动态平衡阀及其在暖通空调工程中的应用

专家论坛动态平衡阀及其在暖通空调工程中的应用（机械工业部设计研究院李著萱）随着我国国民经济的高速发展，城市的建筑建设规模越来越大，人们对室内环境的要求也越来越高。尤其是建设在黄金地带的商业建筑，如何能提高有效的商用面积率：保证空调系统的使用和运行并不由此而增加能耗？是暖通专业及建筑开发商共同关注的问题。1．暖通空调设计中水力系统的现状无论是空调或采暖工程中，由于条件的制约及不可能完全采用同程系统。而异程系统在实际的设计中，为了保证系统最不利环路末端的资用压头，所有其他空调采暖设备末端的资用压头往往大于设计工况的需要值，特别是在规模大建筑功能复杂的工程中，异程管线长，末端设备的阻力差异大及空调末端启停差异大的系统，在靠近冷热源位置的资用压头余量过大，往往出现流量分配偏离设计状态，导致其系统水力失调。流量的偏差会产生冷热源近端的空调太凉或采暖不热的现象。不但不能保证使用的功能，还造成了能源上的浪费。2．解决水利失调的办法2．1加节流孔板在热力入口或空调靠近冷源环路的部分管段上增加节流孔板。采用这种办法解决水力失调的前提是：水系统阻力计算准确、热力或空调末端流量不能发生变化。因此在末端流量变化时仍会造成水力失调及能源上的浪费。2．2安装手动调节阀对大型空调系统而言，采用手动调节阀调节过程复杂，手动调节前端阀门，后端流量会受影响。后端调整流量，前端流量又会变化。因此调节费时费力；对于复杂系统，要求调节阀门的工程师经验丰富。并且一旦系统压力或负荷发生变化仍需要重新调整水力系统。2．3安装动态流量平衡阀热力入口或空调设备末端的设计流量确定后，根据流量及阀门处的压力变化范围选定动态平衡阀，安上设置好的阀门既可使用。只要阀门处的压差变化在阀门的设计压力范围内，无需任何人为的调节。3动态平衡阀的特点3．1动态平衡阀的工作原理：通过改变平衡阀的阀芯的过流面积来适应阀门前后的变化，从而达到控制流量的目的。动态平衡阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，对于不可压缩的流体其简化流量的方程为：Q=KA（△P）?式中：Q——通过平衡阀的流量；K——阀门开度的流量系数；A——阀芯的过流面积△P——阀门进出口压差由于在阀门的开度不变的前提下，K值的变化可忽略，因此阀门的流量要保持恒定应控制A（△P）?不变。而平衡阀由可变过流面积的阀胆和高精度（±5%）的弹簧及支撑装置构成。弹簧受压差的作用自动控制阀胆上过流面积的大小，从而使通过阀门的流量恒定。3．2阀门的工作过程：当平衡阀前后压差小于最小启动压差是弹簧未被压缩，流通面积最大。当阀门前后压差在工作范围时阀胆压缩弹簧，进入工作状态，水流通过阀胆两边的圆孔和几何型的通道流过；由于阀胆在运动，两边几何流型的通道也因此变化—阀体的流通面积不断变化，在这一压差范围内水流流量基本保持恒定。当平衡阀前后压差超越工作范围是，阀胆完全压缩弹簧，水流只从阀胆两边的圆孔流过，此时阀胆变成了固定的调节器，流量与压差成正比，随压差的增大而增大。动态平衡阀具有在一定的压力范围内限制空调末端设备的最大流量、自动恒定流量的特点，在大工型、复杂、空调采暖负荷不恒定的工程中，简化了系统调试过成，并缩短了调试时间。特别是在异程水系统中使用平衡阀，可以容易实现水力工况平衡、满足设计环境温度的要求，并且在空调系统的运行中末端设备可以不受其他末端的启停干扰。4动态平衡阀在实际工程中的应用4．1区域供暖热力入口处采用动态平衡阀，保证系统所需流量。室内采暖系统，温控阀保证每个散热器通过所需流量，动态平衡阀保证各立管流量恒定，解决水平失调。4．2空调系统大型集中空调系统中，在空调设备（空气处理机及风机盘管）末端设置平衡阀，通过三通（或两通）电动阀保证设备所需流量，平衡阀实现水力工况调节。在冷热源，冷却塔、水泵等处当设计管线受限时。用平衡阀来避免负荷偏载，保证设备的正常运行。5空调系统设计动态平衡阀反感因该注意的问题5．1动态平衡阀只起水力平衡的作用，不能用于负荷调节由于对动态平衡阀的误解，容易认为平衡阀也能平衡空调或采暖负荷，用平衡阀取代电动三通阀或两通阀。但随着维护结构负荷或室内负荷（人员、设备、照明等）的动态变化，要求空调设备提供的水量也动态变化，才能如人所愿——既能保证室内温度的要求、又起到了节省的作用。在大型空调系统中，空调设备设置了平衡阀后；各个设备的启停不会干扰影响其他设备的水流量，平衡阀起到了水力平衡的作用；而电动三通或两通阀节流，能够调节环境负荷所需数量。目前，带电动自控制功能的动态平衡阀已经面市，按负荷需求动态平衡空调系统实行节能就更容易实现了。因此采用带电动自控功能的动态平衡阀，可以将水力平衡与负荷调节合二为一，并直接用电脑控制设定流量，还简化了安装及便于安装在狭小的空间内。5．2动态平衡阀不应该多极设置在空调设置中，手动调节阀是多极设计的。而按照这一方法多极设置动态平衡阀设计概念是不对的。其理由是：如果下级的一个或多个设备关闭电动阀，而上级平衡阀扔保持流量不变，则会造成下级未关闭的设备流量增加，不但加大了水流噪声，还会影响使用功能，并且也增加了不必要的经济投资。5．3空调设计中应根据冬夏供回水温差水量合理设置动态平衡阀在四管制空调系统中用两个平衡阀是可以满足冬季及夏季不同的水量要求的，当冬、夏季节空调供热、冷水温差不同时，水流量差异很大，因此在两管制水系统中则应根据冬、夏季不同流量的要求设置平衡阀：方法一，设置可变流量型动态平衡阀，冬夏换季时转换阀门。方法二，设置两个平衡阀，阀1按冬季流量选择阀门，阀2按夏、冬季最大水量之差选择阀门，冬季阀1，夏季开两个阀，用两个阀门实现空调设备的四管制功能。方法三，采用带自控装置的动态平衡阀通过电脑设置流量。否则，由于冬季夏季空调水流量不同，而简单在空调末端上设置固定流量的动态平衡阀是不可能满足两个季节的水量平衡的。6动态平衡阀工程设计实例6．1工程简介座落在北京繁华的王俯井商业街的新东安市场，是由北京东安集团与香港新鸿基房地产发展有限公司合资兴建的工程，占地面积约21400m2。工程建设规模庞大，建筑平面分为A、B、C、D四个区，其中A、B、C区为新东安市场部分；D区为动城区回迁部分。地下三层，地上六层，裙房之上的写字楼为十一层（图1新东安市场平面分区示意图）新东安市场冷冻机房总负荷为10450RT（约36750KW）。空调水由地下三层冷冻房引至地下二层。为了减小非商用面积。水系统为下供下回双管异程式系统。从地下二层至各区的20个空调水管井。风机盘管水系统根据建筑负荷特点分为内区，外区两个环路。内区只供冷冻水，外区冬季供热水。根据气候及室内符合情况，通过楼宇自控系统在地下二层按竖井电动切换控制外区双温水的冷、热水开关。6．2空调设计的平衡阀方案对于冷冻机组和冷冻泵来说，为了避免由于各种因素造成的负荷偏载发生，在冷冻机和定水流量的二次泵出口上安装了平衡阀。由于新东安市场建筑平面大，并且业主及建筑师要求“黄金之地”有效商用面积率高，因此设备用房和管井面积小，并其位置也很不利，这样对纵向达108m，横向跨越270m的管路系统来说，管路的阻力平衡和系统调试的困难是相当大的。为了解决水系统“管线长，难平衡”的困难，设计过程中拟订了两套平衡方案。方案一：多极设置普通水管井间安装平衡阀①在主管线与20个暖通水管井间安装平衡阀②在竖井出口位置安装平衡阀③在每个空调箱上安装平衡阀④在每个租户的出水口上安装平衡阀方案二：使用动态平衡阀①在末端装置风机盘管上安装平衡阀②在末端装置空调箱上安装平衡阀经过经济比较，最终采纳的平衡阀方案是①空调箱末端安装平衡阀及自控阀②零售和内区写字楼两或三个风机盘管合用一个平衡阀及自控阀，外区写字楼每个风机盘管自用一个平衡阀及自控阀。6．3平衡阀应用总结①长管线异程大系统多级安装普通平衡阀价格高于末端设备一级动态平衡阀。②在末端装置上安装动态平衡阀，维修时影响的范围小，并各租户空调设备启停的影响。③动态平衡阀自带过滤器，避免了水系统管路中的污垢对自控阀门的损伤。④由于动态平衡阀在某一段压力范围内的误差只有±5%，其些设备的开或关对其他设备的流量几乎没有影响，保证了末端装置水流量的稳定性。新东安市场工程是政府关注的工程，工期紧；随着市场的变化也引起了工程设计的多次变化。因此工程等不及调试就马上开业，虽然调试工作仍未全面进行，但由于使用了动态平衡阀，空调面积达18万平方米的异程水系统，“不调即用”的确使业主受益。整个新东安市场建筑功能比较复杂，内含写、，计算机网络中心、商场、零售店铺、餐饮、电影院等，其建筑平面复杂、变化多端。其建筑功能也不可能相对集中。业主要求设计要作到动态适应市场的变化—以不变应万变，因此空调负荷的性质多变、各区、各类的空调最大负荷时刻也不相同。然而正式采用了正确的设计方案和这种不受其他空调末端启停干扰的动态平衡阀，动态保持各开启末端的流量，使这个庞大的异程空调水系统的安全正常运行得到保证。至今为止尚未发现由于水力失调而引起的“租户投诉”，从目前情况看来，新东安市场工程中使用动态平衡阀是成功的。近年来北京地区在空调系统和供热系统中采用了一些流量和压差控制阀，取得了较好的效果，由于种类较多、性能各异，设计者选用有一定的困难。本文产品样本、厂家的介绍以一些参考资料，结合工程中遇到的问题，作一些初步的分析，希望有助于正确选用调控阀门。关键词调节控制平衡阀流量控制阀压差控制阀供暖系统和空调水系统均存在水力不平衡而引起的运行工况失调问题，因此水系统的初调节和运行中的调节控制成为十分重要的问题。由于各种水系统本身的特性和需求的不同，需要采用各种不同构造、不同性能的水力平衡阀门来实现流量的调控。目前，在工程中用到的有平衡阀、流量限制阀（亦称动态流量平衡阀、流量限制器、自力式平衡阀等）、压差控制阀、恒定流量控制阀。只有正确选择合理的调节阀门，才能使流量调控达到预期的效果。笔者收集了这类阀门的样本及资料，下面将这些阀门的构造、特性和使用范围做粗线的介绍。各厂家生产的阀门称谓不同，目前尚无统一的名称，下面为了叙述方便，将以控制压差为目标的称谓压差控制阀。1．平衡阀（静态）该阀的外形见图1-a,平衡阀是一种调节阀，调节性能好，一般接近线性特性或部分等百分比特性，见图1-b.平衡阀需要人工设定开度，实际上是一个局部阻力系数可以人工改变的阻力元件，平衡阀阀芯前后有两个测压孔，可用来测量压力、压差和流量。平衡阀用在系统的初次调节，可安装在每幢楼的采暖入口或并联支路上。调试时必须采用职能仪表与阀门的两个测孔相连，通过智能仪表和计算机软件计算确定每一平衡阀的开度。调节方法有很多种，调节速度和调节精度等各不相同。无论采用哪种方法，都要求在每一并联支路上均安装平衡阀，不能只在管路阻力偏小的支路上安装，否则职能仪表无法测出每一支路的压差或流量，平衡阀职能起到手动调节的作用。系统初调节完成后，各平衡阀的开度被固定，其局部阻力系数被固定，如果系统为定流量系统，则系统始终处于平衡状态。当系统增加或减少用户时，必须用智能仪表重新测试并确定各阀门开度，达到新的流量平衡状态。平衡阀用于变流量系统时，职能起到阻力元件作用，即在系统初次调节时能起到调节流量平衡的作用，尤其在管路水力计算中，用改变管径难于平衡时，有平衡阀可以解决问题。但在运行中，由于工况不断变化，此阀不能随时变化，不能起到动态平衡作用。为了区分方便，可以称此阀为静态平衡阀，而不能称为流量或压差控制阀。2．流量控制阀经常称为动态流量控制阀，根据性能可分为下面两种：2．1固定流量型根据作用原理不同，此阀分为两种：2．1.1调节过流面积型此阀厂家称为动态平衡阀，阀的外型见图2.1.1-a,当系统内有的用户阀门进行调节时，管网中压力发生变化，引起其他用户流量发生变化，采用此种阀门后，流量可以保持不变。其工作原理是，作用在该控制阀前后的压差发生变化后，通过弹簧的作用，使阀胆移动，水流通过阀胆两边圆孔和几何通道的面积改变，以保持流量不变，此种阀门相当于一个局部阻力随时改变的节流元件。水为不可压缩流体，通过阀的水流量公式如下：G=K·F√△P式中G——流量平衡阀的