平衡阀与定流量阀在水系统平衡中的应用 - 文章

平衡阀与定流量阀在水系统平衡中的应用

作者：黄维徐伟邹瑜张柏

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提要：通过对平衡阀与定流量阀两种调节阀的工作原理、使用范围以及工程实例的对比分析，区分了两种调节阀门的不同作用和功能，认为平衡阀宜用在需要保持阻力平衡(流量平衡)的系统中，定流量阀宜用在需要保持流量不变的系统中，二者有不同的作用，不能完全相互取代。
关键词：平衡阀；定流量阀；水力失调

1　引言

水力失调是我国空调供热水系统中常出现的较为严重的问题，它直接造成系统运行效果差、能源浪费等后果。过去解决水力失调的方法主要是在设计中进行平衡计算，但是由于多种原因，多数情况下系统仍然会出现失调现象。这就需要应用平衡器件进行水力平衡调节，例如目前广泛应用的水力平衡阀。当前，关于平衡阀和定流量阀在解决水力平衡上的应用，有这样一些不同的观点：一种观点认为，相应于手动调节的平衡阀，定流量阀可以叫做“自动平衡阀”，二者都可以解决水力失调问题，不同的是平衡阀需要手动调试，定流量阀则无须调试，因而平衡效果就更好；继而就有人认为，高档建筑、资金充裕的地方可以应用“高档”一些的“自动平衡阀”，资金紧张的地方可以用手动调节的平衡阀来取代；更有一种观点认为：平衡阀以及手动调节阀难以根本解决水力失调问题，只有安装动态的水力平衡元件，才能彻底解决水力失调，确保系统的运行正常。

对于以上观点，笔者有不同的看法：这两种设备具有不同的作用、针对性与适用范围，不能混为一谈，更不能够简单地以“高级”、“低级”来区分。下面对此进行比较分析和探讨。

2　平衡阀和定流量阀的工作机理与区别

2.1　平衡阀

平衡阀属于手动调节阀范畴(见图1)，它的工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙(开度)，改变节流面积及阀门的阻力，达到调节流量的目的。从流体力学观点看，平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。

图1　平衡阀

平衡阀与普通阀门构造不同之处在于阀芯形状不同、有开度指示、开度锁定装置及测压小阀。在管网平衡调试时，可以通过测压小阀连接智能仪表，测量并显示流经阀门的流量值。由于其设计构造上的特点，平衡阀还具有较好的直线型流量特性。

关于平衡阀的调试问题，有人认为很复杂、繁琐，而且准确度较差。其实不然，在国外，平衡阀调试十分普及，智能仪表可以在建材市场上自由购买，表中存储有许多厂家平衡阀的性能参数，由施工单位自己进行水力平衡调试。目前国内平衡阀调试困难有服务不够的原因，也有许多是系统和管理等多方面原因。

2.2　定流量阀

定流量阀(auto-flow)又称作自力式流量控制器，也有的厂家称作最大流量限制器(flow-limit)。从机理上看，在一定的工作差压范围内，它可以有效地控制住通过的流量。当阀门前后的压差增大时，通过阀门的自动关小的动作，它能够保持流量不增大；反之，当压差减小时，阀门自动开大，流量仍然恒定。但是当压差小于阀门正常工作范围时，由于它毕竟不能提供出额外压头，此时阀门就全开，流量则比定流量低，不能控制。因此，有的公司称其为最大流量限制器。

从定流量阀的外形结构来分，目前我们了解的主要有以下3种结构形式：

① 如图2a，2b所示，阀体内有定流量元件，其感应压力部分与节流部分为一体。其流通截面面积随前后压差变化而变化，面积变化值是经过精确计算设定的。当阀门前后压差在有效工作范围之内(如图3所示某公司auto-flow的曲线，有效工作段压力为14～220 kPa，高于220 kPa阀门全关，低于14 kPa阀门全开)，能够保持流量变化在设定值的5%范围内。每一只定流量元件都有出厂时确定的控制流量，按照用户所需流量匹配供货，不能自行更改设定。

a单阀芯定流量阀　　　　　　b多阀芯定流量阀
图2 两种不同阀芯的定流量阀

图3 定流量阀工作曲线

②图4a，4b，4c分别为3家国外公司的不同构造的定流量阀，这种形式的定流量阀的感应压力部分为膜盒膜片，节流部分则为阀芯。导流管将阀芯前后的压差连通到膜片上下，克服弹簧的压力带动阀杆位移，从而改变阀芯开度，调节流量。这种定流量阀可以通过改变弹簧预紧力来改变设定流量值，在一定流量范围内均有效。

a　　　　　　　　b　　　　　　　c
图4 3种不同构造的定流量阀

③与以上两种形式不同的还有一种国产双座阀形式的定流量阀，结构上可以分作两部分，通过手动调节段来设定流量，通过自动调节段来控制流量，这种阀门有较宽的流量设定范围，具有很好的稳定流量的效果。

3　平衡阀和定流量阀在系统中的不同作用

平衡阀和定流量阀主要的不同点为，平衡阀是一次性手动调节的，不能自动地随系统工况变化而改变阻力系数；定流量阀则可以不借助外界能源自力地动作，根据系统工况(差压)变化而改变阻力系数。

平衡阀的作用对象是阻力，能够起到手动可调孔板的作用，来平衡管网系统的阻力，达到各个环路的阻力平衡；定流量阀作用是流量，能够锁定流经阀门的水量。

两种阀门都可以达到在调试工况下(通常是设计工况)合理分配各个环路水量。但是，在不同于调试工况的运行工况时应用两种阀门是否能平衡水量?这就需要从不同的变工况种类来分析。

3.1　供水量变化的系统

在这种系统中如果按照设计工况(严寒、盛夏)调节使水量平衡，当运行工况不同于设计工况，循环水量少于设计工况时，如果使用平衡阀，则能够将新的水量按照设计计算比例平衡地分配，各个支路的流量同时按比例增减，仍然能满足当前气候条件下的部分负荷的流量需要。如果使用定流量阀，尽管系统循环水量变化和末端负荷的变化，仍保持该环路流量不变。于是，有利环路的流量得到了设计的流量(超过此时的部分负荷需求)，不利环路的定流量阀全开，但流量仍达不到需求，不平衡现象就出现了。因此，在这种较常见的系统中，定流量阀不能取代平衡阀的作用。

3.2　末端需水量变化的系统

有的系统末端的调节是通过改变水量调节出力的。比如有些风机盘管系统就是靠变水量来调节出力的；某些建筑，用户使用空调的时间段不同，系统末端水量是主动变化的。这样的系统国内并不多，在较高级建筑的空调系统中可以见到。另外在散热器上加散热器恒温阀，也属于这种靠末端调节水量控制出力的系统。

为了保持单台制冷机、锅炉、冷却塔、换热器的高效率运行，就需要控制这些设备的流量，使之保持额定值；从系统末端来看，为了避免动态调节的相互影响，也需要在末端装置或分支处限制流量。

定流量阀的作用对象为流量，应用它就可以达到以上的目的。而在此时，平衡阀因为不能在变工况情况下自动调节，也就不能取代定流量阀的作用。

3.3　工程实例分析

北京的一栋星级饭店中央空调系统的末端为风机盘管，局部系统如图5所示。其负荷的调节是通过房间温控器控制电动三通阀实现的：当房间温度高于设定温度而需要制冷时，冷冻水全部流经风机盘管，旁通管内没有流量；当房间温度低于设定温度时，冷冻水全部经旁通管旁通，不经过风机盘管。

图5　系统现状

系统投入使用后，发现一些房间温度总是达不到设定值，经检测分析得出：当一些房间温度达到设定值，三通阀作用使冷冻水走旁通回路时，由于旁通回路阻力较小，致使水量较冷冻水经风机盘管回路时大得多，使得其它环路缺水。

笔者提出3种改造方案，方案1如图6a所示，在图5的旁通回路上加装平衡阀，通过调节使得旁通回路的总阻力系数等于风机盘管回路的总阻力系数。这样，无论冷冻水通过风机盘管回路还是旁通回路，水量都不会变化。在这里应用定流量阀也同样能够解决流量波动问题(图略)，只是成本要高得多。应用这两种方法系统阻力都不增加。

a　　　　　　　　b　　　　　　　c
图6　改造方案

方案2如图6b，在立管分支处安装定流量阀，当冷冻水流经风机盘管回路时，定流量阀开大，流量为设定值(设计值)；当冷冻水流经旁通回路时，定流量阀自动关小，流量保持为设定值。应用这种方法会造成系统阻力增加，至少为定流量阀的最小工作压头。

方案3如图6c，在立管分支处安装平衡阀。冷冻水流经风机盘管回路的阻力比流经旁通回路的阻力仍然大，流量仍会有流动。平衡阀阻力系数越大，在所处环路中所分担的压头份额(即阀权度)越高，系统波动就越小，但是其系统阻力增加也就越多，水泵扬程也势必要增大，不如方案1和方案2优越。

3.4　其它

至于平衡阀的调试，的确是一个复杂的过程，是在设计计算、系统安装运行之后，对系统阻力平衡的一个综合调节过程，是平衡阀应用的一个最重要的环节。

如果系统供水流量变化，在流量分配比例没有变化的情况下，平衡阀无需重新调试，此时除非重新设定，否则定流量阀不能起到平衡作用；如果因为冬夏季节转换，末端负荷之间的比例变化时(例如在南北朝向的房间，冬夏负荷比例的变化)，无论平衡阀还是定流量阀都需要重新调试或设定才能解决。

4　小结

平衡阀与定流量阀为原理和作用都不相同的两种调节阀门，具有不同的功能和适用范围，在不同的场合，要根据具体的问题来具体分析，根据不同的使用要求、控制对象，选用不同功能的调节阀。本文不能对多种多样的系统都作出分析，只希望能起到抛砖引玉的作用，区分二者的差别，希望能够对澄清混淆和避免错误应用有所帮助。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/14/2004)


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