静态水力平衡阀工程应用分析

        近年来，美国和欧洲一些企业的水力平衡新产品、新技术、新思维不断影响着我国暖通界，设计人员在很多工程中大量采用了水力平衡阀。但是，实际工程中不断暴露出问题，由此产生了关于水力平衡和平衡阀的质疑和相关的学术之争。
        1 水力平衡
        文献[1]对水力平衡的定义是：在真实运行情况下测定水的流量，并在满负荷时调节流量至设计值，为建筑物内的每个区域或房间输送合理的供热、供冷量的过程。
        2 静态水力平衡阀应用的讨论
        2.1 设计工况下的水力失调
        对于一个按照设计要求运行的理想HVAC系统而言，在满负荷工况下，各个用户都能够获得设计水量，满足各个区域用户的舒适性以及系统运行的安全性和经济性要求，避免用户投诉和能源浪费，这样的系统就算是实现了水力平衡的系统。反之则称为水力不平衡或称水力失调的系统。通常在设计工况下，当系统中某一用户资用压头高于设计压头时，其实际流量就可能会大于设计流量，其他环路的实际流量则有可能达不到设计流量，这种设计工况下出现的水力失调特性为静态水力失调，是由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比值与设计要求的管道特性阻力数比值不一致引起的，是系统本身所固有的[2]。
        另一种状态是，系统中所有末端用户实际流量均等于或大于设计值。由此引起的水力失调工况并不会导致客户投诉，故常常并未引起设计师和工程师的重视。
        对于闭路循环的管网，其水力工况各物理量之间的相互关系可用公式Δp=SG2描述，其中Δp为压差或阻力损失；S为管网阻抗；G为流量。压差和流量的调控互为手段和目的。
        在静态水力平衡阀的设计理念进入中国之前，工程技术人员多采用截止阀或蝶阀等来实现和满足水系统对水力平衡技术的要求。由于截止阀、蝶阀结构简单、价格低、调节便利，被广泛应用于水力平衡的调节。图1是文献[3]给出的水力平衡示意图。

        在正确设计选型前提下，系统在满负荷工况下末端各温控电动阀应全开，1#~3#末端的设计流量均为33m3/h。若图1中所有阀门开度均为100%，1#末端流量约为39m3/h；2#末端流量约为35m3/h；3#末端流量约31m3/h，水泵工作点参数扬程约为19m、流量约为105m3/h，系统出现水力失调。
        分别调节1#和2#调节阀开度，将1#末端节点盘管加温控阀两端压差减小40kPa；2#末端减小20kPa，使1#~3#末端节点盘管加温控阀两端阻力均为80kPa，同时满足约33m3/h的设计流量，水泵工作点参数为扬程20m，流量100m3/h，实现系统静态水力平衡。而3个末端中3#末端无需调整调节阀即可满足33m3/h设计流量，可见并不是所有末端支路都需要配置静态水力平衡调节阀，静态水力平衡阀并不是解决水系统设计工况下水力失调难题的唯一选择。
        鉴于目前大多数HVAC水系统的设计仅对末端支路标示设计流量参数，而很少对末端压差值提出技术要求，手动调节阀的平衡调节主要还是依靠设计、施工、运行和维护人员的实践经验现场调节实现的，故被平衡阀供应商视为一种缺乏理论支持的系统调节方法。但是，其对消除设计工况下的系统水力失调作用却是有目共睹的不争事实。
        2.2 静态水力平衡阀与水力平衡
        常见的静态水力平衡阀实质上可以视为多功能手动调节阀，其特点是一个调节阀多种功能。仅从实验性能特性曲线数据来看，当阀门两端压差Δp为常数时，静态水力平衡阀的调节性能并没有明显的优势，采用静态水力平衡阀取代传统调节阀的理论依据尚显单薄。就管网阻力特性及性价比等参数而言，静态水力平衡阀反而略逊一筹。
        目前市场上的静态水力平衡阀多具有流量测量、开度数字显示、流量预设和注水/排空等优点。可以通过专业仪表在现场随时测量平衡阀的流量；也可起开、关作用。平衡阀在调试结束后，锁定功能使开度不能随便改动。因阀体主轴上有环形密封圈密封，减少了维护保养的工作量。类似测量、调节、排空、充液等工作都不必中断系统的运行，可现场完成，且不必破坏系统的整体保温。但是，目前一台品质优良的静态水力平衡阀的市场价格甚至高于相同流量的离心式水泵，除了居高不下的价格之外，目前国内市场上的静态水力平衡阀尚存在不少缺憾。
        对不可压缩的流体而言，静态水力平衡阀可视为局部阻力可调的节流元件，其流量特性可以描述为

       
        式中Q为阀门流量，m3/h；C为流量系数；A为阀门阀芯过流面，m2；Δp为阀门压降，Pa；ρ为流体密度，kg/m3，4°C时ρ=1000kg/m3，80°C时ρ=970kg/m3。流量系数C与雷诺数Re相关，文献[1]将2320<Re<3500的流动定义为过渡状态，Re>3500时为湍流状态，Re<2320时为层流状态。文献[4]通过实验表明，液体为层流时，薄壁小孔的C随Re的增大而增大；当达到临界值时，层流变为湍流，C趋于常数。而目前静态水力平衡阀的测量功能通常基于式（2）数学模型：

       
        式中KV为阀门流量系数。
        式（2）在雷诺数Re大于3500时方才成立[1]。
        静态水力平衡阀通过改变阀门开度来改变阀门的流动阻力，每一开度都对应一个KV值，由于不同开度对应的KV值已知，只需现场测出Δp就可以计算出Q值。因此大多数静态水力平衡阀两端都配有专门的压力测试孔，人们常将其作为节流部件使用。工程调试时，通过厂商有偿提供的配套水力平衡调试仪表连接静态水力平衡阀的测试孔即可测出Δp值，根据厂商的水力平衡计算软件找出对应的KV值，算出流量Q值。此时，Δp为测量值；KV为设定值，即在Δp=0.1MPa条件下的实验室取值；Q为计算值，计算的精度取决于对阀门实际过流面积和粗糙度估计值的精确度，以及对流体密度的正确取值。
        值得注意的是，采用平衡阀来解决系统水力失调的问题是有条件的，不是一劳永逸的。从静态水力平衡阀的机理可知，一旦锁定平衡阀开度后，Δp的变化将会破坏流经阀门水量的恒定，使得原先已经标定的流量值产生变化。
        尽管许多供应商宣称其平衡阀具备流量预设功能，但是，要选择理想的KVS值（即在Δp=0.1MPa条件下阀门全开时的最大KV值）并不容易，市场上平衡阀产品的KVS值并不是连续值，多以几何级数增加排列。如KVS=1.0，1.6，2.5，4.0，6.3，10，16，，，，相邻两档KVS值之间约有60%的增量，也就是说现场安装的平衡阀与设计要求之间的偏差可能达到±30%。由于现场Δp值的不确定以及阀门开度的调节导致KV值变化，实践证明，当阀门内壁污垢系数无法确定或Re小于3500时，流量Q值甚至可能出现数量级的计算误差。因此所谓“实现静态水力平衡的判断依据是：当系统所有的自力式阀门均设定到设计参数位置，所有末端设备的温控阀均处于全开位置时，系统所有末端设备的流量均达到设计流量”。[2]的论述值得商榷。
        不论平衡阀是否具备流量预设功能，水系统安装完毕且具备测试条件后，须对所有静态水力平衡阀进行调节，使其流量Q值均满足设计流量，使管网实现设计工况下的水力平衡。并将静态水力平衡阀的开度锁定，在管网系统正常运行过程中，不应随意变动平衡阀的开度。系统水力平衡的结果应记录在案，包括每一个静态水力平衡阀的型号规格、安装位置、序列编号以及设定流量和锁定开度等技术数据，建立系统设备调试档案。
        另外，由于制造商对计算软件中KV值的设定取值不同，不同厂家平衡阀配套调试仪表多不能通用。从剖面图可见许多静态水力平衡阀在阀塞后方有一个空腔，当在线运行时很容易成为藏污纳垢之处。
        2.3 静态水力平衡阀在工程中应用的讨论
        当水系统中所有阀门开度均为100%时，有利回路末端的过流量导致不利回路末端的欠流量，产生系统水力失调，通过在过流量末端回路中串联静态水力平衡阀限制流量。图2是文献[2]给出的某工程水系统示意图，该系统采用4台（三用一备）37kW离心式冷水泵，分别在冷水泵进水总管与集水器之间、集水器各区回水干管、新风机组、风机盘管每层回水支管上设置了静态水力平衡阀。按照从末端到主机的顺序对系统各并联环路的静态水力平衡阀流量比进行调节，直至与计算出的设计流量比值一致；调节冷水变频泵转速，直至冷水集水器主管的静态平衡阀流量与设计流量一致，此时系统所有末端设备的流量均等于夏季设计流量，记录此时分集水器压差，即压差控制器的设定压差。

        若采用图2系统的设计理念，在系统水泵回水主管处配置静态水力平衡阀，势必要相应提高水泵的扬程，增加水泵选型功率，从而不仅增加了项目投资成本，还额外地增加了水泵运行能耗，与所宣传的节能功能背道而驰。其次，既然新风机组、风机盘管每层回水支管上均设置了静态水力平衡阀，并通过各静态水力平衡阀和冷水变频泵转速的调节实现了系统所有末端设备的流量均等于夏季设计流量的目的，那么还在集水器各区新风机组、风机盘管回水干管上增设静态水力平衡阀，难免有架屋叠床之嫌。再者，在已经欠流量的最不利末端回路配置静态水力平衡阀无疑是雪上加霜。
        尽管静态水力平衡阀的KV值可以在一定范围内连续可调，但其阻力系数一般大于截止阀，基本属性还是阻力元件。因此，在循环水泵总管进/出口处、集/分水器干管以及系统不利末端安装静态水力平衡阀，或者当采用平衡阀替代传统阀门时，应充分考虑是否会额外增加系统管网节流损失，关注新系统与旧系统水量分配平衡问题，以免安装了静态水力平衡阀的新系统（或改造后的系统）的管网阻力比原有系统更大，而达不到应有的水流量。国内因滥用静态水力平衡阀而导致项目失败的案例已屡见不鲜了。
        文献[2]对图2案例实施节能分析，得出冷水侧节能27%的结论，如果在设计阶段就取消设置在集水器与水泵回水总管之间、集水器与新风机组和风机盘管干管之间以及新风机组和风机盘管最不利支路上的静态水力平衡阀，就可以将4台37kW离心冷水泵和变频器的功率都降下来。不仅能大幅降低系统运行成本，还能有效地减少投资成本，获得更多的节能减排效益。
        另外，图2同时采用了设置静态水力平衡阀和调节冷水变频泵转速两种技术措施对设计工况下的水力失调实施平衡调节，并以冷水集水器主管的静态平衡阀流量和系统所有末端设备流量均等于夏季设计流量时的分集水器压差作为压差控制器的设定压差去控制冷水变频泵的转速，采用了分集水器变频泵定压技术[5]。但是，当系统运行水泵台数小于设计工况3台时，分集水器之间的压差可能低于该设定压差，尤其是在单台水泵运行工况下。也就是说在供冷期大部分时间内变频调速将会失去作用。
        3 温控阀KVS设计选择对水力平衡的影响
        图1中1#~3#末端的设计流量均为33m3/h，相应温控阀的Δp依次应为80kPa，60kPa和40kPa。在100%负荷工况时末端各温控电动阀应全开，为了计算方便，在式（2）中取4°C时ρ=1000kg/m3，可求出相应的计算KVS值，见表1。

        因此，采用计算末端温控阀KVS值的方法解决设计工况下的系统水力失调在理论上是可行的，但是，由于市场温控阀产品标准的差异，可能会使得实际系统水力失调偏差达到±30%。值得注意的是，原本最不利的3#末端却有19.53%的流量富余。目前国内已有企业正在从事具有自主知识产权的产品研发，并已经完成小规模系统的实验室数据验证，为依据设计计算KVS值实施温控阀选型提供了硬件支持。
        4 结论
        4.1 静态水力平衡阀不是解决水系统设计工况下水力失调难题的唯一选择。
        4.2 不论平衡阀是否具备流量预设功能，都必须对所有静态水力平衡阀进行现场调节，使其流量Q均满足设计流量，使管网实现设计工况下的水力平衡。任何未经现场实际工况下实施系统测量和调试的静态水力平衡阀系统都是徒劳的。
        4.3 系统水力平衡的结果应记录在案，包括每一个静态水力平衡阀的型号规格、安装位置、序列编号以及设定流量和锁定开度等技术数据。
        4.4 在管网系统正常运行过程中静态水力平衡阀开度应锁定，不应随意变动平衡阀的开度。
        4.5 由于制造商对计算软件中KV的设定取值不同，不同企业平衡阀配套调试仪表多不能通用。
        4.6 滥用静态水力平衡阀会导致系统投资成本和运行能耗不合理地增高。在循环水泵总管进/出口处、集水器回水干管以及系统不利末端安装静态水力平衡阀，或者当采用水力平衡阀替代传统阀门时，应充分考虑是否会额外增加系统管网节流损失，注意新系统与旧系统水量分配平衡问题，以免安装了静态水力平衡阀的新系统（或改造后的系统）的管网阻力比原有系统更高，而达不到设计水量。
        参考文献：
        [1]RobertP，TourTA，AnderssonAB.全面水力平衡暖通空调水力系统设计与应用手册[M].杨国荣，胡仰耆，魏炜，等，译.北京：中国建筑工业出版社，2007：26，126，407
        [2]王晓松.暖通空调变流量水力系统的全面平衡[J].暖通空调，2005，35（7）：77-81
        [3]张三.暖通空调变流量水系统中的定压差技术的问题[EB/OL].http：Mbbs.co188.com/content/viewthread.php?tid=248837&extra=%3D1&ofid=166&page=4.
        [4]刘学亭，张建明，戎卫国.动态流量平衡阀性能的测试研究[C]M全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集，2008
        [5]王晓松.变流量系统全面水力平衡的核心）））关键点定压差技术[J].暖通空调，2007，37（7）：120-124