的热量（冷量）传递给乙二醇溶液，溶液温度升高（降低），然后通过循环泵将乙二醇溶液输送到新风换热器中与新风进行换热，提高（降低）新风的温度，以此降低空调机组的功耗，达到热回收和节能的目的[2]。

该排风热回收空调系统由新风换热器、排风换热器、热盘管、循环泵（额定流量25 m3/h）、风机、数个传感器和阀门组成。新风换热器、排风换热器、热盘管前都设有过滤网（见图1）。排风热回收模式下新、排风旁通关闭，循环泵开启。

2 故障树模型的建立

故障树分析法是一种以图论表示的定性分析方法，该方法将系统最不愿意发生的故障作为顶事件 （符号：），围绕顶事件找出导致顶事件发生的中间事件 （符号：），以此类推直到找到最终导致故障发生的底事件（符号：），再用逻辑“或门”（符号：）和“与门”（符号：）将这些事件相互连接，形成故障树模型[3]。

2.1 故障树模型建立的前提和准则

（1）主要考虑该排风热回收空调系统的软故障（部件性能下降或部分失效），如过滤网堵塞、风管堵塞等；不考虑该系统的硬故障（部件完全失效），如风机烧毁、风管破裂等[3]。

（2）文中故障树建立以该系统设计合理且各部件选型正确为前提。

（3）由于实际运行时两个故障源同时发生的概率很小，本文故障树建立只考虑单一故障源发生。

（4）文中主要针对空调系统进行分析，对导致热回收效果差的故障不再作进一步分析。即不再进一步分析导致“新风换热器换热能力下降”和“排风换热器换热能力下降”的原因，将“新风换热器换热能力下降”和“排风换热器换热能力下降”作为不可分割的底事件。

图1 排风热回收空调系统简图

2.2 故障树模型的构建

该排风热回收空调系统与常规的空调系统的结构和原理有很大的不同，根据对该系统的组成和工作原理的理解，可知，热回收模式下，冬季空调区域的热负荷主要由空调机组和排风热回收的热量两部分来承担。

选取“冬季空调区域温度过低”这一常见故障作为顶事件进行故障分析。构建的故障树如下图2，图中T为顶事件，M为中间事件，X为底事件。图2中各事件的含义如表1所列。

图2 “冬季空调区域温度过低”故障树

2.3 故障树定性分析

故障树定性分析，主要指求出故障树的所有最小割集，找出系统最薄弱的环节。该故障树模型中只包含“或”门，采用上行法求该故障树模型的最小割集，计算过程如下：

M7=X21+X22+X23+X24

M6=X19+X20

M5=X17+X18

M4=M5+M6+M7

M3=X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16

M2=X3+X4

M1=M3+M4

T=M1+M2+X1+X2

=(M3+M4)+(X3+X4)+X1+X2

=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+M5+M6+M7)+X3+X4+X1+X2

=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24

运算结果显示，最小割集的完整集合就是全部底事件，表1中的底事件X就是该空调排风热回收系统“冬季空调区域温度过低”的所有故障因素。

表1 故障树各事件含义表

3 故障树模型的应用

在冬季的某几天中使用者反映空调区域出现温度过低的现象，根据“冬季空调区域温度过低”故障树模型，结合监测平台和已有设备进行了现场测试，检验该故障树模型能否解决实际故障，操作步骤如下。

第1步：温度传感器显示空调区域温度为18.6°C，远远低于冬季空调区域设计温度22.0°C，根据图2所给出的故障树模型，首先检验空调区域温度传感器是否失效，检查事件X1，现场采用温度计对空调区域的温度进行测量，测量结果显示空调区域的温度为18.0°C，在误差范围内，继而排除底事件X1“空调区域温度传感器失效”。

第2步：检查底事件X2，即检查送风管道的保温效果是否下降，经现场排查，送风管道的保温层无明显破损，继而排除底事件X2“送风管道保温效果差”。

第3步：检查中间事件M1，即检查空调机组换热能力是否下降，即检查中间事件M3、M4。首先检查中间事件M3，现场采用气体流量计对送风量进行测量，测量结果显示风量为55 900 m3/h，在正常范围，排除中间事件M3“送风量过少”下的所有底事件。

第4步：检查中间事件M4，即检查送风温度是否过低，现场采用温度计对送风温度进行测量，显示送风温度为21.1°C，远远低于送风温度设计值，进而检查中间事件M4下的所有事件。

第5步：检查中间事件M5，即检查事件X17、X18，现场检查发现热盘管气侧积灰严重。

第6步：确定故障为X17“热盘管气侧积灰”，对热盘管进行清洗操作。

以上排查过程验证了该故障树模型在解决实际故障时实用性和高效性，本文根据实际经验针对底事件的故障原因给出维修意见，如表2所示。

4 结语

基于故障树分析FTA方法得到了该排风热回收空调系统“冬季空调区域温度过低”的故障树模型，并在实际空调系统发生故障时，证实了该故障树模型的实用性和高效性，减少了故障诊断时的不必要操作，简化了维修程序，保证了该系统的稳定运行。为该类排风热回收空调系统的故障诊断提供了参考，对该类排风热回收空调系统的发展和应用有实际的意义。

表2 故障维修意见