空調(diào)水系統(tǒng)的阻力平衡是保證空調(diào)系統(tǒng)正常、有效運行的前提，以較低的能耗，獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境，是暖通設(shè)計者比較關(guān)心重視的問題。為了達到水系統(tǒng)的阻力平衡，設(shè)計師一般盡可能采用同程式水系統(tǒng)，倘若條件不允許時則采用異程式水系統(tǒng)，此時系統(tǒng)可能存在水力平衡失調(diào)。當(dāng)各分區(qū)環(huán)路采用同程式系統(tǒng)時，各系統(tǒng)環(huán)路間也可能存在嚴重的阻力不平衡而導(dǎo)致水力平衡失調(diào)。因此必須通過各種調(diào)節(jié)手段使系統(tǒng)達到平衡。近年來，平衡閥因其較為完備的功能和良好的調(diào)節(jié)性能，正在越受重視和歡迎。許多設(shè)計師在設(shè)計水系統(tǒng)時傾向于使用平衡閥來進行水力平衡，但筆者發(fā)現(xiàn)，在很多工程中，平衡閥的設(shè)置不盡合理，設(shè)計人員對各種平衡閥的應(yīng)用場合考慮不周。本文從平衡閥的原理入手介紹在工程實踐中如何合理地選擇平衡閥及相應(yīng)的系統(tǒng)形式。
1 平衡閥的工作原理
水力平衡設(shè)備可分為靜態(tài)水力平衡設(shè)備和動態(tài)水力平衡設(shè)備。靜態(tài)水力平衡設(shè)備主要有靜態(tài)平衡閥，動態(tài)水力平衡設(shè)備主要有動態(tài)流量平衡閥、動態(tài)壓差控制閥、動態(tài)平衡電動二通開關(guān)閥、組合式或一體式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥等。
靜態(tài)平衡閥在水系統(tǒng)中的作用主要是消除靜態(tài)水力失調(diào)、使系統(tǒng)實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。動態(tài)水力平衡設(shè)備在水系統(tǒng)中的作用主要是消除動態(tài)水力失調(diào)，使系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。
1.1 靜態(tài)平衡閥
靜態(tài)平衡閥亦稱為手動平衡閥或手動調(diào)節(jié)閥，是可進行流量測定和調(diào)節(jié)的閥門，其操作方式是人工手動調(diào)節(jié)。該平衡閥原理為可變流量的孔板，并帶有關(guān)斷功能。通過測量閥門前后測量孔的壓降，結(jié)合閥門開度的讀數(shù)，便能換算出閥門調(diào)節(jié)后的流量。靜態(tài)平衡閥實質(zhì)上是一個具有明確的“流量-壓差-開度”關(guān)系、清晰可調(diào)的開度指示以及良好調(diào)節(jié)特性的阻尼調(diào)節(jié)元件。
1.2 動態(tài)流量平衡閥
動態(tài)流量平衡閥亦稱自力式流量控制閥、定流量平衡閥等，是一種在閥體前后一定的壓差范圍內(nèi)能自動保持管道的流量始終不變的閥門。
其工作原理：q=kv√△p。通過改變平衡閥的閥芯的過流面積來適應(yīng)閥門前后壓差（如圖1所示）的變化，從而達到控制流量的目的。即在一定壓差范圍內(nèi)無論閥門入口流量如何變化均可保證其出口流量恒定。它相當(dāng)于一個局部阻力可變的節(jié)流元件，該元件由可變過流面積的閥膽和高精度（±5%）的彈簧及支撐裝置構(gòu)成。彈簧受壓差的作用自動控制閥膽上過流面積的大小，從而使通過閥門的流量恒定。流量值的大小可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行定制。
圖1 動態(tài)流量平衡閥示意圖
1.3 動態(tài)壓差控制閥
動態(tài)壓差控制閥亦稱自力式壓差控制閥、定壓差閥、動態(tài)壓差平衡閥等，其工作原理：△P=（q/Kv）2。其閥體可設(shè)定壓差值，通過調(diào)整閥門自身的開度，能自動將系統(tǒng)兩個關(guān)鍵點之間的壓差恒定在設(shè)定壓差值。動態(tài)壓差控制閥示例如圖2所示。
動態(tài)壓差控制閥是基于彈簧-隔膜組合的方法進行設(shè)計的。彈簧拉動平衡雙閥芯“2”打開閥門，壓差A(yù)B施加在隔膜“3”上，產(chǎn)生一個與彈簧相反的力。壓力A通過與測量閥的排水管相連的毛細管傳到壓差控制閥上；壓力B從內(nèi)部或外部傳到隔膜的另外一側(cè)。當(dāng)壓差A(yù)B作用在隔膜上的壓力大于彈簧力時，閥門開始按比例關(guān)小，直到找到一個新的平衡位置。這樣，在壓差控制閥上產(chǎn)生一個附加壓力降，限制了壓差△PL（通過二次回路的壓差）加大。
圖2 動態(tài)壓差控制閥示意圖
1.4 動態(tài)平衡電動二通開關(guān)閥
動態(tài)平衡電動二通開關(guān)閥具有動態(tài)平衡和電動開關(guān)功能，當(dāng)閥門開啟時，它能動態(tài)地將管道的實際流量恒定在設(shè)計流量值，并不受系統(tǒng)壓力波動的影響。
1.5 組合式或一體式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥
組合式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥是將動態(tài)壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥組合，一體式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥是把動態(tài)壓差平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥集成在一個閥體內(nèi)。它既具有動態(tài)平衡功能，即能動態(tài)地平衡系統(tǒng)的壓力波動，使流經(jīng)管道的流量不受系統(tǒng)壓力波動的影響，又具有電動調(diào)節(jié)功能，即能根據(jù)目標區(qū)域的負荷變化自動地調(diào)節(jié)開度從而調(diào)節(jié)流量值，保證目標區(qū)域的溫度始終恒定在設(shè)定溫度。
2 平衡閥在水系統(tǒng)中的合理應(yīng)用
定流量系統(tǒng)是早期的空調(diào)工程中常見的水力系統(tǒng)，這里不再闡述平衡閥在定流量系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來，隨著空調(diào)系統(tǒng)的大型化及《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2005的實施，越來越多的空調(diào)工程中都采用了變流量系統(tǒng)。
變流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運行過程中各分支環(huán)路的流量隨外界負荷的變化而變化。由于空調(diào)系統(tǒng)在一年的大部分時間都處于部分負荷運行工況，因此變流量系統(tǒng)大部分時間管道流量都是低于設(shè)計流量的。變流量系統(tǒng)一般既存在靜態(tài)水力失調(diào)，又存在動態(tài)水力失調(diào)，因此必須采取相應(yīng)的水力平衡措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，即采用靜態(tài)平衡閥實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡，采用動態(tài)水力平衡設(shè)備實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。
2.1 靜態(tài)平衡閥的應(yīng)用
變流量系統(tǒng)中靜態(tài)平衡閥用于系統(tǒng)初步調(diào)節(jié)。靜態(tài)平衡閥保證的不是系統(tǒng)中單個管道的流量值，它要維持的是在系統(tǒng)初調(diào)試時，通過靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)中各個管路的流量比值與設(shè)計流量的比值一致，這樣當(dāng)系統(tǒng)的總流量等于設(shè)計總流量時，各個末端設(shè)備及管道的流量也同時達到設(shè)計流量即所需的最大流量，系統(tǒng)實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。靜態(tài)平衡閥應(yīng)當(dāng)分級設(shè)置，表1為靜態(tài)平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表1 靜態(tài)平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
2.2 動態(tài)流量平衡閥的應(yīng)用
動態(tài)流量平衡閥用于系統(tǒng)中需定流量的管路。在系統(tǒng)中某一需流量恒定的設(shè)備的分支管路配置了適當(dāng)?shù)膭討B(tài)流量平衡閥后，該設(shè)備即能運行在設(shè)計流量狀態(tài)。如果并聯(lián)的外網(wǎng)由于變動而造成壓力的變化△P在一定范圍內(nèi)（該閥門有效范圍），則不會造成流經(jīng)該設(shè)備流量的變化。由此可見，動態(tài)流量平衡閥適合安裝在冷凍機房冷熱源設(shè)備處，一方面可以保證機組在額定狀態(tài)運行，將流量恒定在設(shè)計值，從而保護機組，另一方面提高機組的運行效率，使系統(tǒng)運行的水溫正常。表2為動態(tài)流量平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表2 動態(tài)流量平衡閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
當(dāng)壓力處于設(shè)定范圍內(nèi)，流量隨壓力的變化并不發(fā)生變化，當(dāng)壓力在設(shè)定范圍之外，流量隨著壓力的增大而增大。
需要強調(diào)的是動態(tài)流量平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥組合使用是不能實現(xiàn)穩(wěn)定末端設(shè)備流量的。因為末端設(shè)備支路上的電動調(diào)節(jié)閥是根據(jù)室溫要求來調(diào)整開度進而調(diào)節(jié)流量的，其流量是變化的，而動態(tài)流量平衡閥作用是恒定流量，所以動態(tài)流量平衡閥和電動調(diào)節(jié)閥組合使用是錯誤的。
2.3 動態(tài)壓差控制閥的應(yīng)用
動態(tài)壓差控制閥的作用一是被控環(huán)路出現(xiàn)外擾（網(wǎng)路的壓力波動）和內(nèi)擾（內(nèi)部管路阻力的改變）時，使被控環(huán)路的壓差保持恒定；二是各環(huán)路間的調(diào)節(jié)互不干擾，即一個環(huán)路的調(diào)節(jié)對其它環(huán)路的流量不產(chǎn)生影響。
大中型空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)分環(huán)路設(shè)計時，一方面由于工程設(shè)計時循環(huán)水泵是按最不利環(huán)路的阻力來選型的，對近端支路來說，往往揚程偏高，末端支路的調(diào)節(jié)閥就要承擔(dān)更大的壓差；另一方面各環(huán)路之間、各層支路之間壓差值可能相差很大，為避免水力平衡失調(diào)，在立管或支管上安裝壓差控制閥可以將立管或支管的壓差穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)，各回路的調(diào)節(jié)互不干擾，可獨立進行平衡。
動態(tài)壓差控制閥與電動調(diào)節(jié)閥可配合使用（即組合式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥）。一般電動調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇均偏大，造成電動閥大部分時間在較小開度下工作，導(dǎo)致其兩端壓差增大，不僅使閥的控制不穩(wěn)定、不精確，而且電動閥的噪聲隨著壓差增大而增大；另外閥全開時將使被控末端設(shè)備出現(xiàn)過流。一個簡單的解決方法是與電動閥串聯(lián)一個靜態(tài)平衡閥，消耗一部分壓差，使閥門開度變大，從而將流量限制到設(shè)計值。進一步更好的解決辦法是，采用動態(tài)壓差控制閥與靜態(tài)平衡閥組合設(shè)置在電動閥兩端，用動態(tài)壓差控制閥控制電動閥的進出口壓差，使之基本恒定，從而避免調(diào)節(jié)閥閥權(quán)度過小影響其調(diào)節(jié)能力，使調(diào)節(jié)閥控制的流量恒定。外網(wǎng)的壓力波動和末端設(shè)備的壓降變化，均由動態(tài)壓差控制閥吸收。表3為動態(tài)壓差控制閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置。
表3 動態(tài)壓差控制閥在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
2.4 平衡閥應(yīng)用于末端設(shè)備
動態(tài)平衡電動二通開關(guān)閥主要應(yīng)用于風(fēng)機盤管處，一方面，它具有傳統(tǒng)電動開關(guān)閥的電動開關(guān)功能；另一方面，它又能在閥門開啟時將流量始終恒定在風(fēng)機盤管的設(shè)計流量。
組合式或一體式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用于空調(diào)箱、空氣處理機組和新風(fēng)機組處。
2.5 變流量系統(tǒng)中平衡閥應(yīng)用系統(tǒng)形式
①末端設(shè)備使用動態(tài)平衡電動二通開關(guān)閥及一體式或組合式動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥（圖3）
圖3 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)形式一
通過分級設(shè)置靜態(tài)平衡閥，使系統(tǒng)初調(diào)試時，各個末端裝置獲得設(shè)計流量，實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡；通過設(shè)置動態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)在運行過程中各個末端設(shè)備的流量同時達到系統(tǒng)瞬時負荷要求流量，且這些流量之間的調(diào)節(jié)不互相干擾，從而實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。
這種系統(tǒng)優(yōu)點是控制穩(wěn)定精確；由于末端流量實時滿足要求，系統(tǒng)會獲得自動的平衡，不需要其它平衡過程；維修時影響的范圍小，某一末端設(shè)備的關(guān)斷不影響其它設(shè)備的正常使用。缺點是初投資較高。對于一些需要精確控制溫度的場所，如計算機房、醫(yī)院手術(shù)室、工業(yè)廠房等建筑，可以采用這種方案。
②動態(tài)壓差控制閥與靜態(tài)平衡閥組合使用（圖4，5）
圖4 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)型式二
圖5 平衡閥應(yīng)用于變流量空調(diào)水系統(tǒng)形式三
當(dāng)系統(tǒng)水平面積較大時，可在支路上劃分更小的支路，如圖4中的A支路，在小支路上設(shè)置壓差控制閥以提高系統(tǒng)控制的靈敏度；當(dāng)連接支路的末端設(shè)備較少時，宜在立管上設(shè)置壓差控制閥以提高經(jīng)濟性（如圖5）。這兩種系統(tǒng)優(yōu)點是舒適性較好，減小電動調(diào)節(jié)閥的噪聲，簡化了平衡與調(diào)試工作，試運行能分階段直接進行，而且初投資較低。對于大型商場、寫字樓、高級公寓或酒店等建筑，并不是所有樓層都能同時賣完或出租出去，將動態(tài)壓差控制閥設(shè)置在支路上，穩(wěn)定支路上的壓差，支路之間不需要進行平衡，因此，空調(diào)系統(tǒng)可以分層分段投入使用，而且新支路的加入不會影響其它已經(jīng)運行的支路。
3 平衡閥安裝注意事項
3.1 為使平衡閥前后的水流穩(wěn)定，保證測量精度，平衡閥應(yīng)安裝在直管段上，即平衡閥前后各至少有5倍和2倍管徑長的直管管段。若平衡閥設(shè)在水泵的出口管段上，閥前則需有10倍管徑長的直管段。
3.2 安裝過程中，保證閥體箭頭所示的方向與實際水流方向一致，切忌安裝方向相反。
3.3 平衡閥的手柄和測壓小孔應(yīng)調(diào)整到面向檢修側(cè)，以便于操作和檢修。
3.4 在整個空調(diào)水系統(tǒng)調(diào)試完畢后，必須做好平衡閥的保溫。
4 結(jié)語
空調(diào)水系統(tǒng)的根本水力平衡在于管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計組織，要通過計算使其處于基本的平衡狀態(tài)，而不要因使用某些裝置（如平衡閥）而忽略這個基本工作。
平衡閥的應(yīng)用為空調(diào)水系統(tǒng)的平衡提供了一種解決方案。各種平衡閥原理不同，作用也不同。靜態(tài)平衡閥一旦設(shè)定，相當(dāng)于局部阻力不會發(fā)生變化的節(jié)流元件，其控制對象為系統(tǒng)的阻力，開度的變化引起阻力的變化，進而達到調(diào)節(jié)流量的目的，靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)可以保證各支路間的流量分配更加合理。壓差控制閥控制的對象為系統(tǒng)的壓力，當(dāng)供回水管壓力增大或減小時，控制閥門相應(yīng)關(guān)閉或開啟，以保持差壓的穩(wěn)定，動態(tài)壓差控制閥可將管路系統(tǒng)分成若干個相對獨立的區(qū)域，區(qū)域間互不影響。動態(tài)流量平衡閥相當(dāng)于局部阻力可以發(fā)生變化的節(jié)流元件，其控制對象為系統(tǒng)的流量，當(dāng)壓力處于設(shè)定范圍內(nèi)，流量隨壓力的變化并不發(fā)生變化，動態(tài)流量平衡閥可用于需定水量的支路，避免其他支路流量變化時對其的影響。
只有正確合理的應(yīng)用，才能有效的解決水力失調(diào)問題，確?？照{(diào)水系統(tǒng)高效合理的運行。在工程設(shè)計中，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程項目的投資、規(guī)模及系統(tǒng)精度要求，在滿足設(shè)計規(guī)范要求的前提下，合理的選擇水力平衡設(shè)備和系統(tǒng)形式，為建設(shè)方節(jié)約資金。
參考文獻
[1] Robert Petitjean著 全面水力平衡暖通空調(diào)水力系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用手冊[M] 中國工業(yè)出版社，2007.
[2] 王曉松 變流量系統(tǒng)動態(tài)水力平衡設(shè)備能否取代靜態(tài)水力平衡閥[J] 暖通空調(diào)副刊 2007，37（5）：28-30.
