空 调 水 阀 的 应 用
黄 中
各式各样的阀门在空调水系统中起着重要的作用，它们不仅是运行、调试、检修的必备手段，合理的选用阀门也是完善设计、使设计合理化的辅助措施。由于阀门种类繁多，本文拟按其作用分为开关作用阀、调节作用阀、平衡作用阀、多功能阀四类，并分别阐述其在空调水系统中的作用。
一、开关作用阀
此类阀门主要包括截止阀、闸阀、手动蝶阀、电动蝶阀、电动二通阀、电磁阀等，其作用是切断或接通水路。
1．截止阀
阀芯为圆盘式，故较小开度便可能流过较大的流量。阀门的流量特性曲线接近于快开曲线，调节性能差；阀门的外形尺寸较大。通常用于需检修且管径不大的管路，起到开关作用。
2．闸阀
启闭件是一块闸板。其流量特性是典型的快开曲线，几乎没有调节能力；密闭性也不好，尤其是小管径时泄露率偏大。优点是阻力和外形尺寸比截止阀小得多。一般用在大管径且作为普通开关作用的场合。
3．蝶阀
启 闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕自身轴线旋转；蝶阀和阀杆本身没有自锁能力，但在阀杆上加装蜗轮减速器便可定位蝶板，而且可锁定蝶板位置，这样蝶阀也 具有一定的调节能力。蝶阀密封性也比较差，但外形尺寸小。一般用于大管径的场合，也可以作初调试用。如用于检修时，必须采用法兰式蝶阀，不能用对夹式的。 电动蝶阀由阀体和电动执行机构组成，执行机构接收控制器发出的标准信号，由24V直流电动机驱动阀杆，达到远程启闭阀门的目的。选用电动蝶阀时，需计算阀门启闭所需扭矩。
4．电动二通阀
一般设于风机盘管回水管上，按是否带弹簧复位功能分为两种。
5．电磁阀
按动作方式分为直动式和先导式两种。直动式电磁阀由电磁作用产生磁力启闭阀体；先导式电磁阀是通过导阀的先导作用在主阀室造成压差，靠压差打开阀门。空调水系统中所用电磁阀均为先导式。
电 磁阀和电动二通阀都是位式阀，区别在于一种是靠电磁作用产生的磁力作为动力源，而另一种是靠电动机驱动作为动力源；另外电动二通阀也可以作成三位式的。电 磁阀由于电磁作用的发热，本身寿命受一定影响，而且会产生磁场作用，其应用有一定的。一般认为风机盘管因启闭频繁不宜采用电磁阀。以上所述各类阀门， 虽然有的也有一定的静调节能力，但因调节性能普遍较差，一般只作为关断阀或位式阀，故统称为开关作用阀。
二、调节作用阀
按动作方式分为手动调节阀和电动调节阀两种；按阀门的流量特性分为直线特性、对数特性、快开特性、抛物线特性四种（见图1）。 工程中直通调节阀可用对数（以下按习惯称为等百分比）特性阀代替抛物线特性阀，而快开特性阀只用于双位控制中，属于前面所述的开关作用阀，因此空调工程中 的水路调节阀更多的是指线性阀和等百分比阀。由于手动调节阀只用于初调试或季节转换时静调节用的管路，一般采用线性阀便可满足要求，而电动调节阀须随时满 足空调运行的需求，受到系统管路的影响，以下主要针对电动调节阀展开讨论。
1.流量特性的选择
根据文献2、3论述，当阀门控制的是冷（热）量时，应采用等百分比阀，当阀门控制的是流量（如压差旁通阀）时，应采用线性阀，用于蒸汽的阀门，也应采用线性阀。
2.阀权度
确定阀权度应考虑以下四个因素。
①系统的阻力
阀权度大小与阀门全开阻力成比例关系，阀权度大，阀门的阻力就大，系统总阻力也增大，对于小系统，适当选用大一些的阀权度是有利的，但对于大而复杂的系统，出于节
能考虑，阀权度就不能取得太大。
②阀门的实际工作流量特性
阀权度S对调节阀流量特性的影响参见图2、3。可见，阀权度大小是关系到阀门能否按设计意图工作的关键问题，从图2、3可看出，当S≥0.5时，阀门的工作流量特性接近于理想流量特性，有些学者据此推断：选用调节阀的全开阻力不应小于其控制的管段总阻力（包括盘管阻力、管道及附件阻力），以此保证阀权度不小于0.5。显然，这样做是正确的，但正如本文2.2.1所提到的，对于大而复杂的系统，出于节能考虑，不应使系统阻力过大，所以有必要研究进一步降低阀权度的可能性。
假设实际运行状况下盘管负荷为设计负荷的90%，且此时调节阀的阀权度S=0.5，在运行条件下和设计条件下该支路压差△P维持不变：
盘管流量Q1大约为设计流量Q0的80% 即Q1 =0.8Q0
调节阀阻力△Pm1=0.5△P
盘管、管路及附件的阻力△P1=△P-△Pm1=0.5△P
设计条件下盘管、管路及附件的阻力△P0=（Q0/Q1）2△P1=（1/0.8）2△P1
=0.5/0.△P=0.78△P
设计条件下阀权度S0=(△P-△P0)/ △P=(△P-0.78△P)/ △P=0.22
可见，即使初选调节阀阀权度为0.22，当盘管负荷只变化10%时，调节阀的阀权度也能达到0.5；如果负荷变化20%，调节阀的阀权度将达到0.72，众所周知，空调系统运行负荷70%时间内只占设计负荷的50%，如果调节阀只考虑满足系统大部分运行时间内部分负荷状态的调节性能，阀权度完全可以大大降低。可以推导出运行条件下阀权度的计算公
式：
S1=1-（1-S0）（Q1/Q0）2
式中S0、S1分别表示设计条件下、部分负荷条件下的阀权度，Q1/Q0分别表示设计条件下、部分负荷条件下的流量，Q1/Q0可按负荷百分比由图4查出。
以上讨论中有一个重要条件是支路压差△P不变，在一个并联环路中，并不能保证这一点；如图5，支路b2低负荷运行时，干管12、ab阻力变小，引起c3压差变大，这个问题分两方面处理。一方面可以在设计中人为的减少干管阻力，以减小其变化对支路压差的影响，建议设计中干管比摩阻控制在200Pa/m以内；另一方面，支路压差增大导致流量增大，要求阀权度大一些有利于克服这种增量对阀门调节性能的影响。
综上所述，保持阀门工作的流量特性，设计阀权度并不一定要大于0.5，考虑支路压差变化的影响，设计阀权度完全可以取0.4，甚至0.3；这样，在多数时间的部分负荷状态下，调节阀性能仍是可靠的。
③盘管的阻力
对于单个末端支路而言，盘管的阻力在支路阻力中占较大比重，因而盘管阻力大小也影响着阀权度。而在并联环路中，如果各个盘管阻力大小差不多，那么这个环路中的调节阀阀权度可取一个相近值，但目前空调厂家提供的盘管阻力相差很大，从10kPa到70 kPa甚至90 kPa不等，如果各个盘管阻力差别较大，则建议以最大阻力的盘管计算所配最小阀权度的调节阀阻力，以此阻力为基准，对其他盘管的调节阀考虑一定的阻力附加，这样做的好处是可以取得该并联环路上各个盘管的水路平衡，而不必增设平衡阀，根据工程实践，
当并联环路中各个盘管阻力相差在15 kPa以内时，采用这种方法比较适合，盘管阻力差别太大时，就必须设平衡阀了。
④可调比
可调比的定义式：
R=Kvs/Kvr
式中 Kvs—阀门的流通能力
Kvr—阀门压降为1巴时，阀门流量特性依然有效的最小流量值
可调比表征在阀门有效控制范围内的最大流量与最小流量比，
实际可调比的定义式：
Rs=RS1/2
由于阀权度S〈1，故实际可调比Rs比厂家提供的理想可调比R要小，这意味着阀门调节范围缩小，设计中可运用这个公式进行校核计算，具体做法是：根据系统实际情况确定最小流量，计算实际可调比Rs，参照所选阀门样本的R值，按实际可调比定义式计算阀门阀权度，这个计算值应小于所选阀门在该支路中的阀权度值。
3. 流通能力Kvs
流 通能力直接反映阀门的容量，也是选择调节阀最重要的参数，其计算公式在教材及各种文献中已有详细论述，需要说明的是，一些文献提到选用的阀门流通能力一定 要比计算值大，但从本文分析结果看，由于阀权度取值受多方面因素影响，阀门全开阻力不能一下就确定，因而选用的阀门流通能力并非一定要比计算值大，而是需 要参考产品样本作一个验算过程。再者，厂家生产的阀门的流通能力总有一定间距，尤其在Kvs大于10m3/h的范围，相邻口径的两个阀门的流通能力相差越来越大，如果再按比计算值大的原则选取阀门，实际的阀权度误差就更大了。
4.执行机构
这里指的是电动执行机构，主要由阀门定位器和电动机组成。
电动机通电旋转带动减速器转动，通过一系列机械传动将转动变为阀杆上下移动。
阀门定位器接受控制器来的0～10V.DC或4～20mA连续控制信号，对以24V.AC供电的电动机进行控制，在阀门位置和控制信号之间建立线性关系，使阀门按输入信号正确定位。阀门定位器有三个作用：可在控制器输出全程范围内任意选择执行器开始动作所对应的控制器输出值；在控制器输出的20%～100%范围内，任意选择执行器的工作范围；可在控制器输出全程范围内任意选择两个范围赋予执行器正、反作用，与连续输出的控制器配套实现分程调节控制。
电动执行机构的选择主要考虑两个参数：阀门闭合时最大允许压差、阀门静止关闭状态下允许承受的最大压差，前一个是动态参数，后一个是静态参数。
5. 调节过程
控 制器对调节阀的控制过程是：控制器接收输入信号，通过与设定值比较，得到偏差信号，根据设定的调节规律对此信号进行处理（如比例计算、比例积分计算等）， 再将处理后的信号发送给执行机构，执行机构接收控制器发出的连续信号驱动电机按信号变化动作（开大或关小）。经控制器计算处理后发出的信号一般并无规律可 循，阀门和电动执行机构更不具备任何调节规律（信号计算处理能力）。比例、积分、微分是三种基本调节规律，由此衍生比例积分、比例微分等调节规律，采用什 么调节规律是由系统的需求决定的，要求静差小的就采用比例积分，要求响应快、调节时间短的就采用比例微分。
可 见，一些文章中对电动调节阀冠以“比例积分调节阀”的说法是不妥的，这种叫法很容易引起混淆，把调节阀和控制器对信号的计算功能混在一起，分不清调节阀具 有什么功能，甚至认为调节阀天生具有比例积分作用，或者不论什么系统什么参数，控制器一律采用比例积分来处理，这都是错误的。
三、平衡作用阀
任 何系统都存在水力失调的问题，当这种失调对末端的影响超出了流量的许可变化范围时，就必须采用平衡阀来减小或消除这种失调，以保证末端的流量。平衡阀一般 分为静态平衡阀和动态平衡阀，静态平衡阀实际上也是一种手动调节阀，只不过在阀体两侧开设压力测量孔，测量阀门的压差，通过专用仪表计算测出流量，由于能 定量读出管路流量，因此初调试时平衡阀能更准确，但在系统运行过程中，由于阀门两侧压差变化，静态平衡阀流量跟随着变化。动态平衡阀除了具有静态平衡阀的 特点外，还具有自动改变过流面积，保持流量恒定的特点。当阀门两侧压差变化时，产生作用力给弹簧，使阀胆移动，水流过流面积得以改变，从而保持流量不变。 动态平衡阀又分固有流量型和可现场设定流量型两种。固有流量型是阀门在生产时就确定的，到了现场就不可调换；可现场设定流量型是阀门在生产时给出一个流量 范围，到了现场可以在这个范围内任意设定流量值。
平衡阀的选择计算基本按照调节阀的方法，动态平衡阀还要考虑阀门的实际工作压力范围不能超出其给定的工作压力范围。
平 衡阀的应用在许多文献中已有论述，各有己见，尚不能形成有绝对说服力的说法。问题的关键在于如何处理好平衡与调节这对静态与动态的矛盾关系，调节必然引起 失衡，失衡又导致调节误差增大。总的来说平衡是相对的，只要系统运行调节过程中末端阻力起主导作用，干管阻力变化对末端的影响是在可控范围内的，那么所采 用的阀门就是合理的。
四、多功能阀
这 里主要指动态平衡电动二通阀和动态平衡电动调节阀，这是将平衡与调节功能二合为一的阀门。动态平衡电动二通阀应用于风机盘管，当阀门打开时可保证风机盘管 不受其它盘管阀门的启闭的影响而引起流量变化，对于动态平衡电动调节阀，目前尚不能确定其调节过程中阀门的流量特性，而流量特性关系到调节性能的好坏，因 此，动态平衡电动调节阀的应用还有待于工程检验。
参考文献
1．黄日新，主编.工业专用阀门手册.北京：机械工业出版社，1992
2．潘云钢，编著.高层民用建筑空调设计.北京：中国建筑工业出版社，1999
3．张子慧，主编.热工测量与自动控制.西安：西北工业大学出版社，1993
