能量阀在地铁中央空调系统中的应用探讨

夏三县

（郑州市轨道交通有限公司，郑州 450000）

我国地铁起步较晚，但经过50年，尤其是近20年的高速发展，中国的轨道交通，不管是技术还是里程上，均处在世界领先的位置，根据中国城市轨道交通协会发布《2017年城市轨道交通行业统计报告》截至2017年末，中国内地城市轨道交通运营里程为5033公里。地铁中央空调系统，也经历了从无到有，从简单就地控制、制冷机群控到能效管理平台三个阶段。中央空调系统，不仅要保障工艺及舒适性要求，同时对节能的要求也越来越高。

地铁车站中央空调系统，通常设计成大系统及小系统两部分［1］。大系统是指服务于公共区（含站厅、站台）的通风、空调及防排烟系统；小系统是指服务于车站设备及管理用房的通风、空调及防排烟系统。为了提高设备的工作效率、节能和方便运行管理，工程中经常采用楼宇控制系统，在组合式空调机组的回水侧，安装电动调节阀，根据负荷的变化，实现自动调节。阀门通常被用做开闭管路、控制流向、调节和控制输送介质参数。常见的电动调节阀，有压力相关型及压力无关型两类。

在实际运行过程中，静态水力失调、动态水力失调及大流量、小温差是中央空调水系统常见的问题。

1.1 压力相关型阀门

通过阀门的水流量q，与阀门的过流面积A及阀门前后的压差（P1-P2）相关，对应关系如公式1所示［2］：

为了简化分析，通常假设阀前后压差（P1-P2）不变，则阀门的流量q与过流面积A成正比。但是，在实际运行中，普通的电动阀门前后的压差是不可能一成不变的，阀门前后的压差，不仅和自身相关，还跟整个管路系统的相关。

1.2 压力无关型控制阀

“压力无关”特性，流量变化只与输入控制信号有关，与水系统的压力波动无关。在一定的压差范围内，压力无关型控制阀能够有效地抵消因水系统压力变化及波动带来的影响，维持一个恒定的流量输出。根据产品的构造及原理，分为机械式及电子式两种方式。

机械式压力无关型控制阀，由控制阀及稳定器两部分组成, 通常也称作组合阀或一体阀，结构如下图所示：各个部分的压差

一体阀前后的压差△(P1-P2)即使发生变化，压力稳定段△(P1-P0)，会自动进行调整，确保△(P1-P0) ，可以抵消△(P1-P2)的变化值，从而保证控制阀前后的压差△(P0-P2)保持不变。［3］

图1 一体阀压差分布

根据公式1可知，阀前后压差恒定，则通过阀门的流量仅与阀门的过流面积相关。

电子式压力无关型控制阀，由控制阀及流量计组成。流量计测得的值与设定值进行比较，然后执行器通过改变阀门的开度来修正偏差，使流量值与设定值保持一致。

图2 能量阀组成

2.1 静态水力失调

静态水力失调指的是系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致。解决静态水力失调，传统的设计方式是，在各支管路上，安装静态平衡阀，使实际的系统管道特性阻力数比与设计要求保持一致。［4］在以往的工程中发现，静态平衡阀的调试工程量浩大，且需要熟练人员，反复调试完成，很多项目都没有调试到位，导致水力不平衡现象依旧存在。由于大、小系统功能不同，运行时间不同，控制策略也不同，就会产生新的水力不平衡现象，静态平衡阀变得无能为力。

能量阀解决静态水力失调，是将末端（支路）的设计流量做为能量阀的最大值，确保每台末端设备（支路）的实际流量不超过设计流量，在系统实际总流量≥设计总流量的前提下，所有的末端（支路）均不会发生过流，也不会发生欠流的情况，在能量阀全开的情况下，实际流量等于设计流量，解决了水力失调的问题。

2.2 动态水力失调

动态水力失调，指的是当部分用户阀门开度开化引起水流量改变时，其它用户的流量也随之发生改变，偏离设计要求流量。这种失调是动态的，变化的，不是系统本身固有的，是在系统运行过程中产生的。

传统设计是采用机械式压力无关型阀门。在使用初期，会取得较好的效果，但由于压力稳定段的物理结构，对空调冷冻水循环泵需要额外的压头，事必提高循环泵的功耗，而且冷冻水，经过长时间的运行，安装过程中的焊渣，运行中的管壁脱落，会使水质变差，而动态平衡阀的物理结构如下图所示，类似于Y型过滤器的结构，在阀门的底部，非常容易形成阻塞，造成水流量减少，室温降低等现象，动态平衡阀，越用越堵，流量越来越小，水泵功耗越来越高，造成恶性循环。维护人员每年都要进行清洗，拆洗困难工作量浩大，很多地方，直接将动态平衡阀芯拆掉，动态平衡阀实际变成了直管段，无法解决水力失调的问题。

图3 动态平衡阀剖面图

能量阀读取控制器发出的设定值，与测量值进行比较，并通过调整阀门的开度，从而确保实际值保持一致，来解决动态水力失调现象。

2.3 大流量、小温差

大流量、小温差现象是中央空调系统中末端普通存在的一个现象。在变流量冷冻水系统中，随着冷冻水流量的增加，换热量也在增加。当流量达到一定值时，虽然流量增加很大，但换热量变化很小，如下图表冷器冷冻水流量、换热量及供回水温差关系图所示，流量处于54-66GPM区间时，流量增加22%，但换热量只增加了1.8%，供回水温差缩小了2℃，这个区间，称作能源浪费区间。在这个区间，大流量并没有带来换热效果的显著改善，过大的冷冻水流量，增加水泵的电费支出。

图4 表冷器换热曲线与温差关系

3.1 能量阀

能量阀如下图所示，由等百分比特性的电动控制型球阀，电磁流量计或超声波流量计，供回水温度传感器及内置的控制芯片等组成。

图5 能量阀安装示意图

能量阀的流量计，及供回水温差，可以按照下列公式3计算出此时的热量值，该热量值，就是建筑物实时的热负荷。在每一个特定时刻，热负荷都是固定不变的，m和 △t就成反比。工程项目中，过流现象比较普遍，这时△t很小。能量阀温差控制功能，将保证实际供回水温差始终大于设定温差，减少实际流量值。当所有能量阀的流量减少值累计到冷冻水系统循环水泵处，节能、降耗效果将非常显著。

换热量公式如下［5］：

Q：吸收或放出的热量J

c：比热容 J/(kg·℃)

m：质量 kg

△t：温度差 ℃

3.2 控制模式

阀位控制。即常规的电动调节阀控制模式，是压力相关型控制。阀门接受控制器发出的指令信号，转换成相应的角位移，改变被控对象（冷冻水）的流量。角位移与被控流量存在着对应关系，但会受阀门前后的压差的影响，被控效果与预期差别较大，且不能解决暖通空调系统中大流量、小温差现象。

流量+温差模式，是压力无关型控制。首先需确认每台表冷器的设计负荷Qs， 并根据冷冻水设定的供回水温差在△Ts， 确认设计水流量qs， 并将此流量值输入能量阀中，设置成最大流量qmax， 流量计测量出实际水流量为qi。系统运行时，当qi>qmax， 能量阀将切换到限流模式，通过减少电动调节阀的开度，确保qi< =qmax， 同时，温度传感器测量供回水温度，并计算出实际的温差△Ti，当△Ti< △Ts， 能量阀将进入温差控制模式，通过减少电动调节阀的开度，减少通过阀门的水流量，确保△Ti> =∆Ts。 流量+温差模式，是能量阀提供的两种限制模式，防止流量过流，又防止小温差的产生，限流模式相当于初调，确保各个控制点的流量不超过设计的最大流量，温差模式相当于细调，在此基础上，实现小流量、大温差的控制效果。

热量+温差模式。是压力无关型，温度无关型控制。首先需确认每台表冷器的设计负荷Qs， 并将此流量值输入能量阀中，作为最大热量Qmax， 流量计测量出实际水流量为qi， 及温度传感器测量供回水温度，并计算出实际的温差△Ti，通过能量阀内置的积分仪，计算出实时的热量Qi。 系统运行时，当Qi>Qmax， 能量阀将切换到限热模式，通过减少电动调节阀的开度，确保Qi< =Qmax，同时，当△Ti< △Ts， 能量阀将进入温差控制模式，通过减少电动调节阀的开度，减少通过阀门的水流量，确保△Ti> =△Ts。

前馈控制。对于特定的场合，当装有能量阀后，可以实现前馈控制。以地铁站为中心，设立控制室，将监控冷冻水管网所有的能量阀。根据天气预报，绘制预测的室外气温曲线，根据此曲线，建立各建筑物预测空调负荷。根据室外温度变化，实时修正负荷变化，将此数值发送至能量阀，能量阀将按照修正后的换热量，给建筑物制冷，实现数字化供冷。

4 结语

能量阀是一款集供回水温度测量，流量（热量）测量及控制调节于一体的多功能的阀门。同时，又是一款压力无关型的电子式平衡阀，与管网的水力特性无关，自适应管路水力特性，保障系统水力平衡，自带温差管理程序，有效地杜绝大流量、小温差的现象。能量阀可以存储13个月的数据支持Modbus现场总线及BACnet楼宇通讯协议，将现场的参数上传至群控系统，也支持将数据上传至云端，可以绘制整个冷冻水流量变化图，冷冻水的流量、冷量输配，做到真正地可测、可控。

在使用能量阀后，通过对图4表冷器换热特性曲线的分析，当流量从66GPM降至54GPM，换热量下降1.8%, 温差提升2K，流量下降22%，末端大流量小温差现象极大改善。