靜態(tài)水力平衡閥工程應(yīng)用分析
近年來，美國和歐洲一些企業(yè)的水力平衡新產(chǎn)品、新技術(shù)、新思維不斷影響著我國暖通界，設(shè)計人員在很多工程中大量采用了水力平衡閥。但是，實(shí)際工程中不斷暴露出問題，由此產(chǎn)生了關(guān)于水力平衡和平衡閥的質(zhì)疑和相關(guān)的學(xué)術(shù)之爭。
1 水力平衡
文獻(xiàn)[1]對水力平衡的定義是：在真實(shí)運(yùn)行情況下測定水的流量，并在滿負(fù)荷時調(diào)節(jié)流量至設(shè)計值，為建筑物內(nèi)的每個區(qū)域或房間輸送合理的供熱、供冷量的過程。
2 靜態(tài)水力平衡閥應(yīng)用的討論
2.1 設(shè)計工況下的水力失調(diào)
對于一個按照設(shè)計要求運(yùn)行的理想HVAC系統(tǒng)而言，在滿負(fù)荷工況下，各個用戶都能夠獲得設(shè)計水量，滿足各個區(qū)域用戶的舒適性以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求，避免用戶投訴和能源浪費(fèi)，這樣的系統(tǒng)就算是實(shí)現(xiàn)了水力平衡的系統(tǒng)。反之則稱為水力不平衡或稱水力失調(diào)的系統(tǒng)。通常在設(shè)計工況下，當(dāng)系統(tǒng)中某一用戶資用壓頭高于設(shè)計壓頭時，其實(shí)際流量就可能會大于設(shè)計流量，其他環(huán)路的實(shí)際流量則有可能達(dá)不到設(shè)計流量，這種設(shè)計工況下出現(xiàn)的水力失調(diào)特性為靜態(tài)水力失調(diào)，是由于設(shè)計、施工、設(shè)備材料等原因?qū)е碌南到y(tǒng)管道特性阻力數(shù)比值與設(shè)計要求的管道特性阻力數(shù)比值不一致引起的，是系統(tǒng)本身所固有的[2]。
另一種狀態(tài)是，系統(tǒng)中所有末端用戶實(shí)際流量均等于或大于設(shè)計值。由此引起的水力失調(diào)工況并不會導(dǎo)致客戶投訴，故常常并未引起設(shè)計師和工程師的重視。
對于閉路循環(huán)的管網(wǎng)，其水力工況各物理量之間的相互關(guān)系可用公式Δp=SG2描述，其中Δp為壓差或阻力損失；S為管網(wǎng)阻抗；G為流量。壓差和流量的調(diào)控互為手段和目的。
在靜態(tài)水力平衡閥的設(shè)計理念進(jìn)入中國之前，工程技術(shù)人員多采用截止閥或蝶閥等來實(shí)現(xiàn)和滿足水系統(tǒng)對水力平衡技術(shù)的要求。由于截止閥、蝶閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低、調(diào)節(jié)便利，被廣泛應(yīng)用于水力平衡的調(diào)節(jié)。圖1是文獻(xiàn)[3]給出的水力平衡示意圖。
在正確設(shè)計選型前提下，系統(tǒng)在滿負(fù)荷工況下末端各溫控電動閥應(yīng)全開，1#~3#末端的設(shè)計流量均為33m3/h。若圖1中所有閥門開度均為100%，1#末端流量約為39m3/h；2#末端流量約為35m3/h；3#末端流量約31m3/h，水泵工作點(diǎn)參數(shù)揚(yáng)程約為19m、流量約為105m3/h，系統(tǒng)出現(xiàn)水力失調(diào)。
分別調(diào)節(jié)1#和2#調(diào)節(jié)閥開度，將1#末端節(jié)點(diǎn)盤管加溫控閥兩端壓差減小40kPa；2#末端減小20kPa，使1#~3#末端節(jié)點(diǎn)盤管加溫控閥兩端阻力均為80kPa，同時滿足約33m3/h的設(shè)計流量，水泵工作點(diǎn)參數(shù)為揚(yáng)程20m，流量100m3/h，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡。而3個末端中3#末端無需調(diào)整調(diào)節(jié)閥即可滿足33m3/h設(shè)計流量，可見并不是所有末端支路都需要配置靜態(tài)水力平衡調(diào)節(jié)閥，靜態(tài)水力平衡閥并不是解決水系統(tǒng)設(shè)計工況下水力失調(diào)難題的唯一選擇。
鑒于目前大多數(shù)HVAC水系統(tǒng)的設(shè)計僅對末端支路標(biāo)示設(shè)計流量參數(shù)，而很少對末端壓差值提出技術(shù)要求，手動調(diào)節(jié)閥的平衡調(diào)節(jié)主要還是依靠設(shè)計、施工、運(yùn)行和維護(hù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，故被平衡閥供應(yīng)商視為一種缺乏理論支持的系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法。但是，其對消除設(shè)計工況下的系統(tǒng)水力失調(diào)作用卻是有目共睹的不爭事實(shí)。
2.2 靜態(tài)水力平衡閥與水力平衡
常見的靜態(tài)水力平衡閥實(shí)質(zhì)上可以視為多功能手動調(diào)節(jié)閥，其特點(diǎn)是一個調(diào)節(jié)閥多種功能。僅從實(shí)驗(yàn)性能特性曲線數(shù)據(jù)來看，當(dāng)閥門兩端壓差Δp為常數(shù)時，靜態(tài)水力平衡閥的調(diào)節(jié)性能并沒有明顯的優(yōu)勢，采用靜態(tài)水力平衡閥取代傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的理論依據(jù)尚顯單薄。就管網(wǎng)阻力特性及性價比等參數(shù)而言，靜態(tài)水力平衡閥反而略遜一籌。
目前市場上的靜態(tài)水力平衡閥多具有流量測量、開度數(shù)字顯示、流量預(yù)設(shè)和注水/排空等優(yōu)點(diǎn)。可以通過專業(yè)儀表在現(xiàn)場隨時測量平衡閥的流量；也可起開、關(guān)作用。平衡閥在調(diào)試結(jié)束后，鎖定功能使開度不能隨便改動。因閥體主軸上有環(huán)形密封圈密封，減少了維護(hù)保養(yǎng)的工作量。類似測量、調(diào)節(jié)、排空、充液等工作都不必中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，可現(xiàn)場完成，且不必破壞系統(tǒng)的整體保溫。但是，目前一臺品質(zhì)優(yōu)良的靜態(tài)水力平衡閥的市場價格甚至高于相同流量的離心式水泵，除了居高不下的價格之外，目前國內(nèi)市場上的靜態(tài)水力平衡閥尚存在不少缺憾。
對不可壓縮的流體而言，靜態(tài)水力平衡閥可視為局部阻力可調(diào)的節(jié)流元件，其流量特性可以描述為
式中Q為閥門流量，m3/h；C為流量系數(shù)；A為閥門閥芯過流面，m2；Δp為閥門壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3，4°C時ρ=1000kg/m3，80°C時ρ=970kg/m3。流量系數(shù)C與雷諾數(shù)Re相關(guān)，文獻(xiàn)[1]將2320
式中KV為閥門流量系數(shù)。
式（2）在雷諾數(shù)Re大于3500時方才成立[1]。
靜態(tài)水力平衡閥通過改變閥門開度來改變閥門的流動阻力，每一開度都對應(yīng)一個KV值，由于不同開度對應(yīng)的KV值已知，只需現(xiàn)場測出Δp就可以計算出Q值。因此大多數(shù)靜態(tài)水力平衡閥兩端都配有專門的壓力測試孔，人們常將其作為節(jié)流部件使用。工程調(diào)試時，通過廠商有償提供的配套水力平衡調(diào)試儀表連接靜態(tài)水力平衡閥的測試孔即可測出Δp值，根據(jù)廠商的水力平衡計算軟件找出對應(yīng)的KV值，算出流量Q值。此時，Δp為測量值；KV為設(shè)定值，即在Δp=0.1MPa條件下的實(shí)驗(yàn)室取值；Q為計算值，計算的精度取決于對閥門實(shí)際過流面積和粗糙度估計值的精確度，以及對流體密度的正確取值。
值得注意的是，采用平衡閥來解決系統(tǒng)水力失調(diào)的問題是有條件的，不是一勞永逸的。從靜態(tài)水力平衡閥的機(jī)理可知，一旦鎖定平衡閥開度后，Δp的變化將會破壞流經(jīng)閥門水量的恒定，使得原先已經(jīng)標(biāo)定的流量值產(chǎn)生變化。
盡管許多供應(yīng)商宣稱其平衡閥具備流量預(yù)設(shè)功能，但是，要選擇理想的KVS值（即在Δp=0.1MPa條件下閥門全開時的最大KV值）并不容易，市場上平衡閥產(chǎn)品的KVS值并不是連續(xù)值，多以幾何級數(shù)增加排列。如KVS=1.0，1.6，2.5，4.0，6.3，10，16，，，，相鄰兩檔KVS值之間約有60%的增量，也就是說現(xiàn)場安裝的平衡閥與設(shè)計要求之間的偏差可能達(dá)到±30%。由于現(xiàn)場Δp值的不確定以及閥門開度的調(diào)節(jié)導(dǎo)致KV值變化，實(shí)踐證明，當(dāng)閥門內(nèi)壁污垢系數(shù)無法確定或Re小于3500時，流量Q值甚至可能出現(xiàn)數(shù)量級的計算誤差。因此所謂“實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的判斷依據(jù)是：當(dāng)系統(tǒng)所有的自力式閥門均設(shè)定到設(shè)計參數(shù)位置，所有末端設(shè)備的溫控閥均處于全開位置時，系統(tǒng)所有末端設(shè)備的流量均達(dá)到設(shè)計流量”。[2]的論述值得商榷。
不論平衡閥是否具備流量預(yù)設(shè)功能，水系統(tǒng)安裝完畢且具備測試條件后，須對所有靜態(tài)水力平衡閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其流量Q值均滿足設(shè)計流量，使管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計工況下的水力平衡。并將靜態(tài)水力平衡閥的開度鎖定，在管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，不應(yīng)隨意變動平衡閥的開度。系統(tǒng)水力平衡的結(jié)果應(yīng)記錄在案，包括每一個靜態(tài)水力平衡閥的型號規(guī)格、安裝位置、序列編號以及設(shè)定流量和鎖定開度等技術(shù)數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試檔案。
另外，由于制造商對計算軟件中KV值的設(shè)定取值不同，不同廠家平衡閥配套調(diào)試儀表多不能通用。從剖面圖可見許多靜態(tài)水力平衡閥在閥塞后方有一個空腔，當(dāng)在線運(yùn)行時很容易成為藏污納垢之處。
2.3 靜態(tài)水力平衡閥在工程中應(yīng)用的討論
當(dāng)水系統(tǒng)中所有閥門開度均為100%時，有利回路末端的過流量導(dǎo)致不利回路末端的欠流量，產(chǎn)生系統(tǒng)水力失調(diào)，通過在過流量末端回路中串聯(lián)靜態(tài)水力平衡閥限制流量。圖2是文獻(xiàn)[2]給出的某工程水系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)采用4臺（三用一備）37kW離心式冷水泵，分別在冷水泵進(jìn)水總管與集水器之間、集水器各區(qū)回水干管、新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管每層回水支管上設(shè)置了靜態(tài)水力平衡閥。按照從末端到主機(jī)的順序?qū)ο到y(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路的靜態(tài)水力平衡閥流量比進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至與計算出的設(shè)計流量比值一致；調(diào)節(jié)冷水變頻泵轉(zhuǎn)速，直至冷水集水器主管的靜態(tài)平衡閥流量與設(shè)計流量一致，此時系統(tǒng)所有末端設(shè)備的流量均等于夏季設(shè)計流量，記錄此時分集水器壓差，即壓差控制器的設(shè)定壓差。
若采用圖2系統(tǒng)的設(shè)計理念，在系統(tǒng)水泵回水主管處配置靜態(tài)水力平衡閥，勢必要相應(yīng)提高水泵的揚(yáng)程，增加水泵選型功率，從而不僅增加了項(xiàng)目投資成本，還額外地增加了水泵運(yùn)行能耗，與所宣傳的節(jié)能功能背道而馳。其次，既然新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管每層回水支管上均設(shè)置了靜態(tài)水力平衡閥，并通過各靜態(tài)水力平衡閥和冷水變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所有末端設(shè)備的流量均等于夏季設(shè)計流量的目的，那么還在集水器各區(qū)新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管回水干管上增設(shè)靜態(tài)水力平衡閥，難免有架屋疊床之嫌。再者，在已經(jīng)欠流量的最不利末端回路配置靜態(tài)水力平衡閥無疑是雪上加霜。
盡管靜態(tài)水力平衡閥的KV值可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，但其阻力系數(shù)一般大于截止閥，基本屬性還是阻力元件。因此，在循環(huán)水泵總管進(jìn)/出口處、集/分水器干管以及系統(tǒng)不利末端安裝靜態(tài)水力平衡閥，或者當(dāng)采用平衡閥替代傳統(tǒng)閥門時，應(yīng)充分考慮是否會額外增加系統(tǒng)管網(wǎng)節(jié)流損失，關(guān)注新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)水量分配平衡問題，以免安裝了靜態(tài)水力平衡閥的新系統(tǒng)（或改造后的系統(tǒng)）的管網(wǎng)阻力比原有系統(tǒng)更大，而達(dá)不到應(yīng)有的水流量。國內(nèi)因?yàn)E用靜態(tài)水力平衡閥而導(dǎo)致項(xiàng)目失敗的案例已屢見不鮮了。
文獻(xiàn)[2]對圖2案例實(shí)施節(jié)能分析，得出冷水側(cè)節(jié)能27%的結(jié)論，如果在設(shè)計階段就取消設(shè)置在集水器與水泵回水總管之間、集水器與新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管干管之間以及新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管最不利支路上的靜態(tài)水力平衡閥，就可以將4臺37kW離心冷水泵和變頻器的功率都降下來。不僅能大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，還能有效地減少投資成本，獲得更多的節(jié)能減排效益。
另外，圖2同時采用了設(shè)置靜態(tài)水力平衡閥和調(diào)節(jié)冷水變頻泵轉(zhuǎn)速兩種技術(shù)措施對設(shè)計工況下的水力失調(diào)實(shí)施平衡調(diào)節(jié)，并以冷水集水器主管的靜態(tài)平衡閥流量和系統(tǒng)所有末端設(shè)備流量均等于夏季設(shè)計流量時的分集水器壓差作為壓差控制器的設(shè)定壓差去控制冷水變頻泵的轉(zhuǎn)速，采用了分集水器變頻泵定壓技術(shù)[5]。但是，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行水泵臺數(shù)小于設(shè)計工況3臺時，分集水器之間的壓差可能低于該設(shè)定壓差，尤其是在單臺水泵運(yùn)行工況下。也就是說在供冷期大部分時間內(nèi)變頻調(diào)速將會失去作用。
3 溫控閥KVS設(shè)計選擇對水力平衡的影響
圖1中1#~3#末端的設(shè)計流量均為33m3/h，相應(yīng)溫控閥的Δp依次應(yīng)為80kPa，60kPa和40kPa。在100%負(fù)荷工況時末端各溫控電動閥應(yīng)全開，為了計算方便，在式（2）中取4°C時ρ=1000kg/m3，可求出相應(yīng)的計算KVS值，見表1。
因此，采用計算末端溫控閥KVS值的方法解決設(shè)計工況下的系統(tǒng)水力失調(diào)在理論上是可行的，但是，由于市場溫控閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的差異，可能會使得實(shí)際系統(tǒng)水力失調(diào)偏差達(dá)到±30%。值得注意的是，原本最不利的3#末端卻有19.53%的流量富余。目前國內(nèi)已有企業(yè)正在從事具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品研發(fā)，并已經(jīng)完成小規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證，為依據(jù)設(shè)計計算KVS值實(shí)施溫控閥選型提供了硬件支持。
4 結(jié)論
4.1 靜態(tài)水力平衡閥不是解決水系統(tǒng)設(shè)計工況下水力失調(diào)難題的唯一選擇。
4.2 不論平衡閥是否具備流量預(yù)設(shè)功能，都必須對所有靜態(tài)水力平衡閥進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，使其流量Q均滿足設(shè)計流量，使管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計工況下的水力平衡。任何未經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際工況下實(shí)施系統(tǒng)測量和調(diào)試的靜態(tài)水力平衡閥系統(tǒng)都是徒勞的。
4.3 系統(tǒng)水力平衡的結(jié)果應(yīng)記錄在案，包括每一個靜態(tài)水力平衡閥的型號規(guī)格、安裝位置、序列編號以及設(shè)定流量和鎖定開度等技術(shù)數(shù)據(jù)。
4.4 在管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中靜態(tài)水力平衡閥開度應(yīng)鎖定，不應(yīng)隨意變動平衡閥的開度。
4.5 由于制造商對計算軟件中KV的設(shè)定取值不同，不同企業(yè)平衡閥配套調(diào)試儀表多不能通用。
4.6 濫用靜態(tài)水力平衡閥會導(dǎo)致系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行能耗不合理地增高。在循環(huán)水泵總管進(jìn)/出口處、集水器回水干管以及系統(tǒng)不利末端安裝靜態(tài)水力平衡閥，或者當(dāng)采用水力平衡閥替代傳統(tǒng)閥門時，應(yīng)充分考慮是否會額外增加系統(tǒng)管網(wǎng)節(jié)流損失，注意新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)水量分配平衡問題，以免安裝了靜態(tài)水力平衡閥的新系統(tǒng)（或改造后的系統(tǒng)）的管網(wǎng)阻力比原有系統(tǒng)更高，而達(dá)不到設(shè)計水量。
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