能量閥在地鐵中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

夏三縣

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

我國地鐵起步較晚，但經(jīng)過50年，尤其是近20年的高速發(fā)展，中國的軌道交通，不管是技術(shù)還是里程上，均處在世界領(lǐng)先的位置，根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《2017年城市軌道交通行業(yè)統(tǒng)計(jì)報(bào)告》截至2017年末，中國內(nèi)地城市軌道交通運(yùn)營里程為5033公里。地鐵中央空調(diào)系統(tǒng)，也經(jīng)歷了從無到有，從簡單就地控制、制冷機(jī)群控到能效管理平臺(tái)三個(gè)階段。中央空調(diào)系統(tǒng)，不僅要保障工藝及舒適性要求，同時(shí)對(duì)節(jié)能的要求也越來越高。

地鐵車站中央空調(diào)系統(tǒng)，通常設(shè)計(jì)成大系統(tǒng)及小系統(tǒng)兩部分［1］。大系統(tǒng)是指服務(wù)于公共區(qū)（含站廳、站臺(tái)）的通風(fēng)、空調(diào)及防排煙系統(tǒng)；小系統(tǒng)是指服務(wù)于車站設(shè)備及管理用房的通風(fēng)、空調(diào)及防排煙系統(tǒng)。為了提高設(shè)備的工作效率、節(jié)能和方便運(yùn)行管理，工程中經(jīng)常采用樓宇控制系統(tǒng)，在組合式空調(diào)機(jī)組的回水側(cè)，安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)負(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。閥門通常被用做開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)參數(shù)。常見的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，有壓力相關(guān)型及壓力無關(guān)型兩類。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，靜態(tài)水力失調(diào)、動(dòng)態(tài)水力失調(diào)及大流量、小溫差是中央空調(diào)水系統(tǒng)常見的問題。

1.1 壓力相關(guān)型閥門

通過閥門的水流量q，與閥門的過流面積A及閥門前后的壓差（P1-P2）相關(guān)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式1所示［2］：

為了簡化分析，通常假設(shè)閥前后壓差（P1-P2）不變，則閥門的流量q與過流面積A成正比。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，普通的電動(dòng)閥門前后的壓差是不可能一成不變的，閥門前后的壓差，不僅和自身相關(guān)，還跟整個(gè)管路系統(tǒng)的相關(guān)。

1.2 壓力無關(guān)型控制閥

“壓力無關(guān)”特性，流量變化只與輸入控制信號(hào)有關(guān)，與水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)無關(guān)。在一定的壓差范圍內(nèi)，壓力無關(guān)型控制閥能夠有效地抵消因水系統(tǒng)壓力變化及波動(dòng)帶來的影響，維持一個(gè)恒定的流量輸出。根據(jù)產(chǎn)品的構(gòu)造及原理，分為機(jī)械式及電子式兩種方式。

機(jī)械式壓力無關(guān)型控制閥，由控制閥及穩(wěn)定器兩部分組成, 通常也稱作組合閥或一體閥，結(jié)構(gòu)如下圖所示：各個(gè)部分的壓差

一體閥前后的壓差△(P1-P2)即使發(fā)生變化，壓力穩(wěn)定段△(P1-P0)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，確?！?P1-P0) ，可以抵消△(P1-P2)的變化值，從而保證控制閥前后的壓差△(P0-P2)保持不變。［3］

圖1 一體閥壓差分布

根據(jù)公式1可知，閥前后壓差恒定，則通過閥門的流量僅與閥門的過流面積相關(guān)。

電子式壓力無關(guān)型控制閥，由控制閥及流量計(jì)組成。流量計(jì)測(cè)得的值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后執(zhí)行器通過改變閥門的開度來修正偏差，使流量值與設(shè)定值保持一致。

圖2 能量閥組成

2.1 靜態(tài)水力失調(diào)

靜態(tài)水力失調(diào)指的是系統(tǒng)各用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量不一致。解決靜態(tài)水力失調(diào)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是，在各支管路上，安裝靜態(tài)平衡閥，使實(shí)際的系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)比與設(shè)計(jì)要求保持一致。［4］在以往的工程中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)平衡閥的調(diào)試工程量浩大，且需要熟練人員，反復(fù)調(diào)試完成，很多項(xiàng)目都沒有調(diào)試到位，導(dǎo)致水力不平衡現(xiàn)象依舊存在。由于大、小系統(tǒng)功能不同，運(yùn)行時(shí)間不同，控制策略也不同，就會(huì)產(chǎn)生新的水力不平衡現(xiàn)象，靜態(tài)平衡閥變得無能為力。

能量閥解決靜態(tài)水力失調(diào)，是將末端（支路）的設(shè)計(jì)流量做為能量閥的最大值，確保每臺(tái)末端設(shè)備（支路）的實(shí)際流量不超過設(shè)計(jì)流量，在系統(tǒng)實(shí)際總流量≥設(shè)計(jì)總流量的前提下，所有的末端（支路）均不會(huì)發(fā)生過流，也不會(huì)發(fā)生欠流的情況，在能量閥全開的情況下，實(shí)際流量等于設(shè)計(jì)流量，解決了水力失調(diào)的問題。

2.2 動(dòng)態(tài)水力失調(diào)

動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，指的是當(dāng)部分用戶閥門開度開化引起水流量改變時(shí)，其它用戶的流量也隨之發(fā)生改變，偏離設(shè)計(jì)要求流量。這種失調(diào)是動(dòng)態(tài)的，變化的，不是系統(tǒng)本身固有的，是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用機(jī)械式壓力無關(guān)型閥門。在使用初期，會(huì)取得較好的效果，但由于壓力穩(wěn)定段的物理結(jié)構(gòu)，對(duì)空調(diào)冷凍水循環(huán)泵需要額外的壓頭，事必提高循環(huán)泵的功耗，而且冷凍水，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，安裝過程中的焊渣，運(yùn)行中的管壁脫落，會(huì)使水質(zhì)變差，而動(dòng)態(tài)平衡閥的物理結(jié)構(gòu)如下圖所示，類似于Y型過濾器的結(jié)構(gòu)，在閥門的底部，非常容易形成阻塞，造成水流量減少，室溫降低等現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)平衡閥，越用越堵，流量越來越小，水泵功耗越來越高，造成惡性循環(huán)。維護(hù)人員每年都要進(jìn)行清洗，拆洗困難工作量浩大，很多地方，直接將動(dòng)態(tài)平衡閥芯拆掉，動(dòng)態(tài)平衡閥實(shí)際變成了直管段，無法解決水力失調(diào)的問題。

圖3 動(dòng)態(tài)平衡閥剖面圖

能量閥讀取控制器發(fā)出的設(shè)定值，與測(cè)量值進(jìn)行比較，并通過調(diào)整閥門的開度，從而確保實(shí)際值保持一致，來解決動(dòng)態(tài)水力失調(diào)現(xiàn)象。

2.3 大流量、小溫差

大流量、小溫差現(xiàn)象是中央空調(diào)系統(tǒng)中末端普通存在的一個(gè)現(xiàn)象。在變流量冷凍水系統(tǒng)中，隨著冷凍水流量的增加，換熱量也在增加。當(dāng)流量達(dá)到一定值時(shí)，雖然流量增加很大，但換熱量變化很小，如下圖表冷器冷凍水流量、換熱量及供回水溫差關(guān)系圖所示，流量處于54-66GPM區(qū)間時(shí)，流量增加22%，但換熱量只增加了1.8%，供回水溫差縮小了2℃，這個(gè)區(qū)間，稱作能源浪費(fèi)區(qū)間。在這個(gè)區(qū)間，大流量并沒有帶來換熱效果的顯著改善，過大的冷凍水流量，增加水泵的電費(fèi)支出。

圖4 表冷器換熱曲線與溫差關(guān)系

3.1 能量閥

能量閥如下圖所示，由等百分比特性的電動(dòng)控制型球閥，電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)，供回水溫度傳感器及內(nèi)置的控制芯片等組成。

圖5 能量閥安裝示意圖

能量閥的流量計(jì)，及供回水溫差，可以按照下列公式3計(jì)算出此時(shí)的熱量值，該熱量值，就是建筑物實(shí)時(shí)的熱負(fù)荷。在每一個(gè)特定時(shí)刻，熱負(fù)荷都是固定不變的，m和 △t就成反比。工程項(xiàng)目中，過流現(xiàn)象比較普遍，這時(shí)△t很小。能量閥溫差控制功能，將保證實(shí)際供回水溫差始終大于設(shè)定溫差，減少實(shí)際流量值。當(dāng)所有能量閥的流量減少值累計(jì)到冷凍水系統(tǒng)循環(huán)水泵處，節(jié)能、降耗效果將非常顯著。

換熱量公式如下［5］：

Q：吸收或放出的熱量J

c：比熱容 J/(kg·℃)

m：質(zhì)量 kg

△t：溫度差 ℃

3.2 控制模式

閥位控制。即常規(guī)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制模式，是壓力相關(guān)型控制。閥門接受控制器發(fā)出的指令信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，改變被控對(duì)象（冷凍水）的流量。角位移與被控流量存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，但會(huì)受閥門前后的壓差的影響，被控效果與預(yù)期差別較大，且不能解決暖通空調(diào)系統(tǒng)中大流量、小溫差現(xiàn)象。

流量+溫差模式，是壓力無關(guān)型控制。首先需確認(rèn)每臺(tái)表冷器的設(shè)計(jì)負(fù)荷Qs， 并根據(jù)冷凍水設(shè)定的供回水溫差在△Ts， 確認(rèn)設(shè)計(jì)水流量qs， 并將此流量值輸入能量閥中，設(shè)置成最大流量qmax， 流量計(jì)測(cè)量出實(shí)際水流量為qi。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)qi>qmax， 能量閥將切換到限流模式，通過減少電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，確保qi< =qmax， 同時(shí)，溫度傳感器測(cè)量供回水溫度，并計(jì)算出實(shí)際的溫差△Ti，當(dāng)△Ti< △Ts， 能量閥將進(jìn)入溫差控制模式，通過減少電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，減少通過閥門的水流量，確?！鱐i> =?Ts。 流量+溫差模式，是能量閥提供的兩種限制模式，防止流量過流，又防止小溫差的產(chǎn)生，限流模式相當(dāng)于初調(diào)，確保各個(gè)控制點(diǎn)的流量不超過設(shè)計(jì)的最大流量，溫差模式相當(dāng)于細(xì)調(diào)，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)小流量、大溫差的控制效果。

熱量+溫差模式。是壓力無關(guān)型，溫度無關(guān)型控制。首先需確認(rèn)每臺(tái)表冷器的設(shè)計(jì)負(fù)荷Qs， 并將此流量值輸入能量閥中，作為最大熱量Qmax， 流量計(jì)測(cè)量出實(shí)際水流量為qi， 及溫度傳感器測(cè)量供回水溫度，并計(jì)算出實(shí)際的溫差△Ti，通過能量閥內(nèi)置的積分儀，計(jì)算出實(shí)時(shí)的熱量Qi。 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)Qi>Qmax， 能量閥將切換到限熱模式，通過減少電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，確保Qi< =Qmax，同時(shí)，當(dāng)△Ti< △Ts， 能量閥將進(jìn)入溫差控制模式，通過減少電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，減少通過閥門的水流量，確保△Ti> =△Ts。

前饋控制。對(duì)于特定的場(chǎng)合，當(dāng)裝有能量閥后，可以實(shí)現(xiàn)前饋控制。以地鐵站為中心，設(shè)立控制室，將監(jiān)控冷凍水管網(wǎng)所有的能量閥。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，繪制預(yù)測(cè)的室外氣溫曲線，根據(jù)此曲線，建立各建筑物預(yù)測(cè)空調(diào)負(fù)荷。根據(jù)室外溫度變化，實(shí)時(shí)修正負(fù)荷變化，將此數(shù)值發(fā)送至能量閥，能量閥將按照修正后的換熱量，給建筑物制冷，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化供冷。

4 結(jié)語

能量閥是一款集供回水溫度測(cè)量，流量（熱量）測(cè)量及控制調(diào)節(jié)于一體的多功能的閥門。同時(shí)，又是一款壓力無關(guān)型的電子式平衡閥，與管網(wǎng)的水力特性無關(guān)，自適應(yīng)管路水力特性，保障系統(tǒng)水力平衡，自帶溫差管理程序，有效地杜絕大流量、小溫差的現(xiàn)象。能量閥可以存儲(chǔ)13個(gè)月的數(shù)據(jù)支持Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線及BACnet樓宇通訊協(xié)議，將現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)上傳至群控系統(tǒng)，也支持將數(shù)據(jù)上傳至云端，可以繪制整個(gè)冷凍水流量變化圖，冷凍水的流量、冷量輸配，做到真正地可測(cè)、可控。

在使用能量閥后，通過對(duì)圖4表冷器換熱特性曲線的分析，當(dāng)流量從66GPM降至54GPM，換熱量下降1.8%, 溫差提升2K，流量下降22%，末端大流量小溫差現(xiàn)象極大改善。