動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥應(yīng)用案例研究

胡澤寬　高　巖　林惠陽

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京　100044)

0　引言

中央空調(diào)系統(tǒng)的工程設(shè)計中，變流量系統(tǒng)與定流量系統(tǒng)相比具有明顯的節(jié)能潛力，因此變流量系統(tǒng)已經(jīng)在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。由于變流量系統(tǒng)的水力特性和控制特性與定流量系統(tǒng)不同，因此在工程設(shè)計中需要考慮到這些特點。變流量系統(tǒng)的基本特征：實際運行工況與設(shè)計工況存在顯著差異。設(shè)計工況是按100%負(fù)荷設(shè)計的，而空調(diào)系統(tǒng)的實際運行工況負(fù)荷常年在20%～60%之間，由此造成系統(tǒng)的流量和壓力的分布與定流量系統(tǒng)完全不同，如果仍然延用定流量系統(tǒng)的水力平衡和調(diào)節(jié)措施，就會引起一系列的水力和熱力問題，如：1)末端溫度控制精度下降，舒適度下降及能耗增大；2)水泵功耗巨大；3)冷機(jī)效率低下；動態(tài)壓差平衡型電動閥就是為了解決上述問題所研發(fā)。在變流量空調(diào)系統(tǒng)使用動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥能夠較有效地解決系統(tǒng)的水力和熱力問題。

本研究從工作原理和使用特點介紹了動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥(下面簡稱動態(tài)壓差電調(diào)閥)，并通過實際應(yīng)用案例進(jìn)一步測試和分析了動態(tài)壓差電調(diào)閥的調(diào)節(jié)特性和效果。

1　相關(guān)概念

1.1　調(diào)節(jié)閥流量特性

調(diào)節(jié)閥流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與其相對開度之間的函數(shù)關(guān)系[1]，如式(1)所示：

(1)

式中：G——閥某一開度時的流量；

Gmax——閥全開時的流量；

L——閥某一開度時閥芯行程；

Lmax——閥全開時閥芯行程。

在理想狀況下，閥權(quán)度為1，即在閥門兩端壓降固定不變時，閥門通過閥門流量與閥門開度之間的關(guān)系。對于空氣—水換熱裝置如空調(diào)箱、風(fēng)機(jī)盤管，其本身流量與熱輸出之間的關(guān)系為上拋特性，而在實際運行過程中電動調(diào)節(jié)閥與空調(diào)箱或風(fēng)機(jī)盤管組合后，閥門開度與熱輸出特性之間成線性關(guān)系，所以采用流量與閥門開度之間為對數(shù)特性關(guān)系的電動調(diào)節(jié)閥。

1.2　閥權(quán)度

閥權(quán)度[1]α是指電動調(diào)節(jié)閥兩端壓降在閥門全開與全關(guān)時之比,其反映了電動調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)內(nèi)權(quán)重和對流量變化過程的控制能力。在系統(tǒng)足夠大時，閥權(quán)度的計算可簡化為，閥門本身在全開時壓降與閥門所在支路的總壓降之比，如圖1所示。

2　動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥工作原理

動態(tài)壓差電調(diào)閥由壓差控制器和電動調(diào)節(jié)閥兩個閥門構(gòu)成，如圖2所示。電調(diào)閥兩端的壓力P2，P3由內(nèi)部導(dǎo)壓流道引至壓差控制的膜片兩端，在膜的兩端與內(nèi)部的彈簧的力量形成一個平衡，即FP2=FP3+F彈簧，當(dāng)系統(tǒng)壓力變化時，P2～P3增加導(dǎo)致平衡被破壞，使得膜片的下方壓力大于上方，膜片向下移動，壓差控制閥的閥芯關(guān)小，進(jìn)而P2～P3減小，達(dá)到新的平衡。反之，壓差控制閥的閥芯開大，在整個開關(guān)過程中調(diào)節(jié)閥的壓差P2～P3保持恒定即閥權(quán)度始終為1，因此流過調(diào)節(jié)閥的液體流量只與調(diào)節(jié)閥的開度有關(guān)。

3　應(yīng)用案例

3.1　應(yīng)用案例介紹

應(yīng)用案例是新風(fēng)加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)空調(diào)實驗臺。該實驗臺由三個部分組成：

1)空調(diào)冷源系統(tǒng)，包括溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組、冷卻水泵和冷卻塔；

2)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，包括管路及管路上的流量、壓力、壓差、溫度傳感器以及平衡閥、通斷調(diào)節(jié)、連續(xù)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行裝置；

3)空調(diào)末端，包括10個風(fēng)機(jī)盤管，其中1號、3號、5號、7號、9號風(fēng)機(jī)盤管的額定冷量為6 000 W，其余風(fēng)機(jī)盤管的額定冷量為3 000 W。2號、5號、7號風(fēng)機(jī)盤管的回水支路上裝有動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥。整個系統(tǒng)采用西門子網(wǎng)絡(luò)控制器等設(shè)備。超過100個模擬、數(shù)字量輸入輸出點，從而實現(xiàn)對水系統(tǒng)壓力、溫度、流量等的實時監(jiān)測，對水泵及閥門運行的控制。實驗臺系統(tǒng)圖如圖3所示。

3.2　動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)效果的實測與分析

在實際工程中，隨著閥權(quán)度的降低，即是理想特性曲線為對數(shù)的閥門，其流量與閥門開度之間的關(guān)系也產(chǎn)生了變化。從而導(dǎo)致組合后的末端散熱量與閥門開度之間的關(guān)系曲線為上拋型。圖4是實驗臺上動態(tài)壓差電調(diào)閥實際工作特性曲線，圖5是實驗臺上動態(tài)壓差電調(diào)閥與普通電調(diào)閥的調(diào)節(jié)效果對比。

由圖4知，動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥的實測的工作流量特性曲線接近理想的流量特性曲線，成等百分比型，閥權(quán)度接近1即通過該電調(diào)閥的流量只與閥門的開度有關(guān)。由圖5知，就控制而言：動態(tài)壓差閥控制信號基本維持在3.3 V左右，這樣避免了驅(qū)動器的無謂動作，延長了驅(qū)動器的使用壽命；就風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度而言：動態(tài)壓差閥風(fēng)機(jī)盤管的出風(fēng)溫度基本能夠維持在18 ℃，穩(wěn)定性較好，而普通閥風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度在14.5 ℃～19.5 ℃呈近似正弦變化，波動較大；就房間溫度而言：動態(tài)壓差閥的房間溫度穩(wěn)定性較好，普通閥的房間溫度波動較大。

4　結(jié)語

動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥優(yōu)點：

1)提高了末端溫度控制的精度和速度，減少了驅(qū)動器的動作次數(shù)。內(nèi)置壓差控制器將外界壓差的波動濾除，末端流量不再受壓力波動的影響，不但提高了溫度控制精度，而且避免了驅(qū)動器的無謂動作，延長了驅(qū)動器的使用壽命。

2)內(nèi)置壓差控制器會吸收所在環(huán)路的過余揚程，因此可確保水泵運行在高效的工況點。同時變頻水泵采用最不利環(huán)路壓差控制時，在水泵揚程因總體負(fù)荷下降而降低時，將吸收的壓力釋放，從而避免局部末端的欠流風(fēng)險，為水泵采用最不利環(huán)路壓差控制這一種更為節(jié)能的控制模式提供了可能。

3)在末端全負(fù)荷以及部分負(fù)荷時，避免了過流，提高了水泵的輸送效率，同時提高末端及系統(tǒng)的供回水溫差。當(dāng)系統(tǒng)供回水溫差提高，減小了大流量小溫差效應(yīng)后，控制系統(tǒng)即可正確控制冷機(jī)啟停臺數(shù)，使得冷機(jī)盡量工作在滿負(fù)荷或接近滿負(fù)荷的工況，大幅提高了冷機(jī)的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]付祥釗，肖益民.流體輸配管網(wǎng)[M].第3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.