暖通空调系统水力平衡方案及比较分析

暖通空调系统水力平衡方案及比较分析在建筑物暖通空调水系统中，水力失调是最常见的问题。由于水力失调导致系统流量分配不合理，某些区域流量过剩，某些区域流量不足，造成某些区域冬天不热、夏天不冷的情况，系统输送冷、热量不合理，从而引起能量的浪费，或者为解决这个问题，提高水泵扬程，但仍会产生热（冷）不均及更大的电能浪费。因此，必须采用相应的调节阀门对系统流量分配进行调节。

虽然某些通用阀门如截止阀、球阀等也具有一定的调节能力，但由于其调节性能不好以及无法对调节后的流量进行测量，因此这种调节只能说是定性的和不准确的，常常给工程安装完毕后的调试工作和运行管理带来极大的不便。

一、水力平衡技术是节能及提高供热（冷）品质的关键

在供热空调系统中，由于种种原因，大部分输配环路及热（冷）源机组（并联）环路存在水力失调，使得流经用户及机组的流量与设计流量不符。加上水泵选型偏大，水泵运行不合适的工作点处，导致水系统处于大流量、小温差运行工况，水泵运行效率低、热量输送效率低。并且各用户处室温不一致，近热（冷）源处室温偏高（高），远热（冷）源处室温偏低（高）。对热（冷）源来说，机组达不到其额定出力，使实际运行的机组台数超过按负荷要求的台数。以上种种原因，造成了能耗高，供热（冷）品质差的弊病。

1、静态水力失调系统的流量计算：

在未安装静态水力平衡设备前，现场测得的末端设备流量及通过改造水泵来满足流量的计算结果如表1所示，该系统为静态失调的水力系统。

表1

设备

流量

设备1

设备2

设备3

设备4

总流量（m3/h）

设备实测流量（m3/h）

28

24

18

16

86

设计流量

20

20

20

20

80

实测流量与

设计流量比较

实测>设计

实测>设计

实测<设计

实测<设计

为保证设计流量

必须采取的措施

必须通过增大水泵流量的方法

以保证设备4的流量达到设计流量

水泵流量增大后的流量数值（m3/h）

35

30

22．5

20

107．5

由上表可见，设计总流量为80（m3/h），但为了保证最不利环路达到设计流量，实际水泵所需的最小流量为107.5（m3/h），远远大于设计总流量。

这样的系统既不节能，也不舒适，因此必须安装静态水力平衡设备对系统进行改造。

⑵、静态水力平衡系统的流量计算：

表2为安装了静态水力平衡阀并调试合格前后的末端设备流量的实测数值。

设备

流量

设备1

设备2

设备3

设备4

总流量（m3/h）

设备实测流量（m3/h）

28

24

18

16

86

设计流量

20

20

20

20

80实测流量与设计流量比较

实测>设计

实测>设计

实测<设计

实测<设计

为保证静态水力平衡采取的措施

安装静态水力平衡设备，并通过一定的调试方法，使各个末端设备的实际流量比值与设计要求的流量比值一致，再将系统总流量调至设计总流量

静态水力平衡后的实测流量（m3/h）

20

20

20

20

80

表2

由上表可见，设计总流量为80（m3/h），系统静态水力平衡后的实际总流量也是80（m3/h），且各个末端设备的流量同时达到设计流量。因此这种系统实现了静态水力平衡，并且舒适节能。

1、静态水力平衡的实现：

通过在相应的部位安装静态水力平衡设备，使系统达到静态水力平衡。

实现静态水力平衡的判断依据是：当系统所有动态水力平衡设备均设定到设计参数位置（设计流量或压差），所有末端设备的温度控制阀门（温控阀、电动二通阀和电动调节阀等）均处于全开位置时（这时系统是完全定流量系统，各处流量均不变），系统所有末端设备的流量均达到设计流量。

从上可以看出，实现静态水力平衡的目的是保证末端设备同时达到设计流量，即设备所需的最大流量。避免了一般水力失调系统一部分设备还没有达到设计流量，而另一部分已远高于设计流量的问题。因此它解决的是静态平衡和系统能力问题，即保证系统能均衡地输送足够的水量到各个末端设备。念，使得调节阀在系统实际工作过程中当压力波动时，能动态的平衡系统的压力变化。因此，这种动态平衡电动调节阀工作时的流量特性曲线与理想的流量特性曲线是一致的，没有偏离。特殊的设计保证了电动阀的调节只受标准控制信号的作用，而不受系统压力波动的影响，而且，对应电动阀的任一开度位置，其流量都是唯一和恒定的，对于暖通空调系统来说，这就意味着电动阀在任一调节位置输送的热（冷）量都是稳定的。因此，这种电动阀特别适用在系统负荷变化较大的变流量系统中，具有抗干扰能力强，工作状态稳定，调节精度高的特点。避免了传统的电动调节阀即使在同一开度位置，由于系统压力的波动，其流量也是变化的，电动阀输送热（冷）量不稳定，抗干扰能力差、调节精度低的缺点。

动态平衡电动调节阀与传统的电动调节阀的比较：

比较内容

动态平衡电动调节阀

传统的电动调节阀

调节精度

较高

一般

输送流量

在任一开度位置的流量是唯一

和恒定的

即使在同一开度位置，其流量也随着

系统压力的波动而波动

输送

热（冷）量

在任一开度位置输送的热（冷）

量都是唯一和恒定的

即使在同一开度位置，其输送的热（冷）量也随着系统压力的波动而波动

调节阀

开度变化

只受标准控制信号的控制，不受

系统压力波动的影响

既受标准控制信号的控制，又受系统

压力波动的影响

工作状态

稳定，不受系统压力波动的影响

不稳定，受系统压力波动的影响

抗干扰能力

强

弱

最小压差要求

必须维持最小压差以保证

动态平衡

无最小压差要求

三、动态平衡电动阀门在系统中的应用：

动态平衡电动调节阀主要适用于暖通空调系统末端空调设备（如空调箱、新风机组、空气处理机）的温度控制，在系统负荷波动较大的变流量系统中优势明显。

1、风机盘管系统水力平衡和调节方案：

以下是风机盘管系统常用四种平衡调节方式的比较表：

比较内容

静态平衡阀+电动二通阀

静态平衡阀+压差调节阀+电动二通阀

动态流量平衡阀

+电动二通阀

动态平衡电动二通阀

水平管（静态）

末端（静态）

水平管（静态）

末端（静态）

调节精度

一般

较高

较高

高

很高

很高

抗干扰能力

弱

弱

较强

较强

强

强

静态水力平衡

局部

全部

局部

全部

全部

全部

动态平衡功能

不能

不能

部分

部分

全部

全部

电动开关功能

具有

具有

具有

具有

具有

具有工作状态

不稳定，受系统压力波动的影响

较稳定，在一定程度上不

受系统压力波动的影响

稳定，不受系统压力波动的影响

是否能

保持设计流量

不能

一定程度上能够

能够

最小压差要求

无最小压差要求

必须维持压差调节器

设计压差以保证正常工作

必须维持最小压差

以保证动态平衡

应用范围

适用于负荷波动较小的

风机盘管系统的温度控制

适用于负荷波动较大的

风机盘管系统温度控制

适用于负荷波动较大的

风机盘管系统温度控制

2、空调箱（空气处理机组）系统水力平衡和调节方案：

针对于空调箱（空气处理机组）系统，常用的几种水力平衡和调节方案主要有“静态平衡阀电动调节阀”、“压差调节阀电动调节阀”、“动态平衡电动调节阀”等。

1、“静态平衡阀+电动调节阀”平衡调节方式：

图7为空调系统常用的多台空调箱（空气处理机组）并联环路（图中只绘出2台），在空调箱的进口安装了静态水力平衡阀和电动调节阀。

在系统初调试时，通过调节静态平衡阀，使系统在初调试合格后各台空调箱的流量同时达到设计流量，从而实现静态平衡；

在系统运行过程中，通过电动调节阀的调节作用使各个目标区域的温度达到设定温度；但是，由于这种系统各个末端设备电动调节阀的流量调节存在着相互影响，因此系统很难达到平衡状态，即使达到平衡状态，也会由于这种干扰而很容易偏离平衡状态。

2、“压差调节阀+电动调节阀”平衡调节方式：

图8为空调系统常用的多台空调箱（空气处理机组）并联环路（图中只绘出2台），在空调箱的进口安装了电动调节阀，出口安装了压差调节阀。

通过压差调节阀调节电动调节阀进口A至出口C的压差至设定压差，这样不管系统中其它的动态阀门怎样动作，由于压差调节器的调节作用这两点的压差始终保持恒定，这样就避免了系统中各个末端设备调节的相互干扰，从而实现动态平衡；

在系统运行过程中，通过电动调节阀的调节作用使各个目标区域的温度达到设定温度；

当然，也可以将压差调节器的取压点定在A、B二点，压差调节器的设定压差随之调整。这时电动调节阀的阀权度变小，从而使调节阀实际的流量特性曲线偏离理想流量特性曲线，调节特性变差。

调试时先将电动调节阀全开，然后将压差调节器的压差调至设定压差即可。

3、“动态平衡电动调节阀”平衡调节方式：

如图9所示，为一组多台空调箱（空气处理机）并联环路（图中只画出2路）。每路通过动态平衡电动阀来调节目标区域的回风温度，其中区域一的设定温度为25℃，区域二的设定温度为27℃。

假定处于夏季工况，区域一已调至平衡状态，即目标区域的温度T1已稳定在25℃，这时动态平衡电动阀的开度维持在某一位置保持不变以输出一个恒定的流量。

区域二还处于不稳定状态，测量回风温度T2为24℃，低于设定温度27℃，这时测量温度会和设定温度在温度控制器进行比较，输出信号将动态平衡电动阀关小以减少流过空气处理机二的冷水量，这时制冷量会减少，使测量温度T2升高，接近设定温度；以此同时，系统立管C、D二点的压差会增大，空气处理机一环路动态平衡电动阀DV1二端C、B1二点的压差也相应增大。但是由于动态平衡电动阀的动态平衡功能（动态平衡阀芯PV1的定压差作用），该阀电动调节阀芯二端A1、B1点的压差并不发生变化，因此空气处理机一环路的流量维持不变，制冷量不变，相应的区域一仍处于平衡状态。

由上可见，空气处理机二环路的调节没有对已经平衡的空气处理机一环路产生干扰，因此这两个环路间不存在动态水力失调。对于多环路系统，任何一个环路的调节都不会对其它环路产生干扰，同时任何一个环路都不会受到其它环路调节的影响，系统越大，这种动态平衡的特性就越明显，每一个环路只受自己区域负荷变化的影响，而不受系统压力波动的影响，因此很容易达到并维持平衡状态。

垂直立管为同程式管道的系统，各层进水管上可不加静态平衡阀，垂直立管为异程式且水力失调程度较大的系统，建议在水平进水管上增加静态水力平衡阀并在初调试时进行一定的调节。

以下是空调箱（空气处理机组）仅安装电动调节阀与上面三种平衡调节方式的功能性比较：

比较内容

“电动调节阀”

“静态平衡阀+电动调节阀”

“压差调节阀+电动调节阀”

“动态平衡电动调节阀”

调节精度

一般

较高

很高

高输送流量

即使在同一开度位置，其流量也随着系统压力的波动而波动

即使在同一开度位置，其流量也随着系统压力的波动而波动

在同一开度位置流量能够基本保持恒定

在任一开度位置的流量是唯一和恒定的

静态水力平衡调节

不能

能

能

能

输送热（冷）量

即使在同一开度位置，其输送的热（冷）量也随着系统压力的波动而波动

即使在同一开度位置，其输送的热（冷）量也随着系统压力的波动而波动

在同一开度位置输送的热（冷）量能够基本保持恒定

在任一开度位置输送的热（冷）量都是唯一和恒定的

调节阀开度变化

既受标准控制信号的控制，又受系统压力波动的影响

既受标准控制信号的控制，又受系统压力波动

的影响

只受标准控制信号的控制，基本不受系统压力波动的影响

只受标准控制信号的控制，不受系统压力波动的影响

工作状态

不稳定，受系统压力波动的影响

不稳定，受系统压力波动的影响

较稳定，基本不受系统压力波动的影响

稳定，不受系统压力波动的影响

抗干扰能力

弱

弱

较强

强

流量特性曲线

系统压力波动越大，偏离理想的流量特性曲线的幅度就越大，调节特性越差

系统压力波动越大，偏离理想的流量特性曲线的幅度就越大，调节特性越差

与理想的流量特性曲线基本一致，调节特性较好

与理想的流量特性曲线一致，调节特性好

最小压差要求

无最小压差要求

无最小压差要求

必须维持一定的工作压差

必须维持最小压差以保证动态平衡

应用范围

适用于暖通空调系统负荷波动较小的末端空调设备（如空调箱、新风机组、空气处理机）的温度控制。

适用于暖通空调系统负荷波动较小的末端空调设备（如空调箱、新风机组、空气处理机）的温度控制。

适用于暖通空调系统末端空调设备（如空调箱、新风机组、空气处理机）的温度控制，但安装调试繁琐

适用于暖通空调系统末端空调设备（如空调箱、新风机组、空气处理机）的温度控制，在系统负荷波动较大的变流量系统中优势明显。

由于后两种方案的功能性特征较类似，下面就其具体的技术参数、安装和费用方面进行进一步的比较。

“动态平衡电动调节阀”与“压差调节器电动调节阀”组合方案比较表

技术特性比较

动态平衡电动调节阀

压差调节器+电动调节阀

备注

基本功能

由于是按照动态平衡功能与电动调节功能一体化设计的，因此在变流量系统中能很好地同时实现这两种功能，同时满足了在保证功能的同时尽量减少系统阻力的要求，保证了阀门工作的协调一致性

由于这两种产品是根据不同的功能需要单独设计的，因此当它们组合使用时工作的协调性较差，工作时对系统的阻力损耗较大

工作阻力

工作阻力较小，可以达到30Kpa，

工作阻力较大，小口径达到40Kpa，大口径达到60Kpa以上，造成系统的能耗较大

规格范围

规格范围可达DN25-DN150

一般规格范围只有DN25-DN100，规格范围小

运行和安装费用

工作阻力小，单阀体，运行和安装费用低

工作阻力大，运行和安装费用高

安装

安装简单快捷

由于实际上需要安装二个阀，还须安装取压连接管，而且这二个阀间的距离有时还挺远，因此安装复杂

设备费用

在同等品质下，费用较低

在同等品质下，费用较高

运行和安装费用

工作阻力小，单阀体，运行和安装费用低

工作阻力大，运行和安装费用高

维护及费用

由于所有的功能在一个阀体内实现，因此使用安全可靠，基本不须维护，所以维护费用低

由于阀门需要现场接管和调试，任何安装导致的泄露以及调试问题都会使阀门无法正常工作，因此需要维护的时间及费用都很高

安装空间

体积小，需要的安装空间较小

一般空调系统使用的压差调节器尺寸都较大，对于大口径阀，高度超过1米，因此需要的安装空间较大

调试时间

调试非常简单，调试时间短

调试复杂，调试时间长

四、总结：

综上所述，在暖通空调系统中采用水力平衡技术是建筑节能的有效措施之一，是空调系统安全、舒适运行的保障。

◆、通过在暖通空调水系统集水器回水主管、总管以及末端设备各层支路回水管等部位安装静态水力平衡阀，在系统初调试时通过一定的步骤进行调节，保证系统实际的管道特性阻力数比值与设计要求的管道特性阻力数比值一致，从而使系统在初调试合格后实现静态水力平衡；

◆、通过在空气处理机、空调箱、新风机组处安装动态平衡电动调节阀，保证当系统的一个末端设备由于自身负荷变化流量发生变化时，系统中其它设备由于自身的动态屏蔽作用流量并不随之发生变化，系统运行时各末端设备的流量只受自身负荷变化的影响，而不受系统压力波动的影响，这样系统就实现了动态水力平衡。

◆、通过在风机盘管处安装动态平衡电动两通阀，保证当系统的一个末端设备由于自身负荷变化流量发生变化时，系统中其它设备由于自身的动态屏蔽作用流量并不随之发生变化，系统运行时各末端设备的流量只受自身负荷变化的影响，而不受系统压力波动的影响，这样系统就实现了动态水力平衡。

◆、通过在主设备处安装动态流量平衡阀以保证设备运行对于流量稳定的要求，同时对水泵、主机设备提供安全保证，确保水泵、主机设备的最佳工况点运行、减少功耗、降低运行费用、延长设备使用年限。

◆、通过在机房分、集水器上安装电动压差旁通系统从而保证变流量系统对于水流量随着系统负荷适时变化的要求。

◆、通过安装以上的水力平衡设备，并进行合理的调试，这样在系统调试合格后，一方面系统的各个末端设备流量在动态阀门处于全开位置时同时达到设计流量，实现静态水力平衡，另一方面，在系统的运行过程中，各个末端设备的流量同时达到系统实际要求流量（这种流量是适时变化的）且不互相干扰，从而实现动态水力平衡。

这样，系统就实现了全面的水力平衡。这种全面平衡的水力系统，由于其水流量是与系统实际要求流量适时一致的，而传统的不平衡水力系统水流量总是大于系统实际要求流量，导致多余的流量造成系统能源的浪费，因此这种系统是最节能的、用户末端舒适度大大增强。计量供热采暖系统水力计算程序相关问题的研究计量供热的实现要求对系统形式进行变革,相应的水力计算方法也与传统系统略有不同;散热器恒温阀、压差控制器等设备的引入加大了设计人员的设计工作量;与传统的采暖系统相比,新双管系统是适合于计量供热的主要系统形式,但管路平衡和计算工作量比传统单管系统大得多,给设计工作增加了难度;同时,原有的采暖系统水力计算软件也已不能适应计量供热系统设计的需求。作者对适合于计量供热系统的水力计算方法进行了较深入的研究，针对单管跨越式、垂直双管和新双管（双-双管）三种系统形式，利用可视化软件开发工具VisualBasic编制了水力计算程序，希望能为计量供热的系统设计提供参考依据。数学模型1．各管段阻力损失的计算本程序参考有关设计手册建立了局部阻力管件的数据库。程序在初始条件输入时，要求用户选择各管段存在的局部阻力管件名称及相应的数目，程序在水力计算的过程中通过调用数据库查询的子程序可得到各局部阻力管件的局部阻力系数ζ值，结合相对应的管件数目，计算出管段决的局部阻力系数。2．平均比摩阻的确定传统的热水采暖系统α一般取0.5，适合计量供热的采暖系统由于加入了一些高阻力的管件和阀门，与传统的采暖系统有所不同。适合计量供热的采暖系统最不利环路的散热器恒温阀压降一般为500Pa（多层建筑），传统计量供热总压降一般为10000～20000Pa，若按20000Pa计，加上恒温阀压降则系统总压降为25000Pa（只计算系统的室内部分），其中沿程压力损失应为20000×0.5=10000P，则沿程损失占总压力损失的估计百分数应为10000/25000=0.4。对于垂直双管式系统，上层散热器管路通过与下一层散热器管路的平衡关系确定该管路的资用压力，得到管路的平均比摩阻，进而确定管路的管径。图1是上下两层散热器管路示意图，A-B-D和A-C-D为并联管路，管路A-B-D可通过与管路A-C-D的平衡关系进行水力计算确定管径。下面来估算管路A-B-D沿程损失占管路压力总损失的百分数。管路的沿程比摩阻按照经济比摩阻90Pa/m进行估算，则管路A-B-D总阻力损失为（3+5）×90=720Pa，传统采暖系统中α按0.5取值。这里局部阻力（不计散热器恒温阀