空調水系統的阻力平衡是保證空調系統正常、有效運行的前提，以較低的能耗，獲得舒適的室內環境，是暖通設計者比較關心重視的問題。為了達到水系統的阻力平衡，設計師一般盡可能采用同程式水系統，倘若條件不允許時則采用異程式水系統，此時系統可能存在水力平衡失調。當各分區環路采用同程式系統時，各系統環路間也可能存在嚴重的阻力不平衡而導致水力平衡失調。因此必須通過各種調節手段使系統達到平衡。近年來，平衡閥因其較為完備的功能和良好的調節性能，正在越受重視和歡迎。許多設計師在設計水系統時傾向于使用平衡閥來進行水力平衡，但筆者發現，在很多工程中，平衡閥的設置不盡合理，設計人員對各種平衡閥的應用場合考慮不周。本文從平衡閥的原理入手介紹在工程實踐中如何合理地選擇平衡閥及相應的系統形式。
1 平衡閥的工作原理
水力平衡設備可分為靜態水力平衡設備和動態水力平衡設備。靜態水力平衡設備主要有靜態平衡閥，動態水力平衡設備主要有動態流量平衡閥、動態壓差控制閥、動態平衡電動二通開關閥、組合式或一體式動態平衡電動調節閥等。
靜態平衡閥在水系統中的作用主要是消除靜態水力失調、使系統實現靜態水力平衡。動態水力平衡設備在水系統中的作用主要是消除動態水力失調，使系統實現動態水力平衡。
1.1 靜態平衡閥
靜態平衡閥亦稱為手動平衡閥或手動調節閥，是可進行流量測定和調節的閥門，其操作方式是人工手動調節。該平衡閥原理為可變流量的孔板，并帶有關斷功能。通過測量閥門前后測量孔的壓降，結合閥門開度的讀數，便能換算出閥門調節后的流量。靜態平衡閥實質上是一個具有明確的“流量-壓差-開度”關系、清晰可調的開度指示以及良好調節特性的阻尼調節元件。
1.2 動態流量平衡閥
動態流量平衡閥亦稱自力式流量控制閥、定流量平衡閥等，是一種在閥體前后一定的壓差范圍內能自動保持管道的流量始終不變的閥門。
其工作原理：q=kv√△p。通過改變平衡閥的閥芯的過流面積來適應閥門前后壓差（如圖1所示）的變化，從而達到控制流量的目的。即在一定壓差范圍內無論閥門入口流量如何變化均可保證其出口流量恒定。它相當于一個局部阻力可變的節流元件，該元件由可變過流面積的閥膽和高精度（±5%）的彈簧及支撐裝置構成。彈簧受壓差的作用自動控制閥膽上過流面積的大小，從而使通過閥門的流量恒定。流量值的大小可以根據系統要求進行定制。
圖1 動態流量平衡閥示意圖
1.3 動態壓差控制閥
動態壓差控制閥亦稱自力式壓差控制閥、定壓差閥、動態壓差平衡閥等，其工作原理：△P=（q/Kv）2。其閥體可設定壓差值，通過調整閥門自身的開度，能自動將系統兩個關鍵點之間的壓差恒定在設定壓差值。動態壓差控制閥示例如圖2所示。
動態壓差控制閥是基于彈簧-隔膜組合的方法進行設計的。彈簧拉動平衡雙閥芯“2”打開閥門，壓差AB施加在隔膜“3”上，產生一個與彈簧相反的力。壓力A通過與測量閥的排水管相連的毛細管傳到壓差控制閥上；壓力B從內部或外部傳到隔膜的另外一側。當壓差AB作用在隔膜上的壓力大于彈簧力時，閥門開始按比例關小，直到找到一個新的平衡位置。這樣，在壓差控制閥上產生一個附加壓力降，限制了壓差△PL（通過二次回路的壓差）加大。
圖2 動態壓差控制閥示意圖
1.4 動態平衡電動二通開關閥
動態平衡電動二通開關閥具有動態平衡和電動開關功能，當閥門開啟時，它能動態地將管道的實際流量恒定在設計流量值，并不受系統壓力波動的影響。
1.5 組合式或一體式動態平衡電動調節閥
組合式動態平衡電動調節閥是將動態壓差平衡閥與電動調節閥組合，一體式動態平衡電動調節閥是把動態壓差平衡閥與電動調節閥集成在一個閥體內。它既具有動態平衡功能，即能動態地平衡系統的壓力波動，使流經管道的流量不受系統壓力波動的影響，又具有電動調節功能，即能根據目標區域的負荷變化自動地調節開度從而調節流量值，保證目標區域的溫度始終恒定在設定溫度。
2 平衡閥在水系統中的合理應用
定流量系統是早期的空調工程中常見的水力系統，這里不再闡述平衡閥在定流量系統中的應用。近年來，隨著空調系統的大型化及《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005的實施，越來越多的空調工程中都采用了變流量系統。
變流量系統是指系統在運行過程中各分支環路的流量隨外界負荷的變化而變化。由于空調系統在一年的大部分時間都處于部分負荷運行工況，因此變流量系統大部分時間管道流量都是低于設計流量的。變流量系統一般既存在靜態水力失調，又存在動態水力失調，因此必須采取相應的水力平衡措施來實現系統的水力平衡，即采用靜態平衡閥實現靜態水力平衡，采用動態水力平衡設備實現動態水力平衡。
2.1 靜態平衡閥的應用
變流量系統中靜態平衡閥用于系統初步調節。靜態平衡閥保證的不是系統中單個管道的流量值，它要維持的是在系統初調試時，通過靜態平衡閥的調節作用，使系統中各個管路的流量比值與設計流量的比值一致，這樣當系統的總流量等于設計總流量時，各個末端設備及管道的流量也同時達到設計流量即所需的最大流量，系統實現靜態水力平衡。靜態平衡閥應當分級設置，表1為靜態平衡閥在空調系統中的安裝位置。
表1 靜態平衡閥在空調系統中的安裝位置
2.2 動態流量平衡閥的應用
動態流量平衡閥用于系統中需定流量的管路。在系統中某一需流量恒定的設備的分支管路配置了適當的動態流量平衡閥后，該設備即能運行在設計流量狀態。如果并聯的外網由于變動而造成壓力的變化△P在一定范圍內（該閥門有效范圍），則不會造成流經該設備流量的變化。由此可見，動態流量平衡閥適合安裝在冷凍機房冷熱源設備處，一方面可以保證機組在額定狀態運行，將流量恒定在設計值，從而保護機組，另一方面提高機組的運行效率，使系統運行的水溫正常。表2為動態流量平衡閥在空調系統中的安裝位置。
表2 動態流量平衡閥在空調系統中的安裝位置
當壓力處于設定范圍內，流量隨壓力的變化并不發生變化，當壓力在設定范圍之外，流量隨著壓力的增大而增大。
需要強調的是動態流量平衡閥與電動調節閥組合使用是不能實現穩定末端設備流量的。因為末端設備支路上的電動調節閥是根據室溫要求來調整開度進而調節流量的，其流量是變化的，而動態流量平衡閥作用是恒定流量，所以動態流量平衡閥和電動調節閥組合使用是錯誤的。
2.3 動態壓差控制閥的應用
動態壓差控制閥的作用一是被控環路出現外擾（網路的壓力波動）和內擾（內部管路阻力的改變）時，使被控環路的壓差保持恒定；二是各環路間的調節互不干擾，即一個環路的調節對其它環路的流量不產生影響。
大中型空調系統分區分環路設計時，一方面由于工程設計時循環水泵是按最不利環路的阻力來選型的，對近端支路來說，往往揚程偏高，末端支路的調節閥就要承擔更大的壓差；另一方面各環路之間、各層支路之間壓差值可能相差很大，為避免水力平衡失調，在立管或支管上安裝壓差控制閥可以將立管或支管的壓差穩定在合適的范圍內，各回路的調節互不干擾，可獨立進行平衡。
動態壓差控制閥與電動調節閥可配合使用（即組合式動態平衡電動調節閥）。一般電動調節閥的尺寸選擇均偏大，造成電動閥大部分時間在較小開度下工作，導致其兩端壓差增大，不僅使閥的控制不穩定、不精確，而且電動閥的噪聲隨著壓差增大而增大；另外閥全開時將使被控末端設備出現過流。一個簡單的解決方法是與電動閥串聯一個靜態平衡閥，消耗一部分壓差，使閥門開度變大，從而將流量限制到設計值。進一步更好的解決辦法是，采用動態壓差控制閥與靜態平衡閥組合設置在電動閥兩端，用動態壓差控制閥控制電動閥的進出口壓差，使之基本恒定，從而避免調節閥閥權度過小影響其調節能力，使調節閥控制的流量恒定。外網的壓力波動和末端設備的壓降變化，均由動態壓差控制閥吸收。表3為動態壓差控制閥在空調系統中的安裝位置。
表3 動態壓差控制閥在空調系統中的安裝位置
2.4 平衡閥應用于末端設備
動態平衡電動二通開關閥主要應用于風機盤管處，一方面，它具有傳統電動開關閥的電動開關功能；另一方面，它又能在閥門開啟時將流量始終恒定在風機盤管的設計流量。
組合式或一體式動態平衡電動調節閥主要應用于空調箱、空氣處理機組和新風機組處。
2.5 變流量系統中平衡閥應用系統形式
①末端設備使用動態平衡電動二通開關閥及一體式或組合式動態平衡電動調節閥（圖3）
圖3 平衡閥應用于變流量空調水系統形式一
通過分級設置靜態平衡閥，使系統初調試時，各個末端裝置獲得設計流量，實現靜態水力平衡；通過設置動態水力平衡設備，使系統在運行過程中各個末端設備的流量同時達到系統瞬時負荷要求流量，且這些流量之間的調節不互相干擾，從而實現動態水力平衡。
這種系統優點是控制穩定精確；由于末端流量實時滿足要求，系統會獲得自動的平衡，不需要其它平衡過程；維修時影響的范圍小，某一末端設備的關斷不影響其它設備的正常使用。缺點是初投資較高。對于一些需要精確控制溫度的場所，如計算機房、醫院手術室、工業廠房等建筑，可以采用這種方案。
②動態壓差控制閥與靜態平衡閥組合使用（圖4，5）
圖4 平衡閥應用于變流量空調水系統型式二
圖5 平衡閥應用于變流量空調水系統形式三
當系統水平面積較大時，可在支路上劃分更小的支路，如圖4中的A支路，在小支路上設置壓差控制閥以提高系統控制的靈敏度；當連接支路的末端設備較少時，宜在立管上設置壓差控制閥以提高經濟性（如圖5）。這兩種系統優點是舒適性較好，減小電動調節閥的噪聲，簡化了平衡與調試工作，試運行能分階段直接進行，而且初投資較低。對于大型商場、寫字樓、高級公寓或酒店等建筑，并不是所有樓層都能同時賣完或出租出去，將動態壓差控制閥設置在支路上，穩定支路上的壓差，支路之間不需要進行平衡，因此，空調系統可以分層分段投入使用，而且新支路的加入不會影響其它已經運行的支路。
3 平衡閥安裝注意事項
3.1 為使平衡閥前后的水流穩定，保證測量精度，平衡閥應安裝在直管段上，即平衡閥前后各至少有5倍和2倍管徑長的直管管段。若平衡閥設在水泵的出口管段上，閥前則需有10倍管徑長的直管段。
3.2 安裝過程中，保證閥體箭頭所示的方向與實際水流方向一致，切忌安裝方向相反。
3.3 平衡閥的手柄和測壓小孔應調整到面向檢修側，以便于操作和檢修。
3.4 在整個空調水系統調試完畢后，必須做好平衡閥的保溫。
4 結語
空調水系統的根本水力平衡在于管網系統的設計組織，要通過計算使其處于基本的平衡狀態，而不要因使用某些裝置（如平衡閥）而忽略這個基本工作。
平衡閥的應用為空調水系統的平衡提供了一種解決方案。各種平衡閥原理不同，作用也不同。靜態平衡閥一旦設定，相當于局部阻力不會發生變化的節流元件，其控制對象為系統的阻力，開度的變化引起阻力的變化，進而達到調節流量的目的，靜態平衡閥的調節可以保證各支路間的流量分配更加合理。壓差控制閥控制的對象為系統的壓力，當供回水管壓力增大或減小時，控制閥門相應關閉或開啟，以保持差壓的穩定，動態壓差控制閥可將管路系統分成若干個相對獨立的區域，區域間互不影響。動態流量平衡閥相當于局部阻力可以發生變化的節流元件，其控制對象為系統的流量，當壓力處于設定范圍內，流量隨壓力的變化并不發生變化，動態流量平衡閥可用于需定水量的支路，避免其他支路流量變化時對其的影響。
只有正確合理的應用，才能有效的解決水力失調問題，確保空調水系統高效合理的運行。在工程設計中，我們應當根據工程項目的投資、規模及系統精度要求，在滿足設計規范要求的前提下，合理的選擇水力平衡設備和系統形式，為建設方節約資金。
參考文獻
[1] Robert Petitjean著 全面水力平衡暖通空調水力系統設計與應用手冊[M] 中國工業出版社，2007.
[2] 王曉松 變流量系統動態水力平衡設備能否取代靜態水力平衡閥[J] 暖通空調副刊 2007，37（5）：28-30.
