李森生

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

某城市地鐵空調水系統設計中平衡閥的應用

李森生

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

通過比較平衡閥單獨使用和平衡閥組合壓差控制器使用對水力穩定的影響，認為平衡閥組合壓差控制器使用，能有效地吸收被控對象外的壓力波動，使被控對象能在穩定的環境中實現線性控制。考慮安裝條件的有限性，建議地鐵車站采用動態流量平衡閥，同時通過比較分析，建議空調水系統設計采用末端壓差控制法。

平衡閥 線性控制 干管壓差 末端壓差

1 平衡閥控制原理及選取

1.1 平衡閥控制原理

比例積分控制閥具有調節和測量流量的功能，靜態平衡閥和動態壓差控制閥組合能保證在系統壓力變化時比例積分控制閥兩端的壓降基本保持不變。空調末端裝置設計選型好之后，其出力曲線是客觀固定的，如圖1（a）所示，這就要求控制閥的流量特性曲線為等百分比的特性曲線（如圖1（b）），這樣才能為自控提供簡單可靠的線性控制（如圖1（c）），從而實現對室內溫度的準確控制，實現設計的舒適度。比如，當比例積分控制閥開度為40%時，系統流量約為14%，對應空調末端的負荷出力約為40%，也就實現閥開度為40%，負荷出力亦為40%，從而實現了線性控制。因此，等百分比的特性是電動控制閥的一個最基本的要求。

其次，還需要保證在系統壓力變化的時候電動控制閥部分兩端的壓降基本保持不變。此功能對動態平衡電動調節閥來說是非常重要的功能，也是真正檢驗動態平衡電動調節閥是否能發揮作用的根本，只有保證控制閥在設計流量下其兩端的壓降保持不變的情況下，才能真正保證控制閥有很好的閥權度。閥門特性隨閥權度按比例偏離理想特性，閥權度越小，閥門特性的偏離越大。

當閥門在較小閥權度下工作時，如果負荷變化使閥門進行調節時，會產生較大的偏離。

1.2 平衡閥的選取

1.2.1 平衡閥的單獨使用

圖2所示的空調冷凍水系統是一個帶有多個并聯環路。該系統為一次泵變流量系統。系統的末端是多臺空調器和風機盤管，均采用電動二通調節閥調節水量以實現末端負荷需求的變流量系統，但當某個用戶進行負荷調節時所引起干管的壓差變化會影響到其他回路的閥門工作環境，這種變化可能會引起電動二通調節閥的控制失靈，對整個系統造成不利的影響，從而達不到調節目的。

圖1 動態平衡電動調節閥的控制曲線圖

例如，當圖2中的1-1支路控制某臺空調器的電動二通調節閥的傳感器檢測到室溫降低時，電動二通調節閥在傳輸信號作用下關小，此時，水泵揚程近似不變。由于系統流量減小，在其他管道閥門沒有調節的情況下，消耗在這些管件上的壓降減小，導致1-1支路上電動閥兩端的壓差增高。由于閥門特性隨閥權度按比例地偏離，再結合空調器的靜特性（圖1（a）），則空調器換熱能力隨閥權度的偏離也越大（例如直線流量特性的調節閥，當閥權度低于0.3時，其工作流量特性曲線嚴重偏離理想流量特性，近似快開特性）。此時實際的流量會高于理論流量，導致電動調節閥在該開度下的冷量高于預期值。即使閥門再關小，但因壓差進一步增高，流量仍將高于需要量，電動二通調節閥只有繼續關小，直至關閉。電動二通調節閥關閉后，房間溫度很快就會上升，傳感器檢測到室溫升高時，電動二通調節閥在傳輸信號的作用下就會全部打開。當房間負荷減小時，電動二通調節閥重復調節，其結果使在較低負荷運行的閥門不停開關，導致振蕩現象。

同時，總流量的減少，亦導致其他支路上作用壓頭增大，使得這些支路上流量增大，出現過流現象，最終導致房間溫度過低，造成能源的浪費。

圖2 電動二通閥單獨使用

1.2.2 平衡閥的組合使用

采用在電動二通調節閥前串聯一個壓差控制閥的方法，可以改善電動二通調節閥的調節效果。動態壓差控制閥（簡稱壓差控制閥）能自動恒定被控環路的壓差[1]，且不需外力作用。對具有多個支路的環路裝設壓差控制閥，不但可以吸收外網的壓力波動，隔離被控環路以外的干擾對其影響，而且可以減弱被控環路內部各支路負載間的相互影響，使電動二通調節閥始終在閥開度接近1.0的情況下工作，避免閥開度過小，從而避免出現調節振蕩。如圖3。

圖4的連接也可以保證電動二通調節閥的調節不受外網或其他支路調節的影響，且在已建地鐵車站中應用較多。但是，這種連接由于受到負荷側設備壓降的影響，qv=△P2/(△P1+△P2)），閥權度大大減小，即不能保證電動二通調節閥的工作特性與理想特性一致，導致其工作流量特性較理想流量特性有所偏離。

圖3 靜態平衡閥設于回水管路上的情況

圖4 靜態平衡閥設于供水管路上的情況

1.3 地鐵車站冷凍水系統控制閥選用

通過1.2.1-1.2.2節對平衡閥單獨使用和組合使用比較分析，設計中建議該地鐵線采用圖3的連接形式。

但由于地鐵車站土建條件的局限性，機房空間不是很寬裕，要同時裝設三種閥門及其他附件，需要較大的安裝空間。故建議該地鐵線采用一種“動態流量平衡調節閥”，這種功能閥它集前述三種閥門（靜態平衡閥、比例積分控制閥、壓差控制器）控制功能于一體，因此也極大壓縮了閥門部件的內部結構，對閥體的加工精度要求也高。

圖5 地鐵車站水力系統簡化圖

2 地鐵空調水系統壓差控制點的選擇

2.1 末端壓差控制方法

末端壓差控制方法，如圖5，即在環路上每個末端支路均設置動態流量平衡調節閥。部分負荷下，室內溫控器根據室內溫度的變化改變控制閥的開度，末端支路兩端作用壓差隨末端調節閥開度的改變而改變。

控制曲線為：

管路系統特性曲線為：

式中：S1為1-1支路前管路系統的總阻抗；Hm為1-1小支路間的作用壓頭；Q為空調冷凍水系統流量。

圖6中①為設計工況下管路特性曲線；②為系統控制曲線；③為設計工況水泵性能曲線。①②③相交于一點Ao(Q0，H0)，即設計工況點，它同時滿足式（1）和式（2），則：H0=S1Q02+Hm，H0=SQ02。

理論上S1不變，令Hm=S2Q0（2S2為設計工況末端支路阻抗），則S2=Hm/Q02，S=S1+S2。

部分負荷情況下，系統流量變為Q，此時被控環路阻抗S2'=Hm/Q2，S'=S1+S2'。顯然部分負荷情況下S2'＞S2，即部分負荷情況下末端支路阻抗增加，且與流量的二次方成反比關系；S'＞S意味著部分負荷情況下系統阻抗增加，管路特性曲線發生改變。

圖6 末端壓差控制工況變化示意圖

2.2 干管壓差控制方法

干管壓差控制方法，對于標準地鐵工程，是指每個車站供回水總管上，如圖7。

系統控制曲線為：

管路系統特性曲線為：

式中：S1為兩點間冷熱源側阻抗；Hg為兩點間壓差；Q為空調冷凍水系統流量。

圖7 地鐵車站水力系統簡化圖

圖8 干管壓差控制工況變化示意圖

圖8中①為設計工況下管路特性曲線；②為系統控制曲線；③為設計工況水泵性能曲線。①②③相交于一點Ao(Q0，H0)，即設計工況點，它同時滿足式（3）和式（4），則H0=S1Q02+Hg，H0=SQ02。

理論上S1不變，令Hg=S2Q02，則S2=Hg/Q02，S=S1+S2。部分負荷情況下，系統流量變為Q，被控環路阻抗S2'=Hg/Q2，S'=S1+S2'，此時管路特性曲線為H=S'Q2。

顯然部分負荷情況下S2'＞S2，即部分負荷情況下被控環路阻抗增加，且與流量的二次方成反比關系；S'＞S意味著部分負荷情況下系統阻抗增加，管路特性曲線發生改變。阻抗增大，意味著閥門消耗的壓頭增大。

2.3 兩種控制方法能耗比較

末端壓差控制條件下管路阻抗的增加遠小于干管壓差控制條件下管路阻抗的增加[2]。

干管壓差控制條件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02；末端壓差控制條件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02。

故，建議地鐵車站冷凍水系統采用末端壓差控制方法進行水力穩定。即對末端每個控制對象均設置動態流量平衡電動調節閥。

3 結論

通過比較分析，建議該地鐵線空調水系統末端選用動態流量平衡調節閥，可以有效地實現冷量與閥門開度的線性控制。同時建議在地鐵車站的每個末端空調器，或者每個控制單元的回水管路上設置動態流量平衡閥。

目前該條地鐵線已投入試運營，采用該控制方式的空調水系統已基本通過調試驗收。

[1]符永正.自力式壓差控制閥在空調系統中的應用[J].閥門,2008, (1):38-40

[2]周紅丹.空調冷凍水系統輸送節能的研究[D].武漢:武漢科技大學,2009

Applic a tion of Ba la nc e Va lve in the De s ign of the Subw a y Air Conditioning

LI Sen-sheng
China Raiway Siyun Survey and Design Group Co.,Ltd.

Through comparing balance valve used only with it used with pressure difference controller,it can conclude that balance valve used with pressure difference controller will absorb the pressure fluctuation to achieve linear control. Given limited installation conditions,this paper suggests using dynamic flow balance valve and terminal pressure difference control.

balance valve,linear control,pressure difference in main pipe,pressure difference in air terminal

1003-0344（2015）03-099-4

2014-2-20

李森生（1985～），男，碩士，工程師；湖北武漢市武昌區和平大道745號（430063）；E-mail:45386209@qq.com