实用空调系统水力平衡计算方法

肩冷#寶；礴

-69

REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING

实用空调系统水力平衡计算方法

刘幸宽

(达智咨询顾问(深圳）有限公司）

摘要为了切合国家规范对水力平衡的要求，本文结合常用的一次泵定流量系统与一次泵变流量系统， 给出了一种_现水力平衡的方法——

通过计算确定了必须设置平衡阀的支路，并对不设平衡阀的支路进行

合理的阻力分配，使其实现自然的平衡。计算结果表明，通过该方法，仅耑配置行限的平衡阀即可实现全面 的水力平衡，既实现了节能，亦节约了投资成本。

关键词水力平衡；手动流S调节阀；压差平衡阀；比例积分微分控制阀；阀门流量系数；阀权度

Apractical calculation method of air conditioning system hydraulic balancing

Liu Xingkuan

(Intelligence Consultant (Shenzhen) Co. 9 Ltd.)

ABSTRACT In order to meet the requirements of state regulations for hydraulic balance,

combined with the commonly used constant primary flow system and variable primary flow system, a kind of hydraulic balance calculation method is given in this paper. It must set the balancing valve was determined by the calculation of the branch, and reasonably distribute the resistance in the branch of the balancing valve is not set up? make it realize the balance of nature. The calculation results show that the hydraulic balance can be a­chieved by using only a limited number of balanced valves? which can achieve both energy saving and investment.

KEY WORDS

hydraulic balance； manual flow modulating valve； differential pressure

controller； PID control valve; flow coefficient of valve; valve authority空调系统的水力平衡是指所有设备刚好收获 其所需的流量，这样用户才能得到他们所需的室 内温度。目前，未经详细水力平衡计算与调试的 系统仍不在少数，而且如果能够正常交付，更会对 人们造成不便。但这也许是因为末端设备、水泵 或制冷主机容量偏大。一个明显的实例是—

设

计人员习惯性在图纸上标示的不是设备参数的计 算值，而是厂家样本上的选型值，它会比计算值 大。承包商将图纸上的选型值作为最低值来采购 (因为这往往是业主的要求），导致安装的设备又 会比图纸要求的大。设备就是这样被层层加码。 正确的做法是——

设计人员在图纸上直接标示计

算值，并且给出允许偏差。

设备选大了会增加投资成本，水力不平衡会 增加运营成本。所以我们必须对空调系统进行详

收稿日期：2()17-08-H)

细的水力平衡设计计算与调试。瑞典某公司研究 者提出了全面水力平衡的方案—

每根支路设置

一个静态平衡阀或一个压差平衡阀[llw如果按补 偿法调试得当，平衡阀的设置仅会使最不利回路 增加3kPa的阻力，因此，说它基本上不会对水泵 的能耗有任何影响s但这并不是水力平衡唯一的 方向，也不一定符合我国的现状。根据《民用建筑 供暖通风与空气调节设计规范M以下简称暖通设 计规范）第8.5.14条的规定：空调水系统布置和选 择管径时，应减少并联环路之间压力损失的相对 差额，当设计工况时并联环路之间压力损失的相 对差额超过15%时，应采取水力平衡措施

要进行全面的水力计算，将管路、附件、设备 及控制阀等阻力元件调配得_，以尽可能确保系 统自然的平衡，在必要的位置设置平衡阀，再根据

作者简介:刘幸宽，本科，1程师，主要从事民用建筑机电专业技术咨询顾问丨:作。

第U期刘幸宽:实用空调系统水力平衡计算方法

•

65

•

计算结果将实现平衡所需的要求清晰地标示在图 纸上，然后交由承包商按图施以最终实现较裔 性价比的系统，这进.是撰写本文的初衷。

下面将空调水系统分为末端设备支路、输配 智路和冷源侧3个部分*弁结合常用的一次泵定流 鼙I负荷侧变流量）系统与一Ife泵变流_ C负荷侧 与冷源侧均变流量）系统来阐述这种水力事衡的 计眞方.法。

1

阀门的特性做如下；

a.

等百分比特性的曲线在接近全开时将使流量（或 阻力）难以控制，而我们要使用的部分刚好是阀门 全开附近开度段的调节能力。

b.

找回其最隹开度》(为了节约成本，也可以改用其 它措施，如挂警示牌八

c.

开度-流量曲线应为直线特性或指数特

阀门宣带锁定功能。误操作将使阔门难

末端设备支路的水力平衡计算

应避免在最不利回路使用全开时阻力较

1.1准备工作

1) 流量计算

准确的流量计算是水力平衡设计的前提s — 般情况下，水流量应按式计算G ^ L163AT

⑴

式(1)中，G为计算管段的水流量（mVh) ;Q为计算

管段的空调负荷(kw)

为供國水温urc'h

但当设备选型偏大，比如我们设计了多个相 同型号的风机盘管，但并不是真的需要，而是为了 简化设计与施工时，对规格选大的风机盘管必须 按下列步骤计算其实际所需水流量：式（2)w计算 设备回水温度，最后根据式（1)即可计算出实际所 需流量。

_

(玄 nl :rl )(玄 cl 玄〗1 )

/l~i\\V

°2 — (QJQ,式(2)中，^为名义回水温度<°C)ul2为实际回水 温度C°C) ; &为名义进凤温度（°C ); 为实际进风

温度c °c)

为名义出凤温度（°c); ^为实际出风

温度为名义进水温度（ac);~为实际进水 温度（°c); Qi为名义制冷氧.aw); q2为实际所需 制冷量aw)。实际供回水温差二心-印。

2) 流具锔节阀门

我们建议于每个末-端设备的睛水管jt设翼一 个手动流量调节阀门，它的必要性基于以下两点：

a.

即使经过详细计算，各并联环路于设计流量

下的阻力损失差额符合规范要求不超过15%，但 实际安裝的设备、阀门及管道子设计流量下的压 力降不可能与设计要求完全相同，它的差值需要 有歸门来调节

b.

电动两通控制阀之流量系数选望值往往计算值要大，盈余的压力降要有阀门来分担5

显然，这里的争动流量调节阀门一般只需小 范围的调节„同时，为了能够准确调节，有必要对

的龜量辆节阀门（如在流速大费1.7m/s时，截此 阀的全开阻力将达到10kPa)i,因为这会増大水泵 的能耗^

根据GB 50015—2003《建筑给水排水设计规 范M2009版)第3.4.6-1条:用于给水管道上的阀

门，需调节流量、水S时，宜采用调节阀、截止阀。 但是我们不推荐手动调节阀，因为它的价格与手 动平衡阀接近，性价比不高《除截止阀外，根据需 要也可采用蝶阀、V形球阀来调节^1. 2 —次泵定齡馨(负荷侧变流系统

首先找出最不利支路并对其进行水力平衡计 算，因为其它支路的计算将以此为基础进行。如 图1所示（为方便分析，省略了部分管路、附件），

A-C-D，E-F-G-H均为输配管路，它们的阻力损 失包括a(DE段）、b(CF段）、c(BG段）为各末端设 备所:在的支路。

末端设备

图1

一次泵定流量系统

比•66 •

竭泠# f鵠

第17卷

1.2.1最不利支路的水力平衡计算

1)各支路设计流量下阻力损失的计算 每个支路的阻力损失包括设备、控制阀、管路 及其它附件的阻力损失，其中控制阀阻力损失的计算是关键Q

当支路的电动二通控制阀为开/关型时(如风 机盘管），首先根据管径选择控制阀，如果同管径 的控制阀有不同的流量系数，选择较大的，以使该 支路的阻力尽可能的小。再根据选定的流量系数 当支路a的控制阀为开/关型时，根据最不利 回路阻力损失选定的泵，在系统满负荷时，就会使 支路a刚好收获它的设计流量^在系统部分负荷 时，由于一次泵定流量系统恒定的是总供回水管 (如图中AH)之间的压差，随着流量的减少，根据 式(7)[4]。尨P〇=/?Q2 式(7)中，

(7)

为管路压力降(kPa);/?为管路阻抗；

Q为管路流量（m3/h)。输配管路的阻力很快下 及式(3)m计算控制阀于设计流量下的压力损失， 最后汇总支路上所有的阻力损失。

\\//IP V

式(3)中，Kv为阀门全开时的流量系数；Gs为通过 阀门的水流量(mVh ) ; AP v为阀门的设计压降(Pa)。

当支路的电动二通控制阀为比例积分微分型 (以下简称PID阀）时(如空气处理机组），因为阀权 度会影响PID阀调节的效果，所以必须首先确定阀 权度的取值。根据暖通设计规范9.2.5的规定，控制 阀的阀权度宜取0.3〜0.7。在计算支路的阻力损失 时，取阀权度为下限值0.3，因为阀权度越大，PID阀 的阻力损失就越大，支路的阻力损失就越大，如果其 位于最不利回路上，会增大水泵的能耗。以支路a 为例，假如设备压降APi为43.5kPa(参考特灵产品， 风量6 000m3/h，流量1.L/S)，附件及管路压力降 Z\\P2 为 lOkPa。

先根据式(4)[2]计算控制阀的阻力损失：

S^APy/AP

(4)式(4)中，S为阀权度;AP为控制阀所在串联回路 的总阻力损失（kPa);^Pv为控制阀于设计流量下 的阻力损失(kPa)。S = 0.3 :

AP,Z\\Pv + 43.5 + 10

(5)

Z\\Pa =

+ Z\\P2 + = 43.5 + 10 + 22.9 = 76.4

(6

)

由式（5)得/\\尸¥为22.9kPa，最后由式（6)得 出a路的阻力损失Z\\Pa为76.4kPa。

2)最不利支路的水力平衡计算

根据各支路的阻力计算结果，再加上相关输 配管路的阻力损失，即可找出最不利回路。假定 经计算最远端的支路a所在的回路为最不利回路 (A-B-C-D-E-F-G-H-A)，支路 a(DE 段）即为最不利支路。

降，使得作用在回路两端的压差增大。如图2水压 图中(实线为为满负荷状态，虚线为部分负荷状 态，高差为压力差），支路a的压差由DE增大到 D’E’S同样根据公式(7)，压差的增大，使支路a流 量增大，因此支路a在部分负荷时不会出现欠流量 的情况。

D

E

当支路a的控制阀为PID时，在系统部分负 荷时，支路a两端的压差增大，根据式(4)，其PID 阀的阀权度减少，PID阀的工作流量特性将会发生

畸变，当小于0.3时，原来的等百分比特性将畸变 为线性特性，PID阀对室温的调节将变得困难。此 时可以使回路a在最大压差时的阀权度为0.3,再 反推出满负荷时PID阀的阀权度。

如果此时阀权度不大于0.7,那它就是满足 PID阀调节性能要求下能使回路压力降最小的阀 权度S =0.3 :口

APr

Z\\Py + 43.5 + 10 + 90

(8)

由式(8)得Z\\PV为61.5kPa，以此计算满负荷 时S为0.53,小于0.7;根据式(9)计算PID阀于 最大开度下的流量系数Kv为7.52.

316X1.X3.6

=7.52(9)

a/61.5 X 1000

查匹配公司自控产品手册，没有Kv为7.52的

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•67

•

:产品，取为如果选偏大的_系数,会使系 统部分负荷时阀权度小于0.3);重新计算.PID阀的 实际阻力损失为87.7kPa;根据PID阀实际阻 力损失验算系统满负荷时的阀权度S为0.62,小 于0.75 S>0.7在支路a设羞压差平衡阀，计算支 路a的总阻力损失为141.2kPa;根据支路a及输配 管路的阻力损失计算水泵扬程，复核水泵扬程是 否符合《公共建筑节能设计标准》GB 501S9—2005 第4.3.9条的节能要求，如果不符合，在回路玨设 K

316X 1.X3.6

v-7107.7X 1000

(13)

316X 1.X3.6

--------------------6.3 =—

AP v

(14)

2) _支路1j的控制阀为PID时，计箕PID

于系统部分负荷下的阀权度，如果大f 0.3,计算 方法同_上> 如果阀权度小于0.3时，应设置压差平 衡阀6首先选择同管径的PID阀，查流量系数；根 据式(3>计算PID阀于设计薇鼙下的阻力损失；然 置压■平衡阀。

如果此时阀权度大于0.7,必须在支路a上设置 压差平衡阀，以控制HD阀的阀权度恒定不变。但 应注意，压差平衡阀应作用在PID阀的两端,而不是 作用在支路a的两端，这样，可使PID阀的阀权度达 到最大值,最有利宁室温的调节首先根据管径 选PID阀，如果相_管径有不同的流量系数，选较大 值根据式(3)计算PID阀于设计流鼙下的压力降; 将压差平衡阀(一般为20kPa)、PID阀及其它阻力损 失相加得到支路a总的阻力损失;根据总阻力损失 复核支路a所在的.p)路是否仍为'最不利回路，如果 出现最不利回路的转移，适当増加支路a的阻力损 失，保持其所在的回路仍为最不利回路。

1. 2. 2其他支路的水力平衡计算(以支路b为例）

首先根摒最不利支路的阻力损失，分别计算 支路b于系统满负荷、部分负荷下水泵作用在该 支路两端的压力差（以下简称资用压差>。如图1 中，如支路a为最不利支路EAPj 141.2kPa，且 .支路b与^束路.8有相同的:未端设备。ZLPb.:

+

二 1.4L2 + 20= 16.1.2

CIO)

AP^^AP^+AP^mi = 141.2 + 90 = 231.2

(11)

满负荷100%流量时，支路b的资用压差由式 (10)算得161.2kPa;部分负荷回路b达到最大资 用:压翁南.式（1:1):为231.2kPa。

1)

S支路b的控制両为开/关型时，只需考虑

其于系统满负荷时的平衡计算。首先由式（12)计算 设计流量时剩余资用压.差并将其分配给控制阀 APV为107.7kPa;根据式（13)计算计算控制阀的流 量系数Kv为5.67,查拖配公司自控产品手册，没有 么、为5.67的产品，.选Kv值大一些的产品如6.3;由' 式(14)计算控制阀的实际阻力损失为87.7kPa,最.后 得到手动瘪羞调节阀门需分担的阻力为20kPa。

二 APb —

= 161.2 — 43.5 — 10 = 107.7

(12)

后将剩余资用压差分配给压差平衡阀；如果剩余 资用压差小于压差平衡阀的最小阻力，计算其差 值并相应增加最不利支路的阻力损失后重新 计:算6

1. 3 —次泵变嘯.量系统

一次泵变流量系统（图3)的水力平衡计算与 其系统恒定压差的位置有关。一般情况下恒定崔 差的位置是最不利支路[s]，如d支路为最不利支 路，则恒定KL段的压差。但是当某支路在设计流 量下的压力损失大宁支路d，那么不管在该支路ii 采用何种平衡阀，部分负荷流鴦以下时，根据 式(5 )，此时，输配管路的阻力损失可以忽略不计。 因此！首先必须根据计算来确定恒定压差的位置。 各支路的阻力损失计算方法与一次泵定流量系统 相同6假如经过计算支路d为最不利支路。

，末端设备

L

N

〇

图3 _次栗变流厘系统

爾其他支路于设计流量时的阻力损失均不大 于支路d时，采用恒定支路d(KL段）两端压差的 控制方式。

•68 •

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第17卷

由图4知，部分负荷时，除支路d夕卜，其他支路 的资用压差都比满负荷时小。如果使各支路在系 统满负荷时刚好收获设计流量，那么部分负荷时 其不可能得到设计流量。反之，如果使其在系统 部分负荷时收获设计流量，那么在满负荷时部分 回路就会过流量，因总流量不变，过流量就会导致 其他回路欠流量。

^

计算其在最小资用压差时的流量偏差：当AP{ a - 1<15%(^P3为压差平衡阀的最

小阻力损失）时，说明通过在其支路上设置压差平 衡阀，其流量偏差可控制在允许范围，此时系统仍 可按0.1恒定最不利支路压差计算，但该部分支 路上应设置压差平衡阀。

A p~+ A p~

^Pi $

V

时，采用恒定支路f

K

图4 一次泵变流量系统水压图（恒定支路0压差）

因此，必须引人流量精度的概念，即允许一部 分支路过流量，和/或一部分支路欠流量，并将流 量偏差控制在可以接受的范围。如果不能控制在 偏差范围内时，在该支路设置压差平衡阀。因末 端设备流量与散热量的非线性关系，供冷时*_水 流量的偏差为± 20%时，室内温度的控制偏差为 ±0.5K[1]、显然这是一个可以接受的偏差。考虑 到支路上手动调节阀门的精度有限，水流量的允 许偏差设为±15%。

找出流量偏差在允许范围内的支路。假定图 3中支路d与支路e之间的所有支路，在系统满负 荷时刚好收获设计流量，而在部分负荷20%流量 以下时，欠流童不大于15%，即支路e此时的流量 偏差为15%,如Z\\Pd为76.4 kPa，则按照式 (15)计算；系统部分负荷时，支路e的最小资用压 差/^、取 Z\\Pd值为 76.4 kPa。Z\\iV二 76.4kPa + Z\\PIK+LM (15)1 -76.4

v 76.4 + Z\\PjK+l,m

0.15

(16)

根据式(16)流量与阻力损失的比例关系计算

为29.3kPa，范围内的所有支路流量偏

差可接受，

支路e与支路g之间的所有支路流量偏差大 于15%，需要分别设置压差平衡阀，相关计算步骤 同前文所述。

当有部分支路于设计流量时的阻力损失大于 支路d时，找出最大阻力损失的支路(如为支路

两端(IN段）压差的控制方式，此时的水压如图5 所示，1)计算系统满负荷时支路f两端的资用压 差，与设计流量下支路f的阻力损失比较，并将剩 余的资用压差分配给控制阀，使支路f在满负荷时 刚好收获设计流量_ 2)对于支路f与最远端支路 d之间的支路，如同支路f那样将剩余资用压差分 配给控制阀。根据图5,在部分负荷时，这些支路 两端的资用压差增大，不会出现欠流量情况。但 资用压差的增大会使PID阀的阀权度减少，故需 复核它们在最大资用压差下的阀权度，如果S<0.3,在该支路上设置压差平衡阀p

图5 —次泵变流量系统水压侧（恒定支路0压差）

2输配管路上平衡阀的设置

1) 因重要性及调节便利性的考量，干管、及支干管宜根据需要设置静态平衡阀，如集水器 的回水管上。

2)

如果需配置压差平衡阀的支路较多，这支回路划分为若干模块，每个模块上设一个总 的压差平衡阀，以减少平衡阀的数量（图6)。可以 在支干管③的总回水管上设置一个压差平衡阀， 以取代其内部的3个压差平衡阀；在支干管②的总 回水管上也有可能设置一个压差平衡阀，以取代 其内部的2个压差平衡阀。

3)

当相同型号的多个末端并联，并且各并联

回路的阻力损失差额不大于15%时，宜设一个总 的静态平衡阀，只需调节一个平衡阀至所需的流

立

可

第U期刘幸宽:实用空调系统水力平衡计算方法

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阀权度，如果超出规范要求（〇.3~0.7)，则需设置 压差乎衡阀；或者虽然阀权度合适.但不满足国家 规范关于水泵的节能要求，也需设費压差平衡阀；3)对宁其它支路,需先根据最不利支路计算其资 用压与该支路在设计流董下的压力损失相比 较，将剩余压差分配给控制阀与手动流暈调节阀 门^当该支路为:PID阀时,g验算其在满负荷与 部分负荷下的阀权度，如果超出规范要求，则邊设 量即可,s

3

冷源侧平衡阀的设置

1)

多台并联的定流量冷水和冷却水循环为防止在水泵台数减少时电机过载，宜设置自动流量乎衡阀[5]。

2)

对于一次泵变流量系统当采用大小机配时,虽然宜选用设计流鸶下水压降相同或相近 的机组《^但实际上很难办到，此时应在低阻力 主机的支路串联一个静态平衡阀，以实现满负荷 状态下的水力平衡。部分负荷时，因主机阻力特 性与平衡阀阻力特性的不茼，流量并不一定按比 例_在太小主:机之间分配。不过，这并不特规重:要》 因为大小主机的流.量分配不一致并不会影响可变 流量:主机的i常1作p]。

4

在图纸上标示水力平衡的设计要求

将水力平衡设计计算的结果，如设备的水流 貴、阻力损失、流貴系数等标示在图纸i

是确保

系统:^终实现水力平衡最重要的工作之一，因为 承包商的主要:工作不是深化设计而是按图纸要求 施工s另外因实际产品的参数各异，应给出一定 的允许偏差范围。

5

结束语

综上所述，这种实用水力平衡的设计计算方 :法主要步骤如下：

財于一次泵定觀量C负荷侧变流麗)系统：1) 首先根据计算找出最不利支路。计算中对于采用

PID阀的支路，使阀权度等于0,3;2)如果最不利支 路采用PID阀，分别计算其部分负荷与满负荷下的

置压叢平衡阀。

对于一次泵变流暈系统：1)首先通过计算确 定恒定压差的位置;2)如果采用恒定最不利支路 的压差，因为部分负荷下各支路的资用压差减少， 所以需要设定允许的流量偏差，当支路的流量偏

.

差大乎15 %，应设置压差平衡阀;3)如果采用桓定

最大设计,压力损失支路的压差， 可将所有支路分

为两部分：对宁恒定压差的支路与最远端支路之 间的所有.支路，.适用¥—次泵定流鼙系统的平街 计算方法;对于剩余近端回路，则适甩恒定最不利 支路ffi差的平衡计算方法。

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