智 慧 閥 門(mén)

工業(yè)4.0時(shí)代，流體行業(yè)數(shù)智化、網(wǎng)絡(luò)化逐步深入，融合應(yīng)用縱深拓展。作為流體輸配系統(tǒng)的重要控制部件—“閥門(mén)”在產(chǎn)業(yè)在高質(zhì)量發(fā)展過(guò)程中所起的作用日益凸顯。當(dāng)下，智慧閥門(mén)的智能水力平衡控制不僅能提升輸配能效20~50%，而且可以保障大系統(tǒng)的安全可靠與穩(wěn)定順行，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)再節(jié)能3%~15%。

在中央空調(diào)水系統(tǒng)輸配各環(huán)節(jié)中，借由閥門(mén)進(jìn)行樓層支路的水力平衡控制是保持系統(tǒng)水力平衡關(guān)鍵的一環(huán)。其后一步可以保證末端空調(diào)設(shè)備（風(fēng)機(jī)盤(pán)管、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等）調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡，前一步可以保證輸配管網(wǎng)整體動(dòng)態(tài)平衡的效果并提供冷凍水泵變頻節(jié)能實(shí)現(xiàn)的條件。

具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，由于室內(nèi)人員數(shù)量和氣溫變化等因素，房間空調(diào)用量和負(fù)荷是隨機(jī)變化的，無(wú)法直接給定所需流量或冷量，所以在樓層支路中，平衡閥能夠控制的流動(dòng)參數(shù)是供回水壓差或者溫差。今天，小編就以常見(jiàn)空調(diào)末端形式為例，對(duì)樓層中央空調(diào)水系統(tǒng)壓差控制和溫差控制做一個(gè)特性分析。

風(fēng)機(jī)盤(pán)管樓層支路   PART.01

我們首先來(lái)分析下樓層空調(diào)水系統(tǒng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的水力和熱力特性。

盤(pán)管輸出冷量Q與水-空氣對(duì)數(shù)溫差△Tm的傳熱關(guān)系式如下：

樓層空調(diào)電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥受房間溫控器控制，假設(shè)設(shè)定房間溫度26℃，溫控動(dòng)作是±1℃，即房間溫度27℃時(shí)開(kāi)閥，25℃時(shí)關(guān)閥。假設(shè)冷凍水進(jìn)出水溫度為7-12℃，送風(fēng)溫度為18℃，風(fēng)-水平均對(duì)數(shù)溫差△Tm=12.4±1℃。盤(pán)管在固定的冷凍水流量、供水溫度、風(fēng)機(jī)檔位（風(fēng)速）、室內(nèi)溫度時(shí)，供回水溫差是一個(gè)接近定值，與熱負(fù)荷多少無(wú)關(guān)，負(fù)荷只影響二通閥開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的比值（簡(jiǎn)稱“占空比”）大小。負(fù)荷大時(shí)，電動(dòng)閥開(kāi)的時(shí)間長(zhǎng)；負(fù)荷小時(shí)，電動(dòng)閥開(kāi)的時(shí)間短。

風(fēng)機(jī)開(kāi)高檔轉(zhuǎn)速，溫差大；開(kāi)低檔轉(zhuǎn)速，溫差小。當(dāng)盤(pán)管結(jié)垢、結(jié)灰塵后，溫差將縮小，二通閥占空比延長(zhǎng)。

根據(jù)傳熱公式和盤(pán)管二通閥工作原理，我們知道：如果減少水量，則可以拉大供回水溫差，延長(zhǎng)二通閥占空比，盤(pán)管電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)次數(shù)減少，可延長(zhǎng)電動(dòng)二通閥壽命，水系統(tǒng)小流量大溫差節(jié)能運(yùn)行。

支路流量F和壓差△P的關(guān)系式為：

（k為支路阻力系數(shù)）

從傳熱公式和流量公式可以看出，可以通過(guò)限制支路壓差或者限制支路溫差來(lái)限制支路流量，以實(shí)現(xiàn)小流量大溫差運(yùn)行節(jié)能目標(biāo)。

風(fēng)機(jī)盤(pán)管樓層支路   PART.02

然后，再分析多個(gè)盤(pán)管組成的樓層支路在樓層平衡閥不同控制方式和不同工況時(shí)的水力和熱力變化特性。

如果支路中各臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管都處于平衡工況，即最近端房間的盤(pán)管或者最遠(yuǎn)端房間的盤(pán)管開(kāi)啟時(shí)的水量都保持一致，那么我們通過(guò)調(diào)試總能找到一個(gè)合適的支路最小壓差或者溫差，使得二通閥運(yùn)行在較高占空比狀態(tài)。

由于多種原因，實(shí)際支路內(nèi)部不可能做到平衡，往往近端和遠(yuǎn)端水量相差很大，因此我們模擬一個(gè)不平衡支路進(jìn)行分析。

在這種情況下：

01采用壓差平衡控制時(shí)

V1~V5電動(dòng)二通閥全部打開(kāi)的情況，如果1#、2#水量偏大，4#、5#水量偏小，則壓差控制目標(biāo)△P（P1-P2）應(yīng)該按照最不利末端5#所需壓差進(jìn)行設(shè)置，確保所有盤(pán)管溫控時(shí)，V1~V5的占空比不至于到100%而留有一定余量，V4~V5占空比較大，V1~V2占空比較小，隨著盤(pán)管換熱性能逐步下降，所有的閥門(mén)占空比逐漸延長(zhǎng)，但全部盤(pán)管開(kāi)啟時(shí)的流量均可保持穩(wěn)定，或者部分盤(pán)管關(guān)閉的情況下，水量有所提高，但系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行，舒適性要求均可保證。

02采用溫差控制模式時(shí)

V1~V5電動(dòng)二通閥全部打開(kāi)的情況，如果1#、2#水量偏大，4#、5#水量偏小，則溫差控制目標(biāo)△T（T2-T1）應(yīng)該按照最不利末端5#所需溫差進(jìn)行設(shè)置，確保所有盤(pán)管溫控時(shí)，均可滿足要求。V1~V5全部開(kāi)啟時(shí)，1#~2#流量大、溫差小，4#~5#流量小、溫差大，但溫差只能采集到樓層支路的總溫差（非1#~5#的算術(shù)平均溫差，需要根據(jù)流量加權(quán)計(jì)算平均值），因此溫差設(shè)定值需要保證最不利末端5#的流量需求，比平均值要偏小。實(shí)際調(diào)試找到這個(gè)合適的樓層支路溫差設(shè)定值是比較難的，因此往往設(shè)定溫差偏小以保證最不利末端效果。

假設(shè)某一個(gè)時(shí)刻溫差正好滿足設(shè)定值，分析閥門(mén)開(kāi)關(guān)數(shù)量的改變，如果1#~2#關(guān)閉，則4#~5#溫差較大引起的樓層支路溫差將高于設(shè)定值（平均值的原因），說(shuō)明水量不足，支路溫差控制閥將開(kāi)大提高流量降低溫差，而實(shí)際上，用戶數(shù)變少，4#~5#流量是會(huì)變大的，不需要樓層溫差控制閥繼續(xù)開(kāi)大閥門(mén)；如果4#~5#關(guān)閉，則1#~2#溫差較小引起的樓層支路溫差將低于設(shè)定值（平均值的原因），說(shuō)明水量過(guò)大，支路溫差控制閥將關(guān)小降低流量提高溫差，實(shí)際上，隨著用戶數(shù)變少，1#~2#流量變大，樓層溫差控制閥開(kāi)度要關(guān)得更小。由于溫度變化傳遞需要較長(zhǎng)過(guò)程，控制上要考慮好PID滯后性，否則容易引起開(kāi)度振蕩。

隨著盤(pán)管換熱性能逐步下降，所有的閥門(mén)占空比逐漸延長(zhǎng)，溫差逐漸縮小。理論上，需要不斷增大流量以縮小溫差，但實(shí)際控制策略上，檢測(cè)到溫差縮小，溫差控制閥認(rèn)為流量偏大，應(yīng)該關(guān)小閥門(mén)，這樣就與理論需求產(chǎn)生沖突。因此，如果按照溫差控制模式，溫差設(shè)定上必須留足余量，以避免后期流量越來(lái)越小的情況出現(xiàn)后影響舒適性。

必須注意的是，晚間停機(jī)后溫差控制閥將關(guān)閉（檢測(cè)到溫差永遠(yuǎn)小于設(shè)定值，閥門(mén)自控關(guān)閉，或者人工關(guān)閉），第二天開(kāi)機(jī)后，由于樓層水不流動(dòng)，將檢測(cè)不到溫差，閥門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，依靠水溫傳導(dǎo)的過(guò)程很慢。為使閥門(mén)正常工作，必須人工開(kāi)啟閥門(mén)一段時(shí)間，或者設(shè)定最小開(kāi)度，使水流動(dòng)起來(lái)，溫差控制閥才可正常工作。

風(fēng)機(jī)盤(pán)管樓層支路   PART.03

最后，我們總結(jié)一下：

01    低阻力型智能壓差平衡閥是智慧閥門(mén)的典型功能，應(yīng)用于樓層支管能解決水力失調(diào)問(wèn)題，須優(yōu)先考慮。

02    樓層采用溫差平衡控制，溫差設(shè)定值應(yīng)留有較大余量，確保在不同用量及盤(pán)管結(jié)垢變臟性能下降時(shí)，流量充裕，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；如果能采集到流量，通過(guò)長(zhǎng)期觀察負(fù)荷變化對(duì)溫差的影響，作為溫差設(shè)定的參考依據(jù)，將更加有利于節(jié)能運(yùn)行。

03    利用智慧閥門(mén)提供的樓層流量和供回水溫差數(shù)據(jù)，作為樓層平衡壓差設(shè)定值的重要依據(jù)，通過(guò)優(yōu)化分析持續(xù)提高輸配能效，實(shí)現(xiàn)輸配節(jié)能與系統(tǒng)節(jié)能。