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使用平衡阀在夏热冬冷地区一级泵变流量两管制空调水系统中的应用

1 关于暖通空调设计中水力失调的含义

水力失调有两方面的含义:一是指虽然经过水力计算并达到规定要求,但由于理论计算与实际情况总存在差异,所以在运行后,各用户末端的实际流量与设计要求不完全相符,这种水力失调是稳定的、根本性的,如不加以解决,影响将始终存在,我们称之为稳态失调。二是指系统中,当一些用户末端的水流量改变时(关闭或调节水阀时),会使其他用户的流量随之变化,我们称之为动态(稳定性)失调,也就是系统在变负荷工况下运行造成的水力失调。

2 解决水力失调的办法

解决空调水管路的水力失调问题可采用如下几种方法:安装静态平衡阀、安装动态平衡阀,加节流孔板以及安装球阀蝶阀、闸阀等手动调节阀

2.1 静态平衡阀

静态平衡阀亦称平衡阀、手动平衡阀、数字锁定平衡阀、双位调节阀等,它是通过改变阀芯与阀座的间隙(开度),来改变节流面积及调节阀阻力,以达到调节流量的目的。从流体力学观点看,静态平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。其作用对象是系统的阻力,能够将新的水量按照设计计算的比例平衡分配,各支路同时按比例增减,仍然满足当前气候需要下的部分负荷的流量需求,起到水力平衡的作用。静态平衡阀的特点有:阀门特性为直线型流量特性,即阀门前后压差不变的情况下,流量与开度大体上成线性关系;有精确的开度指示,通过指示可查出相应的流通能力或阻力系数;有开度锁定装置;阀体前后有两个测量孔,可与仪表连接,方便地测出阀门前后的压差,从而计算出流经阀门的流量;静态阀门在空调系统中的应用需要逐级安装,逐级调试。

2.2 动态平衡阀

动态平衡阀分为动态流量平衡阀,动态压差平衡阀等。

动态流量平衡阀亦称自力式流量控制阀、自力式平衡阀、定流量阀、自动平衡阀等,其基本定义是:在一定的压差范围内,恒定被控系统的流量,作用对象是系统的流量。当外网压力波动时被控系统不受影响。但是,当压差小于或大于阀门的正常工作范围时,它毕竟不能提供额外的压头,此时阀门打到全开或全关位置,流量仍然比设定流量低或高,不能控制。其基本要求是最小工作压差(一般大于30kPa),工作压差范围为30kPa~600kPa。

动态压差平衡阀,亦称自力式压差控制阀、差压控制器、稳压变量同步器、压差平衡阀等,其基本定义是:在水力工况下,一定的流通能力范围内,恒定被控系统的压差,作用对象是被控系统的压差。它是用压差作用来调节阀门的开度,利用阀芯变化来弥补管路阻力的变化,从而使在水力工况发生变化时保持被控系统的压差不变。其基本要求是最小资用压差(最小启动压差),基本功能为消耗掉多余压头,保证资用压头。

动态平衡阀的特点:动态平衡阀既可以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,也可以在一定的流通能力范围内,恒定被控系统的压差。在大型、复杂、空调采暖负荷不恒定的工程中,简化了系统调试过程,并缩短了调试时间。特别是在异程式、变流量水系统中使用平衡阀,可以很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及调节干扰。

3 空调系统中设置平衡阀时应该注意的问题

3.1 静态平衡阀与动态平衡阀只能起到水力平衡的作用,不能用于负荷调节

在空调水系统中设置了平衡阀后,各个空调末端的流量变化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。而空调末端水量的调节是由调节阀来实现的。

目前,带电动自控调节功能的电动动态平衡调节阀已经面市,按负荷需求动态平衡空调系统实行节能就更容易实现了。因此采用电动动态平衡调节阀,可以将水力平衡与负荷自动调节合二为一,还简化了安装,便于安装在狭小的空间内。

3.2 静态平衡阀及动态平衡阀的设置

在空调系统中,手动调节阀以及静态平衡阀都是多极设置的,一旦调节完成以后,系统的总流量及各个支路、空调末端的流量不应发生变化。如果系统总流量发生变化,则系统各个支路及末端的流量就会发生等比例变化;而如果某一支路或是末端的流量发生变化,那么其他支路或是末端就会出现流量失调,调试工作就必须重做。

动态平衡阀是按照控制对象(空调水系统某个支路或是空调末端)的工作点(工作压差或是工作流量)来进行设置的。在一定的流量或是压差范围内,阀内控制对象在工作点的波动,不会对其他阀的控制对象产生影响。各个动态平衡阀间相对独立但又保持平衡,所以动态平衡阀不需要多级设置。

3.3 空调设计中应根据冬夏供回水温差及水量合理设置动态平衡阀

在夏热冬冷地区,冬、夏季节负荷大小不同且空调供热、冷水温差不同时,水流量差异很大。

根据公式:

其中:

△P—管路(空调末端)阻力损失
S——管路(空调末端)阻抗
Q——管路(空调末端)流量

可知:由于管路及空调末端没有发生变化,管路(空调末端)阻抗S也未变化,当流量减少后,管路(空调末端)的水力阻力会成平方关系衰减。因此冬季及夏季空调水系统的总水流量及管路阻力是有很大差异的。

在四管制空调系统中,用两组不同流量压差设定的平衡阀是可以满足冬季及夏季不同的流量及扬程要求的。但是两管制水系统中则应根据冬、夏季不同流量及扬程的要求设置平衡阀。

方法一,设置可变流量或是可变压差型动态平衡阀,冬夏换季时转换阀门设定。此方法在系统支路较多,且平衡阀设置位置不便于调节时,可操作性很低。反之则有一定可行性。

方法二,采用带自控装置的电动动态平衡调节阀,该阀门通过温度传感器感知室内负荷变化,由电动调节部分调节流量,再由动态平衡部分过滤掉外部压力变化,维持通过阀门的流量稳定。

4 平衡阀在一级泵变流量两管制空调水系统中的应用

一级泵变流量两管制空调水系统就是采用冷(热)源侧定流量,负荷侧变流量的方式。冷(热)源侧设置多台冷水机组及多台热水锅炉,在冷(热)源侧冷(热)水总管接入分、集水器处设置季节切换阀组,进行切换。使用户侧的管路在夏季能提供空调冷水,冬季能提供空调热水。根据用户侧负荷变化,控制冷(热)源侧机组及水泵的运行数量。由于是相同水泵并联运行,在各自运行季节内,即使流量变化较大时,系统的扬程(资用压头)也相对稳定,变化较小。

4.1 平衡阀组设置方案一(见图1)

图1

图中各末端设置静态平衡阀及电动调节阀。在其上一级支路中设置静态平衡阀及压差控制阀组。在上级支路及干路中除了测试及维护的原因外,可不再设置阀门。此阀组设置在一次调定后,可维持夏季或冬季时各负荷率情况下,各空调水支路及空调末端压差的平衡,维持各空调末端水流量的稳定。由于冬、夏季需要不同的调定值,故而在季节转换时,需要对每个静态平衡阀及压差控制阀组重新调定。

由于在一年中部分负荷率出现的小时数很大。在冬季供热时,有80%以上的运行时间负荷率低于40%;夏季供冷时,负荷率在50%以下的小时数约占全部运行时间的50%以上。因此有必要对系统在部分负荷率时的运行工况进行分析。查看空调水支路I的工作状态如图2所示:

图2

假定空调水支路I供回水接口处已设置平衡阀压差调节,则随着流量的减小,支路I所获得的资用压头跟着提高,同时压差控制器作用,增大阻力,克服系统多余压头,使空调水支路I的供回水压差维持不变。冬夏季的情况相类似,只是由于冬夏季设计空调水流量及水泵扬程的不同,导致冬夏季控制压差大小和资用压头不一样。

由于空调系统对房间负荷的处理是通过空调末端来进行的,所以还必须深入空调水支路内部,分析各个空调末端在冬、夏季变流量情况下的运行工况。

空调水支路I内部空调末端的夏季工况如图3:

图3

假定支路内部已经用静态平衡阀进行了平衡调节。以夏季工况为例:由于整个系统为一级并联泵变流量空调水系统,用户侧的资用压差由分集水器旁通管上的压差控制器恒定在近似直线的曲线L1上。而空调水支管路I实际获得的资用压差曲线L2位于L1下方。只有当用户侧除空调水支管路I以外的其余空调水支管路均断路,且不计干路部分沿程水头损失,那么曲线L2就重合于L1上,此时空调水支管路I能获得最大资用压差L1。曲线W为空调水支管路I在设计工况下的管路特性曲线。A点就是该管路在设计工况下的工作点,同时A点也是整个系统在调定满足设计工况后该管路的设计工作点。此时该支管路上的压差受到来自管路内与管路外两方面的扰动。

来自管路外的扰动会使系统偏离设计工作点,则整系统的负荷减小,系统总水量减小,干管上压力损失也减少,外网给支管路I处所提供的资用压差提高到了曲线L2’,此时压差控制阀作用,吸收掉多余的压头AA'',使管路内的压差△P1保持在A点,由于管路特性曲线S1没有变化,根据△P1=S1Q12,管路内流量也不会发生变化,从而也就保证了管路内空调末端制冷量的恒定。

来自管路内的扰动产生是由于管路内部空调水流量改变而产生的。如空调末端I-1所在房间暂时不再需要制冷,则空调末端I-1上的电动二通阀关闭,造成空调总水流量减少,干管上的压力损失减少,管路资用压差升高;同时,由于并联环路的减少会造成本环路的总管路阻抗增大。管路特性曲线由W变成W’,曲线W’与压力控制线交于B点,多余的压力BB’被压差控制阀吸收。从而保证该管路内部的压力△P1恒定。管路内部的空调末端I-1,I-2,I-3并联,忽略掉很小的支干管沿程压力损失后,由△P1=△P1-2=△P1-3可知,压力没有变化,其阻抗也没有变化,根据△P1-2=S1-2 Q1-22,可以看出空调末端I-2,I-3的流量维持不变,没有受到空调末端I-1关断的影响。

冬季工况如图4:

图4

对于冬季工况,其工作情况与夏季类似,至少由于热负荷(特别是重庆等冷热负荷相差较大的地区)较冷负荷小,且工作温差也比夏季大,造成冬季流量很可能只有夏季的三分之一甚至更少,这时管路消耗的阻力还不到夏季的一半,热水泵的扬程也相应减小,以节约能源。这时压差控制阀的压差控制线就必须重新设定,否则它已经超过了管路所能获得的实际资用压头,没办法通过卸压来平衡压力了。

4.2 平衡阀组设置方案二(见图5)

图5

图中各空调末端设置了动态压差平衡电动调节阀,其余各级管路不需要再设置用于平衡作用的阀门,整个系统就能自动达到平衡。这是由动态压差平衡电动调节阀的特性所决定的,动态压差平衡电动调节阀的结构就是将一个压差控制器与一个电动调节阀组合在一起的双阀芯结构,通过压差控制器来控制电动调节阀两端的压差恒定。

根据调节阀公式:

Q—流经阀门的流量
Kv—阀门流通能力(与阀门的开度有关)
△P—阀前后的压差

从公式可以看出,经过阀门的流量大小与阀门的开度机阀前后的压差有关。而控制系统则根据负荷变化向阀门输出信号调节阀门的开度,从而达到相应的流量。因此,只要能恒定调节阀前后的压差,就能保证流量的变化完全由阀门的开度而决定,即与负荷变化相对应,而不受其它阀门开关影响产生的系统压力波动的影响,从而达到动态平衡的效果。

动态压差平衡电动调节阀在不同开度时的流量与阀门两边的压差的关系曲线如图6所示。

图6

通过对调节阀的最大开度进行限定,即可实现最大流量的限定。从图6中可以看出,此类阀门要想达到所需的流量,需要一个最小的工作压差。当调节阀芯开度一定,整个阀两端的实际压差小于最小工作压差时,流量随着阀门两端压差的增加而增加,当达到阀门的最小工作压差后,经过阀门的流量将保持恒定,不再随阀门两端的压差增加而变化。只有当调节阀芯的开度发生变化时,流量才发生变化。

装有动态压差平衡电动调节阀的空调末端在空调系统中的工作状态如图7所示:

图7

从图中可以看到,不管外界压力如何变化,动态压差平衡电动调节阀中电动调节阀的压力损失是恒定不变的。根据调节阀流量公式

若△P恒定,则Q只与Kv呈线性关系,只要调节阀位置确定,那么流经空调末端的水量也是不变的,空调的制冷量也不会改变,不会受外界压力变化的影响。对于冬夏工况均是如此。

综合方案一、方案二,可以得出如下结论:

对于一级泵变流量两管制空调水系统采用静态平衡阀加压差控制阀组的平衡阀设置方案,能够解决冬夏季各自工况内水利失调的情况,但是在冬夏季节转换的时候需要对压差控制阀组手工重新设定。在小系统中的设定不是大问题,但在大型系统中,压差控制阀数量多而且阀组位置往往受条件限制难以进行调节而放弃调节,造成冬季工况下,压差控制阀组失效,系统产生失调。但由于该设置方案成本较低,在中小型一级泵变流量两管制空调水系统中可以采用。而采用动态压差平衡电动调节阀方案的空调系统具有更强的适应能力。不仅调节方便,而且具有动态扩容能力。在增加空调末端后,不会对原空调系统的平衡产生影响。因此,在经济情况容许的情况下,一级泵变流量两管制空调水系统宜采用动态压差平衡电动调节阀来进行水力平衡。