動態壓差平衡型電動調節閥應用案例研究

胡澤寬　高　巖　林惠陽

(北京建筑大學環境與能源工程學院，北京　100044)

0　引言

中央空調系統的工程設計中，變流量系統與定流量系統相比具有明顯的節能潛力，因此變流量系統已經在工程實踐中得到了廣泛的應用。由于變流量系統的水力特性和控制特性與定流量系統不同，因此在工程設計中需要考慮到這些特點。變流量系統的基本特征：實際運行工況與設計工況存在顯著差異。設計工況是按100%負荷設計的，而空調系統的實際運行工況負荷常年在20%～60%之間，由此造成系統的流量和壓力的分布與定流量系統完全不同，如果仍然延用定流量系統的水力平衡和調節措施，就會引起一系列的水力和熱力問題，如：1)末端溫度控制精度下降，舒適度下降及能耗增大；2)水泵功耗巨大；3)冷機效率低下；動態壓差平衡型電動閥就是為了解決上述問題所研發。在變流量空調系統使用動態壓差平衡型電動調節閥能夠較有效地解決系統的水力和熱力問題。

本研究從工作原理和使用特點介紹了動態壓差平衡型電動調節閥(下面簡稱動態壓差電調閥)，并通過實際應用案例進一步測試和分析了動態壓差電調閥的調節特性和效果。

1　相關概念

1.1　調節閥流量特性

調節閥流量特性是指調節閥的相對流量與其相對開度之間的函數關系[1]，如式(1)所示：

(1)

式中：G——閥某一開度時的流量；

Gmax——閥全開時的流量；

L——閥某一開度時閥芯行程；

Lmax——閥全開時閥芯行程。

在理想狀況下，閥權度為1，即在閥門兩端壓降固定不變時，閥門通過閥門流量與閥門開度之間的關系。對于空氣—水換熱裝置如空調箱、風機盤管，其本身流量與熱輸出之間的關系為上拋特性，而在實際運行過程中電動調節閥與空調箱或風機盤管組合后，閥門開度與熱輸出特性之間成線性關系，所以采用流量與閥門開度之間為對數特性關系的電動調節閥。

1.2　閥權度

閥權度[1]α是指電動調節閥兩端壓降在閥門全開與全關時之比,其反映了電動調節閥在系統內權重和對流量變化過程的控制能力。在系統足夠大時，閥權度的計算可簡化為，閥門本身在全開時壓降與閥門所在支路的總壓降之比，如圖1所示。

2　動態壓差平衡型電動調節閥工作原理

動態壓差電調閥由壓差控制器和電動調節閥兩個閥門構成，如圖2所示。電調閥兩端的壓力P2，P3由內部導壓流道引至壓差控制的膜片兩端，在膜的兩端與內部的彈簧的力量形成一個平衡，即FP2=FP3+F彈簧，當系統壓力變化時，P2～P3增加導致平衡被破壞，使得膜片的下方壓力大于上方，膜片向下移動，壓差控制閥的閥芯關小，進而P2～P3減小，達到新的平衡。反之，壓差控制閥的閥芯開大，在整個開關過程中調節閥的壓差P2～P3保持恒定即閥權度始終為1，因此流過調節閥的液體流量只與調節閥的開度有關。

3　應用案例

3.1　應用案例介紹

應用案例是新風加風機盤管系統空調實驗臺。該實驗臺由三個部分組成：

1)空調冷源系統，包括溴化鋰吸收式熱泵機組、冷卻水泵和冷卻塔；

2)空調冷凍水系統，包括管路及管路上的流量、壓力、壓差、溫度傳感器以及平衡閥、通斷調節、連續調節閥等執行裝置；

3)空調末端，包括10個風機盤管，其中1號、3號、5號、7號、9號風機盤管的額定冷量為6 000 W，其余風機盤管的額定冷量為3 000 W。2號、5號、7號風機盤管的回水支路上裝有動態壓差平衡型電動調節閥。整個系統采用西門子網絡控制器等設備。超過100個模擬、數字量輸入輸出點，從而實現對水系統壓力、溫度、流量等的實時監測，對水泵及閥門運行的控制。實驗臺系統圖如圖3所示。

3.2　動態壓差平衡型電動調節閥調節效果的實測與分析

在實際工程中，隨著閥權度的降低，即是理想特性曲線為對數的閥門，其流量與閥門開度之間的關系也產生了變化。從而導致組合后的末端散熱量與閥門開度之間的關系曲線為上拋型。圖4是實驗臺上動態壓差電調閥實際工作特性曲線，圖5是實驗臺上動態壓差電調閥與普通電調閥的調節效果對比。

由圖4知，動態壓差平衡型電動調節閥的實測的工作流量特性曲線接近理想的流量特性曲線，成等百分比型，閥權度接近1即通過該電調閥的流量只與閥門的開度有關。由圖5知，就控制而言：動態壓差閥控制信號基本維持在3.3 V左右，這樣避免了驅動器的無謂動作，延長了驅動器的使用壽命；就風機盤管出風溫度而言：動態壓差閥風機盤管的出風溫度基本能夠維持在18 ℃，穩定性較好，而普通閥風機盤管出風溫度在14.5 ℃～19.5 ℃呈近似正弦變化，波動較大；就房間溫度而言：動態壓差閥的房間溫度穩定性較好，普通閥的房間溫度波動較大。

4　結語

動態壓差平衡型電動調節閥優點：

1)提高了末端溫度控制的精度和速度，減少了驅動器的動作次數。內置壓差控制器將外界壓差的波動濾除，末端流量不再受壓力波動的影響，不但提高了溫度控制精度，而且避免了驅動器的無謂動作，延長了驅動器的使用壽命。

2)內置壓差控制器會吸收所在環路的過余揚程，因此可確保水泵運行在高效的工況點。同時變頻水泵采用最不利環路壓差控制時，在水泵揚程因總體負荷下降而降低時，將吸收的壓力釋放，從而避免局部末端的欠流風險，為水泵采用最不利環路壓差控制這一種更為節能的控制模式提供了可能。

3)在末端全負荷以及部分負荷時，避免了過流，提高了水泵的輸送效率，同時提高末端及系統的供回水溫差。當系統供回水溫差提高，減小了大流量小溫差效應后，控制系統即可正確控制冷機啟停臺數，使得冷機盡量工作在滿負荷或接近滿負荷的工況，大幅提高了冷機的工作效率。

參考文獻：

[1]付祥釗，肖益民.流體輸配管網[M].第3版.北京：中國建筑工業出版社，2009.