电子式水力平衡阀在暖通空调系统中的应用

电子式水力平衡阀在暖通空调系统中的应用

乔杰李海刚王伟华

（红云红河集团红河卷烟厂云南红河州弥勒652399）

摘要：阐述传统暖通空调系统中水力失调问题形成的原因及危害，分析了常见动态平衡调节阀控制技术的局限性。重点结合工程实例探讨了传统阀门、动态平衡调节阀及电子式水力平衡阀的优劣性，指出电子式压力无关型控制阀可有效杜绝水力失调问题，实现对末端空调的精准控制及空调系统节能运行。

关键词：水力平衡暖通空调压力无关型节能运行

1引言

工厂暖通空调系统的任务是为生产车间、物料仓库提供适宜的温湿度环境。作为能耗大户，暖通空调系统在卷烟工厂的总能耗中占比高达40%左右，因此，暖通空调系统的高效低耗运行对于降低生产成本及节能减排工作有着重大影响。由于车间不同区域功能的多样性决定建筑结构较为复杂，这就导致使用传统阀门的暖通空调系统在实际运行过程中普遍存在着水力失调的状况，直接造成能源浪费严重、系统运行效果差、局部温湿度调控困难等问题。为节约运行成本、保证系统运行效果、提高温湿度控制精度，对暖通空调系统采取水力平衡调节措施是非常必要的。

随着对空调系统节能研究的不断深入，空调系统的水力平衡调节技术有了一定程度的发展，其中采用水力平衡阀代替传统阀门是改善已有系统水力平衡的常见方法。不同种类的水力平衡阀一般可以不同程度的解决水力平衡的问题，但不同类型的水力平衡阀实际工作特性却较少为人们所关注。本文结合实际工作特性对几种常见的水力平衡调节阀的性能进行分析比较，并根据项目实践验证各种类型调节阀在实际应用中对末端冷冻水流量的控制效果以及对中央空调系统的节能运行带来的影响。

2压力无关型调节阀

传统空调系统对末端空气处理机的控制方式一般是把被控环境实际温湿度采样值与设定值做PID运算，以PID运算的结果来控制冷水、加湿、加热等调节阀的开度。以冷水调节阀来说，DDC控制器的输出命令直接对应着调节阀的开度，而由于冷冻水系统是动态变化的，即使是相同的调节阀开度，在不同时刻对应的冷冻水流量也是不定的，即表冷器热交换量与调节阀开度不是线形关系，容易对控制精度造成不利影响。这种传统的调节阀控制方式实际上是理想化了调节阀的开度与水流量、表冷器热交换量的关系。我们知道，当暖通空调系统的末端（空气处理器）运行在环境参数不断变化的动态工况下时，表冷器两端的热交换量受车间温湿度、冷冻水流量以及冷冻水温度影响，其中水流量变化又对某一时刻的热交换量影响最大。因此，要想将传统的不定趋势控制改善为准确量化控制，杜绝水力失调的问题，末端阀门至少要能实现对流经表冷器水流量的稳定控制。而传统调节阀显然达不到这一要求。如何使调节阀能够稳定、准确的控制流量，目前已经有很多的理论及手段，压力无关型动态平衡调节阀就是目前应用较为普遍的一种解决水力失调的方法。

现阶段大量运用的压力无关型动态平衡阀多数是机械式平衡调节阀。机械式的压力无关型动态平衡调节阀的控制理念是使流经空调系统末端处理器（更细化说是表冷器）的冷水流量与供水压力变化无关、只和阀门开度相关。机械式动态流量平衡调节阀在理论层面是理想的，但在实际应用当中，受限于机械结构，控制效果很难达到令人满意的目标。相较于普通的控制阀门，机械式的压力无关型动态平衡调节阀在动态运行中的流量控制效果上有所改善，但此类阀门对使用环境（正常工作时阀门前后的压差）、水的流态、水质等都有较为严格的要求，尤其对阀门前后的压力要求较高。作为其关键部件的压力稳定装置，因为是自力式的机械部件，一定压力差是其工作的动力来源，机械补偿装置要能正常工作，阀门前后必须要有一定的压力差，否则机械稳压装置将不能正常工作甚至完全失去作用。除此之外，现有的压力无关型动态平衡调节阀还存在一个较大的弊端。恒定被控环路两端的压差是机械式动态平衡阀的控制核心，可我们知道空调负荷不能准确地通过压差来描述。因此，机械式水力平衡阀虽然可以实现被控环路压差的恒定，它所能做到的只是限制环路的最大流量、防止出现流量过大而已，当系统负荷增大时，机械阀式平衡调节阀所提供的能量可能不足，当系统负荷减小时，提供的能量又可能过剩。因此，基于压差恒定的平衡调节阀并不能实现各个环路能量分配的平衡，不可能获得人们所期望的冷热均衡的效果。

随着测控技术的发展，电子式压力无关型流量调节阀逐渐体现出了在空调系统末端控制上的优势。电子式压力无关型调节阀，采取的是“先测流量，在测量的基础上控流量”的方式，这与机械式“维持控制阀两端压力恒定，以阀门开度决定流量”的方式有着极大的不同，控制原理及方式更为简单直接。从控制信号到控制结果的这一过程中，机械式以控制信号决定开度，用压力稳定装置微调控制阀开度以稳定阀门两端的压差恒定，使流量与DDC控制器控制信号呈基本对应的关系；而电子式则是直接以控制信号决定能量，能量与阀门两端压差及阀门的机械开度完全没有机械式阀门的对应关系。由于不需要机械稳压装置，由机械稳压装置带来的所有短处一并消除，降低了对使用环境的要求，不再要求必须提供足够的压力差，同时对水质的要求降低，并能在全量程范围提供几乎一致的精度。电子式的压力无关型控制阀通过集成控制器、流量计和表冷器进出口温度传感器，对实际过阀流量和表冷器进出口温度进行精准测量，计算出表冷器热交换量与控制要求相比较，得出的偏差信号去控制阀门改变流量，整个过程稳定、平顺、准确。压力无关型调节阀从机械式到电子式这一改变，实现了暖通空调系统末端阀门控制概念的一个飞跃。

图1阀位模式曲线

3电子式压力无关型调节阀工作特性分析

通过设置动态平衡调节阀，一般可以不同程度地解决空调系统水力失衡的问题，但实际应用中关于调节阀工作特性却较少为人所关注。为验证压力无关型调节阀在实际应用中对末端空调的控制效果以及对空调系统的节能运行带来的影响，笔者结合工程实例，对几种阀门的实际应用效果及工作特性进行了分析。

为消除干扰，本次实验选取具有相对独立的调控空间的一台空气处理机，其位于冷冻水路最远端。考虑到Bolimo公司的能量阀自带的阀位模式、流量模式可分别模拟传统阀门、机械式动态平衡调节阀的工作特性，能量模式是电子式压力无关型调节阀的最优工作模式，同时能量阀集成的流量计及温度传感器可采集过阀流量、计算表冷器热交换量等运行参数，采集到的数据还能在能量阀内部控制器内进行统计和分析，自动生成各种数据的趋势记录，这些趋势亦可以方便的导出，供运行管理者作为分析使用，因此，此次实验选用Bolimo能量阀作为冷冻水调节阀。

3.1能耗分析

经过两个月的测试时间，在不改变DDC控制器控制程序的前提下，能量阀在三种控制模式（阀位、流量、能量）均能实现对末端空气处理器的正常控制，调控区域温湿度在测试期间均能达到工艺要求。

能量阀在阀位模式下运行时，工作原理与传统阀门类似，DDC控制器控制信号与阀门开度严格对应。因此，以阀位模式来模拟分析传统调节阀的工作特性及控制效果。从图1中可以看出，当DDC控制器控制信号为大约60%时，处于阀位模式下的能量阀实际开度也稳定在60%左右，冷冻水过阀平均流量约35m3/h。

在流量模式下运行时，DDC控制器控制信号实际控制的是过阀流量而非阀门开度，与机械式动态平衡调节阀控制目标类似，可认为是一台理想状态下的机械式动态平衡调节阀。从图2中可以看出，当DDC控制器控制信号为大约60%时，因能量阀当前设定的表冷器冷冻水额定流量为50m3/h，故此时的过阀冷冻水流量被控制在大约30m3/h。

图4能量模式曲线2

图5流量信号对比图

在能量模式下运行时，能量阀可结合过阀流量及表冷器进出口温差计算出冷量，同时对表冷器的换热能力进行稳定准确的线性化处理，使表冷器的热交换量与DDC控制器控制信号呈线性关系，并通过自主调节阀位实现对冷量的控制，即电子式压力无关型调节阀的最优工作模式。从图3、图4可以看出，当DDC控制器控制信号为大约为60%时，因能量阀当前设定的表冷器额定冷量为300KW，能量阀根据过阀流量、表冷器进出口温差计算冷量后调节冷量大约为160KW，此时冷冻水流量仅为16m3/h。

结合上述工作特性图可知，当DDC控制器控制信号相同时，三种模式下的过阀流量均不相同。在阀位模式下，过阀流量达到35m3/h，说明使用传统调节阀，当冷冻水管网压力升高时，表冷器会出现过流现象，能源浪费严重。在流量模式下时，过阀流量为30m3/h，相较阀位模式来说，水力失调问题得到改善，有一定的节能效果。在能量模式下，阀门结合流量及进出口温差实现对冷量的控制，过阀流量仅为16m3/h，水力失调得到解决，节能效果明显。

为进一步分析三种阀门的运行效果，从两个月的实验数据中挑选室外环境相似（室外温湿度接近）的三天数据进行对比，采样数据如下表所示：

表1能量阀采样数值表

从表1可知，阀位模式下累计冷量为1500KWh，流量模式下累计冷量为1420KWh，能量模式下累计冷量为1350KWh。对比累计冷量我们可得出结论，电子式压力无关型调节阀与机械式动态平衡调节阀相比传统阀门来说在空调系统运行中具有一定的节能效果，其中电子式压力无关型调节阀节能效果显著。从该处理器的回风温湿度可以看出，电子式压力无关型调节阀控制精度要高于传统阀门和机械式动态平衡调节阀。

3.2流量信号分析

能量阀采集、存储的大量数据如使用得当，可对整个中央空调系统的节能运行优化产生积极作用。例如在对测试期间冷冻水流量变化的分析过程中我们发现，部分时段DDC控制器控制信号为100%时，流量反馈信号远远达不到控制要求，见图5中蓝色曲线部分。

从图5中多次出现实际过阀流量达不到设定要求的情况：当设定流量为100%即50m3/h时，过阀流量仅为50%-80%即25-40m3/h，当设定流量为80%左右即40m3/h时，过阀流量仅为50%左右即25m3/h左右。说明在中央空调系统冷负荷较大时，最远端处理器已经出现冷冻水流量不足的情况，此时，应考虑增开冷冻水泵。

4推广及应用

综上所述，相较传统阀门和动态平衡调节阀，电子式压力无关型调节阀在当前表冷器运行控制上更为稳定可靠，尤其在降低系统能耗方面表现突出。电子式压力无关型调节阀作为水力失衡问题的一种解决方案，可以将现场设备的设计参数和控制系统的控制信号实现无缝衔接，使得自控系统可以实现对末端处理器的量化控制，在解决水力失调问题的同时大大提高了末端处理器控制精度。

将电子式压力无关型调节阀推广至整个暖通空调系统，可以从全局的角度有效解决整个空调系统全局水力工况的失衡问题。它可根据末端处理器的负荷变化，动态分配各个分支水路的冷量并相应调节冷水机组源头的供水流量，真正实现变负荷工况下各个末端设备的冷量供需平衡，有效降低冷冻水用量，进而降低冷冻水泵耗电量，对空调系统的经济运行有着深远意义，具有极高的推广价值。

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