水力失调和水力平衡分析
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摘要：本文揭示了水力失调与水力平衡的概念及其分类，并对定流量系统及变流量系统水力失调的特点、实现水力平衡的措施及典型的几种系统形式进行了深入的分析。
关键词：水力平衡 水力失调 定流量 变流量
在建筑物暖通空调工程中，水力平衡的调节是个重要的课题。本文提出了静态水力平衡和动态水力平衡的概念，并结合二种水力平衡的特点，分析了定流量系统和变流量系统几种典型方式的水力平衡设备的选择及实现水力平衡的方式。
一、水力失调和水力平衡的概念：
在热水供热系统以及空调冷冻水系统中各热（冷）用户的实际流量与设计要求流量之间的不一致性称为该用户的水力失调。
水力失调的程度可以用实际流量与设计要求流量的比值X来衡量，X称水力失调度。
X = QS/QJ（QS：用户的实际流量，QJ：用户的设计要求流量）
水力平衡是指网路中各个热用户在其它热用户流量改变时保持本身流量不变的能力，通常用热用户的水力稳定性系数r来表示。
r=1/ XMAX = QJ/ QMAX
（QJ：用户的设计要求流量，QMAX：用户出现的最大流量）
二、水力失调和水力平衡的分类：
1、静态水力失调和静态水力平衡：
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，引起系统的水力失调，叫做静态水力失调。
静态水力失调是稳态的、根本性的，是系统本身所固有的，是当前我国暖通空调水系统中水力失调的重要因素。
通过在管道系统中增设静态水力平衡设备（水力平衡阀）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流量时，各末端设备流量均同时达到设计流量，系统实现静态水力平衡。
2、动态水力失调和动态水力平衡：
当用户阀门开度变化引起水流量改变时，其它用户的流量也随之发生改变，偏离设计要求流量，从而导致的水力失调，叫做动态水力失调。
动态水力失调是动态的、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。
通过在管道系统中增设动态水力平衡设备（流量调节器或压差调节器），当其它用户阀门开度发生变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，使自身的流量并不随之发生变化，末端设备流量不互相干扰，此时系统实现动态水力平衡。
三、定流量系统水力平衡分析：
定流量水力平衡系统是暖通空调设计中常见的水力系统，在运行过程中系统各处的流量基本保持不变。常用的主要有以下三种形式：
1、完全定流量系统：
完全定流量系统是指系统中不含任何动态阀门，系统在初调试完成后阀门开度无须作任何变动，系统各处流量始终保持恒定。完全定流量系统主要适用于末端设备无须通过流量来进行调节的系统，如末端风机盘管采用三速开关调节风速和采用变风量空气处理机组的空调系统以及系统要求较低、只需气候补偿器调节供暖水温即可满足基本需要的供暖系统等。
完全定流量系统只存在静态水力失调，不存在动态水力失调，因此只需在相关部位安装静态水力平衡设备即可。通常在系统机房集水器上安装水力平衡阀（如图1所示）；对于空调水系统，可以在建筑物各层水平回水管上安装水力平衡阀。
对于某些系统，虽然也不包含任何动态阀门，但由于无法通过其它非流量手段进行调节，因此在实际运行中用户会因为房间过冷或过热而改变阀门开度从而改变流量，因此可以认为这种系统介于定流量和变流量之间。
2、单管串联（带旁通管）供暖系统：
单管串联供暖系统包括垂直双管水平单管串联系统以及垂直单管系统等。这种系统主管的流量基本不变，因此是定流量系统。以前者为例，来说明实现系统水力平衡的方式。
这种系统主要存在静态水力失调，在水平分支管上由于三通或二通温控阀的调节作用而存在一定的动态水力失调。因此只需在相关部位增设相关的水力平衡设备即可使系统保持水力平衡。具体如下：
⑴、在系统机房集水器上安装水力平衡阀；
⑵、在立管回水管上设水力平衡阀（如图2所示）；
⑶、在水平分支管上安装流量调节器保证各分支环路流量恒定（既可在本分支环路内部管道特性变化时保持流量恒定，也可在其它环路流量变化时避免受其干扰）。
3、末端设备带三通调节阀的空调系统：
如图3所示，该系统与系统2类似。系统各分支环路的流量基本不变，是定流量系统。这种系统主要存在静态水力失调，在末端管路上也存在一定的动态水力失调。因此只需在相应部位增加相应的水力平衡设备即可使系统保持水力平衡。具体措施同系统2，只需将措施⑶的流量调节器安装在末端设备（风机盘管或空气处理机组）水管道即可。
四、变流量水力平衡分析：
由于人们对系统品质的要求以及节能意识的不断提高，变流量水力系统在暖通空调工程中占据越来越重要的位置。变流量系统在运行过程中各分支环路的流量是随着外界环境负荷的变化而变化的。由于暖通空调工程在一年运行的大部分时间均处于部分负荷运行工况，因此变流量系统大部分时间系统流量都是低于设计流量的。因此这种系统是实时、灵敏、高效、节能的。
变流量系统一般既存在静态水力失调，也存在动态水力失调，因此必须采取相应的水力平衡措施来实现系统的水力平衡。
1、静态水力平衡的实现：
通过在相应的部位安装静态水力平衡设备，使系统达到静态水力平衡。
实现静态水力平衡的判断依据是：当系统所有动态水力平衡设备均设定到设计参数位置（设计流量或压差），所有末端设备的温度控制阀门（温控阀、电动二通阀和电动调节阀等）均处于全开位置时（这时系统是完全定流量系统，各处流量均不变），系统所有末端设备的流量均达到设计流量。
从上可以看出，实现静态水力平衡的目的是保证末端设备同时达到设计流量，即设备所需的最大流量。避免了一般水力失调系统一部分设备还没有达到设计流量，而另一部分已远高于设计流量的问题。因此它解决的是静态平衡和系统能力问题，即保证系统能均衡地输送足够的水量到各个末端设备。
变流量系统静态水力平衡设备的选择可参照定流量系统的描述来进行，在这里就不再赘述。
但是，末端设备在大部分时间是不需要这么大的流量的。因此，系统不但要实现静态水力平衡，还要实现动态水力平衡。
2、动态水力平衡的实现：
通过在相应部位安装动态水力平衡设备，使系统达到动态水力平衡。它包含二方面内容：
①、当系统其它环路发生变化时，自身环路关键点压差并不随之发生变化，当自身的动态阀门（如温控阀、电动调节阀）开度不变时，流量保持不变；如图4所示，当C、D点压差变化时，通过动态水力平衡设备（压差调节器PV）的调节作用，使A、B二点压差并不发生变化，如果各支路电动二通阀VM1、VM2……开度保持不变,则流经风机盘管FP1、FP2的流量保持不变；
②、当外界环境负荷变化导致系统自身环路变化时，通过动态水力平衡设备的作用，使关键点压差并不发生变化，此时自身其它并联支路的流量也不发生变化。如图4，当风机盘管FP1所在房间负荷变化导致电动二通阀FM1由开启到关闭，由于压差调节器PV1的作用，A、B二点的压差并不随之发生变化，这样，风机盘管FP2的流量保持不变。
由上可知，变流量系统动态水力平衡一般是通过动态水力平衡设备将双管并联系统关键点压差恒定在设计压差来实现的。因此变流量动态水力平衡系统也可叫做变流量定压差系统。压差调节是变流量系统的主要调节方式。实际上，动态水力平衡的另一关键设备流量调节器也是通过阀体内部关键点恒定压差（关键点间的节流装置开度不变）来保持流量不变的（固定阀胆式除外）。
下面就变流量系统几种典型动态水力平衡方式进行分析：
⑴、暖通空调机房三种主要变流量动态水力平衡方式：
①、自力式压差调节器方式：
如图5所示，在分集水器旁通管上设压差调节器PV调节分集水器压差，当某一分支环路如V1-J1流量变化时，由于压差调节器的调节作用，使分集水器压差P保持不变。这样，其余分支环路V2-J2、V3-J3的流量并不随之发生变化，从而使系统实现动态水力平衡。
②、电动调节阀方式：
电动调节阀方式可以分为电动二通阀和电动三通合（分）流调节阀方式三种，以电动二通阀方式为例：
如图6所示，从分集水器上采集压力信号P1、P2输入压差变送器，压差变送器输出4-20mA标准电流信号到调节计（或DDC），通过与调节计上设定压差相比较，输出4-20mA控制信号到电动调节阀控制其动作，通过调节电动调节阀改变旁通水量从而保证分集水器压差P恒定到设计压差，这时分集水器上任一分支回路流量变化时对其它回路不产生影响，系统实现动态水力平衡。
③、调频水泵方式：
如图7所示，从分集水器上采集压力信号P1、P2输入到压差变送器，压差变送器输出4-20mA标准电流信号到调节计（或DDC），与调节计设定压差比较后输出4-20mA控制信号到调频器，通过调频器输出已调频的电压信号到水泵，控制水泵转速改变水流量，从而保证分集水器压差与设定压差保持一致，使系统达到动态水力平衡。
⑵、供热系统典型的变流量水力平衡方式：
如图8所示为垂直双管、水平双管并联分户设环供热系统。在垂直立管回水管上设压差调节器PV1，当其它立管的管道特性发生变化时，由于压差调节器PV1的调节作用，垂直立管供回水关键点A、B的压差保持不变；在水平管回水管上设压差调节器PV2，当其它不同楼层水平管管道特性发生变化时，由于压差调节器的调节作用，水平支管供回水关键点C、D的压差保持不变。这时当该环路某一散热器所在房间负荷变化引起温控阀WA开度变化时，由于压差调节器的调节作用，关键点C、D的压差不变，这样该环路其余散热器的流量并不会随之变化。
通过对变流量供热系统关键点压差的层层整定，使系统中每个散热器的流量只会因为自身负荷变化而通过温控阀的调节来改变，并不会因为系统中其它散热器流量变化而发生变化。这样，系统真正地实现了动态水力平衡。
垂直双管、带分集水器的散热器及地暖分户设环系统也是变流量系统，其水力平衡特性同以上是一致的。
对于单、双管组合系统，分支管为单管串联的按定流量系统进行分析，分支管为双管并联及主管、机房部分按变流量系统进行分析。
⑶、空调系统典型的变流量水力平衡方式：
①、带电动二通阀的风机盘管变流量水力平衡方式：
该系统的水力平衡分析参看四.2（动态水力平衡的实现）部分。
值得注意的是，目前市场上有一种自动平衡电动调节阀，其功能和上述方式是一致的，均能保证每个风机盘管达到动态水力平衡。它将上述功能和电动二通阀集成到一个阀内，安装在每个风机盘管支路上，其缺点是价格较高。
②、带电动调节阀的空气处理机组（或柜式换热机组）变流量水力平衡方式：
如图9所示为带电动二通阀的空气处理机组。在回水管上安装压差调节器，当系统其它分支管路的管道特性发生变化时，通过压差调节器的调节作用，使A、B二点的压差保持不变。这时如果电动二通阀VM的开度不变，则空气处理机的水流量保持不变，系统实现动态水力平衡。
③、带动态平衡电动调节阀的空气处理机组（柜式换热机组）变流量水力平衡方式：
动态平衡电动调节阀是一种新颖高效、调节性能极佳的电动调节阀，它实质上是压差调节器与电动调节阀的集成。如右图所示，当系统其它管路的特性发生变化时，由于动态平衡电动
调节阀内置压差调节器的作用，使A、B二点的压差保持不变。如果电动调节阀VM开度不变，则通过空气处理机组的水流量保持不变。当空气处理机组回风温度T发生变化时，输入到调节计的测量回风温度与设定回风温度相比较，输出一个4-20mA的控制信号去控制电动调节阀的开度，以调节水流量，保证回风温度与设定温度一致。在电动调节阀动作时，由于压差调节器的作用，电动调节阀二端压差（A、B二点）保持不变，因此这种调节是灵敏高效的，且调节阀流量特性曲线与理想的流量特性曲线一致，没有变形。这种电动调节阀比普通的电动调节阀具有更好的调节特性。
五、结束语：
定流量系统与变流量系统是多种多样的，在这里只简单地分析几种典型的形式。需要注意的是，在实际的工程设计中，应根据工程投资和系统的精度要求合理地选用水力平衡设备，既要满足工程设计和技术规范要求，同时又应采用合理的方案，为甲方节约资金。
参考文献：
1、陈沛霖、岳孝芳主编—空调与制冷技术手册。上海，同济大学出版社，1990年
2、陆耀庆 等主编—供暖通风设计手册。北京，中国建筑工业出版社，1987年
3、贺平、孙刚主编—供热工程。北京，中国建筑工业出版社，1990年