水力失調(diào)和水力平衡分析

1、水力失調(diào)和水力平衡分析 摘要：本文揭示了水力失調(diào)與水力平衡的概念及其分類，并對(duì)定流量系統(tǒng)及變流量系統(tǒng)水力失調(diào)的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)水力平衡的措施及典型的幾種系統(tǒng)形式進(jìn)行了深入的分析。 關(guān)鍵詞：水力平衡 水力失調(diào) 定流量 變流量 在建筑物暖通空調(diào)工程中，水力平衡的調(diào)節(jié)是個(gè)重要的課題。本文提出了靜態(tài)水力平衡和動(dòng)態(tài)水力平衡的概念，并結(jié)合二種水力平衡的特點(diǎn)，分析了定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)幾種典型方式的水力平衡設(shè)備的選擇及實(shí)現(xiàn)水力平衡的方式。 一、水力失調(diào)和水力平衡的概念： 在熱水供熱系統(tǒng)以及空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中各熱（冷）用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量之間的不一致性稱為該用戶的水力失調(diào)。 水力失調(diào)的程度可以用實(shí)際流量與設(shè)

2、計(jì)要求流量的比值x來(lái)衡量，x稱水力失調(diào)度。 x = qs/qj（qs：用戶的實(shí)際流量，qj：用戶的設(shè)計(jì)要求流量） 水力平衡是指網(wǎng)路中各個(gè)熱用戶在其它熱用戶流量改變時(shí)保持本身流量不變的能力，通常用熱用戶的水力穩(wěn)定性系數(shù)r來(lái)表示。 r=1/ xmax = qj/ qmax （qj：用戶的設(shè)計(jì)要求流量，qmax：用戶出現(xiàn)的最大流量） 二、水力失調(diào)和水力平衡的分類： 1、靜態(tài)水力失調(diào)和靜態(tài)水力平衡： 由于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備材料等原因?qū)е碌南到y(tǒng)管道特性阻力數(shù)比與設(shè)計(jì)要求管道特性阻力數(shù)比值不一致，從而使系統(tǒng)各用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量不一致，引起系統(tǒng)的水力失調(diào)，叫做靜態(tài)水力失調(diào)。 靜態(tài)水力失調(diào)是穩(wěn)態(tài)的、根

3、本性的，是系統(tǒng)本身所固有的，是當(dāng)前我國(guó)暖通空調(diào)水系統(tǒng)中水力失調(diào)的重要因素。 通過(guò)在管道系統(tǒng)中增設(shè)靜態(tài)水力平衡設(shè)備（水力平衡閥）對(duì)系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)比值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與設(shè)計(jì)要求管道特性阻力數(shù)比值一致，此時(shí)當(dāng)系統(tǒng)總流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，各末端設(shè)備流量均同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。 2、動(dòng)態(tài)水力失調(diào)和動(dòng)態(tài)水力平衡： 當(dāng)用戶閥門開(kāi)度變化引起水流量改變時(shí)，其它用戶的流量也隨之發(fā)生改變，偏離設(shè)計(jì)要求流量，從而導(dǎo)致的水力失調(diào)，叫做動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。 動(dòng)態(tài)水力失調(diào)是動(dòng)態(tài)的、變化的，它不是系統(tǒng)本身所固有的，是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的。 通過(guò)在管道系統(tǒng)中增設(shè)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備（流量調(diào)節(jié)器或壓差調(diào)節(jié)器），當(dāng)其它用

4、戶閥門開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備的屏蔽作用，使自身的流量并不隨之發(fā)生變化，末端設(shè)備流量不互相干擾，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。 三、定流量系統(tǒng)水力平衡分析： 定流量水力平衡系統(tǒng)是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的水力系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)各處的流量基本保持不變。常用的主要有以下三種形式： 1、完全定流量系統(tǒng)： 完全定流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)中不含任何動(dòng)態(tài)閥門，系統(tǒng)在初調(diào)試完成后閥門開(kāi)度無(wú)須作任何變動(dòng)，系統(tǒng)各處流量始終保持恒定。完全定流量系統(tǒng)主要適用于末端設(shè)備無(wú)須通過(guò)流量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，如末端風(fēng)機(jī)盤管采用三速開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)風(fēng)速和采用變風(fēng)量空氣處理機(jī)組的空調(diào)系統(tǒng)以及系統(tǒng)要求較低、只需氣候補(bǔ)償器調(diào)節(jié)供暖水溫即可滿足基

5、本需要的供暖系統(tǒng)等。 完全定流量系統(tǒng)只存在靜態(tài)水力失調(diào)，不存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，因此只需在相關(guān)部位安裝靜態(tài)水力平衡設(shè)備即可。通常在系統(tǒng)機(jī)房集水器上安裝水力平衡閥（如圖1所示）；對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)，可以在建筑物各層水平回水管上安裝水力平衡閥。 對(duì)于某些系統(tǒng)，雖然也不包含任何動(dòng)態(tài)閥門，但由于無(wú)法通過(guò)其它非流量手段進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在實(shí)際運(yùn)行中用戶會(huì)因?yàn)榉块g過(guò)冷或過(guò)熱而改變閥門開(kāi)度從而改變流量，因此可以認(rèn)為這種系統(tǒng)介于定流量和變流量之間。 2、單管串聯(lián)（帶旁通管）供暖系統(tǒng)： 單管串聯(lián)供暖系統(tǒng)包括垂直雙管水平單管串聯(lián)系統(tǒng)以及垂直單管系統(tǒng)等。這種系統(tǒng)主管的流量基本不變，因此是定流量系統(tǒng)。以前者為例，來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水

6、力平衡的方式。 這種系統(tǒng)主要存在靜態(tài)水力失調(diào)，在水平分支管上由于三通或二通溫控閥的調(diào)節(jié)作用而存在一定的動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。因此只需在相關(guān)部位增設(shè)相關(guān)的水力平衡設(shè)備即可使系統(tǒng)保持水力平衡。具體如下： 、在系統(tǒng)機(jī)房集水器上安裝水力平衡閥； 、在立管回水管上設(shè)水力平衡閥（如圖2所示）； 、在水平分支管上安裝流量調(diào)節(jié)器保證各分支環(huán)路流量恒定（既可在本分支環(huán)路內(nèi)部管道特性變化時(shí)保持流量恒定，也可在其它環(huán)路流量變化時(shí)避免受其干擾）。 3、末端設(shè)備帶三通調(diào)節(jié)閥的空調(diào)系統(tǒng)： 如圖3所示，該系統(tǒng)與系統(tǒng)2類似。系統(tǒng)各分支環(huán)路的流量基本不變，是定流量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要存在靜態(tài)水力失調(diào)，在末端管路上也存在一定的動(dòng)態(tài)水力失調(diào)

7、。因此只需在相應(yīng)部位增加相應(yīng)的水力平衡設(shè)備即可使系統(tǒng)保持水力平衡。具體措施同系統(tǒng)2，只需將措施的流量調(diào)節(jié)器安裝在末端設(shè)備（風(fēng)機(jī)盤管或空氣處理機(jī)組）水管道即可。 四、變流量水力平衡分析： 由于人們對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的要求以及節(jié)能意識(shí)的不斷提高，變流量水力系統(tǒng)在暖通空調(diào)工程中占據(jù)越來(lái)越重要的位置。變流量系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各分支環(huán)路的流量是隨著外界環(huán)境負(fù)荷的變化而變化的。由于暖通空調(diào)工程在一年運(yùn)行的大部分時(shí)間均處于部分負(fù)荷運(yùn)行工況，因此變流量系統(tǒng)大部分時(shí)間系統(tǒng)流量都是低于設(shè)計(jì)流量的。因此這種系統(tǒng)是實(shí)時(shí)、靈敏、高效、節(jié)能的。 變流量系統(tǒng)一般既存在靜態(tài)水力失調(diào)，也存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，因此必須采取相應(yīng)的水力平衡措施來(lái)

8、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡。 1、靜態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)： 通過(guò)在相應(yīng)的部位安裝靜態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)水力平衡。 實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的判斷依據(jù)是：當(dāng)系統(tǒng)所有動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備均設(shè)定到設(shè)計(jì)參數(shù)位置（設(shè)計(jì)流量或壓差），所有末端設(shè)備的溫度控制閥門（溫控閥、電動(dòng)二通閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等）均處于全開(kāi)位置時(shí)（這時(shí)系統(tǒng)是完全定流量系統(tǒng)，各處流量均不變），系統(tǒng)所有末端設(shè)備的流量均達(dá)到設(shè)計(jì)流量。 從上可以看出，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的目的是保證末端設(shè)備同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量，即設(shè)備所需的最大流量。避免了一般水力失調(diào)系統(tǒng)一部分設(shè)備還沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)流量，而另一部分已遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)流量的問(wèn)題。因此它解決的是靜態(tài)平衡和系統(tǒng)能力問(wèn)題，即保證系統(tǒng)能均

9、衡地輸送足夠的水量到各個(gè)末端設(shè)備。 變流量系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡設(shè)備的選擇可參照定流量系統(tǒng)的描述來(lái)進(jìn)行，在這里就不再贅述。 但是，末端設(shè)備在大部分時(shí)間是不需要這么大的流量的。因此，系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡，還要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。 2、動(dòng)態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)： 通過(guò)在相應(yīng)部位安裝動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。它包含二方面內(nèi)容： 、當(dāng)系統(tǒng)其它環(huán)路發(fā)生變化時(shí)，自身環(huán)路關(guān)鍵點(diǎn)壓差并不隨之發(fā)生變化，當(dāng)自身的動(dòng)態(tài)閥門（如溫控閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）開(kāi)度不變時(shí)，流量保持不變；如圖4所示，當(dāng)c、d點(diǎn)壓差變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備（壓差調(diào)節(jié)器pv）的調(diào)節(jié)作用，使a、b二點(diǎn)壓差并不發(fā)生變化，如果各支路電動(dòng)二通閥vm

10、1、vm2開(kāi)度保持不變,則流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管fp1、fp2的流量保持不變； 、當(dāng)外界環(huán)境負(fù)荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)自身環(huán)路變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備的作用，使關(guān)鍵點(diǎn)壓差并不發(fā)生變化，此時(shí)自身其它并聯(lián)支路的流量也不發(fā)生變化。如圖4，當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管fp1所在房間負(fù)荷變化導(dǎo)致電動(dòng)二通閥fm1由開(kāi)啟到關(guān)閉，由于壓差調(diào)節(jié)器pv1的作用，a、b二點(diǎn)的壓差并不隨之發(fā)生變化，這樣，風(fēng)機(jī)盤管fp2的流量保持不變。 由上可知，變流量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力平衡一般是通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備將雙管并聯(lián)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓差恒定在設(shè)計(jì)壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此變流量動(dòng)態(tài)水力平衡系統(tǒng)也可叫做變流量定壓差系統(tǒng)。壓差調(diào)節(jié)是變流量系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)方式。實(shí)際上，動(dòng)態(tài)水力平衡的另

11、一關(guān)鍵設(shè)備流量調(diào)節(jié)器也是通過(guò)閥體內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)恒定壓差（關(guān)鍵點(diǎn)間的節(jié)流裝置開(kāi)度不變）來(lái)保持流量不變的（固定閥膽式除外）。 下面就變流量系統(tǒng)幾種典型動(dòng)態(tài)水力平衡方式進(jìn)行分析： 、暖通空調(diào)機(jī)房三種主要變流量動(dòng)態(tài)水力平衡方式： 、自力式壓差調(diào)節(jié)器方式： 如圖5所示，在分集水器旁通管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器pv調(diào)節(jié)分集水器壓差，當(dāng)某一分支環(huán)路如v1-j1流量變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使分集水器壓差p保持不變。這樣，其余分支環(huán)路v2-j2、v3-j3的流量并不隨之發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。 、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥方式： 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥方式可以分為電動(dòng)二通閥和電動(dòng)三通合（分）流調(diào)節(jié)閥方式三種，以電動(dòng)二通閥方式為例

12、： 如圖6所示，從分集水器上采集壓力信號(hào)p1、p2輸入壓差變送器，壓差變送器輸出4-20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)到調(diào)節(jié)計(jì)（或ddc），通過(guò)與調(diào)節(jié)計(jì)上設(shè)定壓差相比較，輸出4-20ma控制信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制其動(dòng)作，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變旁通水量從而保證分集水器壓差p恒定到設(shè)計(jì)壓差，這時(shí)分集水器上任一分支回路流量變化時(shí)對(duì)其它回路不產(chǎn)生影響，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。 、調(diào)頻水泵方式： 如圖7所示，從分集水器上采集壓力信號(hào)p1、p2輸入到壓差變送器，壓差變送器輸出4-20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)到調(diào)節(jié)計(jì)（或ddc），與調(diào)節(jié)計(jì)設(shè)定壓差比較后輸出4-20ma控制信號(hào)到調(diào)頻器，通過(guò)調(diào)頻器輸出已調(diào)頻的電壓信號(hào)到水泵，控制水泵轉(zhuǎn)

13、速改變水流量，從而保證分集水器壓差與設(shè)定壓差保持一致，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。 、供熱系統(tǒng)典型的變流量水力平衡方式： 如圖8所示為垂直雙管、水平雙管并聯(lián)分戶設(shè)環(huán)供熱系統(tǒng)。在垂直立管回水管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器pv1，當(dāng)其它立管的管道特性發(fā)生變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器pv1的調(diào)節(jié)作用，垂直立管供回水關(guān)鍵點(diǎn)a、b的壓差保持不變；在水平管回水管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器pv2，當(dāng)其它不同樓層水平管管道特性發(fā)生變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，水平支管供回水關(guān)鍵點(diǎn)c、d的壓差保持不變。這時(shí)當(dāng)該環(huán)路某一散熱器所在房間負(fù)荷變化引起溫控閥wa開(kāi)度變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，關(guān)鍵點(diǎn)c、d的壓差不變，這樣該環(huán)路其余散熱器的流量并

14、不會(huì)隨之變化。 通過(guò)對(duì)變流量供熱系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓差的層層整定，使系統(tǒng)中每個(gè)散熱器的流量只會(huì)因?yàn)樽陨碡?fù)荷變化而通過(guò)溫控閥的調(diào)節(jié)來(lái)改變，并不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)中其它散熱器流量變化而發(fā)生變化。這樣，系統(tǒng)真正地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)水力平衡。 垂直雙管、帶分集水器的散熱器及地暖分戶設(shè)環(huán)系統(tǒng)也是變流量系統(tǒng)，其水力平衡特性同以上是一致的。 對(duì)于單、雙管組合系統(tǒng)，分支管為單管串聯(lián)的按定流量系統(tǒng)進(jìn)行分析，分支管為雙管并聯(lián)及主管、機(jī)房部分按變流量系統(tǒng)進(jìn)行分析。 、空調(diào)系統(tǒng)典型的變流量水力平衡方式： 、帶電動(dòng)二通閥的風(fēng)機(jī)盤管變流量水力平衡方式： 該系統(tǒng)的水力平衡分析參看四.2（動(dòng)態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)）部分。 值得注意的是，目前市場(chǎng)上有一種自

15、動(dòng)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其功能和上述方式是一致的，均能保證每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。它將上述功能和電動(dòng)二通閥集成到一個(gè)閥內(nèi)，安裝在每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管支路上，其缺點(diǎn)是價(jià)格較高。 、帶電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的空氣處理機(jī)組（或柜式換熱機(jī)組）變流量水力平衡方式： 如圖9所示為帶電動(dòng)二通閥的空氣處理機(jī)組。在回水管上安裝壓差調(diào)節(jié)器，當(dāng)系統(tǒng)其它分支管路的管道特性發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使a、b二點(diǎn)的壓差保持不變。這時(shí)如果電動(dòng)二通閥vm的開(kāi)度不變，則空氣處理機(jī)的水流量保持不變，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。 、帶動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的空氣處理機(jī)組（柜式換熱機(jī)組）變流量水力平衡方式： 動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是一種新穎高效、調(diào)節(jié)性能

16、極佳的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它實(shí)質(zhì)上是壓差調(diào)節(jié)器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的集成。如右圖所示，當(dāng)系統(tǒng)其它管路的特性發(fā)生變化時(shí)，由于動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng) 調(diào)節(jié)閥內(nèi)置壓差調(diào)節(jié)器的作用，使a、b二點(diǎn)的壓差保持不變。如果電動(dòng)調(diào)節(jié)閥vm開(kāi)度不變，則通過(guò)空氣處理機(jī)組的水流量保持不變。當(dāng)空氣處理機(jī)組回風(fēng)溫度t發(fā)生變化時(shí)，輸入到調(diào)節(jié)計(jì)的測(cè)量回風(fēng)溫度與設(shè)定回風(fēng)溫度相比較，輸出一個(gè)4-20ma的控制信號(hào)去控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以調(diào)節(jié)水流量，保證回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度一致。在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的作用，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥二端壓差（a、b二點(diǎn)）保持不變，因此這種調(diào)節(jié)是靈敏高效的，且調(diào)節(jié)閥流量特性曲線與理想的流量特性曲線一致，沒(méi)有變形。這種電動(dòng)調(diào)節(jié)閥比普通的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有更好的調(diào)節(jié)