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控制閥：探討循環系統平衡與壓差穩定
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控制閥的特性 在設計任何采暖與空調裝置系統時主要目的都是獲得舒適的室內氣候，同時盡可能降低成本和減少運行問題。
在理論上，新的控制技術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約能源。
但在實踐中，即使最精密的控制器也不能完全實現其理論性能。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。
如果我們系統地分析暖通空調系統的工作情況，往往會覺察到以下問題：
并非所有的房間內都能達到所需的室溫，尤其是在發生高負荷變化之后。
在可以達到所需的室溫時，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。這種現象通常發生在低負負荷和中等負荷的情況下。
盡管生產裝置具有足夠的裝機容量，但卻不能在高負荷下輸送，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。其原因往往與循環系統本身的設計缺陷有關，主要是因為三個基本條件沒有得到滿足。
系統接口處的流量必須相互兼容。
所有末端處都必須達到設計流量。
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系。在低負荷和中等負荷下，由于末端裝置的非線性特性，控制閥少許的開度就會明顯地增大通過閥門的流量。因此低負荷下控制回路就可能不穩定。
本文主要是有關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系。
在供水流量為其設計流量的20％時，如果末端裝置的輸出為其設計值的50％，則可以對閥門進行設置，使它在開度達到50％時只允許有20％的設計流量。這樣，當閥門達到50％的開度時，就可以獲得50％的熱量輸出。以此類推到所有流量上，我們所得到閥門的特性就可以補償典型末端換熱裝置的非線性。這一特性稱為等百分比修正“EQM”。 但是，要獲得這一補償，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，則控制閥特性發生偏移，就可能會影響到調節控制性能。
控制閥兩端的壓差必須是恒定的。
當控制閥完全打開時，必須能夠獲得設計流量。
控制閥閥權度 當控制閥關閉時，末端、管道和附件中的流量和壓降降低。導致控制閥上的壓差升高。壓差的增大會使控制閥的特性發生偏移。這種偏移可以通過控制閥閥權度表現出來。
分子是恒定的，只取決于控制閥的選擇和設計流量值。 分母對應于回路上達到的ΔH。與所選擇的控制閥串聯安裝的平衡閥不會改變這兩個因素，因而對控制閥閥權度沒有影響。
所選擇的控制閥應當能夠達到可能的最佳閥權度。根據市場供應的產品范圍，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計流量。使其特性更加接近理論特性，從而改善控制功能。
在一個異程分配中，遠程回路會承受較高的ΔH變化。在低流量情況下，得到的控制閥閥權度最差。也就是當控制閥幾乎承受全部水泵揚程時。
用變速泵時，一般要使接近最后一個回路的壓差保持恒定。在這種情況下，ΔH的變化將會轉移到第一個回路上。
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生問題。當系統在平均小負荷的狀況下運行時，這些回路可能發生流量不足；或者，如果控制閥是按照最小Δp設計的，則在設計條件下的閥權度將會很差。為此，一個較好的折中方案就是將Δp傳感器設置在系統的中部與定速泵相比可以將Δp的變化減小50％以上。
當回路上獲得的ΔH增大時，控制閥特性可能會變差，從而使控制回路產生不規則振蕩。在這種情況下，采用一個局部壓差控制器可以穩定控制閥兩端的Δp，使其閥權度接近一。
調節控制閥的選擇 在以下條件下，二通控制閥的尺寸正確：
1- 在設計條件下完全打開的控制閥可以達到設計流量。
2- 保持足夠的控制閥閥權度，一般高于0.25。 當控制閥在較長時間內保持全開時，需要滿足第一個條件才能避免過流而在其他盤管中產生流量不足。在每天夜間停機回設后早晨啟動期間，盤管尺寸偏小時，溫控器設定在制冷工況最低值時（這是一種常見的做法），以及控制回路不穩定時，都會發生這種情況。
為了在設計條件下得到設計流量，設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計壓降。在選擇控制閥時是否可利用這些信息？我們假設可以。
對于1.6 l／s的流量，市場上可以找到的控制閥所產生的設計壓差為13、30或70 kPa，而沒有中間值。計算的數值一般在市場上找不到相應的產品。因此，控制閥一般都會尺寸偏大。所以要安裝一個平衡閥，以便在設計條件下得到設計流量，改進控制閥的特性，而不增大壓降。
選擇控制閥之后，我們必須驗證它的閥權度ΔpVc／ΔHmax是否足夠。如果不足，則必須重新考慮系統的設計，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計 對于一些特殊情況， 進行單獨處理總比讓系統其余部分也對異常狀況有反應要好。
當對控制閥的選擇處在臨界狀態， 或者當回路出現大的ΔH變化時， 可以采用一個局部壓差控制器來穩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。當這一壓差增大時，膜片上的受力增大，相應地按比例關閉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 處獲得設計流量。控制閥絕對不會尺寸偏大，其閥權度也保持接近一。
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則振蕩。 將局部壓差控制器與變速泵相結合可以保證最佳的控制條件，提高舒適度，并且能夠節約泵的能耗、降低系統中的噪音。
出于經濟原因， 這一解決方案通常適用于小型系統。 對于較大的系統，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。當測得的壓差與設計流量相符時， 控制閥就不允許進一步打開了。當BMS系統同時要求測量的流量值在設計值附近時， 非常適合采用這一解決方案。
當末端裝置由開關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， 壓差控制器可以應用在一組末端裝置上的穩定壓差。
這一解決方案也可應用于由調節控制閥控制的一組小型裝置上，同時還能提高其閥權度。 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。
供暖設備中壓差的穩定 變流量分配 在具有散熱器的供暖設備中，恒溫調節閥的預設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設定為能夠在支路上獲得正確的總流量。這樣就可證實預設值，且支路的中心可以達到預期的10kPa。
如果恒溫調節閥上承受的壓差可以超過30kPa，則裝置中可能產生噪音，特別是當水中殘留一些空氣時。在這種情況下，最好采用一個STAP來穩定壓差。 在每個支路或小立管上，一個STAP可穩定壓差。
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室外狀況來調節的。
刺激泵的揚程可能很高（相對于恒溫調節閥太高），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。這一平衡閥帶走產生的ΔH。每套住宅還配置一臺具有適當水泵揚程（低于30kPa）的二次泵。當恒溫調節閥關閉時，施加在恒溫調節閥上的Δp保持在可以接受的水平上，從而避免在系統中產生噪音。設計的二次流量必須稍低于一次流量，避免旁路AB中產生回流，從而在A處產生混合點以及降低供水溫度。這就是在二次回路上設置平衡閥STAD-2的原因。
為了避免用二次泵和STAD-2，可為每套住宅設置一個比例泄壓閥BPV。該BPV與平衡閥STAD-1相連，以獲得需要的一次流量。BPV設定點的選擇要滿足要求。當恒溫調節閥關閉時，A和B之間的壓差增大并有超過BPV設定點的趨勢。BPV打開，可保持A和B之間的壓差恒定。
一般設計建議 一套循環系統的設計取決于其具體特性和工作條件。比如在變流量分配系統的設計階段，應考慮： 異程還是同程。 恒速泵還是變速泵。
末端裝置上是調節控制還是開關控制。 有些一般性建議在所有的情況下都是有效的： 1.系統必須在設計條件下達到液壓平衡， 從而使裝機功率能夠輸送。從這一點來看， 末端裝置采用調節模式還是開關模式控制是沒有區別的。
2.必須采用補償方法或“TA平衡”來優化平衡程序。這就避免了對整個系統進行來回反復地檢測，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則循環點的可能性。手動平衡閥則始終能夠測量流量，以便進行診斷。
3.必須仔細選擇調節二通控制閥 正確的特性（多數為EQ％ 或EQM）。 正確的尺寸：控制閥在全開及設計流量下，必須能夠承受設計條件下大部分的可用回路壓差。 控制閥閥權度不應當降到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度， 降低產生噪音的危險。
5.當使用變速泵時，Δp傳感器必須安置于正確的位置上，以便既降低泵送成本，又達到減小控制閥兩端Δp變化的要求，在二者之間實現最佳的折衷效果。采用計算機模擬的手段， 就能很容易找到傳感器的最佳位置。
結論 一套暖通空調系統是為一定的最大負荷而設計的。如果因為設計條件下系統不平衡而無法達到滿負荷， 那么整個裝置的總投資就得不到回報。當需要最大負荷時， 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。這樣循環系統平衡就變得非常關鍵，一般來說這部分的投入小于暖通空調總投資的百分之一。
每天早晨， 經過一夜的停機回設之后， 需要調動全部的功率來盡快恢復舒適度。平衡良好的系統可以很快做到。如果啟動時間可以節約30分鐘的話，相對于8小時的工作時間， 每天就可以節約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消耗的5％以下。而將室內溫度多降低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行造成不利影響。
通過盡可能增加設計水溫差。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。在中等負荷下，穩定的調節PI控制比開關控制所需要的流量低， 因而也可以降低泵送成本。
但最重要的是補償泵的尺寸偏大問題。用補償方法設置的平衡閥可顯示這種尺寸偏大狀況。可以發現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計條件下獲得正確流量的最可靠、最簡單的產品，而且始終能夠對流量進行測量以便實施診斷。必要時還可以與壓差控制器相連。相關產品：http://www.trhgj.net
