簡(jiǎn)介： 本文揭示了水力失調(diào)與水力平衡的概念及其分類(lèi)，并對(duì)定流量系統(tǒng)及變流量系統(tǒng)水力失調(diào)的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)水力平衡的措施及典型的幾種系統(tǒng)形式進(jìn)行了深入的分析。
關(guān)鍵字：水力平衡 水力失調(diào) 定流量 變流量
在建筑物暖通空調(diào)工程中，水力平衡的調(diào)節(jié)是個(gè)重要的課題。本文提出了靜態(tài)水力平衡和動(dòng)態(tài)水力平衡的概念，并結(jié)合二種水力平衡的特點(diǎn)，分析了定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)幾種典型方式的水力平衡設(shè)備的選擇及實(shí)現(xiàn)水力平衡的方式。
一、水力失調(diào)和水力平衡的概念：
在熱水供熱系統(tǒng)以及空調(diào)水系統(tǒng)中各熱（冷）用戶(hù)的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量之間的不一致性稱(chēng)為該用戶(hù)的水力失調(diào)。
水力失調(diào)的程度可以用實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量的比值X來(lái)衡量，X稱(chēng)水力失調(diào)度。
X = QS/QJ（QS：用戶(hù)的實(shí)際流量，QJ：用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求流量）
水力平衡是指網(wǎng)路中各個(gè)熱用戶(hù)在其它熱用戶(hù)流量改變時(shí)保持本身流量不變的能力，通常用熱用戶(hù)的水力穩(wěn)定性系數(shù)ｒ來(lái)表示。
ｒ=1/ XMAX = QJ/ QMAX
（QJ：用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求流量，QMAX：用戶(hù)出現(xiàn)的最大流量）
二、水力失調(diào)和水力平衡的分類(lèi)：
1、靜態(tài)水力失調(diào)和靜態(tài)水力平衡：
由于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備材料等原因?qū)е碌南到y(tǒng)管道特性阻力數(shù)比與設(shè)計(jì)要求管道特性阻力數(shù)比值不一致，從而使系統(tǒng)各用戶(hù)的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量不一致，引起系統(tǒng)的水力失調(diào)，叫做靜態(tài)水力失調(diào)。
靜態(tài)水力失調(diào)是穩(wěn)態(tài)的、根本性的，是系統(tǒng)本身所固有的，是當(dāng)前我國(guó)暖通空調(diào)水系統(tǒng)中水力失調(diào)的重要因素。
通過(guò)在管道系統(tǒng)中增設(shè)靜態(tài)水力平衡設(shè)備（水力平衡閥）對(duì)系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)比值進(jìn)
行調(diào)節(jié)，使其與設(shè)計(jì)要求管道特性阻力數(shù)比值一致，此時(shí)當(dāng)系統(tǒng)總流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，各末端設(shè)備流量均同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。
2、動(dòng)態(tài)水力失調(diào)和動(dòng)態(tài)水力平衡：
當(dāng)用戶(hù)閥門(mén)開(kāi)度變化引起水流量改變時(shí)，其它用戶(hù)的流量也隨之發(fā)生改變，偏離設(shè)計(jì)要求流量，從而導(dǎo)致的水力失調(diào)，叫做動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。
動(dòng)態(tài)水力失調(diào)是動(dòng)態(tài)的、變化的，它不是系統(tǒng)本身所固有的，是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的。
通過(guò)在管道系統(tǒng)中增設(shè)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備（流量調(diào)節(jié)器或壓差調(diào)節(jié)器），當(dāng)其它用戶(hù)閥門(mén)開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備的屏蔽作用，使自身的流量并不隨之發(fā)生變化，末端設(shè)備流量不互相干擾，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
三、定流量系統(tǒng)水力平衡分析：
定流量水力平衡系統(tǒng)是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的水力系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)各處的流量基本保持不變。常用的主要有以下三種形式：
1、完全定流量系統(tǒng)：
完全定流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)中不含任何動(dòng)態(tài)閥門(mén)，系統(tǒng)在初調(diào)試完成后閥門(mén)開(kāi)度無(wú)須作任何變動(dòng)，系統(tǒng)各處流量始終保持恒定。完全定流量系統(tǒng)主要適用于末端設(shè)備無(wú)須通過(guò)流量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，如末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管采用三速開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)風(fēng)速和采用變風(fēng)量組的空調(diào)系統(tǒng)以及系統(tǒng)要求較低、只需氣候補(bǔ)償器調(diào)節(jié)供暖水溫即可滿(mǎn)足基本需要的供暖系統(tǒng)等。
完全定流量系統(tǒng)只存在靜態(tài)水力失調(diào)，不存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，因此只需在相關(guān)部位安裝靜態(tài)水力平衡設(shè)備即可。通常在系統(tǒng)機(jī)房集水器上安裝水力平衡閥（如圖1所示）；對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)，可以在建筑物各層水平回水管上安裝水力平衡閥。
對(duì)于某些系統(tǒng)，雖然也不包含任何動(dòng)態(tài)閥門(mén)，但由于無(wú)法通過(guò)其它非流量手段進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在實(shí)際運(yùn)行中用戶(hù)會(huì)因?yàn)榉块g過(guò)冷或過(guò)熱而改變閥門(mén)開(kāi)度從而改變流量，因此可以認(rèn)為這種系統(tǒng)介于定流量和變流量之間。
2、單管串聯(lián)（帶旁通管）供暖系統(tǒng)：
單管串聯(lián)供暖系統(tǒng)包括垂直雙管水平單管串聯(lián)系統(tǒng)以及垂直單管系統(tǒng)等。這種系統(tǒng)主管的流量基本不變，因此是定流量系統(tǒng)。以前者為例，來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水力平衡的方式。
這種系統(tǒng)主要存在靜態(tài)水力失調(diào)，在水平分支管上由于三通或二通溫控閥的調(diào)節(jié)作用而存在一定的動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。因此只需在相關(guān)部位增設(shè)相關(guān)的水力平衡設(shè)備即可使系統(tǒng)保持水力平衡。具體如下：
⑴、在系統(tǒng)機(jī)房集水器上安裝水力平衡閥；
⑵、在立管回水管上設(shè)水力平衡閥（如圖2所示）；
⑶、在水平分支管上安裝流量調(diào)節(jié)器保證各分支環(huán)路流量恒定（既可在本分支環(huán)路內(nèi)部管道特性變化時(shí)保持流量恒定，也可在其它環(huán)路流量變化時(shí)避免受其干擾）。
3、末端設(shè)備帶三通調(diào)節(jié)閥的空調(diào)系統(tǒng)：
如圖3所示，該系統(tǒng)與系統(tǒng)2類(lèi)似。系統(tǒng)各分支環(huán)路的流量基本不變，是定流量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要存在靜態(tài)水力失調(diào)，在末端管路上也存在一定的動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。因此只需在相應(yīng)部位增加相應(yīng)的水力平衡設(shè)備即可使系統(tǒng)保持水力平衡。具體措施同系統(tǒng)2，只需將措施⑶的流量調(diào)節(jié)器安裝在末端設(shè)備（風(fēng)機(jī)盤(pán)管或組）水管道即可。
四、變流量水力平衡分析：
由于人們對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的要求以及節(jié)能意識(shí)的不斷提高，變流量水力系統(tǒng)在暖通空調(diào)工程中占據(jù)越來(lái)越重要的位置。變流量系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各分支環(huán)路的流量是隨著外界環(huán)境負(fù)荷的變化而變化的。由于暖通空調(diào)工程在一年運(yùn)行的大部分時(shí)間均處于部分負(fù)荷運(yùn)行工況，因此變流量系統(tǒng)大部分時(shí)間系統(tǒng)流量都是低于設(shè)計(jì)流量的。因此這種系統(tǒng)是實(shí)時(shí)、靈敏、高效、節(jié)能的。
變流量系統(tǒng)一般既存在靜態(tài)水力失調(diào)，也存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，因此必須采取相應(yīng)的水力平衡措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡。
1、靜態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)：
通過(guò)在相應(yīng)的部位安裝靜態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)水力平衡。
實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的判斷依據(jù)是：當(dāng)系統(tǒng)所有動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備均設(shè)定到設(shè)計(jì)參數(shù)位置（設(shè)計(jì)流量或壓差），所有末端設(shè)備的溫度控制閥門(mén)（溫控閥、電動(dòng)二通閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等）均處于全開(kāi)位置時(shí)（這時(shí)系統(tǒng)是完全定流量系統(tǒng)，各處流量均不變），系統(tǒng)所有末端設(shè)備的流量均達(dá)到設(shè)計(jì)流量。
從上可以看出，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡的目的是保證末端設(shè)備同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量，即設(shè)備所需的最大流量。避免了一般水力失調(diào)系統(tǒng)一部分設(shè)備還沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)流量，而另一部分已遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)流量的問(wèn)題。因此它解決的是靜態(tài)平衡和系統(tǒng)能力問(wèn)題，即保證系統(tǒng)能均衡地輸送足夠的水量到各個(gè)末端設(shè)備。
變流量系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡設(shè)備的選擇可參照定流量系統(tǒng)的描述來(lái)進(jìn)行，在這里就不再贅述。
但是，末端設(shè)備在大部分時(shí)間是不需要這么大的流量的。因此，系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡，還要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
2、動(dòng)態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)：
通過(guò)在相應(yīng)部位安裝動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。它包含二方面內(nèi)容：
①、當(dāng)系統(tǒng)其它環(huán)路發(fā)生變化時(shí)，自身環(huán)路關(guān)鍵點(diǎn)壓差并不隨之發(fā)生變化，當(dāng)自身的動(dòng)態(tài)閥門(mén)（如溫控閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）開(kāi)度不變時(shí)，流量保持不變；如圖4所示，當(dāng)C、D點(diǎn)壓差變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備（壓差調(diào)節(jié)器PV）的調(diào)節(jié)作用，使A、B二點(diǎn)壓差并不發(fā)生變化，如果各支路電動(dòng)二通閥VM1、VM2……開(kāi)度保持不變,則流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管FP1、FP2的流量保持不變；
②、當(dāng)外界環(huán)境負(fù)荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)自身環(huán)路變化時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備的作用，使關(guān)鍵點(diǎn)壓差并不發(fā)生變化，此時(shí)自身其它并聯(lián)支路的流量也不發(fā)生變化。如圖4，當(dāng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管FP1所在房間負(fù)荷變化導(dǎo)致電動(dòng)二通閥FM1由開(kāi)啟到關(guān)閉，由于壓差調(diào)節(jié)器PV1的作用，A、B二點(diǎn)的壓差并不隨之發(fā)生變化，這樣，風(fēng)機(jī)盤(pán)管FP2的流量保持不變。
由上可知，變流量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力平衡一般是通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備將雙管并聯(lián)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓差恒定在設(shè)計(jì)壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此變流量動(dòng)態(tài)水力平衡系統(tǒng)也可叫做變流量定壓差系統(tǒng)。壓差調(diào)節(jié)是變流量系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)方式。實(shí)際上，動(dòng)態(tài)水力平衡的另一關(guān)鍵設(shè)備流量調(diào)節(jié)器也是通過(guò)閥體內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)恒定壓差（關(guān)鍵點(diǎn)間的節(jié)流裝置開(kāi)度不變）來(lái)保持流量不變的（固定閥膽式除外）。
下面就變流量系統(tǒng)幾種典型動(dòng)態(tài)水力平衡方式進(jìn)行分析：
⑴、暖通空調(diào)機(jī)房三種主要變流量動(dòng)態(tài)水力平衡方式：
①、自力式壓差調(diào)節(jié)器方式：
如圖5所示，在分集水器旁通管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器PV調(diào)節(jié)分集水器壓差，當(dāng)某一分支環(huán)路如V1-J1流量變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使分集水器壓差△P保持不變。這樣，其余分支環(huán)路V2-J2、V3-J3的流量并不隨之發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
②、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥方式：
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥方式可以分為電動(dòng)二通閥和電動(dòng)三通合（分）流調(diào)節(jié)閥方式三種，以電動(dòng)二通閥方式為例：
如圖6所示，從分集水器上采集壓力信號(hào)P1、P2輸入壓差變送器，壓差變送器輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)到調(diào)節(jié)計(jì)（或DDC），通過(guò)與調(diào)節(jié)計(jì)上設(shè)定壓差相比較，輸出4-20mA控制信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制其動(dòng)作，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變旁通水量從而保證分集水器壓差△P恒定到設(shè)計(jì)壓差，這時(shí)分集水器上任一分支回路流量變化時(shí)對(duì)其它回路不產(chǎn)生影響，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
③、調(diào)頻水泵方式：
如圖7所示，從分集水器上采集壓力信號(hào)P1、P2輸入到壓差變送器，壓差變送器輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)到調(diào)節(jié)計(jì)（或DDC），與調(diào)節(jié)計(jì)設(shè)定壓差比較后輸出4-20mA控制信號(hào)到調(diào)頻器，通過(guò)調(diào)頻器輸出已調(diào)頻的電壓信號(hào)到水泵，控制水泵轉(zhuǎn)速改變水流量，從而保證分集水器壓差與設(shè)定壓差保持一致，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。
⑵、供熱系統(tǒng)典型的變流量水力平衡方式：
如圖8所示為垂直雙管、水平雙管并聯(lián)分戶(hù)設(shè)環(huán)供熱系統(tǒng)。在垂直立管回水管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器PV1，當(dāng)其它立管的管道特性發(fā)生變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器PV1的調(diào)節(jié)作用，垂直立管供回水關(guān)鍵點(diǎn)A、B的壓差保持不變；在水平管回水管上設(shè)壓差調(diào)節(jié)器PV2，當(dāng)其它不同樓層水平管管道特性發(fā)生變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，水平支管供回水關(guān)鍵點(diǎn)C、D的壓差保持不變。這時(shí)當(dāng)該環(huán)路某一散熱器所在房間負(fù)荷變化引起溫控閥WA開(kāi)度變化時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，關(guān)鍵點(diǎn)C、D的壓差不變，這樣該環(huán)路其余散熱器的流量并不會(huì)隨之變化。
通過(guò)對(duì)變流量供熱系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓差的層層整定，使系統(tǒng)中每個(gè)散熱器的流量只會(huì)因?yàn)樽陨碡?fù)荷變化而通過(guò)溫控閥的調(diào)節(jié)來(lái)改變，并不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)中其它散熱器流量變化而發(fā)生變化。這樣，系統(tǒng)真正地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)水力平衡。
垂直雙管、帶分集水器的散熱器及地暖分戶(hù)設(shè)環(huán)系統(tǒng)也是變流量系統(tǒng)，其水力平衡特性同以上是一致的。
對(duì)于單、雙管組合系統(tǒng)，分支管為單管串聯(lián)的按定流量系統(tǒng)進(jìn)行分析，分支管為雙管并聯(lián)及主管、機(jī)房部分按變流量系統(tǒng)進(jìn)行分析。
⑶、空調(diào)系統(tǒng)典型的變流量水力平衡方式：
①、帶電動(dòng)二通閥的風(fēng)機(jī)盤(pán)管變流量水力平衡方式：
該系統(tǒng)的水力平衡分析參看四.2（動(dòng)態(tài)水力平衡的實(shí)現(xiàn)）部分。
值得注意的是，目前市場(chǎng)上有一種自動(dòng)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其功能和上述方式是一致的，均能保證每個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管達(dá)到動(dòng)態(tài)水力平衡。它將上述功能和電動(dòng)二通閥集成到一個(gè)閥內(nèi)，安裝在每個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管支路上，其缺點(diǎn)是價(jià)格較高。
②、帶電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組（或柜式換熱機(jī)組）變流量水力平衡方式：
如圖9所示為帶電動(dòng)二通閥的組。在回水管上安裝壓差調(diào)節(jié)器，當(dāng)系統(tǒng)其它分支管路的管道特性發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使A、B二點(diǎn)的壓差保持不變。這時(shí)如果電動(dòng)二通閥VM的開(kāi)度不變，則的水流量保持不變，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡。
③、帶動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組（柜式換熱機(jī)組）變流量水力平衡方式：
動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是一種新穎高效、調(diào)節(jié)性能極佳的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它實(shí)質(zhì)上是壓差調(diào)節(jié)器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的集成。如右圖所示，當(dāng)系統(tǒng)其它管路的特性發(fā)生變化時(shí)，由于動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)
調(diào)節(jié)閥內(nèi)置壓差調(diào)節(jié)器的作用，使A、B二點(diǎn)的壓差保持不變。如果電動(dòng)調(diào)節(jié)閥VM開(kāi)度不變，則通過(guò)組的水流量保持不變。當(dāng)組回風(fēng)溫度T發(fā)生變化時(shí)，輸入到調(diào)節(jié)計(jì)的測(cè)量回風(fēng)溫度與設(shè)定回風(fēng)溫度相比較，輸出一個(gè)4-20mA的控制信號(hào)去控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以調(diào)節(jié)水流量，保證回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度一致。在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，由于壓差調(diào)節(jié)器的作用，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥二端壓差（A、B二點(diǎn)）保持不變，因此這種調(diào)節(jié)是靈敏高效的，且調(diào)節(jié)閥流量特性曲線(xiàn)與理想的流量特性曲線(xiàn)一致，沒(méi)有變形。這種電動(dòng)調(diào)節(jié)閥比普通的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有更好的調(diào)節(jié)特性。
五、結(jié)束語(yǔ)：
定流量系統(tǒng)與變流量系統(tǒng)是多種多樣的，在這里只簡(jiǎn)單地分析幾種典型的形式。需要注意的是，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程投資和系統(tǒng)的精度要求合理地選用水力平衡設(shè)備，既要滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)又應(yīng)采用合理的方案，為甲方節(jié)約資金。
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作者簡(jiǎn)介：
王曉松，男，1969年7月生，大學(xué)，工程師，100176，地址：北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)同濟(jì)中路5號(hào)。電話(huà)：（010）67883603。Email: oventropwxs@vip.sina.com
