电动可调式动态流量平衡阀和末端电动调节定压差阀结合的水力平衡与控制策略

　　分析了集中空调系统水力失调的原因和解决措施，通过比较末端恒压差控制系统和应用电动可调式动态流量平衡阀的控制系统的控制原理以及变流量条件下的能耗高低，研究了这两个控制系统对管网中调节阀流量特性曲线的影响，具体分析了设备效率对系统性能的影响。

引言

　　在全球化节能减排的大环境下，集中空调系统能耗的有效降低，将会为整个社会的节能减排作出一定的贡献。然而空调系统的节能应该在满足负荷要求的条件下进行，并在此基础上力求系统管网的全面水力平衡和设备的高效率运行，这样才能保证系统运行的经济性。为此，本文着重从水系统的全面水力平衡和控制两方面分析其对系统性能的影响。

1、集中空调系统水力失调原因以及解决措施

　　如果集中空调系统失去水力平衡，会使某些区域的冷量或热量达不到设计要求，造成某些区域太冷或太热，甚至造成制冷机、换热器等设备出现故障。对于某些区域的水流量达不到设计流量的问题，常采用加大水泵功率的解决方法，使最不利环路达到设计流量，但会导致最有利环路的流量远远超过设计流量，水泵能耗大大增加，不利于实现集中空调系统低能耗运行。为实现空调水系统的水力平衡，常用的措施有：在供、回水主管上设置旁通平衡管路;区域管路上采用同程水力系统，增大主管管径，减小支管管径;使用静态平衡阀等。这些解决方法没有抓住水力失衡的症结，相反有的方法通过增大能耗来满足末端的要求，掩盖了水力失衡的存在。例如末端流量不够并不一定是水泵流量和扬程不够，而有可能是没有合理匹配，盲目提高水泵设计扬程和流量，不仅增加水泵初投资，而且增加运行成本;增大供回水温差并非因为制冷主机出力不够，而是没有把能量有效地输配到末端设备，而增大供回水温差对主机要求较高，不仅使主机初投资增大，而且会让主机工作在低效工况下，增加主机的运行成本，还会导致夏季末端送风温度过低，送风管道易结露，如果没有良好的气流组织保障，容易导致空调病的产生等。同程管路和静态平衡阀都是适应定流量系统的比较简单的平衡方式。随着变流量水系统的广泛应用，同程系统暴露出不稳定的缺点，即动态失衡突出，静态平衡阀不仅不能消除变流量系统中压力扰动导致的失衡现象和控制阀的失调现象，对于各个回路阻力本身可调的变流量系统，还增加了局部阻力，会相应地增加水泵的扬程，反而不利于系统能耗的降低。

　　随着水力平衡技术的不断提升，为实现系统的变流量运行，保持系统动态平衡，电动可调式动态流量平衡阀的应用逐渐增多。与传统的平衡调控方式相比，采用电动调节阀的控制系统，由于其变换系统复杂，控制精度、响应速度、稳定性都会受到影响，执行机构一直处于调节状态。而电动可调式动态流量平衡阀，采用了单参数简单函数控制逻辑，省略了压差测量环节和测试设备，只要根据流量指令选择开度就可以实现精确控制，因而控制系统非常简单，具有响应快、控制精度高、稳定性好的特点，其控制原理如图1所示：通过接收上位机反馈的电信号值的大小来改变阀门的开度，调整设定流量，以满足末端用户变负荷的要求。

图1 电动可调式动态流量平衡阀的流量-压差-开度关系

2、电动可调式动态流量平衡阀以及末端电动调节定压差阀在流量变化前后对管网系统和水泵运行工况点的影响与能耗分析

2.1、电动可调式动态流量平衡阀对系统的控制

　　电动可调式动态流量平衡阀的控制原理如图2(图中曲线Ⅰ，Ⅱ分别为支路阻力特性曲线，Ⅲ为管网总的阻力特性曲线)所示，Ⅳ为支路以外管路的阻力特性曲线。当系统的最有利环路达到设计流量Q1时，最不利环路的流量为Q2，则系统的总流量Q4=Q1+Q2，此时最有利环路的动态流量平衡阀刚好到达其工作的起始压差状态点，该支路的阻抗值随着系统总流量的增加而变大，然而最不利支路的动态流量平衡阀的流通面积为设计流量Q3对应开度下的最大值，阻抗值S保持恒定不变，压差随流量变大以二次幂的关系增大，直到最不利支路流量达到设计流量Q3，此时，系统总设计流量Q5=Q1+Q3。理想的平衡状态是最不利支路的动态流量平衡阀刚好处于其工作压差的起始点，而最有利支路的动态流量平衡阀处在其正常工作范围内。状态点A，D之间的压差Δp就是两个支路的阻力差，动态流量平衡阀就是依靠自动改变阀体的流通面积平衡这一部分阻力差来维持管网系统的平衡。

图2　电动可调式动态流量平衡阀控制原理

2.2、两个系统流量变化后能耗大小的比较分析

　　在全负荷运行的条件下电动可调式动态流量平衡阀控制系统中的末端支路压差Δp1与末端用户恒压差控制系统中末端控制压差Δp2(当流量发生变化后，电动可调式动态流量平衡阀控制系统中的末端支路压差变为Δp'1，而末端用户恒压差控制系统中末端控制压差恒定为Δp2)之间的关系以及运行过程中系统最不利环路阻力的变化与系统能耗有很大的关系。

　　1、当Δp1<Δp2时，在两个系统的各末端用户负荷变化相同的情况下，无论流量如何发生变化，Δp1始终小于Δp2，系统运行工况点如图3所示，L1，L2，L3，L4分别为不同频率下水泵的特性曲线，R1，R3分别为电动可调式动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2为末端恒压差系统的控制曲线。从图3中可以看出，电动可调式动态流量平衡阀控制系统管网阻力较小，能耗较低。

图3 电动可调式动态流量平衡阀控制系统末端支路压差

　　小于末端恒压差系统的控制压差时的系统运行工况点

　　2、当Δp1=Δp2时，在两个系统的末端用户负荷变化相同的情况下，流量变化后各系统能耗情况为：

　　①电动可调式动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp'1保持不变时，系统运行工况点如图4a所示，L1，L3，L5，L6分别为不同频率下水泵的特性曲线，R4，R5分别为电动可调式动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2为末端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出两个控制系统的管网阻力压差和流量都相同，所以这两个系统的能耗相同。

　　②当电动可调式动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp'1变小时，系统运行工况点如图4b所示，L1，L3分别为不同频率下水泵的特性曲线，R6，R7分别为电动可调式动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2为末端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出电动可调式动态流量平衡阀控制系统的管网阻力压差较小，故电动可调式动态流量平衡阀控制系统能耗较低。

图4　电动可调式动态流量平衡阀控制系统末端支路压差

　　等于末端恒压差系统的控制压差时的系统运行工况点

　　3、当Δp1>Δp2时，在两个系统各末端用户负荷变化相同的情况下，流量变化后各系统的能耗情况为：

　　①流量变化后，电动可调式动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp'1保持不变时，或者Δp'1减小，但仍然比Δp2大时，系统运行工况点如图5a所示，L1，L3，L7，L8分别为不同频率下水泵的特性曲线，R8，R9分别为电动可调式动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2为末端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出末端恒压差控制系统的管网阻力较小，故此时末端恒压差控制系统能耗相对较低。

图5 电动可调式动态流量平衡阀控制系统末端支路压差