對暖通空調(diào)系統(tǒng)中水力平衡調(diào)節(jié)的認識及思考

吳銳林

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

生產(chǎn)生活、工作學(xué)習(xí)，大多數(shù)人80%的時間都在室內(nèi)度過。營造舒適健康的室內(nèi)溫濕度環(huán)境，提供高生產(chǎn)效率、工作效率有賴于暖通空調(diào)設(shè)備的使用。在暖通空調(diào)水系統(tǒng)中，水力平衡是確保熱（冷）量在各個房間合理分配的關(guān)鍵因素。然而，在實際使用中，常常出現(xiàn)水力失衡導(dǎo)致室內(nèi)溫濕度偏離設(shè)計參數(shù)，不僅造成能源浪費，而且給人們帶來不適甚至危害身體健康。因此，暖通空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)非常值得重視。

1 水力平衡相關(guān)概念

1.1 負荷調(diào)節(jié)和循環(huán)水系統(tǒng)類型

由于室外參數(shù)變化，以及室內(nèi)用戶使用狀態(tài)變化，供熱（冷）系統(tǒng)的負荷總是處于變化狀態(tài)。通過改變系統(tǒng)供回水溫差調(diào)節(jié)供熱（冷）負荷，不主動改變循環(huán)水量的調(diào)節(jié)方式稱為質(zhì)調(diào)節(jié)。采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式設(shè)計的系統(tǒng)，即為定流量系統(tǒng)。保持系統(tǒng)的供回水溫度不變，通過主動改變循環(huán)水量來調(diào)節(jié)供熱（冷）能力的調(diào)節(jié)方式稱為量調(diào)節(jié)。采用量調(diào)節(jié)方式設(shè)計的系統(tǒng)，即為變流量系統(tǒng)。實際應(yīng)用中，為保證制冷設(shè)備、供熱設(shè)備、輸送設(shè)備的運行經(jīng)濟合理，往往是兩種調(diào)節(jié)方式結(jié)合使用。

1.2 靜態(tài)水力失調(diào)和靜態(tài)水力平衡

靜態(tài)水力失調(diào)水系統(tǒng)自身固有的，由于管路系統(tǒng)特性阻力系數(shù)的實際值偏離系統(tǒng)設(shè)計要求從而導(dǎo)致用戶實際水流量與設(shè)計流量出現(xiàn)較大偏差的運行工況失調(diào)現(xiàn)象。管路系統(tǒng)特性阻力系數(shù)是由管路設(shè)計路由、現(xiàn)場施工、閥門管件數(shù)量類型等因素共同決定。如果系統(tǒng)中所有末端空調(diào)設(shè)備的溫度控制閥門均處于全開位置，而管路系統(tǒng)特性阻力系數(shù)滿足設(shè)計要求值，所有末端空調(diào)設(shè)備的水流量均能達到設(shè)計值，那么該系統(tǒng)就達到了靜態(tài)水力平衡。

1.3 動態(tài)水力失衡和動態(tài)水力平衡

動態(tài)水力失調(diào)則不是水系統(tǒng)固有的。它是由于管路系統(tǒng)中一部分末端空調(diào)設(shè)備的閥門開度改變或者啟閉動作引起的對其他末端設(shè)備水流量變化偏離設(shè)計流量的運行工況失調(diào)現(xiàn)象。若系統(tǒng)處于靜態(tài)水力平衡狀態(tài)下運行，這時隨機地主動改變某些末端空調(diào)設(shè)備的閥門開度，其余末端設(shè)備能瞬時的調(diào)整流量，自適應(yīng)到設(shè)計流量，那么該系統(tǒng)就實現(xiàn)了動態(tài)水力平衡。

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡設(shè)計

2.1 定流量系統(tǒng)的水力平衡分析

定流量水系統(tǒng)是中央空調(diào)中常見的水力系統(tǒng)。在定流量系統(tǒng)中，末端設(shè)備通過三通閥形成對該設(shè)備換熱元件的旁通水路，從而實現(xiàn)在不改變末端設(shè)備水流量的情況下，調(diào)節(jié)該設(shè)備的供應(yīng)負荷。因此，管路系統(tǒng)中的任一末端空調(diào)設(shè)備負荷調(diào)節(jié)，幾乎對其他末端設(shè)備的流量是不會造成影響的。

2.2 變流量系統(tǒng)的水力平衡分析

定流量系統(tǒng)在部分負荷運行時，循環(huán)水量仍處于最大值，且末端設(shè)備回水混合造成較大損耗，由于空調(diào)系統(tǒng)一年中的大部分時間都在部分負荷工況下運行，為了節(jié)約能源，節(jié)省資源，變流量水系統(tǒng)在空調(diào)工程中的應(yīng)用越來越多。但在變流量系統(tǒng)的運行過程中，各分支環(huán)路的流量是隨著負荷的變化而變化，兩兩支路之間存在相互干擾。也即定流量系統(tǒng)既存在靜態(tài)水力失調(diào)，也存在動態(tài)水力失調(diào)。變流量系統(tǒng)中水力平衡調(diào)節(jié)尤為重要。

2.3 水力平衡設(shè)計

在設(shè)計階段，就應(yīng)該盡可能地通過系統(tǒng)設(shè)計、路由設(shè)計和管徑選擇，減少各個并聯(lián)支路之間的阻力損失差額。當(dāng)支路之間的水阻壓損差額大于15%時，則需要設(shè)置水力平衡裝置（水力平衡閥）。水力平衡裝置能有效調(diào)整管路的系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)，使其與滿足設(shè)計要求。此時，當(dāng)末端設(shè)備閥門全開，系統(tǒng)總流量達到設(shè)計流量時，各末端設(shè)備流量均同時達到設(shè)計水平，系統(tǒng)實現(xiàn)了靜態(tài)水力平衡。

針對動態(tài)水力失調(diào)現(xiàn)象，同樣可以通過增設(shè)水力平衡裝置（流量調(diào)節(jié)器或壓差調(diào)節(jié)器）進行調(diào)節(jié)。水力平衡設(shè)備的調(diào)節(jié)能力可以用閥權(quán)度作為標(biāo)定，閥權(quán)度即水力平衡裝置備全開時的壓力損失與水力平衡裝置所在串聯(lián)支路的總壓力損失的比值。理論上，只有當(dāng)閥權(quán)度等于1 的時候，系統(tǒng)才實現(xiàn)絕對的動態(tài)水力平衡。基于設(shè)備投資考慮，沒必要盲目追求過高的閥權(quán)度，在滿足使用需求的范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)水力平衡是可以接受的。一般，閥權(quán)度控制在0.3~0.5 即可實現(xiàn)較好的動態(tài)水力平衡，如圖1 為一種管道平衡設(shè)計方案。

圖1 管道平衡設(shè)計

3 暖通空調(diào)的水力平衡調(diào)節(jié)

3.1 靜態(tài)水力平衡調(diào)節(jié)

當(dāng)系統(tǒng)的所有動態(tài)水力平衡設(shè)備都設(shè)置在設(shè)計參數(shù)（設(shè)計流量或壓差）位置時，溫度控制閥、電動二通閥、電動調(diào)節(jié)閥等設(shè)備控制閥門在全開位置（系統(tǒng)為恒流系統(tǒng)，并貫穿整個暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行和使用）時，系統(tǒng)各個末端設(shè)備的流量達到預(yù)定流量，也就是說，實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的目的是保證終端設(shè)備同時達到預(yù)期流量，也就是實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度要求的最大流量，如果其中一部分設(shè)備不能達到設(shè)計最大流量，而其他設(shè)備又遠超出設(shè)計最大流量時，提出手段來及時解決靜態(tài)水力平衡和系統(tǒng)容量不匹配問題，就能保證系統(tǒng)能夠向各終端設(shè)備均勻供水。而變流量系統(tǒng)靜水力平衡設(shè)備的選擇指恒流系統(tǒng)的描述，這里不再贅述，末端最終需要這樣的流量是兩者都能實現(xiàn)的。

3.2 動態(tài)水力平衡調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)可以通過在相應(yīng)位置安裝液壓平衡裝置來實現(xiàn)液壓平衡，它有兩個方面：①當(dāng)系統(tǒng)其他回路發(fā)生變化時，自身回路關(guān)鍵點之間的壓差保持不變；②溫控閥、電控閥等動態(tài)閥門保持不變，流量保持不變。

該系統(tǒng)也可稱為變流量恒壓差系統(tǒng)，差壓調(diào)節(jié)是變流量系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要方式，事實上，壓力調(diào)節(jié)器流量是動態(tài)液壓平衡的另一個關(guān)鍵設(shè)備，它也是用以保持恒定流量通過閥體關(guān)鍵點的恒壓差（固定填料除外）的。

4 常用水力平衡調(diào)節(jié)法

4.1 兩種流量系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)

4.1.1 定流量系統(tǒng)的水力平衡

當(dāng)出現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)中只有靜態(tài)水力不平衡而沒有動態(tài)水力不平衡這種現(xiàn)象的時候，在這種情況下在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b一個靜態(tài)液壓平衡裝置或者調(diào)節(jié)設(shè)備就足夠了，對于最終流量完全恒定的系統(tǒng)，系統(tǒng)中是不包含動態(tài)閥門的，節(jié)流元件是通常采用靜態(tài)平衡閥、節(jié)流閥、恒流閥等，以保證對管道阻力和流量實現(xiàn)有效控制，因此各回路的實際流量要么滿足設(shè)計流量標(biāo)準，要么保持在一個恒定的固定值，在經(jīng)過必要的系統(tǒng)調(diào)整后，無須進一步修改即可開啟后閥門并保證系統(tǒng)流量可在穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)控制以達到靜態(tài)水力平衡，這種水力平衡缺點會導(dǎo)致水資源的嚴重浪費，隨著周圍環(huán)境的變化也會增加暖通空調(diào)系統(tǒng)的負擔(dān)，在用水流量發(fā)生變化和太陽輻射變化時，空調(diào)負荷也會隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致空調(diào)末端設(shè)備的溫度需求發(fā)生變化。

4.1.2 變流量系統(tǒng)水力平衡的調(diào)控

目前，可變流量供水系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展，在現(xiàn)代暖通空調(diào)建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用并取得非常理想的節(jié)水效果。變流量供水系統(tǒng)的主要工作原理是，變流量供水系統(tǒng)是根據(jù)充電流量的大小，有效地調(diào)節(jié)回路之間的流量變化，減少電力消耗的過度浪費，有效減少生態(tài)環(huán)境的污染。因此，變流量系統(tǒng)本身具有很強的節(jié)能效果。但是變流量供水系統(tǒng)現(xiàn)在仍然存在一些問題和不足，由于內(nèi)部并聯(lián)電路之間的耦合能力強，之間的應(yīng)力關(guān)系液壓能也會受到影響，一旦某一回路的水受到干擾，就會直接影響其他回路，對變流量水系統(tǒng)造成相當(dāng)大的破壞，造成水力平衡不能及時達到標(biāo)準的問題，在一定程度上也會使設(shè)備之間相互干擾。

4.2 綜合性系統(tǒng)水平衡調(diào)節(jié)措施

簡單地說，所謂“綜合性”系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)措施，就是將定流量和變流量調(diào)節(jié)措施盡心結(jié)合，但同時也融入了一些先進的管理手段、技術(shù)和設(shè)備，它在現(xiàn)代化高層建筑中的應(yīng)用較為普遍，也更具有優(yōu)勢性。從能量分配的動態(tài)水力平衡的調(diào)控來看，給空調(diào)的能量的動態(tài)波動和分配給出了一種靈巧的調(diào)控技術(shù)。讓空調(diào)的管理人員能夠依據(jù)不同的空調(diào)環(huán)路的需要以及需求的實時變化，提供不一樣的空調(diào)服務(wù)的質(zhì)量安排，在溫度冷暖有限制的情況下能夠保障關(guān)鍵環(huán)路的溫度的配置合理。

5 結(jié)語

綜上所述，可知，暖通空調(diào)系統(tǒng)水力工況具有一定的多變性，流量的變化將會直接影響各環(huán)路直接的冷熱變化。但是，就目前我國水力平衡調(diào)控方法而言，還不能徹底解決暖通空調(diào)系統(tǒng)中存在的水力失調(diào)問題，還需要相關(guān)技術(shù)人員進一步加強和完善。因此，在整個設(shè)計、施工、運營等過程中要高度重視水力平衡調(diào)節(jié)問題，研發(fā)出更多高效先進的調(diào)節(jié)方法，科學(xué)合理地配置各個用戶的水流量，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗的浪費，充分做好水力平衡前期準備工作，對水利失調(diào)原因進行深入的調(diào)查分析，并及時采取相應(yīng)的改善措施，盡可能使系統(tǒng)水力工況滿足設(shè)計要求，更好地實現(xiàn)暖通空調(diào)設(shè)備營造舒適健康室內(nèi)環(huán)境的功能。