浅议水力平衡阀在医药洁净厂房理化实验室空调水系统中的应用

孙从云

（中石化上海工程有限公司，上海，200135）

关键字：水力平衡阀；实验室；空调水系统；应用

0 引言

随着洁净空调技术在科研、医疗、高科技生产及实验室领域的广泛应用，对于空调系统设计提出了更高的要求。通常对于空调系统设计应满足最大负荷要求，如不能达到系统状态的平衡，将会影响末端设置满负荷处理效果，系统投资效益不能最大程度得到发挥。平衡阀是在水力工况下，起到动态、静态平衡调节的阀门。设置平衡阀于空调水系统中，通过调节阀对空调末端水量进行调节，空调各个末端的流量变化不会对其他设备水力有干扰，平衡阀因此达到水力平衡作用。水力平衡调试能够使系统各部分水量与实际需求相符，提高冷热源换热效率，从而确保空调水系统在符合变化下的运行更合理、经济。因此，必须要做好水力平衡阀的合理安装，采取正确方法对系统进行调试，继而为系统正常运行提供保障。

1 空调水系统水力平衡的必要性

空调系统设计主要是达到舒适度要求和最少能耗的目的，其是否达到节能和提高供冷或供热的品质的关键在于水力平衡阀技术是否达到设计要求。空调系统中由于某种原因会出现输送环路及冷热源机组环路水力失调，从而使流经终端用户不符合机组实际流量与设计流量；在选择水泵时，由于水泵选型偏大，或者水泵在不合适的工作点位置运行，使水泵运行效率降低，水系统运行工况处于大流量、小温差，也降低了热量输送效率；此外，热源或冷源机组达不到额定出力，会造成实际运行机组台数比按照负荷要求的台数要多。以上情况都是水力失调的表现，水力失调所造成流量失调和压力失调会使空调系统运行无法完全达到最满意的效果。流量失调导致变流量系统运行失调，某些支路水量偏大或偏小，如某个支管阻力过大，会造成水量不足，在系统供热或制冷时，房间温度震荡频繁，出现近热远冷或近冷远热的冷热不均现象，针对空调系统水力失调可以采用水力平衡阀，以此对超量压差进行吸收，同时控制和设定系统所需流量，保持系统稳定运行，达到节能目的。

2 水力平衡阀的原理

水力平衡阀分为手动静态平衡阀和动态平衡阀（包括动态流量平衡阀和动态压差平衡阀）。手动平衡阀是对手柄调节阀芯旋转的上下运动，以此使阀门Kv 值改变，阀门两端的测压点通过专用仪表连接可以对阀门压降和通过流量进行测量，并可对阀门开度进行锁定。动态平衡阀具有一定压力范围内限制空调末端设备的最大流量和自动恒定流量的特点。如图1 为动态流量平衡阀，当P1（来流压力）增大时，阀胆套筒运动方向是向下的，套筒将阀胆内的弹簧压缩，使阀胆底部阀孔过流面积减少，即阀胆Kv 值减少，ΔP（阀胆两端压差）增大，但Kv 值的减小会因弹簧作用下两者乘积Q（流量）处于平衡状态，从而保持通过该阀的流量恒定。理化实验室空调流体控制系统由于是结合了温度调节装置和区域控制功能，通常采用静态平衡阀不合时宜，采用动态型水力平衡阀可以最大灵活的给空调水系统提供完全的解决方案。

图1 动态流量平衡阀

3 应用实例

3.1 工程概况

该医药厂房项目占地6500 m2，主要由生产厂房和实验室两部分组成。其中实验室洁净区域面积为890 m2，洁净区空调系统由微生物室空调系统和阳性室空调系统两套独立精华空调对洁净度进行控制。为了减低室内小气候对实验室工作人员和仪器设备的影响，应确保适宜温度和湿度，实验用通风柜补新风系统采用组合式空调箱，但是由于其新风量一直变化导致负荷及流量波动大，使冷热源换热效率降低，室内区域出现温差加大，因此，需要对风量变化因素进行分析，解决水力失调问题。理化实验室舒适性空调使用风机盘管系统，负荷稳定。

3.2 水力不平衡原因分析

舒适性空调由于风机盘管水系统中风机盘管阻力系数较大，且进出支管均有阀门安装，再加上过滤器和软接头等，使风机盘管有较好稳定水力，并未出现水力失调。实验室变风量由送/排风变化、开关门造成的压力变化、通风柜使用造成的变化等多方面因素决定，通风柜变风量控制是通过调节阀门传感器改变风量达到给定风速。空调水系统按照管路布置方式分为同程和异程系统，而对系统每个支路来说，阻力是由各种设备阀门和其他管件产生的局部水头损失和管道沿程损失组成。同程系统水力平衡好，但是由于有回程管，增加了造价成本；异程系统由于平衡阀的使用从根本上克服了水力失调现象，因而对同程系统的应用越来越少。该系统因本工程环境需要采用异程系统，异程系统虽最近支路稳定性好，但最远支路稳定性比较差，末端水量因动态失调而发生变化，使室内温度也发生波动，需要加设静态平衡阀；此外，该系统在实际运行过程中发现有某些阀门开度变化引起水流量，系统有压力产生，使流量发生改变，与系统要求流量相偏离，故会针对原因采取动态平衡措施。

3.3 水力平衡阀的应用

（1）静态平衡阀。要实现静态平衡首先需要经过水力工况计算，水力工况是指系统各点的压力，按照各管段的流量、压差，由公式△P=SG2 可知（其中：△P—压差或称阻力损失；S—管段或系统的阻力系数；G—管段或系统的流量），减低上游管路流量需要通过减压来进行调控，而减少流量应对管路前点压力减少或对管路后点压力增加，流量一旦变化，压力也会发生变化；在S 值不变的系统中，流量的改变决定了压差变化。该系统由于没有安装静态水力平衡阀，虽然总流量与设计总流量一致，即：3*0.78+8.9+13.4=24.64，但各个末端设备、空调箱、空气处理机组的流量与设计流量均不一致。如：空气处理机组的实际流量15.6 要比 13.4 的设计流量要大，以此造成过流；而空调箱的实际流量6.78要比8.9 的设计流量要小,从而导致欠流。在安装了静态平衡阀后，不仅系统总流量与设计总流量保证一致，即：3*0.78+8.9+13.4=24.64。而且三个末端设备、空调箱及空气处理机组的实际管道流量与设计流量均保证相等。如：空气处理机组的实际流量13.4 与设计流量13.4 相等；空调箱的实际流量8.9 也与设计流量8.9 相等。

（2）动态平衡阀。解决动态失调的唯一途径是采用动态压差平衡阀。在管道系统中增设相关设备能够保证动态水力平衡，如动态流量平衡阀、动态压差平衡阀、风机盘管动态平衡电动阀、组合阀方案和压力无关线型温度调节阀等，通过这些设备对其他阀门开度变化屏蔽，来达到保持自身流量稳定，并与末端流量互不干扰。动态平衡阀以设计流量和阀门最大允许阻力损失来选择平衡阀的规格和压差范围，主要用于冷水机组冷冻水、冷却水供水管、变风量系统的末端设备等需要流量维持恒定的部位。该系统安装动态压差平衡电动调节阀之后实现了动态平衡和调节功能的统一，该阀分为上下阀锥，上阀锥为电动阀阀锥，其前后恒定压差由动态压差平衡阀所提供，动态压差平衡阀吸收了系统的压力波动，上阀锥没有动作时，阀门流通能力Kv 值不变，压差ΔP 不变，阀门流量Q 也不变；上阀锥动作时，流量在通过阀门时会有变化发生。在空调风机盘管水系统各层水平回水管上分别安装动态压差平衡阀后，系统负荷和流量稳定，不管系统压力如何变化，始终维持流量不超过设计流量。

3.4 平衡调试

针对该系统需求，分别进行了静态水力平衡调试和动态水力平衡调试。静态水力平衡调试按照一定步骤进行调节，首先打开所有阀门，分解系统为多级多个并联系统，以调试方案为依据，使用超声波流量仪测量各并联环路，在仪表中输入阀门口径和设计流量，根据流量、温差计算参数，仪表所显示的开度值对水力平衡阀手轮进行旋转，调节系统流量分配，确保各并联环路之间压力损失相对差达到相关规定要求，在调试合格后不应对平衡阀开度随意变动；动态水力平衡阀是由厂家根据设计流量进行厂前定制的，因而现场不需要进行任何调试，本系统动态平衡型电动阀的设计流量和工作电压以出厂定制为依据，在现场只需要与室内温控器连接即可，并因其电动调节功能相连于厂内自控系统，只在现场对单机进行简单调试，之后与厂内系统联调，设定简单参数，动态平衡阀胆流量的确定应根据对应风机盘管额定流量进行。

4 结束语

大型空调水系统配置平衡阀已经成为了实现水力平衡的主要手段，许多设计师对于各种平衡阀应用考虑不尽相同，某些项目中由于对平衡阀设置不合理，虽然安装了水力平衡阀，但是在调试过程中无法发挥流量分配的作用，因此，只有对不同项目工程水系统的实际运行情况进行分析，合理选型静态和动态平衡阀，并经过周密计算，进行科学分布，才能对系统运行产生有利影响，达到节能效果。本工程由于布置了一定数量的通风柜，新风量一直变化导致负荷及流量波动大，通过对空调箱之间水力工况变化的分析和水力平衡阀的应用，保证了流量分配的合理，使室温达到设计要求，并起到节约能量，降低运行费用的效果。