对暖通空调系统中水力平衡调节的认识及思考

吴锐林

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

生产生活、工作学习，大多数人80%的时间都在室内度过。营造舒适健康的室内温湿度环境，提供高生产效率、工作效率有赖于暖通空调设备的使用。在暖通空调水系统中，水力平衡是确保热（冷）量在各个房间合理分配的关键因素。然而，在实际使用中，常常出现水力失衡导致室内温湿度偏离设计参数，不仅造成能源浪费，而且给人们带来不适甚至危害身体健康。因此，暖通空调水系统的水力平衡调节非常值得重视。

1 水力平衡相关概念

1.1 负荷调节和循环水系统类型

由于室外参数变化，以及室内用户使用状态变化，供热（冷）系统的负荷总是处于变化状态。通过改变系统供回水温差调节供热（冷）负荷，不主动改变循环水量的调节方式称为质调节。采用质调节方式设计的系统，即为定流量系统。保持系统的供回水温度不变，通过主动改变循环水量来调节供热（冷）能力的调节方式称为量调节。采用量调节方式设计的系统，即为变流量系统。实际应用中，为保证制冷设备、供热设备、输送设备的运行经济合理，往往是两种调节方式结合使用。

1.2 静态水力失调和静态水力平衡

静态水力失调水系统自身固有的，由于管路系统特性阻力系数的实际值偏离系统设计要求从而导致用户实际水流量与设计流量出现较大偏差的运行工况失调现象。管路系统特性阻力系数是由管路设计路由、现场施工、阀门管件数量类型等因素共同决定。如果系统中所有末端空调设备的温度控制阀门均处于全开位置，而管路系统特性阻力系数满足设计要求值，所有末端空调设备的水流量均能达到设计值，那么该系统就达到了静态水力平衡。

1.3 动态水力失衡和动态水力平衡

动态水力失调则不是水系统固有的。它是由于管路系统中一部分末端空调设备的阀门开度改变或者启闭动作引起的对其他末端设备水流量变化偏离设计流量的运行工况失调现象。若系统处于静态水力平衡状态下运行，这时随机地主动改变某些末端空调设备的阀门开度，其余末端设备能瞬时的调整流量，自适应到设计流量，那么该系统就实现了动态水力平衡。

2 暖通空调系统的水力平衡设计

2.1 定流量系统的水力平衡分析

定流量水系统是中央空调中常见的水力系统。在定流量系统中，末端设备通过三通阀形成对该设备换热元件的旁通水路，从而实现在不改变末端设备水流量的情况下，调节该设备的供应负荷。因此，管路系统中的任一末端空调设备负荷调节，几乎对其他末端设备的流量是不会造成影响的。

2.2 变流量系统的水力平衡分析

定流量系统在部分负荷运行时，循环水量仍处于最大值，且末端设备回水混合造成较大损耗，由于空调系统一年中的大部分时间都在部分负荷工况下运行，为了节约能源，节省资源，变流量水系统在空调工程中的应用越来越多。但在变流量系统的运行过程中，各分支环路的流量是随着负荷的变化而变化，两两支路之间存在相互干扰。也即定流量系统既存在静态水力失调，也存在动态水力失调。变流量系统中水力平衡调节尤为重要。

2.3 水力平衡设计

在设计阶段，就应该尽可能地通过系统设计、路由设计和管径选择，减少各个并联支路之间的阻力损失差额。当支路之间的水阻压损差额大于15%时，则需要设置水力平衡装置（水力平衡阀）。水力平衡装置能有效调整管路的系统管道特性阻力数，使其与满足设计要求。此时，当末端设备阀门全开，系统总流量达到设计流量时，各末端设备流量均同时达到设计水平，系统实现了静态水力平衡。

针对动态水力失调现象，同样可以通过增设水力平衡装置（流量调节器或压差调节器）进行调节。水力平衡设备的调节能力可以用阀权度作为标定，阀权度即水力平衡装置备全开时的压力损失与水力平衡装置所在串联支路的总压力损失的比值。理论上，只有当阀权度等于1 的时候，系统才实现绝对的动态水力平衡。基于设备投资考虑，没必要盲目追求过高的阀权度，在满足使用需求的范围内实现动态水力平衡是可以接受的。一般，阀权度控制在0.3~0.5 即可实现较好的动态水力平衡，如图1 为一种管道平衡设计方案。

图1 管道平衡设计

3 暖通空调的水力平衡调节

3.1 静态水力平衡调节

当系统的所有动态水力平衡设备都设置在设计参数（设计流量或压差）位置时，温度控制阀、电动二通阀、电动调节阀等设备控制阀门在全开位置（系统为恒流系统，并贯穿整个暖通空调系统的运行和使用）时，系统各个末端设备的流量达到预定流量，也就是说，实现静态水力平衡的目的是保证终端设备同时达到预期流量，也就是实现室内温湿度要求的最大流量，如果其中一部分设备不能达到设计最大流量，而其他设备又远超出设计最大流量时，提出手段来及时解决静态水力平衡和系统容量不匹配问题，就能保证系统能够向各终端设备均匀供水。而变流量系统静水力平衡设备的选择指恒流系统的描述，这里不再赘述，末端最终需要这样的流量是两者都能实现的。

3.2 动态水力平衡调节

该系统可以通过在相应位置安装液压平衡装置来实现液压平衡，它有两个方面：①当系统其他回路发生变化时，自身回路关键点之间的压差保持不变；②温控阀、电控阀等动态阀门保持不变，流量保持不变。

该系统也可称为变流量恒压差系统，差压调节是变流量系统调节的主要方式，事实上，压力调节器流量是动态液压平衡的另一个关键设备，它也是用以保持恒定流量通过阀体关键点的恒压差（固定填料除外）的。

4 常用水力平衡调节法

4.1 两种流量系统的水力平衡调节

4.1.1 定流量系统的水力平衡

当出现暖通空调系统中只有静态水力不平衡而没有动态水力不平衡这种现象的时候，在这种情况下在适当的地方安装一个静态液压平衡装置或者调节设备就足够了，对于最终流量完全恒定的系统，系统中是不包含动态阀门的，节流元件是通常采用静态平衡阀、节流阀、恒流阀等，以保证对管道阻力和流量实现有效控制，因此各回路的实际流量要么满足设计流量标准，要么保持在一个恒定的固定值，在经过必要的系统调整后，无须进一步修改即可开启后阀门并保证系统流量可在稳定状态下连续控制以达到静态水力平衡，这种水力平衡缺点会导致水资源的严重浪费，随着周围环境的变化也会增加暖通空调系统的负担，在用水流量发生变化和太阳辐射变化时，空调负荷也会随之发生变化，从而导致空调末端设备的温度需求发生变化。

4.1.2 变流量系统水力平衡的调控

目前，可变流量供水系统得到了迅猛的发展，在现代暖通空调建设中得到广泛的应用并取得非常理想的节水效果。变流量供水系统的主要工作原理是，变流量供水系统是根据充电流量的大小，有效地调节回路之间的流量变化，减少电力消耗的过度浪费，有效减少生态环境的污染。因此，变流量系统本身具有很强的节能效果。但是变流量供水系统现在仍然存在一些问题和不足，由于内部并联电路之间的耦合能力强，之间的应力关系液压能也会受到影响，一旦某一回路的水受到干扰，就会直接影响其他回路，对变流量水系统造成相当大的破坏，造成水力平衡不能及时达到标准的问题，在一定程度上也会使设备之间相互干扰。

4.2 综合性系统水平衡调节措施

简单地说，所谓“综合性”系统平衡调节措施，就是将定流量和变流量调节措施尽心结合，但同时也融入了一些先进的管理手段、技术和设备，它在现代化高层建筑中的应用较为普遍，也更具有优势性。从能量分配的动态水力平衡的调控来看，给空调的能量的动态波动和分配给出了一种灵巧的调控技术。让空调的管理人员能够依据不同的空调环路的需要以及需求的实时变化，提供不一样的空调服务的质量安排，在温度冷暖有限制的情况下能够保障关键环路的温度的配置合理。

5 结语

综上所述，可知，暖通空调系统水力工况具有一定的多变性，流量的变化将会直接影响各环路直接的冷热变化。但是，就目前我国水力平衡调控方法而言，还不能彻底解决暖通空调系统中存在的水力失调问题，还需要相关技术人员进一步加强和完善。因此，在整个设计、施工、运营等过程中要高度重视水力平衡调节问题，研发出更多高效先进的调节方法，科学合理地配置各个用户的水流量，减少暖通空调系统能耗的浪费，充分做好水力平衡前期准备工作，对水利失调原因进行深入的调查分析，并及时采取相应的改善措施，尽可能使系统水力工况满足设计要求，更好地实现暖通空调设备营造舒适健康室内环境的功能。