平衡閥在空調(diào)水系統(tǒng)末端的使用研究

張子平，王 云，胡秋明(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

平衡閥在空調(diào)水系統(tǒng)末端的使用研究

張子平，王 云，胡秋明
(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

摘 要：針對空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡問題，分析了現(xiàn)有的幾種平衡閥的工作原理，研究了在解決空調(diào)末端水系統(tǒng)水力平衡問題時，平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥相互配合使用所達(dá)到的效果，同時指出了其中存在的問題.提出了各種平衡閥配合使用以解決水力平衡問題的方法.結(jié)果表明，平衡閥配合使用并非是各自作用簡單的疊加，在使用時還需正確選擇閥門以及合理設(shè)置閥門的安裝位置.

關(guān)鍵詞：平衡閥；水力平衡；電動調(diào)節(jié)閥

由于流體具有良好的流動性[1]，而被當(dāng)做熱(冷)量運輸?shù)妮d體，它廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)中.另一方面，流體之間的粘滯力卻帶來了嚴(yán)重的水力平衡問題，尤其是在管網(wǎng)較為復(fù)雜時，這種情況越嚴(yán)重[2].水力平衡問題一直以來都是暖通空調(diào)界不斷努力攻克的一道難題.

對于空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)末端是最具有特殊性的一部分.一方面，它直接將最終處理好的空氣送入室內(nèi)，是保證室內(nèi)舒適性的最關(guān)鍵的部位.另一方面，不同末端用戶對溫度、濕度等要求的多樣化使得末端設(shè)備的設(shè)計、選型、安裝、調(diào)節(jié)具有多樣性、易變性.由此解決末端的水力平衡問題也就顯得尤其重要.

近年來.隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，水力平衡問題的解決方法也逐步的朝著精確、簡單的方向邁進(jìn)[3-4].于是，平衡閥技術(shù)應(yīng)運而生.雖然平衡閥的應(yīng)用只是由于設(shè)計人員經(jīng)驗不足等原因而采取的補(bǔ)救措施，但對于解決水力平衡問題，作用仍不可小覷[5].國內(nèi)外專家在解決水力平衡問題上都有自己獨到的見解，甚至出現(xiàn)了兩種截然相反的觀點[6].國內(nèi)學(xué)者通過對水力失衡原理分析，提出通過降低系統(tǒng)中存在的阻力和加強(qiáng)流體流動從而達(dá)到水力平衡要求的方法，并開始做了相應(yīng)的研究.如江億于1997年提出了基于末端閥門開度和供回水溫差的兩級泵系統(tǒng)控制邏輯[7];中國建筑設(shè)計研究院的潘云鋼一直致力于以水泵替代閥門來降低能耗的研究[8-9].

國外專家在20世紀(jì)后期提出了全面水力平衡技術(shù)[10-11]，他們用相反的分析方法，主張通過平衡閥來消除管道中的多余流量實現(xiàn)水力平衡.隨后，平衡閥的應(yīng)用在瑞典出現(xiàn)[12]，在解決水力平衡問題上取得了相當(dāng)不錯的成績.同時，隨著科技的發(fā)展，平衡閥被引入了中國.我國也開始了對平衡閥的使用與研究.例如林萍詳細(xì)的分析了市場上常見閥門的工作原理，以及在水力系統(tǒng)中應(yīng)用的合理性[13].2004韓曉紅證明了平衡閥安裝位置不同會對水力工況產(chǎn)生不同的影響[14].2009年曹琦在文章《暖通空調(diào)水系統(tǒng)水力平衡的誤區(qū)》中，揭示了設(shè)計人員由于盲目添加平衡閥造成的能源浪費問題[15].但由于國內(nèi)外暖通空調(diào)系統(tǒng)的差異，并不能將國外技術(shù)直接應(yīng)用于國內(nèi)，國內(nèi)平衡技術(shù)發(fā)展仍不成熟.所以如何使用平衡閥解決水力平衡問題研究仍不夠深入，尋找一種正確的使用方法尤為重要.本文根據(jù)我國實際情況提出閥門配合使用方法及問題，希望能對解決水力平衡問題有一定幫助.

1　常見平衡閥的特性與原理

目前主要利用水力平衡閥來解決末端水力平衡問題.市面上常見的平衡閥多種多樣，但主要以靜態(tài)平衡閥、壓差平衡閥、動態(tài)流量平衡閥這三種為主.

1.1 靜態(tài)平衡閥

靜態(tài)平衡閥應(yīng)用較早，是一種阻力系數(shù)不變的節(jié)流元件.它一般通過調(diào)節(jié)開度，控制整個系統(tǒng)的阻力按比例分配系統(tǒng)流量.其調(diào)節(jié)范圍較廣，精度控制較高，另外還兼有截止閥的截止流量作用，在水力平衡系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛.

1.2 壓差平衡閥

壓差平衡閥在運行過程中自身消耗壓差可發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)自身開度，改變自身消耗壓差來實現(xiàn)所控環(huán)路壓差的恒定，實現(xiàn)穩(wěn)定壓差的功能.

壓差平衡閥按其安裝位置可分為供水型和回水型，以回水型應(yīng)用居多.下面以回水型壓差平衡閥為例簡述其工作原理.

回水型平衡閥安裝在回水管上，導(dǎo)壓管與供水側(cè)連通，供水壓力通過導(dǎo)壓管被導(dǎo)入膜盒的上膜室，閥前壓力被導(dǎo)入下膜室，此時，處于膜室之間的彈簧會產(chǎn)生一個與兩側(cè)壓差相反的彈力來使膜片處于平衡狀態(tài)，即:

式中，ΔP——彈簧所產(chǎn)生的彈力，Pa;

PA——供水壓力，Pa;

PB——閥前壓力Pa

式中，F(xiàn)——彈簧作用力，N;

K——彈簧剛度，N/ m;

S——膜片有效感應(yīng)面積，m2;

Δl——變形長度，m

綜合來講，壓差控制閥主要功能有三點:

1)系統(tǒng)的壓差恒定.

2)系統(tǒng)內(nèi)部可以自主調(diào)節(jié).

3)系統(tǒng)可以吸收外網(wǎng)壓差波動.

例如當(dāng)供水壓力PA發(fā)生變化時，膜片帶動閥蕊發(fā)生移動，直到達(dá)到一種新的平衡.此時，若彈簧壓力為ΔP'，則，此時Δl'≠ Δl .由于在閥門的制造過程中，閥門的彈簧選擇具有針對性，即行程變化極小以及忽略預(yù)壓縮量，此時認(rèn)為Δl'≈Δl，即ΔP'≈ΔPS.近似認(rèn)為膜片兩端壓差未發(fā)生變化，當(dāng)被控環(huán)路內(nèi)部發(fā)生變化時，壓差平衡閥仍能保持恒定壓差.如某一支路打開，此時，由于支路并聯(lián)阻力系數(shù)S的減小，閥前壓力PB增大，閥芯上移，使得流通面積增大.同時流通阻力，即工作壓差(PB- PC)減小，流量增大，使得PB下降到原來大小.這個過程中，被控環(huán)路內(nèi)部壓差(PA- PB)保持恒定.

壓差平衡閥除了上述工作壓差(PB- PC)與被控環(huán)路壓差(PA- PB)外，還有一個重要的參數(shù)即流量范圍，指的是維持在控制壓差范圍時平衡閥本身所允許流過的流量范圍.

式中，Q——液體的流量m3/ h;

Kv——閥門(流量)系數(shù)，與開度有關(guān);

ρ——液體的密度，對于4℃的水ρ= 1，對于80℃的水，ρ=0.97;

ΔP0——被控壓差，bar.

當(dāng)被控環(huán)路端壓恒定時在一定開度下，被控環(huán)路設(shè)備流量保持穩(wěn)定.其壓差平衡閥特性曲線如圖1所示.由圖可知，只有當(dāng)外界壓力達(dá)到被控壓力1.5倍時，壓差平衡閥開始工作，此時不再受外界壓力變化，而未達(dá)到工作壓力時，兩者呈線性關(guān)系.

1.3 動態(tài)流量平衡閥

動態(tài)流量平衡閥分為固定流量型與可調(diào)流量型，兩者區(qū)別在于是否能在出廠后進(jìn)入現(xiàn)場時再次發(fā)生調(diào)節(jié).動態(tài)流量平衡閥時根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點，在一定的變化壓差范圍內(nèi)，維持流量的基本恒定.它相當(dāng)于一個局部阻力可變的節(jié)流元件，通過改變閥芯過流面積來適應(yīng)閥門前后壓差的變化，無論閥門入口處流量大小，只要在工作壓差范圍內(nèi)出口流量恒定.動態(tài)流量平衡閥的特性曲線如圖2所示.

圖1　壓差平衡閥特性曲線Fig.1 Characteristic curve of the differential pressure balance valve

圖2　動態(tài)流量平衡閥特性曲線Fig.2 Characteristic curve of the dynamic flow balance valve

2　空調(diào)水系統(tǒng)末端的閥門配合應(yīng)用

雖然平衡閥的作用和原理都較為簡單，但是單獨使用平衡閥并不能達(dá)到預(yù)期效果.將不同閥門合理配合是解決水力平衡問題的另一種有效方法，但如何配合達(dá)到更好的效果仍需深入研究.通常用于配合使用的閥門一般為電動調(diào)節(jié)閥.電動調(diào)節(jié)閥是風(fēng)機(jī)盤管的配套產(chǎn)品，由同步電機(jī)作為驅(qū)動，具有彈簧自動復(fù)位及手動開閥杠桿操縱功能.另外電動調(diào)節(jié)閥由電動調(diào)節(jié)閥門、比例積分溫度控制器和溫度傳感器三部分組成.在控制原理上，由溫度傳感器將檢測的溫度信號傳送至溫度控制器.然后，控制器將檢測到信號和設(shè)定信號不斷比較.同時輸出信號控制閥門開度調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)了室內(nèi)舒適性的要求，從而具有很好的調(diào)節(jié)性能.

目前最常用的兩種配合方法是壓差平衡閥與電動閥門配合使用和動態(tài)流量平衡閥與電動閥門配合使用.雖然兩種方法都在一定程度上對解決水力平衡問題是有幫助的，但二者的適用性以及所能達(dá)到的調(diào)節(jié)精度要求都不是完全相同的.

2.1 動態(tài)平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用

末端設(shè)備壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用連接，如圖3所示.

圖3　動態(tài)壓差平衡閥與電動閥配合使用Fig.3 Match usage about dynamic differential pressure balance valve and electric valve

壓差平衡閥安裝在空調(diào)機(jī)組的回水管路上，導(dǎo)壓管與供水管連接.當(dāng)壓差被設(shè)定后，無論一端管的壓差如何變化，另一端管段兩端的壓差都保持不變.對于末端系統(tǒng)而言，管道兩端壓差為外界壓差，此時壓差平衡閥能有效隔斷外界干擾.末端設(shè)備動態(tài)流量平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用連接，如圖4所示.當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，目標(biāo)區(qū)域測量溫度t與設(shè)定溫度t0比較，通過溫度控制器信號變化，控制電動調(diào)節(jié)閥開度從而達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的.

圖4　動態(tài)流量平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用Fig.4 Match usage about dynamicflow balance valve and electric valve

2.2 閥門配合存在的問題

雖然壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥、動態(tài)流量平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合都在一定程度上達(dá)到了壓差控制與穩(wěn)定流量的作用，但兩者均有不足.

對于壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥組合而言，在壓差保持恒定時，雖然流量由電動調(diào)節(jié)閥控制，只由其開度決定，但流量-開度關(guān)系并沒有確定性.這種組合還主要受到電動調(diào)節(jié)閥閥權(quán)度的影響，當(dāng)末端設(shè)備與管道所組成的支路發(fā)生變化時，阻力特性改變.此時，流量—開度曲線也會發(fā)生改變，使得壓差調(diào)試無參考依據(jù)，其精度難于控制.在壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用過程中，一般選用的電動調(diào)節(jié)閥尺寸都會偏大，這樣較多時間電動閥處于小開度運行，從而導(dǎo)致電動閥的兩端壓差較大、壓差平衡閥權(quán)度較小、閥控制不穩(wěn)定以及精度不夠等問題.此時，電動閥噪音也會隨壓差增大而增大.當(dāng)閥門全部打開時，末端設(shè)備將出現(xiàn)過流現(xiàn)象.

針對此種情況，可在原有基礎(chǔ)上增設(shè)靜態(tài)平衡閥.通過在電動調(diào)節(jié)閥兩端設(shè)置靜態(tài)平衡閥與動態(tài)平衡閥組合，利用靜態(tài)平衡閥消除部分壓差，從而增大調(diào)節(jié)閥的開度.同時利用動態(tài)平衡閥控制電動調(diào)節(jié)閥的兩端壓差恒定，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度在一個較大的范圍，提高其調(diào)節(jié)能力.壓差平衡閥仍保持吸收外界管網(wǎng)被動和末端設(shè)備壓降變化的功能，如圖5所示.

圖5　靜態(tài)平衡閥、壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合使用Fig.5 Match usage about static hydraulic balancing valve，dynamic flow balance valve and electric valve

對于動態(tài)流量平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥配合容易出現(xiàn)的問題是兩者動作不統(tǒng)一，而不是簡單的兩者作用壓差疊加，一般是通過相互阻礙來保持流量恒定.當(dāng)兩者都選用末端設(shè)備所需設(shè)計流量相同的閥門或電動調(diào)節(jié)閥流量小于動態(tài)流量平衡閥采用的設(shè)計流量時，設(shè)備大部分時間處于小于設(shè)計流量的狀態(tài)，導(dǎo)致平衡閥全開，但未達(dá)到動態(tài)流量平衡閥的工作壓差范圍.此時，流量的大小完全靠電動調(diào)節(jié)閥開度決定.

如果選用電動調(diào)節(jié)閥流量過大，即大于設(shè)計流量.動態(tài)流量平衡閥仍處于設(shè)計流量狀態(tài)下或流量小于設(shè)計流量時，仍然出現(xiàn)上述情況.當(dāng)流量增大到設(shè)計流量時，平衡閥處于額定工作范圍內(nèi)，流量開始穩(wěn)定，不發(fā)生變化.此時，若繼續(xù)增大電動控制閥的開度，則顯得沒有意義，而電動調(diào)節(jié)閥作為限流閥門失去部分調(diào)節(jié)功能.組合閥門與單獨閥門的動態(tài)流量平衡閥已無差異.鑒于以上配合使用所達(dá)到的效果不佳，有關(guān)研究人員開發(fā)出了一體閥，既能發(fā)揮二者獨自的優(yōu)勢又能克服二者相互抵制的影響，但一體閥是否能達(dá)到上述要求仍需研究.

3　結(jié)語

綜上所述，不同的平衡閥雖然都有一定的水力平衡作用，但并不是閥門相互組合就一定能達(dá)到作用疊加，有的甚至限制了各自閥門的優(yōu)勢作用，增加了管網(wǎng)阻力，另外相同閥門組合位置不同所達(dá)到的平衡效果也就不同，因此合理組合閥門正確分配閥門安裝位置是解決水力平衡問題的必要手段.

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(責(zé)任編輯：張陽，付強(qiáng)，李建忠，羅敏；英文編輯：周序林)

Balance valves from the end of the water system in air conditioning

ZHANG Zi-ping，WANG Yun，HU Qiu-ming
(Institute of Urban Construction，Hebei University of Engineering，Handan 056038，P.R.C.)

Abstract:For the hydraulic balance problem in the air conditioning system，the existing kinds of balancing valves is analyzed，and the balance valve and electric control valve are cooperated with each other in solving the hydraulic balance problem.Besides，the problems in the combination are illustrated.It is pointed out that all kinds of balance valves should be used in any combination，in order to solve the problem of hydraulic balance methods.The results show that the combination of balance valve is not necessarily a function of both stacking.In addition，it is still needed to select valves correctly when they are used，and valves installation position should be in a rational distribution.

Key words:balance valve;hydraulic balance;electric control valve

中圖分類號：TU83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-4271(2016)02-0224-05

doi:10.11920/ xnmdzk.2016.02.016

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：張子平(1959 - )，男，漢，陜西人，教授，博士后，研究方向:暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù).E-mail:1255455937@ qq.com.

基金項目：河北省研究生創(chuàng)新能力資助項目(92060006)