在樓宇設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)（Building Autom atic Control System，BAS）中，暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的自動(dòng)化控制占有相當(dāng)重要的地位。暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制中，通過調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行溫濕度的控制又是控制的重點(diǎn)。

    本文所指的控制閥門也稱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力元件，將控制器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥桿的連續(xù)動(dòng)作，通過改變閥芯行程來(lái)改變閥的阻力系統(tǒng)，達(dá)到調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中液體或氣體流量的目的�？照{(diào)系統(tǒng)中的控制閥門絕大部分是球閥，一般為三類：VT系列閥門（the VT series valve）、Cage Trim型閥門（the Cage Trim style valve）和鑄鐵法蘭閥（the Iron Body Flane valve）。所有球閥包含閥體、連桿柱塞組件、閥蓋和閥門驅(qū)動(dòng)器四個(gè)基本部分。

    在國(guó)內(nèi)許多工程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)者在調(diào)節(jié)閥門的選擇中，特別是選擇閥門口徑時(shí)存在隨意性現(xiàn)象較為嚴(yán)重。有些設(shè)計(jì)者直接選擇調(diào)節(jié)閥門口徑與管徑一致，有些簡(jiǎn)單地相對(duì)管徑縮小一號(hào)。這些隨意性的設(shè)計(jì)不僅造成投資浪費(fèi)，同時(shí)降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，影響系統(tǒng)的壽命，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者高度重視。就閥門的選擇而言，過小的閥門一方面達(dá)不到系統(tǒng)的容量要求，另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量，加重泵的負(fù)荷，閥門易受損害；閥門口徑過大會(huì)使控制性能變差，易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩，而且投資也會(huì)增加。閥門過大過小都會(huì)帶來(lái)控制閥壽命縮短和維護(hù)不便的后果。因此，選擇適當(dāng)?shù)目刂崎y口徑，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是非常重要的。

    1 自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)

    對(duì)于某一過程變量V（如曖通系統(tǒng)中盤管出水溫度）的控制，系統(tǒng)中將會(huì)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值。系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達(dá)控制目標(biāo)會(huì)有一個(gè)過程，也就是說系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達(dá)平衡的目標(biāo)狀態(tài)需要一定的時(shí)間。對(duì)于調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言，其品質(zhì)一方面體現(xiàn)于系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)間長(zhǎng)短，更重要的是系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)值的精度和平衡度。達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)間短，振蕩周期少，目標(biāo)偏離值小，表明控制系統(tǒng)的品質(zhì)好，反之，控制品質(zhì)差。

    圖1中，兩曲線表示理想控制系統(tǒng)和振蕩較大的控制系統(tǒng)曲線。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，*佳的控制曲線介于兩者之間，即過程變量在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡態(tài)后在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，在PI方式控制中，這種波動(dòng)會(huì)越來(lái)越小，接近于理想狀態(tài)。

    理想的控制系統(tǒng)過程度量從初始狀態(tài)V₀到達(dá)目標(biāo)值V₁的時(shí)間為t₀，系統(tǒng)一般通過2個(gè)振蕩周期基本能達(dá)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)和目標(biāo)值保持一致。這種理想情況在實(shí)際中是不存在的，但每位系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都希望控制曲線逼近理想狀態(tài)。對(duì)于調(diào)節(jié)閥控制而言，閥門口徑的選擇是影響控制線性度的關(guān)鍵因素。振蕩較大的系統(tǒng)表示調(diào)節(jié)閥門過大而表現(xiàn)出來(lái)的過程變量V和時(shí)間t的關(guān)系。其特征是變量在目標(biāo)之間的振幅較大，達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，甚至系統(tǒng)一直在平衡態(tài)上振蕩。這種振蕩在調(diào)節(jié)閥上體現(xiàn)出來(lái)的特征是閥門處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)品質(zhì)低，對(duì)設(shè)備本身也會(huì)存在不利影響。造成系統(tǒng)振蕩的原因是多方面的，但*主要的原因是沒有對(duì)閥門的流量特性進(jìn)行綜合分析，選擇閥門口徑過大造成的。

    目前控制系統(tǒng)軟件通常采用微積方法，本文不討論控制軟件因素，只對(duì)調(diào)節(jié)閥的基本參數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響進(jìn)行分析，從而提醒設(shè)計(jì)者在調(diào)節(jié)閥門的選擇中進(jìn)行綜合考慮，保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

    2 調(diào)節(jié)閥門對(duì)控制品質(zhì)的主要影響因素

    調(diào)節(jié)閥門是暖通空調(diào)自控系統(tǒng)的一種具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)軟件相當(dāng)于系統(tǒng)的大腦，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響由多方面因素形成，有閥門本身固有的質(zhì)量、閥門參數(shù)等，這些因素大多具有關(guān)聯(lián)性。

    2.1 調(diào)節(jié)閥的種類

    不同的工作場(chǎng)合，對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求是不一樣的（如精度），應(yīng)根據(jù)不同的工作場(chǎng)合，合理選擇閥門類型，否則影響系統(tǒng)的質(zhì)量，甚至不能正常工作。國(guó)內(nèi)常用的調(diào)節(jié)閥主要有：直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥（俗稱平衡閥）、三通調(diào)節(jié)閥、蝶閥、隔膜調(diào)節(jié)閥等。不同的場(chǎng)合對(duì)調(diào)節(jié)閥的技術(shù)要求不同，在設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮選擇合理的調(diào)節(jié)閥種類。

    直通單座調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)是關(guān)閉嚴(yán)密，工作性能可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但閥桿推力大，對(duì)執(zhí)行器的力矩要求高，一般只適用于低壓差的場(chǎng)合；直通雙座閥由于其內(nèi)部的雙閥芯構(gòu)造，在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)閥芯的受力可部分抵消，閥桿不平衡力小，對(duì)執(zhí)行器的力矩要求也小。由于熱脹冷縮效應(yīng)，其同時(shí)關(guān)閉性較差，造價(jià)也較高。因此，只適用于壓差較高但密閉要求不高的場(chǎng)合；三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，總進(jìn)入水量較恒定，適用于定水量系統(tǒng)中，并要求有固定的安裝方向，不能反裝，不適于溫差較大場(chǎng)合；蝶閥的特點(diǎn)是體積小、重量輕、安裝方便，并且開、關(guān)閥的允許壓差較大，但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性都較差，通常用于壓差較大但調(diào)節(jié)性能要求不高的場(chǎng)所。

    另外，閥門的內(nèi)在品質(zhì)和客戶的需求及投資因素在閥門種類選擇中應(yīng)綜合考慮。國(guó)內(nèi)外廠家不同，其質(zhì)量和價(jià)格差別較大。

    因此，應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)際技術(shù)需求合理地選擇閥門種類和生產(chǎn)廠家，以保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

    2.2 閥門的流量特征和閥門兩側(cè)壓力降

    閥門的流量特性和閥門參數(shù)是閥門的兩個(gè)重要參數(shù)。

    閥門的流量特征是通過閥門的流體速率和閥門行程從0%~100%變化之間的關(guān)系。由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)別，不同的閥門有不同的流量特征（如球閥的流量特征取決于柱塞的形狀）。*普通的閥門柱塞類型分為等百分比型、線性型和快開啟型三種。由于等百分比閥門和盤管的組合特性接近線性，在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用*廣泛的是等百分比特征閥門。圖2是三種典型閥門的內(nèi)在流量特性曲線。

    以上特性曲線是在恒定壓力的試驗(yàn)中得到的。在控制閥門安裝于系統(tǒng)中后，流量特性發(fā)生變化，稱為安裝后的流程特性。安裝后的流程特性與閥門權(quán)限有關(guān)。

    在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面：一方面，由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；另一方面，當(dāng)流量減少時(shí)，盤管上的阻力也減少，導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì)，的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑，使閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高，則閥門壓力降相對(duì)變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。

    一個(gè)閥門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子。這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降ΔP。因此，控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下，這處決于閥門在盤管上的安裝位置及其它的技術(shù)因素。當(dāng)閥門全閉時(shí)，全部系統(tǒng)壓力降轉(zhuǎn)移到閥門兩側(cè)，這種壓力應(yīng)盡量小，因此實(shí)際系統(tǒng)中流量時(shí)的閥門壓力降應(yīng)盡量取大值。

    2.3 閥門調(diào)整率

    閥門調(diào)整率R定義為可通過閥門的流量和*小流量之比值。

    一般閥門都有一些不可控流量，當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在柱塞從初始位置提升離閥座時(shí)。原因是由于柱塞和閥座之間公差配合不一致。對(duì)于一定口徑的閥門，不可控流量越低，閥門的調(diào)整率越大，閥門有較寬的可控范圍。

    2.4 閥門承壓能力

    當(dāng)閥門全閉時(shí)，系統(tǒng)壓力降全部轉(zhuǎn)移到閥門兩側(cè)，因此，在壓力降參數(shù)要求較大時(shí)，應(yīng)在選擇閥門種類（如平衡閥的承壓能力較大）時(shí)作出分析。否則，閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)就不能驅(qū)動(dòng)閥門全閉，也就達(dá)不到系統(tǒng)控制的目的。

    調(diào)節(jié)閥門對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)影響的因素還有許多（如閥門增益、氣蝕現(xiàn)象等）。

    從以上的分析中可以看出，對(duì)閥門的合理選擇實(shí)際上是合理確定閥門的規(guī)格和參數(shù)，特別是選擇合理的閥門口徑。

    3 調(diào)節(jié)閥的流通能力

    要合理選擇調(diào)節(jié)閥門的口徑，必須了解調(diào)節(jié)閥流通能力。

    調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)選擇是否符合調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性度的要求呢?這就要通過對(duì)調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算，對(duì)比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個(gè)重要參數(shù)。流通能力定義為：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端壓差為10⁵Pa，流體密度為1g/cm³時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m³/h計(jì)。

    從流體力學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)于不可壓縮的流體，根據(jù)伯努利方程可推算出式（1）：

        （1）

    式中：Q－－ 表示盤管的額定流量；
          P₁、P₂－－ 表示節(jié)流前后的壓力；
          A－－ 表示節(jié)流面積；
          ξ－－ 表示阻力系數(shù)；
          ρ－－ 表示流體密度。

    令（1）中

    代入（1）中，則：

        （2）

    C就是調(diào)節(jié)閥的流通能力。國(guó)外采用計(jì)量單位不同，常采用Cv表示流通能力（Cv=1.167C），也稱為流量因子。流量因子的定義為：一個(gè)全開啟的閥門兩側(cè)加有1psi壓力時(shí)流過溫度為60°F水時(shí)的USGPM流量（美國(guó)加侖/min）。

    式（2）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

        （3）

    式（3）就是我們用來(lái)選擇基本的閥門選型公式，其中ΔP=P₁-P₂，以60°F水作為盤管內(nèi)流體。

    4 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇

    選擇閥門口徑的目的是使閥門和盤管組合成產(chǎn)生一個(gè)合理的組合線性特性，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)能進(jìn)行有效控制。在通常的設(shè)計(jì)中，選擇偏大口徑是很普遍的，造成這種設(shè)計(jì)的原因是設(shè)計(jì)者過分注重系統(tǒng)的負(fù)荷的考慮或者單憑主觀意識(shí)，沒有經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算；過小的口徑固然對(duì)控制而言更有效，不但達(dá)不到空調(diào)系統(tǒng)本身的要求，對(duì)閥門的壽命影響很大。因此，選擇閥門口徑時(shí)要與空調(diào)施工設(shè)計(jì)單位（設(shè)計(jì)院）取得聯(lián)系，防止系統(tǒng)不匹配現(xiàn)象。

    在實(shí)際的選型中，我們根據(jù)空調(diào)設(shè)備技術(shù)規(guī)格，可以找到閥門所在盤管需要的額定流量Q。如果沒有這個(gè)參數(shù)，也可依據(jù)其它的資料（如溫度跌落和熱量總輸出等公式計(jì)算出盤管所需要的流量）。

    為了提高可控制能力，閥門壓力降盡可能選得大些，但其它參數(shù)（如有效泵壓、允許壓力降等）會(huì)限制這一選擇。因此，一般應(yīng)該這樣來(lái)選擇：使閥門全開時(shí)的壓力降等于或接近供回水之間總壓力降的50%，同時(shí)使這個(gè)值小于閥門的壓力降值。根據(jù)這一要求，依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)提供的技術(shù)參數(shù)，應(yīng)能確定系統(tǒng)的壓力降ΔP。

    根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)確定了系統(tǒng)流量Q和壓力降ΔP后，就可以根據(jù)式（3）得出閥門的流理因子Cv值。

    實(shí)際工程中，閥門口徑是分級(jí)的，Cv值通常也不是連續(xù)值（公式計(jì)算的Cv值是連續(xù)的）。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的Cv值與口徑對(duì)應(yīng)表。我們?cè)谒愠銎谕腃v值后，就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來(lái)決定所需的閥門口徑。

    5 結(jié)論

    我們進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的是限度地保證系統(tǒng)控制的品質(zhì)要求。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)配置一個(gè)給定的控制閥門，需要對(duì)整個(gè)管系環(huán)路的非常復(fù)雜、詳盡的分析。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，這個(gè)簡(jiǎn)化是基于對(duì)閥門基本知識(shí)了解和一系列綜合因素的概括。本文的目的是想通過以水系統(tǒng)為例的-個(gè)基本的影響因素的描述，要求設(shè)計(jì)者在閥門選擇上綜合考慮各種因素（包括安裝因素），不要盲目地選擇調(diào)節(jié)閥門和口徑，以免影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司