淺議水力平衡閥在醫藥潔凈廠房理化實驗室空調水系統中的應用

孫從云

（中石化上海工程有限公司，上海，200135）

關鍵字：水力平衡閥；實驗室；空調水系統；應用

0 引言

隨著潔凈空調技術在科研、醫療、高科技生產及實驗室領域的廣泛應用，對于空調系統設計提出了更高的要求。通常對于空調系統設計應滿足最大負荷要求，如不能達到系統狀態的平衡，將會影響末端設置滿負荷處理效果，系統投資效益不能最大程度得到發揮。平衡閥是在水力工況下，起到動態、靜態平衡調節的閥門。設置平衡閥于空調水系統中，通過調節閥對空調末端水量進行調節，空調各個末端的流量變化不會對其他設備水力有干擾，平衡閥因此達到水力平衡作用。水力平衡調試能夠使系統各部分水量與實際需求相符，提高冷熱源換熱效率，從而確?？照{水系統在符合變化下的運行更合理、經濟。因此，必須要做好水力平衡閥的合理安裝，采取正確方法對系統進行調試，繼而為系統正常運行提供保障。

1 空調水系統水力平衡的必要性

空調系統設計主要是達到舒適度要求和最少能耗的目的，其是否達到節能和提高供冷或供熱的品質的關鍵在于水力平衡閥技術是否達到設計要求?？照{系統中由于某種原因會出現輸送環路及冷熱源機組環路水力失調，從而使流經終端用戶不符合機組實際流量與設計流量；在選擇水泵時，由于水泵選型偏大，或者水泵在不合適的工作點位置運行，使水泵運行效率降低，水系統運行工況處于大流量、小溫差，也降低了熱量輸送效率；此外，熱源或冷源機組達不到額定出力，會造成實際運行機組臺數比按照負荷要求的臺數要多。以上情況都是水力失調的表現，水力失調所造成流量失調和壓力失調會使空調系統運行無法完全達到最滿意的效果。流量失調導致變流量系統運行失調，某些支路水量偏大或偏小，如某個支管阻力過大，會造成水量不足，在系統供熱或制冷時，房間溫度震蕩頻繁，出現近熱遠冷或近冷遠熱的冷熱不均現象，針對空調系統水力失調可以采用水力平衡閥，以此對超量壓差進行吸收，同時控制和設定系統所需流量，保持系統穩定運行，達到節能目的。

2 水力平衡閥的原理

水力平衡閥分為手動靜態平衡閥和動態平衡閥（包括動態流量平衡閥和動態壓差平衡閥）。手動平衡閥是對手柄調節閥芯旋轉的上下運動，以此使閥門Kv 值改變，閥門兩端的測壓點通過專用儀表連接可以對閥門壓降和通過流量進行測量，并可對閥門開度進行鎖定。動態平衡閥具有一定壓力范圍內限制空調末端設備的最大流量和自動恒定流量的特點。如圖1 為動態流量平衡閥，當P1（來流壓力）增大時，閥膽套筒運動方向是向下的，套筒將閥膽內的彈簧壓縮，使閥膽底部閥孔過流面積減少，即閥膽Kv 值減少，ΔP（閥膽兩端壓差）增大，但Kv 值的減小會因彈簧作用下兩者乘積Q（流量）處于平衡狀態，從而保持通過該閥的流量恒定。理化實驗室空調流體控制系統由于是結合了溫度調節裝置和區域控制功能，通常采用靜態平衡閥不合時宜，采用動態型水力平衡閥可以最大靈活的給空調水系統提供完全的解決方案。

圖1 動態流量平衡閥

3 應用實例

3.1 工程概況

該醫藥廠房項目占地6500 m2，主要由生產廠房和實驗室兩部分組成。其中實驗室潔凈區域面積為890 m2，潔凈區空調系統由微生物室空調系統和陽性室空調系統兩套獨立精華空調對潔凈度進行控制。為了減低室內小氣候對實驗室工作人員和儀器設備的影響，應確保適宜溫度和濕度，實驗用通風柜補新風系統采用組合式空調箱，但是由于其新風量一直變化導致負荷及流量波動大，使冷熱源換熱效率降低，室內區域出現溫差加大，因此，需要對風量變化因素進行分析，解決水力失調問題。理化實驗室舒適性空調使用風機盤管系統，負荷穩定。

3.2 水力不平衡原因分析

舒適性空調由于風機盤管水系統中風機盤管阻力系數較大，且進出支管均有閥門安裝，再加上過濾器和軟接頭等，使風機盤管有較好穩定水力，并未出現水力失調。實驗室變風量由送/排風變化、開關門造成的壓力變化、通風柜使用造成的變化等多方面因素決定，通風柜變風量控制是通過調節閥門傳感器改變風量達到給定風速?？照{水系統按照管路布置方式分為同程和異程系統，而對系統每個支路來說，阻力是由各種設備閥門和其他管件產生的局部水頭損失和管道沿程損失組成。同程系統水力平衡好，但是由于有回程管，增加了造價成本；異程系統由于平衡閥的使用從根本上克服了水力失調現象，因而對同程系統的應用越來越少。該系統因本工程環境需要采用異程系統，異程系統雖最近支路穩定性好，但最遠支路穩定性比較差，末端水量因動態失調而發生變化，使室內溫度也發生波動，需要加設靜態平衡閥；此外，該系統在實際運行過程中發現有某些閥門開度變化引起水流量，系統有壓力產生，使流量發生改變，與系統要求流量相偏離，故會針對原因采取動態平衡措施。

3.3 水力平衡閥的應用

（1）靜態平衡閥。要實現靜態平衡首先需要經過水力工況計算，水力工況是指系統各點的壓力，按照各管段的流量、壓差，由公式△P=SG2 可知（其中：△P—壓差或稱阻力損失；S—管段或系統的阻力系數；G—管段或系統的流量），減低上游管路流量需要通過減壓來進行調控，而減少流量應對管路前點壓力減少或對管路后點壓力增加，流量一旦變化，壓力也會發生變化；在S 值不變的系統中，流量的改變決定了壓差變化。該系統由于沒有安裝靜態水力平衡閥，雖然總流量與設計總流量一致，即：3*0.78+8.9+13.4=24.64，但各個末端設備、空調箱、空氣處理機組的流量與設計流量均不一致。如：空氣處理機組的實際流量15.6 要比 13.4 的設計流量要大，以此造成過流；而空調箱的實際流量6.78要比8.9 的設計流量要小,從而導致欠流。在安裝了靜態平衡閥后，不僅系統總流量與設計總流量保證一致，即：3*0.78+8.9+13.4=24.64。而且三個末端設備、空調箱及空氣處理機組的實際管道流量與設計流量均保證相等。如：空氣處理機組的實際流量13.4 與設計流量13.4 相等；空調箱的實際流量8.9 也與設計流量8.9 相等。

（2）動態平衡閥。解決動態失調的唯一途徑是采用動態壓差平衡閥。在管道系統中增設相關設備能夠保證動態水力平衡，如動態流量平衡閥、動態壓差平衡閥、風機盤管動態平衡電動閥、組合閥方案和壓力無關線型溫度調節閥等，通過這些設備對其他閥門開度變化屏蔽，來達到保持自身流量穩定，并與末端流量互不干擾。動態平衡閥以設計流量和閥門最大允許阻力損失來選擇平衡閥的規格和壓差范圍，主要用于冷水機組冷凍水、冷卻水供水管、變風量系統的末端設備等需要流量維持恒定的部位。該系統安裝動態壓差平衡電動調節閥之后實現了動態平衡和調節功能的統一，該閥分為上下閥錐，上閥錐為電動閥閥錐，其前后恒定壓差由動態壓差平衡閥所提供，動態壓差平衡閥吸收了系統的壓力波動，上閥錐沒有動作時，閥門流通能力Kv 值不變，壓差ΔP 不變，閥門流量Q 也不變；上閥錐動作時，流量在通過閥門時會有變化發生。在空調風機盤管水系統各層水平回水管上分別安裝動態壓差平衡閥后，系統負荷和流量穩定，不管系統壓力如何變化，始終維持流量不超過設計流量。

3.4 平衡調試

針對該系統需求，分別進行了靜態水力平衡調試和動態水力平衡調試。靜態水力平衡調試按照一定步驟進行調節，首先打開所有閥門，分解系統為多級多個并聯系統，以調試方案為依據，使用超聲波流量儀測量各并聯環路，在儀表中輸入閥門口徑和設計流量，根據流量、溫差計算參數，儀表所顯示的開度值對水力平衡閥手輪進行旋轉，調節系統流量分配，確保各并聯環路之間壓力損失相對差達到相關規定要求，在調試合格后不應對平衡閥開度隨意變動；動態水力平衡閥是由廠家根據設計流量進行廠前定制的，因而現場不需要進行任何調試，本系統動態平衡型電動閥的設計流量和工作電壓以出廠定制為依據，在現場只需要與室內溫控器連接即可，并因其電動調節功能相連于廠內自控系統，只在現場對單機進行簡單調試，之后與廠內系統聯調，設定簡單參數，動態平衡閥膽流量的確定應根據對應風機盤管額定流量進行。

4 結束語

大型空調水系統配置平衡閥已經成為了實現水力平衡的主要手段，許多設計師對于各種平衡閥應用考慮不盡相同，某些項目中由于對平衡閥設置不合理，雖然安裝了水力平衡閥，但是在調試過程中無法發揮流量分配的作用，因此，只有對不同項目工程水系統的實際運行情況進行分析，合理選型靜態和動態平衡閥，并經過周密計算，進行科學分布，才能對系統運行產生有利影響，達到節能效果。本工程由于布置了一定數量的通風柜，新風量一直變化導致負荷及流量波動大，通過對空調箱之間水力工況變化的分析和水力平衡閥的應用，保證了流量分配的合理，使室溫達到設計要求，并起到節約能量，降低運行費用的效果。