浅谈空调水系统水力平衡及平衡阀的应用

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摘要：随着人们对生活品质的要求和节能意识的不断提高，水力平衡装置在空调水系统中的应用越来越广泛，本文对水力失调及水力平衡的概念及分类，水力平衡装置的原理及其在空调水系统中的应用进行了详细的阐述。

关键词：水力失调 水力平衡 平衡装置

当前，节能减排已经成为我国的一项基本国策，而建筑节能则是其中最重要的环节之一。由于暖通空调系统能耗在建筑整体能耗中占据很大比例，因此近些年来，影响暖通空调系统节能、舒适的关键因素之一―水力平衡技术，已经成为暖通空调行业的主要热点之一。

一、 水力失调及水力平衡概念及分类：

在暖通空调水系统中，水力失调是普遍存在的问题，由于系统中水力失调问题的存在，导致系统流量分配不合理使得空调区域实际需求的冷、热量与实际供给的冷、热量不匹配，从而造成某些区域冬天不热、夏天不冷的情况出现。在系统运行中为解决这个问题，通常采用提高水泵扬程的措施，但仍会产生冷（热）不均的问题。这种长期的不合理的运行，不仅不能解决供热或供冷品质不高的问题，还造成了大量的能源浪费。因此，必须采用相应的水力平衡措施对系统流量分配进行调节，才能从根本上彻底解决这个问题。

1. 静态水力失调和静态水力平衡

静态水力失调： 是由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致，, 从而使系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致，引起的水力失调。是稳态的、根本性的、是系统本身所固有的。

静态水力平衡： 通过在管道系统中增设静态水力平衡设备，在水系统初调试时对系统管道特性阻力数比值进行调节，使其与设计要求管道特性阻力数比值一致，此时当系统总流量达到设计总流量时，各末端设备流量同时达到设计流量，实现静态水力平衡。

2.动态水力失调和动态水力平衡

动态水力失调：是系统实际运行过程中当某些末端阀门开度改变引起水流量变化时，系统的压力产生波动，其它末端的流量也随之发生改变，偏离末端要求流量，引起的水力失调。是动态的、变化的、它不是系统本身所固有的，是在系统运行过程中产生的。

动态水力平衡：通过在管道系统中增设动态水力平衡设备，当其它用户阀门开度改变引起水流量变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，自身的流量并不随之变化，末端设备流量不互相干扰，实现动态水力平衡。

二、水力平衡阀发展的历史

早期的集中空调水系统一般采用定流量水系统，这种系统对温度的控制是粗略地，也是不节能的，随着人们生活品质要求，节能意识的不断提高以及空调系统的大型化，变流量系统在集中空调工程中占据越来越重要的位置。变流量水系统在系统设计时是按照最大负荷来选择和设计设备和管网的，在系统运行过程中则是通过安装在末端设备处的调节阀门调节实际水量，从而满足末端设备部分负荷工况的需要。由于集中空调水系统一般是多台末端设备并联，且水系统绝大部分时间内都处于部分负荷运行状态，因此这些末端设备的调节阀门经常是同时进行调节的，因此必然由于互相干扰而导致水力失调，空调水系统的规模越大，水力失调的影响也就越明显。因此，自20世纪八九十年代以来，在北美和欧洲逐渐出现了一些将动态平衡和调节功能集成在一个阀体内的水力平衡产品，以满足集中空调水系统对动态水力平衡的要求。在亚洲，特别是中国，水力平衡产品是在20世纪90年代逐渐被采用的，最早是在集中供暖系统中采用一些静态和压差平衡阀，到2000年，特别是2002年以后，一些大型的集中空调水系统也开始使用水力平衡产品，以满足舒适和节能的要求。

三、水力平衡产品的发展顺序

（1） 静态平衡阀：最早出现的水力平衡阀，它实质上是一种改良的手动阀；

（2） 动态压差平衡阀、动态流量平衡阀，实际上都是自力式阀门，具有自力式阀门的普遍特点，即无需能量，工作稳定，但是精度稍差，且无法监控；

（3） 自力式FCU平衡两通阀，自力式AHU平衡调节阀，实质上是将动态（压差\流量）平衡阀与电动两通（调节）阀的功能集成在一个阀体内，平衡功能靠自力式阀芯来实现，两通（调节）功能靠电动阀芯来实现，因此它在平衡方面也具有精度稍差和无法监控的缺点。

另外，目前市场上也出现了通过串联双环路主辅控制的方法来实现平衡和调节功能的压力无关型平衡调节阀门。由于暖通空调系统的最终目的是给用户提供一个舒适、节能的空调环境，因此水力平衡产品必定是为这一最终目标而服务的，这也决定了水力平衡产品的发展方向。

四、常用平衡、调控装置

1、静态水力平衡阀：调节管路阻力，是解决水力管网系统的重要节能产品，具有线性流量特性的、调节性能较好的一种手动调节阀门，它可以通过专用仪表测量流经阀门的流量，通过调节阀门的阻力对管网进行初调节，实现系统管网在设计工况下的阻力平衡。设于各并联环路。

2、自力式流量控制阀（采暖空调用动态流量控制阀）：控制调节流量，在集中供暖和集中空调循环水系统中，当被控环路的供、回水压差发生动态变化时，能够依靠自身的机械结构，自主控制被控环路流量不变；用于管网用户有可能发生变化的定流量系统，例如：室内为定流量单管采暖系统，以后有可能增加用户的供热管网建筑物入口；以及改变运行台数、有超流量危险的并联循环水泵等。

自力式流量控制阀

3、自力式压差控制阀（采暖自力式压差调节阀）：

控制调节压差，在集中供暖和集中空调循环水系统中，当被控环路的流量发生动态变化时，能够依靠自身的机械结构，自主控制被控环路的供、回水压差不变的自力式压差控制阀；用于需要保持用户供回水压差恒定的变流量系统，例如室内为双管采暖系统的供热管网建筑物入口。

自力式压差控制阀

4、电动和动态平衡一体阀

（1）电动阀为两位开关阀（动态平衡电动两通阀）

按照设计流量选择和制造阀门，系统不需要手动初调节；无大流量大口径，用于风机盘管。室温未达到设定值时：不受管网压力变化（其他阀门动作）的干扰，动态维持设计流量；室温达到设定值时：关断阀门。

（2）电动阀为连续调节阀（动态平衡电动调节阀）

按照设计流量选择和制造阀门，系统不需手动初调节；用于需比例调节的空气处理机组。根据风温改变水流量设定值，在管网压力发生变化时，动态地维持设定的水流量恒定。

动态平衡电动调节阀

五、平衡调控装置的原理

1、定流量阀

通过阀门的水流量公式

式中 G――流经阀的流量

K――某开度范围内系数K近似不变

F――阀芯过流面积

P――阀进出口压差

P增大时，减小F值， 维持G不变

固定流量型定流量阀原理

2、自力式定压差阀

设置两通阀的末端用户流量减少、阻力增大，Pb（P2）降低，供回水压差（Pa-Pb）增大；阀门测点根据供回水压差的变化减小开度，降低P1压力，使（P1-P2）保持恒定在设定值；但系统供回水（Pa-Pb）仍然随用户的两通阀开闭变化，水泵可以根据系统的总压差变化改变转数。

定压差阀安装方式和原理

3、连续调节的一体阀（动态平衡电动调节阀）

• 阀芯可调部分F1：根据风温进行电动调节，即根据需要随时改变设定流量

• 阀芯水力调节部分F2：同固定流量型

F1 F2

六、平衡调控装置在空调系统中的合理应用

1.定流量（冷热源）

控制调节目标 一级泵系统冷源设备流量 共用集管连接的冷热源设备单台机组流量 冷水机组冷却水温

可采用 压差控制的电动旁通调节阀 与水泵联锁的两位开关阀 水温控制的电动旁通调节阀

2.变流量（负荷侧）

控制调节目标 空调冷热水并联环路平衡 风机盘管 空气处理机组

可采用 静态平衡阀 两位电动开关阀有需要时为动态平衡电动两通阀 连续调节的电动调节阀有需要时为动态平衡电动调节阀

七、平衡阀工程应用实例

某商务楼空调改造工程， 建筑面积大、建筑平面布置不对称，并因业主要求“ 黄金地段” 有效使用面积高而使设备用房及管井面积小，且其位置不利。在原设计中，由于设计时间比较早，无平衡阀的使用。又因为管线长、难平衡，系统出现水力失调，导致房间冷热不均。在空调季节，有近1/4的房间太冷，有1/3房间则太热；相反，在采暖季节，有1/4房间太热，有1/3房间则太冷。在改造设计中, 在冷源侧增设了压差控制的电动旁通调节阀，使冷源侧为定流量运行，在风机盘管处增设了动态平衡电动两通阀；在空调机组处增设了动态平衡电动调节阀。重新投入运行后其制冷和供热的效果极其显著,基本所有房间均达到设计温度。使用平衡阀前各房间空调情况如下图所示：

使用平衡阀前

八、总结

空调水系统中的水力失调问题是普遍存在的，为了消除水力失调问题实现各空调区域供热、制冷效果的均衡，达到节能降耗的目的，应针对不同的空调系统采用相应的水力平衡技术措施。平衡装置是随着空调水系统的发展而逐渐出现的，空调系统中合理使用平衡装置是提高空调系统舒适性和节约能耗的有效途径。

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