智 慧 閥 門

工業(yè)4.0時代，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”在產(chǎn)業(yè)在高質(zhì)量發(fā)展過程中所起的作用日益凸顯。當(dāng)下，智慧閥門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)盤管、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等）調(diào)節(jié)過程的動態(tài)平衡，前一步可以保證輸配管網(wǎng)整體動態(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參數(shù)是供回水壓差或者溫差。今天，小編就以常見空調(diào)末端形式為例，對樓層中央空調(diào)水系統(tǒng)壓差控制和溫差控制做一個特性分析。

風(fēng)機(jī)盤管樓層支路   PART.01

我們首先來分析下樓層空調(diào)水系統(tǒng)單臺風(fēng)機(jī)盤管的水力和熱力特性。

盤管輸出冷量Q與水-空氣對數(shù)溫差△Tm的傳熱關(guān)系式如下：

樓層空調(diào)電動開關(guān)閥受房間溫控器控制，假設(shè)設(shè)定房間溫度26℃，溫控動作是±1℃，即房間溫度27℃時開閥，25℃時關(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)-水平均對數(shù)溫差△Tm=12.4±1℃。盤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，供回水溫差是一個接近定值，與熱負(fù)荷多少無關(guān)，負(fù)荷只影響二通閥開啟時間和關(guān)閉時間的比值（簡稱“占空比”）大小。負(fù)荷大時，電動閥開的時間長；負(fù)荷小時，電動閥開的時間短。

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

根據(jù)傳熱公式和盤管二通閥工作原理，我們知道：如果減少水量，則可以拉大供回水溫差，延長二通閥占空比，盤管電動閥開關(guān)次數(shù)減少，可延長電動二通閥壽命，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，可以通過限制支路壓差或者限制支路溫差來限制支路流量，以實(shí)現(xiàn)小流量大溫差運(yùn)行節(jié)能目標(biāo)。

風(fēng)機(jī)盤管樓層支路   PART.02

然后，再分析多個盤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的水力和熱力變化特性。

如果支路中各臺風(fēng)機(jī)盤管都處于平衡工況，即最近端房間的盤管或者最遠(yuǎn)端房間的盤管開啟時的水量都保持一致，那么我們通過調(diào)試總能找到一個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

V1~V5電動二通閥全部打開的情況，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，確保所有盤管溫控時，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，隨著盤管換熱性能逐步下降，所有的閥門占空比逐漸延長，但全部盤管開啟時的流量均可保持穩(wěn)定，或者部分盤管關(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

V1~V5電動二通閥全部打開的情況，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，確保所有盤管溫控時，均可滿足要求。V1~V5全部開啟時，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)某一個時刻溫差正好滿足設(shè)定值，分析閥門開關(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），說明水量不足，支路溫差控制閥將開大提高流量降低溫差，而實(shí)際上，用戶數(shù)變少，4#~5#流量是會變大的，不需要樓層溫差控制閥繼續(xù)開大閥門；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），說明水量過大，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，樓層溫差控制閥開度要關(guān)得更小。由于溫度變化傳遞需要較長過程，控制上要考慮好PID滯后性，否則容易引起開度振蕩。

隨著盤管換熱性能逐步下降，所有的閥門占空比逐漸延長，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，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（檢測到溫差永遠(yuǎn)小于設(shè)定值，閥門自控關(guān)閉，或者人工關(guān)閉），第二天開機(jī)后，由于樓層水不流動，將檢測不到溫差，閥門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，依靠水溫傳導(dǎo)的過程很慢。為使閥門正常工作，必須人工開啟閥門一段時間，或者設(shè)定最小開度，使水流動起來，溫差控制閥才可正常工作。

風(fēng)機(jī)盤管樓層支路   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的典型功能，應(yīng)用于樓層支管能解決水力失調(diào)問題，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管結(jié)垢變臟性能下降時，流量充裕，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；如果能采集到流量，通過長期觀察負(fù)荷變化對溫差的影響，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。