空调水系统如何应用平衡阀

陶 端 佑

(中国瑞林工程技术股份有限公司，浙江 宁波 315010)

1 概述

中央空调水系统各环路中有近端用户也有远端用户，这种无法避免的状况会造成各环路压差不平衡，最终导致近端用户水量富余而远端用户水量不足，从而影响远端用户空调效果。

空调系统运行过程中因部分用户检修时关闭阀门或某些用户不开空调(阀门自动关闭)，以上情形使水系统的环路压差发生变化，导致管路流量改变，而设计要求正在使用空调的用户水流量要恒定，平衡阀就是用来解决这些问题的新型产品。

由于平衡阀生产厂方出于技术保密的原因，对平衡阀的结构及其工作原理不做清晰的描述，导致许多设计师误用或在厂方技术员的指导下选用，另外，设计图纸上基本上不标注管路流量，给施工安装单位调试造成极大迷惑。

2 平衡阀的种类

平衡阀分为静态平衡阀和动态平衡阀两大类。静态平衡阀又称：平衡阀、手动平衡阀、数字锁定平衡阀、双位调节阀等，为了方便描述将静态平衡阀统称之为平衡阀。动态平衡阀按受控对象特征分为动态流量平衡阀和动态压差平衡阀，主要有：自力式流量控制阀、自力式压差控制阀、定流量阀、自动平衡阀等。

3 平衡阀的工作原理

对不可压缩流体，平衡阀的流量由流量方程式可得出[1]：

(1)

其中，Q为流经平衡阀的流量;ξ为平衡阀的阻力系数;P1为阀前压力;P2为阀后压力;ρ为流体的密度。

由式(1)可以得出，当F一定(对某一型号的平衡阀)时，阀门前后压差P1-P2不变时，流量Q仅受平衡阀的阻力系数影响而变化，从而找到调节流量的方法[1]。

(2)

其中，KV为平衡阀的阀门系数，平衡阀全开时的阀门系数相当于普通阀门的流通能力，如果平衡阀的开度不变，则KV为平衡阀的阀门系数不变，平衡阀每一个开度都对应一个KV值。

从平衡阀的结构原理图(如图2所示)来看，它相当于一个局部阻力可以改变的节流元件，是具备特殊功能的阀门。

由式(2)可知，只要满足改变阀门开度和阀门前后压差变化的函数关系，便可实现水流量不变(定流量)。通过改变阀芯与阀座的间隙，使阀门系数发生变化达到调节流量的目的，由此看来，平衡阀实际上是通过手动来调节流量的，并且有具体的流量数值。而普通手动阀门仅是凭经验调试，流量是个未知数。

平衡阀调试时，用软管将平衡阀两个测压小阀和专用智能化仪表连接，仪表可显示出流经平衡阀的流量值及压降值，经与仪表人机对话，向仪表输入该平衡阀处要求的流量值后，仪表通过计算、分析，得出该阀门的开度值。

4 自力式流量控制阀的工作原理

自力式流量控制阀结构(如图3所示)是一个双阀组合，由一个手动调节阀组(其实是平衡阀组)和一个自动平衡阀组组成，手动调节阀组具备精确的开度值。

自力式流量控制阀的工作原理是对手动调节阀组进行控制，要使手动调节阀组的流量Q恒定，依据式(2)，开度KV值和压差P2-P3也要恒定，而P2-P3的恒定则是由自动平衡阀组来控制。

江西师范大学图书馆（以下简称我馆）的索书号是由分类号、著者号、辅助区分号组成,著者号使用“汉语拼音著者号码表”取号，是按照著者姓名进行编排号码取号的。我馆采用著者号作为书次号进行标引,缺点有以下四点。

假设当手动阀组调到某一开度时，并且达到了用户需要的流量值，以及相对应的压差P2-P3值(即设定值)。当该管路流量瞬间增大时，从式(2)可知，压差P2-P3的实际值也瞬间加大并超过原设定值，此时，自动平衡阀组的感压膜平衡打破，感压膜和弹簧作用驱动阀瓣上移、关小，这时手动阀组流量减小，那么，压差P2-P3值也减小至设定值。反之，当该管路流量瞬间减小时，此时的压差P2-P3实际值也瞬间减小，并小于原设定值，自动平衡阀组的感压膜平衡打破，通过自动平衡阀组的感压膜和弹簧作用驱动阀瓣下移、开大，显然手动阀组流量增大，同时压差P2-P3也增大至设定值。

综上所述，自力式流量控制阀的工作原理，是自动平衡阀组中的感压膜和弹簧作用阀瓣上下移动来实现手动阀组工作压差P2-P3朝反方向变化，直至压差P2-P3重新回到设定值，维持流量恒定不变。

需要说明的是，自力式流量控制阀的受控对象是流量恒定，是保证某单一用户的流量。如果连接在某一环路总管上(如图4所示)，情况会怎么样。

因为，自力式流量控制阀的目的是控制手动调节阀组的流量，也就是说要控制3个用户的总流量。为便于分析，假设每个用户的流量值均为1，那么，环路总流量为3。如果用户1因检修要关闭该支路上阀门，则环路总流量按需求来说只需要流量值为2，而自力式流量控制阀之前已设定流量值为3(定流量)，即用户2和用户3的总流量值仍然维持为3，显然用户2和用户3属于超流量，从而形成大流量小温差的不节能状况。由此得出，自力式流量控制阀不能安装在环路总管路上，它只能设在单一某个用户管路上。

5 自力式压差控制阀的工作原理

根据流体力学理论，水系统管路的阻力特性曲线方程，通常用下式表示[2]：

ΔP=S·Q2

(3)

其中，ΔP为管路系统阻力(又称管路压差)；S为管路综合阻力系数(又称阻抗，管路安装完毕后为常数);Q为水流量。

由式(3)可知，控制管路压差ΔP不变，那么，被控用户的流量也不变，自力式压差控制阀的工作原理正是基于上述理论，即维持被控管路压差ΔP恒定。

自力式压差控制阀(结构原理如图5所示)的工作过程是，假设管路压差P1-P2调试到满足要求时，称之为设定值。当供水压力P1瞬间增大时，那么，管路压差P1-P2增大,由式(3)可知，当阀瓣不动时管路流量瞬间增大。但是，感压膜上下腔由于P1的增大，平衡被破坏，感压膜和弹簧作用驱动阀瓣下移关小阀口，使环路流量减小，由式(3)可知，流量减小会导致管路压差P1-P2也减小至设定值，从而使P1-P2恒定。反之，当供水压力P1减小时，则供回水压差P1-P2和管路流量均减小,此时，因P1减小促使感压膜和弹簧作用驱动阀瓣上移，开大阀口，环路流量增大，被控管路压差P1-P2也增大至设定值，维持P1-P2恒定不变。

综上所述，自力式压差控制阀的工作原理，是感压膜和弹簧作用阀瓣上下移动来实现流量朝反方向变化，从而维持P1-P2恒定不变，管路压差不变也就保证了管路流量恒定。

如果将自力式压差控制阀连接在某一环路总管上(见图6)，情况会如何。并联管路中总阻抗和各支路阻抗的关系是[1]：

(4)

其中，S为并联环路总阻抗;S1为用户1阻抗；S2为用户2阻抗;S3为用户3阻抗。

假设并联环路有3个用户，通过调试后使压差P1-P2满足环路总流量要求，此时的P1-P2为设定值。假如用户①关闭，由式(4)可知，因并联环路总阻抗增加，那么，压差P1-P2瞬间增大，感压膜平衡即刻被打破，阀瓣下移，关小阀口，使环路流量减小，由式(4)可知，环路压差P1-P2减小、直至原设定值，维持P1-P2恒定不变。对于用户②来说，其流量为在用户①关闭前后，其开度值KV未发生改变，而P1-P2由压差阀保证恒定不变，则用户②流量Q也不会改变。因而得出，自力式压差控制阀被控环路中某一支路流量的改变不会影响其他支路。

6 结语

在定流量系统中，经调试后各环路的需求水流量满足要求，并且管路不再发生改变，那么，使用平衡阀最合适。在变流量系统中，由于管路压差经常改变，则应当使用动态平衡阀，自力式流量控制阀应设在单一用户管路上，而自力式压差控制阀则用在各并联环路的总管上。目前市面上的平衡阀品种繁多、命名不一，实际仍属于上述三种功能。由于静态、动态平衡阀具有特殊功能自然价格也较为昂贵，应正确使用才能发挥它真正的作用。