能量閥在地鐵中央空調系統中的應用探討

夏三縣

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

我國地鐵起步較晚，但經過50年，尤其是近20年的高速發展，中國的軌道交通，不管是技術還是里程上，均處在世界領先的位置，根據中國城市軌道交通協會發布《2017年城市軌道交通行業統計報告》截至2017年末，中國內地城市軌道交通運營里程為5033公里。地鐵中央空調系統，也經歷了從無到有，從簡單就地控制、制冷機群控到能效管理平臺三個階段。中央空調系統，不僅要保障工藝及舒適性要求，同時對節能的要求也越來越高。

地鐵車站中央空調系統，通常設計成大系統及小系統兩部分［1］。大系統是指服務于公共區（含站廳、站臺）的通風、空調及防排煙系統；小系統是指服務于車站設備及管理用房的通風、空調及防排煙系統。為了提高設備的工作效率、節能和方便運行管理，工程中經常采用樓宇控制系統，在組合式空調機組的回水側，安裝電動調節閥，根據負荷的變化，實現自動調節。閥門通常被用做開閉管路、控制流向、調節和控制輸送介質參數。常見的電動調節閥，有壓力相關型及壓力無關型兩類。

在實際運行過程中，靜態水力失調、動態水力失調及大流量、小溫差是中央空調水系統常見的問題。

1.1 壓力相關型閥門

通過閥門的水流量q，與閥門的過流面積A及閥門前后的壓差（P1-P2）相關，對應關系如公式1所示［2］：

為了簡化分析，通常假設閥前后壓差（P1-P2）不變，則閥門的流量q與過流面積A成正比。但是，在實際運行中，普通的電動閥門前后的壓差是不可能一成不變的，閥門前后的壓差，不僅和自身相關，還跟整個管路系統的相關。

1.2 壓力無關型控制閥

“壓力無關”特性，流量變化只與輸入控制信號有關，與水系統的壓力波動無關。在一定的壓差范圍內，壓力無關型控制閥能夠有效地抵消因水系統壓力變化及波動帶來的影響，維持一個恒定的流量輸出。根據產品的構造及原理，分為機械式及電子式兩種方式。

機械式壓力無關型控制閥，由控制閥及穩定器兩部分組成, 通常也稱作組合閥或一體閥，結構如下圖所示：各個部分的壓差

一體閥前后的壓差△(P1-P2)即使發生變化，壓力穩定段△(P1-P0)，會自動進行調整，確?！?P1-P0) ，可以抵消△(P1-P2)的變化值，從而保證控制閥前后的壓差△(P0-P2)保持不變。［3］

圖1 一體閥壓差分布

根據公式1可知，閥前后壓差恒定，則通過閥門的流量僅與閥門的過流面積相關。

電子式壓力無關型控制閥，由控制閥及流量計組成。流量計測得的值與設定值進行比較，然后執行器通過改變閥門的開度來修正偏差，使流量值與設定值保持一致。

圖2 能量閥組成

2.1 靜態水力失調

靜態水力失調指的是系統各用戶的實際流量與設計要求流量不一致。解決靜態水力失調，傳統的設計方式是，在各支管路上，安裝靜態平衡閥，使實際的系統管道特性阻力數比與設計要求保持一致。［4］在以往的工程中發現，靜態平衡閥的調試工程量浩大，且需要熟練人員，反復調試完成，很多項目都沒有調試到位，導致水力不平衡現象依舊存在。由于大、小系統功能不同，運行時間不同，控制策略也不同，就會產生新的水力不平衡現象，靜態平衡閥變得無能為力。

能量閥解決靜態水力失調，是將末端（支路）的設計流量做為能量閥的最大值，確保每臺末端設備（支路）的實際流量不超過設計流量，在系統實際總流量≥設計總流量的前提下，所有的末端（支路）均不會發生過流，也不會發生欠流的情況，在能量閥全開的情況下，實際流量等于設計流量，解決了水力失調的問題。

2.2 動態水力失調

動態水力失調，指的是當部分用戶閥門開度開化引起水流量改變時，其它用戶的流量也隨之發生改變，偏離設計要求流量。這種失調是動態的，變化的，不是系統本身固有的，是在系統運行過程中產生的。

傳統設計是采用機械式壓力無關型閥門。在使用初期，會取得較好的效果，但由于壓力穩定段的物理結構，對空調冷凍水循環泵需要額外的壓頭，事必提高循環泵的功耗，而且冷凍水，經過長時間的運行，安裝過程中的焊渣，運行中的管壁脫落，會使水質變差，而動態平衡閥的物理結構如下圖所示，類似于Y型過濾器的結構，在閥門的底部，非常容易形成阻塞，造成水流量減少，室溫降低等現象，動態平衡閥，越用越堵，流量越來越小，水泵功耗越來越高，造成惡性循環。維護人員每年都要進行清洗，拆洗困難工作量浩大，很多地方，直接將動態平衡閥芯拆掉，動態平衡閥實際變成了直管段，無法解決水力失調的問題。

圖3 動態平衡閥剖面圖

能量閥讀取控制器發出的設定值，與測量值進行比較，并通過調整閥門的開度，從而確保實際值保持一致，來解決動態水力失調現象。

2.3 大流量、小溫差

大流量、小溫差現象是中央空調系統中末端普通存在的一個現象。在變流量冷凍水系統中，隨著冷凍水流量的增加，換熱量也在增加。當流量達到一定值時，雖然流量增加很大，但換熱量變化很小，如下圖表冷器冷凍水流量、換熱量及供回水溫差關系圖所示，流量處于54-66GPM區間時，流量增加22%，但換熱量只增加了1.8%，供回水溫差縮小了2℃，這個區間，稱作能源浪費區間。在這個區間，大流量并沒有帶來換熱效果的顯著改善，過大的冷凍水流量，增加水泵的電費支出。

圖4 表冷器換熱曲線與溫差關系

3.1 能量閥

能量閥如下圖所示，由等百分比特性的電動控制型球閥，電磁流量計或超聲波流量計，供回水溫度傳感器及內置的控制芯片等組成。

圖5 能量閥安裝示意圖

能量閥的流量計，及供回水溫差，可以按照下列公式3計算出此時的熱量值，該熱量值，就是建筑物實時的熱負荷。在每一個特定時刻，熱負荷都是固定不變的，m和 △t就成反比。工程項目中，過流現象比較普遍，這時△t很小。能量閥溫差控制功能，將保證實際供回水溫差始終大于設定溫差，減少實際流量值。當所有能量閥的流量減少值累計到冷凍水系統循環水泵處，節能、降耗效果將非常顯著。

換熱量公式如下［5］：

Q：吸收或放出的熱量J

c：比熱容 J/(kg·℃)

m：質量 kg

△t：溫度差 ℃

3.2 控制模式

閥位控制。即常規的電動調節閥控制模式，是壓力相關型控制。閥門接受控制器發出的指令信號，轉換成相應的角位移，改變被控對象（冷凍水）的流量。角位移與被控流量存在著對應關系，但會受閥門前后的壓差的影響，被控效果與預期差別較大，且不能解決暖通空調系統中大流量、小溫差現象。

流量+溫差模式，是壓力無關型控制。首先需確認每臺表冷器的設計負荷Qs， 并根據冷凍水設定的供回水溫差在△Ts， 確認設計水流量qs， 并將此流量值輸入能量閥中，設置成最大流量qmax， 流量計測量出實際水流量為qi。系統運行時，當qi>qmax， 能量閥將切換到限流模式，通過減少電動調節閥的開度，確保qi< =qmax， 同時，溫度傳感器測量供回水溫度，并計算出實際的溫差△Ti，當△Ti< △Ts， 能量閥將進入溫差控制模式，通過減少電動調節閥的開度，減少通過閥門的水流量，確?！鱐i> =?Ts。 流量+溫差模式，是能量閥提供的兩種限制模式，防止流量過流，又防止小溫差的產生，限流模式相當于初調，確保各個控制點的流量不超過設計的最大流量，溫差模式相當于細調，在此基礎上，實現小流量、大溫差的控制效果。

熱量+溫差模式。是壓力無關型，溫度無關型控制。首先需確認每臺表冷器的設計負荷Qs， 并將此流量值輸入能量閥中，作為最大熱量Qmax， 流量計測量出實際水流量為qi， 及溫度傳感器測量供回水溫度，并計算出實際的溫差△Ti，通過能量閥內置的積分儀，計算出實時的熱量Qi。 系統運行時，當Qi>Qmax， 能量閥將切換到限熱模式，通過減少電動調節閥的開度，確保Qi< =Qmax，同時，當△Ti< △Ts， 能量閥將進入溫差控制模式，通過減少電動調節閥的開度，減少通過閥門的水流量，確?！鱐i> =△Ts。

前饋控制。對于特定的場合，當裝有能量閥后，可以實現前饋控制。以地鐵站為中心，設立控制室，將監控冷凍水管網所有的能量閥。根據天氣預報，繪制預測的室外氣溫曲線，根據此曲線，建立各建筑物預測空調負荷。根據室外溫度變化，實時修正負荷變化，將此數值發送至能量閥，能量閥將按照修正后的換熱量，給建筑物制冷，實現數字化供冷。

4 結語

能量閥是一款集供回水溫度測量，流量（熱量）測量及控制調節于一體的多功能的閥門。同時，又是一款壓力無關型的電子式平衡閥，與管網的水力特性無關，自適應管路水力特性，保障系統水力平衡，自帶溫差管理程序，有效地杜絕大流量、小溫差的現象。能量閥可以存儲13個月的數據支持Modbus現場總線及BACnet樓宇通訊協議，將現場的參數上傳至群控系統，也支持將數據上傳至云端，可以繪制整個冷凍水流量變化圖，冷凍水的流量、冷量輸配，做到真正地可測、可控。

在使用能量閥后，通過對圖4表冷器換熱特性曲線的分析，當流量從66GPM降至54GPM，換熱量下降1.8%, 溫差提升2K，流量下降22%，末端大流量小溫差現象極大改善。