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

    0 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。

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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

大于末端恒压差系统的控制压差时的系统运行工况点    

    ②流量变化后，当Δp'1＝Δp2时，系统运行工况点如图5ｂ所示，L1，L3，L9分别为不同频率下水泵的特性曲线，R10，R11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系统能耗相同。

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    ③流量变化后，当Δp1＜Δp2时，系统运行工况点如图5ｃ所示，L1，L3，L10，L11分别为不同频率下水泵的特性曲线，R12，R13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阻力较小，能耗较低。

    2.3 末端恒压差系统的控制压差大小以及调节阀的阀权度对控制性能的影响

    通过以上各种情况的比较分析可知，末端恒压差控制系统的末端支路的阻力是恒定的，其控制原理如图6所示，该系统避免了各末端支路之间负荷变化的干扰，虽然采用小压差控制在理论上是可行的，但由于流量一定时，控制压差较小，控制信号就较弱，控制精度和控制能力就会降低，影响控制效果，反之，控制压差越大，控制精度、调节性能就越好，但是增加了能耗。

图6 末端用户恒压差控制原理

    实际上一些末端控制阀的控制压差为满负荷运转时末端用户阻力压差的2倍左右，该值随着系统规模的增大而逐渐增大，当系统达到一定规模时，末端恒压差控制系统的控制压差值相比电动可调式动态流量平衡阀的阀前压差值大很多，此时无论末端用户负荷如何变化，可调式动态流量平衡阀控制系统的能耗都较低。

    由于电动可调式动态流量平衡阀控制系统的末端压差值随最不利环路负荷的减小而减小，且其管网系统的阻力肯定小于或者等于全负荷运转时的阻力，因此系统能量损耗随着最不利支路负荷减小而降低，既实现了系统的全面水力平衡，又达到了系统节能的效果。

    另外，在末端恒压差控制系统（如图7所示）中，通过测量空调器的回风温度来调节电动调节阀的开度，压差控制器控制A，B两点的压差值恒定，此时因受与电动调节阀串联的管道的阻抗的影响，电动调节阀的阀权度变小，导致电动调节阀流量特性曲线发生变化。在实际空调系统中，常用的调节阀特性曲线一般为直线型的（如图8中的曲线1），但安装到管道上，流量特性曲线变成如图8中的曲线2，接近快开型，流量特性变差，导致管网控制系统的控制精度、稳定性降低，不能满足用户热舒适的要求。

图7 末端用户恒压差控制系统图

图8 电动调节阀流量特性曲线变化

    电动可调式动态流量平衡阀由于独特的阀体结构，在实际使用中阀权度基本接近1，其实际的流量特性曲线与理想的流量特性曲线一致，没有偏离，因此具有良好的电动调节功能，从而能提高系统的控制精度及系统运行的稳定性。

    3 设备效率对系统性能的影响

    在实现全面水力平衡的基础上，应该提高设备效率，以发挥系统最大的功用。如果设备不能保持在高效率的范围内运行，会使一部分能量转化成摩擦热等无用功，或者是引起换热设备换热性能的降低。

    3.1 水泵效率对系统性能的影响

    随着变频技术的推广应用，水泵总体运行效率η随着转速（频率）的降低而不断减小，且减小的速度逐渐增大，这说明设备效率随着工况的变化而不断改变，其中水泵总效率为

    η＝η1η2η3  （1）

    式中　η1为变频调速器在部分负荷下运行时的效率；η2为交流电动机在部分负荷下运行时的效率；η3为水泵在部分负荷下运行时的效率。

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    根据经验公式：

    η1＝0.5067＋1.283X－1.42X²＋0.5842X³    （2）

    η2＝0.94187（1-e^-9.04X）    （3）

    式（2），（3）中　Ｘ为电动机的相对转速百分数。

        （4）

    式中　n为调速后的电动机实际转速，n0为电动机名义转速。

    通过式（2），（3）可以看出η1，η2在部分负荷下随着转速的变化而变化，具体变化情况如图9所示。

图9　电动机和变频器调速效率曲线

    假设η3为恒定值0.79，则水泵的总效率

    η＝（0.5067＋1.283X－1.42X²＋0.5842X³）×0.94187（1-ｅ^-9.04X）×0.79

    通过表1可以看出，当水泵的相对转速百分数小于45％时，其综合效率η下降的速率明显增快，因此在变频控制时要考虑水泵的综合效率，探索更加合理的控制方式。

表1　变频调速水泵部分负荷状态下的综合效率％

    3.2 并联制冷机组效率对系统性能的影响

    多台制冷机通常采用并联连接，可以根据冷负荷的变化来调整制冷机开停的台数，达到节能的目的。但当开1台机组不能满足负荷要求，而开2台又效率较低时，系统运行仍不经济。此时，在制冷机前安装电动可调式动态流量平衡阀，既可保证每台机组水流量达到设计流量，又可避免水流过多或不足。过大的水流量不仅造成能量损失，还会对制冷机组产生冲击，影响寿命。过小的流量则容易引起出口水温较大的降低，引起结冰，或造成流量保护而停机。同样，在制冷机冷凝器后面安装动态流量平衡阀可以保证每个冷凝器的冷却水流量不会过大或过小，保证散热效果，同时避免冷却塔水流量过大而造成超负荷。

    4 结语

    综上所述，变频调节可以使水泵处在高效率的状态点工作，尽可能地实现空调系统的低耗高效运行。而电动可调式动态流量平衡阀在系统规模相对庞大的情况下能够自动实现管网的动态平衡，可以简化控制方式，提高控制精度和稳定性。也就是说在主要干管安装电动可调式动态流量平衡阀，在用户末端实行电动调节阀定压差，这样既提高了调节阀的阀权度，又实现了系统动态平衡。同时在制冷机组冷水入口处安装动态流量平衡阀，用以保证机组运行的高效率。这几种控制方式的结合为水系统的节能提供很大的潜力，为实现新的楼宇控制方式提供了可能。