靜態水力平衡閥工程應用分析
近年來，美國和歐洲一些企業的水力平衡新產品、新技術、新思維不斷影響著我國暖通界，設計人員在很多工程中大量采用了水力平衡閥。但是，實際工程中不斷暴露出問題，由此產生了關于水力平衡和平衡閥的質疑和相關的學術之爭。
1 水力平衡
文獻[1]對水力平衡的定義是：在真實運行情況下測定水的流量，并在滿負荷時調節流量至設計值，為建筑物內的每個區域或房間輸送合理的供熱、供冷量的過程。
2 靜態水力平衡閥應用的討論
2.1 設計工況下的水力失調
對于一個按照設計要求運行的理想HVAC系統而言，在滿負荷工況下，各個用戶都能夠獲得設計水量，滿足各個區域用戶的舒適性以及系統運行的安全性和經濟性要求，避免用戶投訴和能源浪費，這樣的系統就算是實現了水力平衡的系統。反之則稱為水力不平衡或稱水力失調的系統。通常在設計工況下，當系統中某一用戶資用壓頭高于設計壓頭時，其實際流量就可能會大于設計流量，其他環路的實際流量則有可能達不到設計流量，這種設計工況下出現的水力失調特性為靜態水力失調，是由于設計、施工、設備材料等原因導致的系統管道特性阻力數比值與設計要求的管道特性阻力數比值不一致引起的，是系統本身所固有的[2]。
另一種狀態是，系統中所有末端用戶實際流量均等于或大于設計值。由此引起的水力失調工況并不會導致客戶投訴，故常常并未引起設計師和工程師的重視。
對于閉路循環的管網，其水力工況各物理量之間的相互關系可用公式Δp=SG2描述，其中Δp為壓差或阻力損失；S為管網阻抗；G為流量。壓差和流量的調控互為手段和目的。
在靜態水力平衡閥的設計理念進入中國之前，工程技術人員多采用截止閥或蝶閥等來實現和滿足水系統對水力平衡技術的要求。由于截止閥、蝶閥結構簡單、價格低、調節便利，被廣泛應用于水力平衡的調節。圖1是文獻[3]給出的水力平衡示意圖。
在正確設計選型前提下，系統在滿負荷工況下末端各溫控電動閥應全開，1#~3#末端的設計流量均為33m3/h。若圖1中所有閥門開度均為100%，1#末端流量約為39m3/h；2#末端流量約為35m3/h；3#末端流量約31m3/h，水泵工作點參數揚程約為19m、流量約為105m3/h，系統出現水力失調。
分別調節1#和2#調節閥開度，將1#末端節點盤管加溫控閥兩端壓差減小40kPa；2#末端減小20kPa，使1#~3#末端節點盤管加溫控閥兩端阻力均為80kPa，同時滿足約33m3/h的設計流量，水泵工作點參數為揚程20m，流量100m3/h，實現系統靜態水力平衡。而3個末端中3#末端無需調整調節閥即可滿足33m3/h設計流量，可見并不是所有末端支路都需要配置靜態水力平衡調節閥，靜態水力平衡閥并不是解決水系統設計工況下水力失調難題的唯一選擇。
鑒于目前大多數HVAC水系統的設計僅對末端支路標示設計流量參數，而很少對末端壓差值提出技術要求，手動調節閥的平衡調節主要還是依靠設計、施工、運行和維護人員的實踐經驗現場調節實現的，故被平衡閥供應商視為一種缺乏理論支持的系統調節方法。但是，其對消除設計工況下的系統水力失調作用卻是有目共睹的不爭事實。
2.2 靜態水力平衡閥與水力平衡
常見的靜態水力平衡閥實質上可以視為多功能手動調節閥，其特點是一個調節閥多種功能。僅從實驗性能特性曲線數據來看，當閥門兩端壓差Δp為常數時，靜態水力平衡閥的調節性能并沒有明顯的優勢，采用靜態水力平衡閥取代傳統調節閥的理論依據尚顯單薄。就管網阻力特性及性價比等參數而言，靜態水力平衡閥反而略遜一籌。
目前市場上的靜態水力平衡閥多具有流量測量、開度數字顯示、流量預設和注水/排空等優點。可以通過專業儀表在現場隨時測量平衡閥的流量；也可起開、關作用。平衡閥在調試結束后，鎖定功能使開度不能隨便改動。因閥體主軸上有環形密封圈密封，減少了維護保養的工作量。類似測量、調節、排空、充液等工作都不必中斷系統的運行，可現場完成，且不必破壞系統的整體保溫。但是，目前一臺品質優良的靜態水力平衡閥的市場價格甚至高于相同流量的離心式水泵，除了居高不下的價格之外，目前國內市場上的靜態水力平衡閥尚存在不少缺憾。
對不可壓縮的流體而言，靜態水力平衡閥可視為局部阻力可調的節流元件，其流量特性可以描述為
式中Q為閥門流量，m3/h；C為流量系數；A為閥門閥芯過流面，m2；Δp為閥門壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3，4°C時ρ=1000kg/m3，80°C時ρ=970kg/m3。流量系數C與雷諾數Re相關，文獻[1]將2320
式中KV為閥門流量系數。
式（2）在雷諾數Re大于3500時方才成立[1]。
靜態水力平衡閥通過改變閥門開度來改變閥門的流動阻力，每一開度都對應一個KV值，由于不同開度對應的KV值已知，只需現場測出Δp就可以計算出Q值。因此大多數靜態水力平衡閥兩端都配有專門的壓力測試孔，人們常將其作為節流部件使用。工程調試時，通過廠商有償提供的配套水力平衡調試儀表連接靜態水力平衡閥的測試孔即可測出Δp值，根據廠商的水力平衡計算軟件找出對應的KV值，算出流量Q值。此時，Δp為測量值；KV為設定值，即在Δp=0.1MPa條件下的實驗室取值；Q為計算值，計算的精度取決于對閥門實際過流面積和粗糙度估計值的精確度，以及對流體密度的正確取值。
值得注意的是，采用平衡閥來解決系統水力失調的問題是有條件的，不是一勞永逸的。從靜態水力平衡閥的機理可知，一旦鎖定平衡閥開度后，Δp的變化將會破壞流經閥門水量的恒定，使得原先已經標定的流量值產生變化。
盡管許多供應商宣稱其平衡閥具備流量預設功能，但是，要選擇理想的KVS值（即在Δp=0.1MPa條件下閥門全開時的最大KV值）并不容易，市場上平衡閥產品的KVS值并不是連續值，多以幾何級數增加排列。如KVS=1.0，1.6，2.5，4.0，6.3，10，16，，，，相鄰兩檔KVS值之間約有60%的增量，也就是說現場安裝的平衡閥與設計要求之間的偏差可能達到±30%。由于現場Δp值的不確定以及閥門開度的調節導致KV值變化，實踐證明，當閥門內壁污垢系數無法確定或Re小于3500時，流量Q值甚至可能出現數量級的計算誤差。因此所謂“實現靜態水力平衡的判斷依據是：當系統所有的自力式閥門均設定到設計參數位置，所有末端設備的溫控閥均處于全開位置時，系統所有末端設備的流量均達到設計流量”。[2]的論述值得商榷。
不論平衡閥是否具備流量預設功能，水系統安裝完畢且具備測試條件后，須對所有靜態水力平衡閥進行調節，使其流量Q值均滿足設計流量，使管網實現設計工況下的水力平衡。并將靜態水力平衡閥的開度鎖定，在管網系統正常運行過程中，不應隨意變動平衡閥的開度。系統水力平衡的結果應記錄在案，包括每一個靜態水力平衡閥的型號規格、安裝位置、序列編號以及設定流量和鎖定開度等技術數據，建立系統設備調試檔案。
另外，由于制造商對計算軟件中KV值的設定取值不同，不同廠家平衡閥配套調試儀表多不能通用。從剖面圖可見許多靜態水力平衡閥在閥塞后方有一個空腔，當在線運行時很容易成為藏污納垢之處。
2.3 靜態水力平衡閥在工程中應用的討論
當水系統中所有閥門開度均為100%時，有利回路末端的過流量導致不利回路末端的欠流量，產生系統水力失調，通過在過流量末端回路中串聯靜態水力平衡閥限制流量。圖2是文獻[2]給出的某工程水系統示意圖，該系統采用4臺（三用一備）37kW離心式冷水泵，分別在冷水泵進水總管與集水器之間、集水器各區回水干管、新風機組、風機盤管每層回水支管上設置了靜態水力平衡閥。按照從末端到主機的順序對系統各并聯環路的靜態水力平衡閥流量比進行調節，直至與計算出的設計流量比值一致；調節冷水變頻泵轉速，直至冷水集水器主管的靜態平衡閥流量與設計流量一致，此時系統所有末端設備的流量均等于夏季設計流量，記錄此時分集水器壓差，即壓差控制器的設定壓差。
若采用圖2系統的設計理念，在系統水泵回水主管處配置靜態水力平衡閥，勢必要相應提高水泵的揚程，增加水泵選型功率，從而不僅增加了項目投資成本，還額外地增加了水泵運行能耗，與所宣傳的節能功能背道而馳。其次，既然新風機組、風機盤管每層回水支管上均設置了靜態水力平衡閥，并通過各靜態水力平衡閥和冷水變頻泵轉速的調節實現了系統所有末端設備的流量均等于夏季設計流量的目的，那么還在集水器各區新風機組、風機盤管回水干管上增設靜態水力平衡閥，難免有架屋疊床之嫌。再者，在已經欠流量的最不利末端回路配置靜態水力平衡閥無疑是雪上加霜。
盡管靜態水力平衡閥的KV值可以在一定范圍內連續可調，但其阻力系數一般大于截止閥，基本屬性還是阻力元件。因此，在循環水泵總管進/出口處、集/分水器干管以及系統不利末端安裝靜態水力平衡閥，或者當采用平衡閥替代傳統閥門時，應充分考慮是否會額外增加系統管網節流損失，關注新系統與舊系統水量分配平衡問題，以免安裝了靜態水力平衡閥的新系統（或改造后的系統）的管網阻力比原有系統更大，而達不到應有的水流量。國內因濫用靜態水力平衡閥而導致項目失敗的案例已屢見不鮮了。
文獻[2]對圖2案例實施節能分析，得出冷水側節能27%的結論，如果在設計階段就取消設置在集水器與水泵回水總管之間、集水器與新風機組和風機盤管干管之間以及新風機組和風機盤管最不利支路上的靜態水力平衡閥，就可以將4臺37kW離心冷水泵和變頻器的功率都降下來。不僅能大幅降低系統運行成本，還能有效地減少投資成本，獲得更多的節能減排效益。
另外，圖2同時采用了設置靜態水力平衡閥和調節冷水變頻泵轉速兩種技術措施對設計工況下的水力失調實施平衡調節，并以冷水集水器主管的靜態平衡閥流量和系統所有末端設備流量均等于夏季設計流量時的分集水器壓差作為壓差控制器的設定壓差去控制冷水變頻泵的轉速，采用了分集水器變頻泵定壓技術[5]。但是，當系統運行水泵臺數小于設計工況3臺時，分集水器之間的壓差可能低于該設定壓差，尤其是在單臺水泵運行工況下。也就是說在供冷期大部分時間內變頻調速將會失去作用。
3 溫控閥KVS設計選擇對水力平衡的影響
圖1中1#~3#末端的設計流量均為33m3/h，相應溫控閥的Δp依次應為80kPa，60kPa和40kPa。在100%負荷工況時末端各溫控電動閥應全開，為了計算方便，在式（2）中取4°C時ρ=1000kg/m3，可求出相應的計算KVS值，見表1。
因此，采用計算末端溫控閥KVS值的方法解決設計工況下的系統水力失調在理論上是可行的，但是，由于市場溫控閥產品標準的差異，可能會使得實際系統水力失調偏差達到±30%。值得注意的是，原本最不利的3#末端卻有19.53%的流量富余。目前國內已有企業正在從事具有自主知識產權的產品研發，并已經完成小規模系統的實驗室數據驗證，為依據設計計算KVS值實施溫控閥選型提供了硬件支持。
4 結論
4.1 靜態水力平衡閥不是解決水系統設計工況下水力失調難題的唯一選擇。
4.2 不論平衡閥是否具備流量預設功能，都必須對所有靜態水力平衡閥進行現場調節，使其流量Q均滿足設計流量，使管網實現設計工況下的水力平衡。任何未經現場實際工況下實施系統測量和調試的靜態水力平衡閥系統都是徒勞的。
4.3 系統水力平衡的結果應記錄在案，包括每一個靜態水力平衡閥的型號規格、安裝位置、序列編號以及設定流量和鎖定開度等技術數據。
4.4 在管網系統正常運行過程中靜態水力平衡閥開度應鎖定，不應隨意變動平衡閥的開度。
4.5 由于制造商對計算軟件中KV的設定取值不同，不同企業平衡閥配套調試儀表多不能通用。
4.6 濫用靜態水力平衡閥會導致系統投資成本和運行能耗不合理地增高。在循環水泵總管進/出口處、集水器回水干管以及系統不利末端安裝靜態水力平衡閥，或者當采用水力平衡閥替代傳統閥門時，應充分考慮是否會額外增加系統管網節流損失，注意新系統與舊系統水量分配平衡問題，以免安裝了靜態水力平衡閥的新系統（或改造后的系統）的管網阻力比原有系統更高，而達不到設計水量。
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