在空調(diào)設(shè)計(jì)中，變流量空調(diào)系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)已深入人心。然而在實(shí)際工程中，變流量空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)監(jiān)而不控、控而不優(yōu)的情況，這與控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥有著直接的聯(lián)系^[1-2]。在變流量空調(diào)水系統(tǒng)中，末端盤管采用電動(dòng)兩通閥調(diào)節(jié)，根據(jù)室內(nèi)溫度變化調(diào)整其開(kāi)度或狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)流量隨負(fù)荷變化而變化。調(diào)節(jié)閥作為流量控制中的執(zhí)行器，在流量調(diào)節(jié)中起著調(diào)節(jié)和控制流量的作用。調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)的一個(gè)控制環(huán)節(jié)，它選擇的正確與否直接關(guān)系到變流量系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。國(guó)外在這方面的研究已相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)則正處于研究起步階段。變流量空調(diào)水系統(tǒng)與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合，必須將調(diào)節(jié)閥的特性與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性聯(lián)系起來(lái)綜合考慮，進(jìn)而采取相應(yīng)的控制算法與策略^[3]。

    由于變流量空調(diào)系統(tǒng)末端盤管的水流量動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)荷變化，需要研究末端盤管熱力特性。本文旨在根據(jù)末端盤管的熱力特性，找出盤管熱力特性與水流量之間的關(guān)系，并且考慮調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的影響因素，為調(diào)節(jié)閥的選擇提供理論依據(jù)。

    1 末端盤管熱力特性與水流量之間的關(guān)系

    水力系統(tǒng)中所有形式的末端盤管具有一個(gè)共同點(diǎn)，當(dāng)水側(cè)溫度恒定時(shí)，傳熱量與水量呈非線性關(guān)系^[4~6]。如圖1是某型號(hào)盤管冷卻時(shí)的熱力特性曲線，表明了供冷量與水流量之間的關(guān)系。可以看出，當(dāng)末端盤管的流量減少至設(shè)計(jì)值的50%時(shí)，傳熱能力（供冷量）仍可高達(dá)75%左右。

    現(xiàn)行設(shè)計(jì)中，由于末端盤管及水泵揚(yáng)程裕量過(guò)大，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際流量超過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，系統(tǒng)將處于大流量小溫差的運(yùn)行工況。即使實(shí)際流量為設(shè)計(jì)流量的1.2倍甚至更高，盤管的傳熱量也只是有稍許增加而不隨之成比例的變化。

    末端盤管的傳熱量一般與水流量呈非線性關(guān)系，這種非線性特性可以用具有相反特性的調(diào)節(jié)閥來(lái)補(bǔ)償。所以，應(yīng)正確選擇調(diào)節(jié)閥的特性，以調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償末端裝置放大系數(shù)的變化，使調(diào)節(jié)閥與末端裝置組成的系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持常數(shù)^[7~8]，這樣，末端裝置的輸出（傳熱量）與系統(tǒng)輸入（閥桿行程）呈線性關(guān)系，使得控制環(huán)路的穩(wěn)定性不取決于負(fù)荷，從而提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量與穩(wěn)定性。

    2 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性

    2.1 調(diào)節(jié)閥的流量特性

    流量特性是指閥門相對(duì)流量隨調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度變化的某種關(guān)系式。調(diào)節(jié)閥的流量特性直接影響著控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量與穩(wěn)定性。常見(jiàn)調(diào)節(jié)閥的特性有直線、對(duì)數(shù)、快開(kāi)和拋物線等四種。在變流量空調(diào)水系統(tǒng)中，應(yīng)用*為廣泛的是直線流量特性與對(duì)數(shù)流量特性。這兩種特性均指調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，理想流量特性是在調(diào)節(jié)閥前后壓差在一定的情況下得到的。在實(shí)際工況下，調(diào)節(jié)閥與管路系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)，前后壓降不可能保持恒定，因此，就必須研究工作條件下的流量特性，即調(diào)節(jié)閥在前后壓差隨負(fù)荷變化的工作條件下，調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。

    由直線流量特性的定義^[9]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

        （1）

    式中：k為常數(shù)，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)；Q、Q_max為調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度的流量與調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量；l、l_max為調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度時(shí)閥芯的行程與調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥芯的行程。

    對(duì)式（1）積分，將邊界條件l=0時(shí)Q=Q_max；l=l_max時(shí)，Q=Q_max代入，得

        （2）

    式中：R為可調(diào)比。即調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)流量Q_max與*小可控流量Q_min的比值，由對(duì)數(shù)流量特性的定義^[9]，用數(shù)學(xué)式可表示為

       （3）

    積分式（3），同理可得：

        （4）

    調(diào)節(jié)閥的對(duì)數(shù)特性曲線見(jiàn)圖2

    2.2 由調(diào)節(jié)閥作用時(shí)盤管熱力特性隨水流量的實(shí)際運(yùn)行特性

    對(duì)數(shù)特性閥門有著良好的流量特性，在負(fù)荷變化較大的情況下，在末端盤管的熱力特性上凸與調(diào)節(jié)閥對(duì)數(shù)特性的下凸共同作用下。盤管的傳熱量隨閥桿行程的實(shí)際運(yùn)行組合特性近似呈線性特性，如圖3。

    需要注意的是用于變流量空調(diào)系統(tǒng)中的壓差旁通閥，由于它僅控制水量而不控制冷、熱量，即控制系統(tǒng)要求為線性，且兩側(cè)無(wú)較大的水流阻力或壓差控制器接點(diǎn)在閥門兩端，應(yīng)選用直線型閥門，配以比例控制器。

    2.3 閥權(quán)度對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

    閥權(quán)度S_V定義是指調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥門前后壓差與系統(tǒng)總壓差的比值，也成為閥門能力。即：

        （5）

    由于閥權(quán)度S_V值的不同，工作流量特性也不同，所以在選擇調(diào)節(jié)閥特性時(shí)必須結(jié)合調(diào)節(jié)閥與管網(wǎng)的連接情況來(lái)考慮。這里討論調(diào)節(jié)閥與管網(wǎng)串聯(lián)的情況（見(jiàn)圖4）。

    由此，可推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥的實(shí)際工作流量特性^[9]。

        （6）

    由式（6）可以得出，閥門在同一開(kāi)度時(shí)，其實(shí)際相對(duì)流量將不小于理想相對(duì)流量，即閥門特性將出現(xiàn)偏移由生產(chǎn)廠家確定的閥門特性，會(huì)由于該調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的閥權(quán)度值而有不同程度的偏離。閥權(quán)度越小，閥門特性偏離越大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制質(zhì)量就越差，反之亦然。（如圖5所示）。可以得出，隨著閥權(quán)度的減小，閥門對(duì)數(shù)特性發(fā)生嚴(yán)重偏離，閥門特性曲線與盤管熱力特性曲線疊加不再是線性關(guān)系，造成閥門在工作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)困難，使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

    由于調(diào)節(jié)閥與盤管串聯(lián)連接，則實(shí)際可調(diào)比

        （7）

    圖6為可調(diào)比R與閥權(quán)度S_V的關(guān)系曲線。對(duì)于一般的調(diào)節(jié)閥，由于其*小可控流量是3.3%，故其可調(diào)比為30。

    在實(shí)際工程中，為保證調(diào)節(jié)閥有一定的可調(diào)比，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有相當(dāng)?shù)淖杩怪�，使之在管路中保持一定的閥權(quán)度。它的大小對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量有著重要的影響，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視。

    在大多數(shù)變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，是以溫差不變?yōu)榍疤醽?lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的，由于末端盤管及水泵揚(yáng)程裕量過(guò)大，系統(tǒng)經(jīng)常處于大流量小溫差的運(yùn)行工況^[10-11]。工程實(shí)例表明，很多空調(diào)系統(tǒng)供回水溫差為2~3℃，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的5℃溫差相差很大。由盤管熱力特性，可以看出大流量小溫差運(yùn)行將使系統(tǒng)可調(diào)性變得極差。供回水溫差越小，可調(diào)性則越差。這違背了變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷，在設(shè)計(jì)中是應(yīng)當(dāng)避免的。

    3 調(diào)節(jié)閥的阻力特性

    調(diào)節(jié)閥的阻力特性是閥門選擇的依據(jù)。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件^[9]。得：

        （8）

    式中：C_max為調(diào)節(jié)閥的流通能力；ΔP為調(diào)節(jié)閥前后壓差，10²kPa；Q₁為流體流量，m³/s；ρ為流體的密度，kg/m³。

    閥門的S_V值應(yīng)保持在合理的范圍內(nèi)，使閥門在系統(tǒng)中有足夠的權(quán)度^[12]，特別是在系統(tǒng)兩端壓差不大的情況下，兩通調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)按閥門所在管路供回水壓差的0.5~0.7倍確定調(diào)節(jié)閥的壓差ΔP，然后由管路流量和閥門兩端壓差計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流通能力。在工程中，調(diào)節(jié)閥一定按照其流通能力來(lái)選擇口徑，選擇流通能力*接近且大于C_max的調(diào)節(jié)閥。在系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大的情況下，應(yīng)采用壓差控制器來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)壓差，作用于調(diào)節(jié)閥上的壓差，應(yīng)符合生產(chǎn)廠家的有關(guān)規(guī)定。以保證電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能在有效的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作^[13-14]。

    如果調(diào)節(jié)閥實(shí)際的C_max值比需要的C_max值偏離較大，調(diào)節(jié)閥實(shí)際工作在特性曲線比較平坦的區(qū)域，控制靈敏度就會(huì)降低甚至失去控制作用，過(guò)小的閥門可能提供不了需要的流量，相反閥門選擇過(guò)大，則會(huì)使閥門的調(diào)節(jié)質(zhì)量變差，并且造成了不必要的投資。閥上阻力占系統(tǒng)總阻力的比例越大，則此閥越接近其理想特性，調(diào)節(jié)品質(zhì)就好，反之則調(diào)節(jié)品質(zhì)變差，從這一點(diǎn)來(lái)看，加大閥權(quán)度對(duì)改善調(diào)節(jié)品質(zhì)是有利的；但是，從整個(gè)水系統(tǒng)來(lái)看，S_V的提高意味著整個(gè)系統(tǒng)壓差的提高，系統(tǒng)水阻力增加，將使水泵能耗增加。因此，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)應(yīng)與系統(tǒng)能耗情況進(jìn)行綜合平衡考慮。

    4 結(jié)語(yǔ)

    變流量空調(diào)水系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性主要取決于進(jìn)出口溫差與調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度。為使調(diào)節(jié)閥在工作環(huán)境下具有良好的調(diào)節(jié)特性，一方面應(yīng)保證盤管的進(jìn)出口溫差；一方面還應(yīng)保證調(diào)節(jié)閥有足夠的閥權(quán)度，調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)以閥的流通能力為依據(jù)，而不應(yīng)根據(jù)管路管徑粗略估算挑選調(diào)節(jié)閥門口徑。變流量空調(diào)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性尚需工程實(shí)踐來(lái)總結(jié)和完善。

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