控制閥的特性

    在設(shè)計任何采暖與空調(diào)裝置系統(tǒng)時主要目的都是獲得舒適的室內(nèi)氣候，同時盡可能降低成本和減少運(yùn)行問題。

    在理論上，新的控制技術(shù)好像足以滿足最苛刻的要求，能夠能夠提高舒適度并能切實節(jié)約能源。

    但在實踐中，即使最精密的控制器也不能完全實現(xiàn)其理論性能。原因很簡單：往往忽略了那些必須滿足的正確的運(yùn)行條件，而其對于舒適度和成本的重要意義是不容忽視的。

    如果我們系統(tǒng)地分析暖通空調(diào)系統(tǒng)的工作情況，往往會覺察到以下問題：   

    并非所有的房間內(nèi)都能達(dá)到所需的室溫，尤其是在發(fā)生高負(fù)荷變化之后。

    在可以達(dá)到所需的室溫時，盡管在末端裝置上使用了精密的控制器，它仍然會不斷地波動起伏。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在低負(fù)負(fù)荷和中等負(fù)荷的情況下。

    盡管生產(chǎn)裝置具有足夠的裝機(jī)容量，但卻不能在高負(fù)荷下輸送，特別是在啟動階段。

    即使用精密的控制器也不能糾正這些故障。其原因往往與循環(huán)系統(tǒng)本身的設(shè)計缺陷有關(guān)，主要是因為三個基本條件沒有得到滿足。  

    系統(tǒng)接口處的流量必須相互兼容。

    所有末端處都必須達(dá)到設(shè)計流量。

    控制閥兩端的壓差不能變化過大。

    控制閥的特性

    控制閥的特性是由水流量與閥門開度之間的關(guān)系決定的。在壓差恒定時，這兩個量用最大值的百分比來表示。

    對于具有線性特性的閥門，水流量與閥門開度成比例關(guān)系。在低負(fù)荷和中等負(fù)荷下，由于末端裝置的非線性特性（圖1a），控制閥少許的開度就會明顯地增大通過閥門的流量。因此低負(fù)荷下控制回路就可能不穩(wěn)定。

    本文主要是有關(guān)第二個條件的一些信息，以及在末端裝置上使用二通控制閥一些啟示。

    通過選擇控制閥特性來補(bǔ)償非線性，可以解決這一問題，從而使末端裝置的輸出量與閥門開度成比例關(guān)系。

    在供水流量為其設(shè)計流量的20％時，如果末端裝置的輸出為其設(shè)計值的50％，則可以對閥門進(jìn)行設(shè)置，使它在開度達(dá)到50％時只允許有20％的設(shè)計流量。這樣，當(dāng)閥門達(dá)到50％的開度時，就可以獲得50％的熱量輸出（圖1c）。以此類推到所有流量上，我們所得到閥門的特性就可以補(bǔ)償?shù)湫湍┒藫Q熱裝置的非線性。這一特性（圖1b）稱為等百分比修正“EQM”。

    但是，要獲得這一補(bǔ)償，必須滿足兩個條件：

    如果控制閥兩端的壓差不是恒定的，或者如果閥門尺寸過大，則控制閥特性發(fā)生偏移，就可能會影響到調(diào)節(jié)控制性能。

    控制閥兩端的壓差必須是恒定的。

    當(dāng)控制閥完全打開時，必須能夠獲得設(shè)計流量。

    控制閥閥權(quán)度

    當(dāng)控制閥關(guān)閉時，末端、管道和附件中的流量和壓降降低。導(dǎo)致控制閥上的壓差升高。壓差的增大會使控制閥的特性發(fā)生偏移。這種偏移可以通過控制閥閥權(quán)度表現(xiàn)出來。

    分子是恒定的，只取決于控制閥的選擇和設(shè)計流量值。

    分母對應(yīng)于回路上達(dá)到的ΔH。與所選擇的控制閥串聯(lián)安裝的平衡閥不會改變這兩個因素，因而對控制閥閥權(quán)度沒有影響。

所選擇的控制閥應(yīng)當(dāng)能夠達(dá)到可能的最佳閥權(quán)度。根據(jù)市場供應(yīng)的產(chǎn)品范圍，一般都會尺寸偏大。平衡閥可以使控制閥完全打開時獲得設(shè)計流量。使其特性更加接近理論特性，從而改善控制功能（圖3b）。 

    在一個異程分配（圖2a）中，遠(yuǎn)程回路會承受較高的ΔH變化。在低流量情況下，得到的控制閥閥權(quán)度最差。也就是當(dāng)控制閥幾乎承受全部水泵揚(yáng)程時。

    用變速泵時，一般要使接近最后一個回路的壓差保持恒定（圖2b）。在這種情況下，ΔH的變化將會轉(zhuǎn)移到第一個回路上。

    Δp傳感器用于控制變速泵。如果它的位置接近最后一個回路，在理論上可以將泵送成本降到最低，但接近泵的回路也會產(chǎn)生問題。當(dāng)系統(tǒng)在平均小負(fù)荷的狀況下運(yùn)行時，這些回路可能發(fā)生流量不足；或者，如果控制閥是按照最小Δp設(shè)計的，則在設(shè)計條件下的閥權(quán)度將會很差。為此，一個較好的折中方案就是將Δp傳感器設(shè)置在系統(tǒng)的中部與定速泵相比可以將Δp的變化減小50％以上。

    圖2c顯示了功率輸出與閥門開度之間的關(guān)系（為獲得正確全開流量而選擇的EQM控制閥，設(shè)計閥權(quán)度為0.25）。當(dāng)回路上獲得的ΔH增大時，控制閥特性可能會變差，從而使控制回路產(chǎn)生不規(guī)則振蕩。在這種情況下，采用一個局部壓差控制器可以穩(wěn)定控制閥兩端的Δp，使其閥權(quán)度接近一（圖4a）。

    調(diào)節(jié)控制閥的選擇

    在以下條件下，二通控制閥的尺寸正確：

    1- 在設(shè)計條件下完全打開的控制閥可以達(dá)到設(shè)計流量。

    2- 保持足夠的控制閥閥權(quán)度，一般高于0.25。

    當(dāng)控制閥在較長時間內(nèi)保持全開時，需要滿足第一個條件才能避免過流而在其他盤管中產(chǎn)生流量不足。在每天夜間停機(jī)回設(shè)后早晨啟動期間，盤管尺寸偏小時，溫控器設(shè)定在制冷工況最低值時（這是一種常見的做法），以及控制回路不穩(wěn)定時，都會發(fā)生這種情況。

    為了在設(shè)計條件下得到設(shè)計流量，設(shè)計流量下全開控制閥中的壓降必須等于局部可得到的壓差ΔH減去盤管和附件中的設(shè)計壓降（圖3a）。在選擇控制閥時是否可利用這些信息？我們假設(shè)可以。

    對于1.6 l／s的流量，市場上可以找到的控制閥所產(chǎn)生的設(shè)計壓差為13、30或70 kPa，而沒有中間值。計算的數(shù)值一般在市場上找不到相應(yīng)的產(chǎn)品。因此，控制閥一般都會尺寸偏大。所以要安裝一個平衡閥，以便在設(shè)計條件下得到設(shè)計流量，改進(jìn)控制閥的特性，而不增大壓降（圖3b）。

    選擇控制閥之后，我們必須驗證它的閥權(quán)度ΔpVc／ΔHmax是否足夠。如果不足，則必須重新考慮系統(tǒng)的設(shè)計，以便能夠在較小的控制閥兩端形成較高的Δp。

　　用于解決局部問題的一些特殊設(shè)計

    對于一些特殊情況， 進(jìn)行單獨處理總比讓系統(tǒng)其余部分也對異常狀況有反應(yīng)要好。

    當(dāng)對控制閥的選擇處在臨界狀態(tài)， 或者當(dāng)回路出現(xiàn)大的ΔH變化時， 可以采用一個局部壓差控制器來穩(wěn)定控制閥兩端的壓差， 如圖4a所示。這就是一般的控制閥最小閥權(quán)度降低于0.25的情況。

    原理很簡單。自力式壓差控制閥STAP的膜片與溫度控制閥的入口和出口相通。當(dāng)這一壓差增大時，膜片上的受力增大，相應(yīng)地按比例關(guān)閉STAP。這樣，控制閥上的壓差實際上就可以保持恒定。選擇這一壓差值，使得控制閥完全打開時能夠在STAM 處獲得設(shè)計流量。控制閥絕對不會尺寸偏大，其閥權(quán)度也保持接近一。

    所有的額外壓差都施加在STAP上。與溫度控制相比，壓差的控制較為容易，可用一個合適的比例帶來避免不規(guī)則振蕩。

    將局部壓差控制器與變速泵相結(jié)合可以保證最佳的控制條件，提高舒適度，并且能夠節(jié)約泵的能耗、降低系統(tǒng)中的噪音。

    出于經(jīng)濟(jì)原因， 這一解決方案通常適用于小型系統(tǒng)。

    對于較大的系統(tǒng)，其ΔH變化較大，可以利用一個與平衡閥相連的壓差傳感器來限定流量（ 圖4b）。當(dāng)測得的壓差與設(shè)計流量相符時， 控制閥就不允許進(jìn)一步打開了。當(dāng)BMS系統(tǒng)同時要求測量的流量值在設(shè)計值附近時， 非常適合采用這一解決方案。

    當(dāng)末端裝置由開關(guān)控制閥或時間比例控制閥控制時， 對壓差的限制可以降低噪音、簡化平衡程序。在這種情況下， 壓差控制器可以應(yīng)用在一組末端裝置上的穩(wěn)定壓差， 如圖5 所示。

    這一解決方案也可應(yīng)用于由調(diào)節(jié)控制閥控制的一組小型裝置上，同時還能提高其閥權(quán)度。

    這些例子不是限制性的，只是表明一些特殊問題可以通過特定的解決方案來解決。

    供暖設(shè)備中壓差的穩(wěn)定

    變流量分配

　　在具有散熱器的供暖設(shè)備中，恒溫調(diào)節(jié)閥的預(yù)設(shè)定通常要考慮使壓差ΔHo=10kPa。 

    在平衡過程中，將支路中的平衡閥STAD設(shè)定為能夠在支路上獲得正確的總流量。這樣就可證實預(yù)設(shè)值，且支路的中心可以達(dá)到預(yù)期的10kPa。

    如果恒溫調(diào)節(jié)閥上承受的壓差可以超過30kPa，則裝置中可能產(chǎn)生噪音，特別是當(dāng)水中殘留一些空氣時。在這種情況下，最好按照圖7采用一個STAP來穩(wěn)定壓差。

    在每個支路或小立管上，一個STAP可穩(wěn)定壓差。

    流量qs可通過測量閥STAM來測量。

    定流量分配

    在住宅樓中，供水溫度是由中央控制器依據(jù)室外狀況來調(diào)節(jié)的。

    刺激泵的揚(yáng)程可能很高（相對于恒溫調(diào)節(jié)閥太高），就會造成噪音。如果對回水溫度沒有限制的話，可以使用定流量分配。

    一種解決方案是為每套住宅配置一條旁通管AB和一個平衡閥STAD-1（圖8a）。這一平衡閥帶走產(chǎn)生的ΔH。每套住宅還配置一臺具有適當(dāng)水泵揚(yáng)程（低于30kPa）的二次泵。當(dāng)恒溫調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時，施加在恒溫調(diào)節(jié)閥上的Δp保持在可以接受的水平上，從而避免在系統(tǒng)中產(chǎn)生噪音。設(shè)計的二次流量必須稍低于一次流量，避免旁路AB中產(chǎn)生回流，從而在A處產(chǎn)生混合點以及降低供水溫度。這就是在二次回路上設(shè)置平衡閥STAD-2的原因。

    為了避免用二次泵和STAD-2，可按照圖8b為每套住宅設(shè)置一個比例泄壓閥BPV。該BPV與平衡閥STAD-1相連，以獲得需要的一次流量。BPV設(shè)定點的選擇要滿足要求。當(dāng)恒溫調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時，A和B之間的壓差增大并有超過BPV設(shè)定點的趨勢。BPV打開，可保持A和B之間的壓差恒定。

    一般設(shè)計建議

    一套循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計取決于其具體特性和工作條件。比如在變流量分配系統(tǒng)的設(shè)計階段，應(yīng)考慮：

    異程還是同程。

    恒速泵還是變速泵。

    末端裝置上是調(diào)節(jié)控制還是開關(guān)控制。

    有些一般性建議在所有的情況下都是有效的：

    1.系統(tǒng)必須在設(shè)計條件下達(dá)到液壓平衡， 從而使裝機(jī)功率能夠輸送。從這一點來看， 末端裝置采用調(diào)節(jié)模式還是開關(guān)模式控制是沒有區(qū)別的。 

    2.必須采用補(bǔ)償方法或“TA平衡”來優(yōu)化平衡程序。這就避免了對整個系統(tǒng)進(jìn)行來回反復(fù)地檢測，從而大大降低了人工費用。用這兩種方法可以清楚地查明泵尺寸是否偏大，并對泵進(jìn)行修改，因此能夠降低泵送成本。平衡程序提供了檢測大部分不規(guī)則循環(huán)點的可能性。手動平衡閥則始終能夠測量流量，以便進(jìn)行診斷。

    3.必須仔細(xì)選擇調(diào)節(jié)二通控制閥

    正確的特性（多數(shù)為EQ％ 或EQM）。

    正確的尺寸：控制閥在全開及設(shè)計流量下，必須能夠承受設(shè)計條件下大部分的可用回路壓差。

    控制閥閥權(quán)度不應(yīng)當(dāng)降到0.25以下。

    4.如果在有些回路中不能滿足上述最后一個條件， 則在這些回路中安裝一個局部Δp控制器， 以提高控制閥的閥權(quán)度， 降低產(chǎn)生噪音的危險。

    5.當(dāng)使用變速泵時，Δp傳感器必須安置于正確的位置上，以便既降低泵送成本，又達(dá)到減小控制閥兩端Δp變化的要求，在二者之間實現(xiàn)最佳的折衷效果。采用計算機(jī)模擬的手段， 就能很容易找到傳感器的最佳位置。

    結(jié)論

    一套暖通空調(diào)系統(tǒng)是為一定的最大負(fù)荷而設(shè)計的。如果因為設(shè)計條件下系統(tǒng)不平衡而無法達(dá)到滿負(fù)荷， 那么整個裝置的總投資就得不到回報。當(dāng)需要最大負(fù)荷時， 控制閥完全打開仍不能處理這種狀況。確定二通控制閥的尺寸是很困難的， 計算所得的閥門一般在市場上買不到， 因此通常都會尺寸偏大。這樣循環(huán)系統(tǒng)平衡就變得非常關(guān)鍵，一般來說這部分的投入小于暖通空調(diào)總投資的百分之一。

    每天早晨， 經(jīng)過一夜的停機(jī)回設(shè)之后， 需要調(diào)動全部的功率來盡快恢復(fù)舒適度。平衡良好的系統(tǒng)可以很快做到。如果啟動時間可以節(jié)約30分鐘的話，相對于8小時的工作時間， 每天就可以節(jié)約6％的能耗。這比所有的分配泵送成本還要多。

    在變流量分配中，泵送能耗一般占制冷裝置季節(jié)消耗的5％以下。而將室內(nèi)溫度多降低1度需要的費用是10至16％。因此，獲得正確的舒適度是節(jié)約能源的最佳方式。所以， 必須采取一切旨在降低泵送能耗的措施， 使它們不會對末端裝置控制回路的運(yùn)行造成不利影響。

    通過盡可能增加設(shè)計水溫差.T以及使用最佳定位Δp傳感器的變速泵， 可以降低泵送成本。在中等負(fù)荷下，穩(wěn)定的調(diào)節(jié)PI控制（圖1a）比開關(guān)控制所需要的流量低， 因而也可以降低泵送成本。

    但最重要的是補(bǔ)償泵的尺寸偏大問題。用補(bǔ)償方法設(shè)置的平衡閥可顯示這種尺寸偏大狀況。可以發(fā)現(xiàn)所有的超壓都位于靠近泵的平衡閥上。對泵實施修正措施之后， 此平衡閥可以重新打開。

    循環(huán)平衡需要正確的工具、最新的程序和有效的測量裝置。手動平衡閥顯然是在設(shè)計條件下獲得正確流量的最可靠、最簡單的產(chǎn)品，而且始終能夠?qū)α髁窟M(jìn)行測量以便實施診斷。必要時還可以與壓差控制器相連。