暖通空調水力平衡分析

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　摘要：本文揭示了水力失調與水力平衡的概念及其分類，并對定流量系統及變流量系統水力失調的特點、實現水力平衡的措施及典型的幾種系統形式進行了深入的分析。

　　關鍵詞：水力平衡 水力失調 定流量 變流量

　　在建筑物暖通空調工程中，水力平衡的調節(jié)是個重要的課題。本文提出了靜態(tài)水力平衡和動態(tài)水力平衡的概念，并結合二種水力平衡的特點，分析了定流量系統和變流量系統幾種典型方式的水力平衡設備的選擇及實現水力平衡的方式。

　　一、水力失調和水力平衡的概念：在熱水供熱系統以及空調冷凍水系統中各熱（冷）用戶的實際流量與設計要求流量之間的不一致性稱為該用戶的水力失調。

　　水力失調的程度可以用實際流量與設計要求流量的比值X來衡量，X稱水力失調度。

　　X = QS/QJ（QS：用戶的實際流量，QJ：用戶的設計要求流量）

　　水力平衡是指網路中各個熱用戶在其它熱用戶流量改變時保持本身流量不變的能力，通常用熱用戶的水力穩(wěn)定性系數ｒ來表示。

　?。?1/ XMAX = QJ/ QMAX

　　（QJ：用戶的設計要求流量，QMAX：用戶出現的最大流量）

　　二、水力失調和水力平衡的分類：

　　1、靜態(tài)水力失調和靜態(tài)水力平衡：

　　由于設計、施工、設備材料等原因導致的系統管道特性阻力數比與設計要求管道特性阻力數比值不一致，從而使系統各用戶的實際流量與設計要求流量不一致，引起系統的水力失調，叫做靜態(tài)水力失調。

　　靜態(tài)水力失調是穩(wěn)態(tài)的、根本性的，是系統本身所固有的，是當前我國暖通空調水系統中水力失調的重要因素。

　　通過在管道系統中增設靜態(tài)水力平衡設備（水力平衡閥）對系統管道特性阻力數比值進

　　行調節(jié)，使其與設計要求管道特性阻力數比值一致，此時當系統總流量達到設計流量時，各末端設備流量均同時達到設計流量，系統實現靜態(tài)水力平衡。

　　2、動態(tài)水力失調和動態(tài)水力平衡：

　　當用戶閥門開度變化引起水流量改變時，其它用戶的流量也隨之發(fā)生改變，偏離設計要求流量，從而導致的水力失調，叫做動態(tài)水力失調。

　　動態(tài)水力失調是動態(tài)的、變化的，它不是系統本身所固有的，是在系統運行過程中產生的。

　　通過在管道系統中增設動態(tài)水力平衡設備（流量調節(jié)器或壓差調節(jié)器），當其它用戶閥門開度發(fā)生變化時，通過動態(tài)水力平衡設備的屏蔽作用，使自身的流量并不隨之發(fā)生變化，末端設備流量不互相干擾，此時系統實現動態(tài)水力平衡。

　　三、定流量系統水力平衡分析：定流量水力平衡系統是暖通空調設計中常見的水力系統，在運行過程中系統各處的流量基本保持不變。常用的主要有以下三種形式：

　　1、完全定流量系統：

　　完全定流量系統是指系統中不含任何動態(tài)閥門，系統在初調試完成后閥門開度無須作任何變動，系統各處流量始終保持恒定。完全定流量系統主要適用于末端設備無須通過流量來進行調節(jié)的系統，如末端風機盤管采用三速開關調節(jié)風速和采用變風量空氣處理機組的空調系統以及系統要求較低、只需氣候補償器調節(jié)供暖水溫即可滿足基本需要的供暖系統等。

　　完全定流量系統只存在靜態(tài)水力失調，不存在動態(tài)水力失調，因此只需在相關部位安裝靜態(tài)水力平衡設備即可。通常在系統機房集水器上安裝水力平衡閥（如圖1所示）；對于空調水系統，可以在建筑物各層水平回水管上安裝水力平衡閥。

　　對于某些系統，雖然也不包含任何動態(tài)閥門，但由于無法通過其它非流量手段進行調節(jié)，因此在實際運行中用戶會因為房間過冷或過熱而改變閥門開度從而改變流量，因此可以認為這種系統介于定流量和變流量之間。

　　2、單管串聯（帶旁通管）供暖系統：

　　單管串聯供暖系統包括垂直雙管水平單管串聯系統以及垂直單管系統等。這種系統主管的流量基本不變，因此是定流量系統。以前者為例，來說明實現系統水力平衡的方式。

　　這種系統主要存在靜態(tài)水力失調，在水平分支管上由于三通或二通溫控閥的調節(jié)作用而存在一定的動態(tài)水力失調。因此只需在相關部位增設相關的水力平衡設備即可使系統保持水力平衡。具體如下：

　?、拧⒃谙到y機房集水器上安裝水力平衡閥；

　　⑵、在立管回水管上設水力平衡閥；

　?、恰⒃谒椒种Ч苌习惭b流量調節(jié)器保證各分支環(huán)路流量恒定（既可在本分支環(huán)路內部管道特性變化時保持流量恒定，也可在其它環(huán)路流量變化時避免受其干擾）。

　　3、末端設備帶三通調節(jié)閥的空調系統：

　　四、變流量水力平衡分析：由于人們對系統品質的要求以及節(jié)能意識的不斷提高，變流量水力系統在暖通空調工程中占據越來越重要的位置。

　　變流量系統在運行過程中各分支環(huán)路的流量是隨著外界環(huán)境負荷的變化而變化的。由于暖通空調工程在一年運行的大部分時間均處于部分負荷運行工況，因此變流量系統大部分時間系統流量都是低于設計流量的。因此這種系統是實時、靈敏、高效、節(jié)能的。

　　變流量系統一般既存在靜態(tài)水力失調，也存在動態(tài)水力失調，因此必須采取相應的水力平衡措施來實現系統的水力平衡。

　　1、靜態(tài)水力平衡的實現：

　　通過在相應的部位安裝靜態(tài)水力平衡設備，使系統達到靜態(tài)水力平衡。

　　實現靜態(tài)水力平衡的判斷依據是：當系統所有動態(tài)水力平衡設備均設定到設計參數位置（設計流量或壓差），所有末端設備的溫度控制閥門（溫控閥、電動二通閥和電動調節(jié)閥等）均處于全開位置時（這時系統是完全定流量系統，各處流量均不變），系統所有末端設備的流量均達到設計流量。

　　從上可以看出，實現靜態(tài)水力平衡的目的是保證末端設備同時達到設計流量，即設備所需的最大流量。避免了一般水力失調系統一部分設備還沒有達到設計流量，而另一部分已遠高于設計流量的問題。因此它解決的是靜態(tài)平衡和系統能力問題，即保證系統能均衡地輸送足夠的水量到各個末端設備。

　　變流量系統靜態(tài)水力平衡設備的選擇可參照定流量系統的描述來進行，在這里就不再贅述。

　　但是，末端設備在大部分時間是不需要這么大的流量的。因此，系統不但要實現靜態(tài)水力平衡，還要實現動態(tài)水力平衡。

　　2、動態(tài)水力平衡的實現：

　　通過在相應部位安裝動態(tài)水力平衡設備，使系統達到動態(tài)水力平衡。它包含二方面內容：

　　①、當系統其它環(huán)路發(fā)生變化時，自身環(huán)路關鍵點壓差并不隨之發(fā)生變化，當自身的動態(tài)閥門（如溫控閥、電動調節(jié)閥）開度不變時，流量保持不變；如圖4所示，當C、D點壓差變化時，通過動態(tài)水力平衡設備（壓差調節(jié)器PV）的調節(jié)作用，使A、B二點壓差并不發(fā)生變化，如果各支路電動二通閥VM1、VM2……開度保持不變，則流經風機盤管FP1、FP2的流量保持不變；

　?、凇斖饨绛h(huán)境負荷變化導致系統自身環(huán)路變化時，通過動態(tài)水力平衡設備的作用，使關鍵點壓差并不發(fā)生變化，此時自身其它并聯支路的流量也不發(fā)生變化。當風機盤管FP1所在房間負荷變化導致電動二通閥FM1由開啟到關閉，由于壓差調節(jié)器PV1的作用，A、B二點的壓差并不隨之發(fā)生變化，這樣，風機盤管FP2的流量保持不變。

　　由上可知，變流量系統動態(tài)水力平衡一般是通過動態(tài)水力平衡設備將雙管并聯系統關鍵點壓差恒定在設計壓差來實現的。因此變流量動態(tài)水力平衡系統也可叫做變流量定壓差系統。壓差調節(jié)是變流量系統的主要調節(jié)方式。實際上，動態(tài)水力平衡的另一關鍵設備流量調節(jié)器也是通過閥體內部關鍵點恒定壓差（關鍵點間的節(jié)流裝置開度不變）來保持流量不變的（固定閥膽式除外）。

　　下面就變流量系統幾種典型動態(tài)水力平衡方式進行分析：

　　⑴、暖通空調機房三種主要變流量動態(tài)水力平衡方式：

　?、?、自力式壓差調節(jié)器方式：

　　②、電動調節(jié)閥方式：

　　電動調節(jié)閥方式可以分為電動二通閥和電動三通合（分）流調節(jié)閥方式三種，以電動二通閥方式為例：

　?、邸⒄{頻水泵方式：

　?、?、供熱系統典型的變流量水力平衡方式：

　　通過對變流量供熱系統關鍵點壓差的層層整定，使系統中每個散熱器的流量只會因為自身負荷變化而通過溫控閥的調節(jié)來改變，并不會因為系統中其它散熱器流量變化而發(fā)生變化。這樣，系統真正地實現了動態(tài)水力平衡。

　　垂直雙管、帶分集水器的散熱器及地暖分戶設環(huán)系統也是變流量系統，其水力平衡特性同以上是一致的。

　　對于單、雙管組合系統，分支管為單管串聯的按定流量系統進行分析，分支管為雙管并聯及主管、機房部分按變流量系統進行分析。

　?、?、空調系統典型的變流量水力平衡方式：

　?、佟щ妱佣ㄩy的風機盤管變流量水力平衡方式：

　　該系統的水力平衡分析參看四。

　　2（動態(tài)水力平衡的實現）部分。

　　值得注意的是，目前市場上有一種自動平衡電動調節(jié)閥，其功能和上述方式是一致的，均能保證每個風機盤管達到動態(tài)水力平衡。它將上述功能和電動二通閥集成到一個閥內，安裝在每個風機盤管支路上，其缺點是價格較高。

　?、凇щ妱诱{節(jié)閥的空氣處理機組（或柜式換熱機組）變流量水力平衡方式：

　?、邸討B(tài)平衡電動調節(jié)閥的空氣處理機組（柜式換熱機組）變流量水力平衡方式：

　　動態(tài)平衡電動調節(jié)閥是一種新穎高效、調節(jié)性能極佳的電動調節(jié)閥，它實質上是壓差調節(jié)器與電動調節(jié)閥的集成。當系統其它管路的特性發(fā)生變化時，由于動態(tài)平衡電動調節(jié)閥內置壓差調節(jié)器的作用，使A、B二點的壓差保持不變。如果電動調節(jié)閥VM開度不變，則通過空氣處理機組的水流量保持不變。當空氣處理機組回風溫度T發(fā)生變化時，輸入到調節(jié)計的測量回風溫度與設定回風溫度相比較，輸出一個4-20mA的控制信號去控制電動調節(jié)閥的開度，以調節(jié)水流量，保證回風溫度與設定溫度一致。在電動調節(jié)閥動作時，由于壓差調節(jié)器的作用，電動調節(jié)閥二端壓差（A、B二點）保持不變，因此這種調節(jié)是靈敏高效的，且調節(jié)閥流量特性曲線與理想的流量特性曲線一致，沒有變形。這種電動調節(jié)閥比普通的電動調節(jié)閥具有更好的調節(jié)特性。

　　五、結束語：

　　定流量系統與變流量系統是多種多樣的，在這里只簡單地分析幾種典型的形式。需要注意的是，在實際的工程設計中，應根據工程投資和系統的精度要求合理地選用水力平衡設備，既要滿足工程設計和技術規(guī)范要求，同時又應采用合理的方案，為甲方節(jié)約資金。