风量平衡阀的应用探讨

      1 引言
        工程上，在通风空调系统风管路中，为了保证每一分支管的送排风量能够达到或接近所要求的设计值，通常在进行风管路设计时要进行水力平衡的校核计算，一般当相临的两分支管间水力压头损失之差在15%以内，则认为它们之间基本达到了水力平衡，也即认为这时这两个支管的送排风量能够满足设计要求。
        实际工程中由于受诸多因素的影响如风口布置、安装空间、装修要求等，管路设计时往往难以做到各支管间的水力平衡。为此，通常要在各分支管上设置调节阀来调节风量，使其满足设计要求。换句话说就是依靠调节阀来改变管道的阻力损失，使系统各分支管间达到水力平衡，维持设计要求的送排风量。

                                                  图 1
        用单个调节阀进行风量调节很容易，但一个风系统有多个分支管路时，每一分支管用人工通过调节阀来调节风量并使其达到设计要求就比较困难。这个系统的分支管越多，则风量的调节就越困难。通常设计者虽然在支管上设置了调节阀，但调试者却往往难以使用调节阀去全面认真地进行风量调节。因为根据流体力学的原理，在一个通风系统中，各分支管的阻力特性会随着其中某一支管阻力特性的改变而改变。比如我们将某一支管的风量调节到设计值而接着又去调节另一支管的风量，就会发现当我们将该支管的风量调节到设计值而先前调节好的那一支管的风量又偏离了设计值，如果再接着调节第三、第四个支管，则上述情况还将重现。因此为了达到设计要求，用一般的调节阀，我们将不得不反复调整。这时若系统较小且要求精度不高，还有可能完成调试。若是系统大而要求又较高时，则系统的调试将是极其困难的，实际中很难全面完成。这就产生一个系统调试的问题。
        2 风量平衡阀的性能特点
        针对以上系统调试的问题，工程应用中出现了一种风量平衡阀（也称定风量调节阀）。该风量平衡阀是一种机械式自力装置，适用于定风量的管道系统中。
        该产品对风量的控制不需要外加动力，它依靠气流力来定位轴承上的控制阀片位置，从而在整个压力差（50Pa-1000Pa）内将气流保持在预先设定的流量上（流量最大不超过6000m3/h）。其工作原理是作用在控制阀片上的气动闭合力被充气的气囊增强，而气囊又起着振荡阻尼作用。经过匹配标定过的弹簧产生一个对抗关闭的力（见图1）弹簧片由凸轮调节，使得在压力差Pa变化时，自动调整控制阀片的角度，将流量恒定在很小的误差范围（4%）内。设定流量可不用任何工具直接利用带指针的外置刻度盘准确的进行。当系统中压力发生变化，例如某一支路的开启、断开或阀门调节时，若采用的是一般的调节阀，则整个系统其它分支管中的流量都会发生变化，而安装了风量平衡阀就不受影响。
        3 产品测试
        2000年6月国家空调设备质量监督检验中心对风量平衡阀做了专项质量检验，检验项目之一是改变阀体前后压差下的实际风量。在风管压力50-1000Pa范围内进行检测，测量结果摘录见表一、表二。

        从测量结果看，风量平衡阀在风管压力变化时，流过它的风量改变很小（<4%）。说明它具有很好的稳定风量的作用。
        4 工程实例
        （1）某五星级酒店23层设有豪华商务套房12套、总统套房4套。设置二个独立的空调新风系统，每个系统总送新风量4000m3/h，设有8路支管（图2），其中6路支管负担商务套房，另2路支管负担总统套房，每1支管新风量见图2。每间套房对室内空气品质和新风量都有很高要求，为确保每间套房的新风量都能达到设计要求，就要解决好各新风支管间的风量平衡问题，这就要求各新风支管的送风量是相对稳定的，因此在8路支管上均各设置了一个风量平衡阀。见图2。

        风量平衡阀需要在一定的压差下才能正常工作。图2中新风机组风压为330Pa，计算得最不利环路1-2管段阻力198Pa，风量平衡阀工作压差不低于50Pa，2-3管段阻力53Pa，则克服管道总阻力所需要的风机压头为H=（178+50+53）x115=323Pa<330Pa。
        计算结果说明风机压头能满足送风要求，也能保证风量平衡阀可以正常工作。这时只要将风量平衡阀外部的刻度盘指针设定在要求的风量值上，就可确保该支管的送风量满足设计要求，误差不会超过4%。由于8路支管上均设置了风量平衡阀，只要分别将其外部的刻度盘指针设定在要求的风量值上，就可确保各支管的送风量满足设计要求。整个系统也就一次自动调试完毕。而且，今后系统在运行中，无论哪一支管发生变化，它都会自动平衡其它支管的风量，维持送风的稳定，确保整个系统高效可靠的运行。
        可见，风量平衡阀实际上可以作为一种空调通风系统管路间的水力自动平衡装置来使用。
        （2）某生物安全实验室净化空调系统，送风采用初、中和高效三级过滤器过滤空气，以满足实验室的洁净要求。排风则采用B类高效过滤器过滤室内污染空气。由于过滤器阻力会随着使用时间的增加而增加，尤其是高效过滤器，阻力损失大，其初阻和终阻的差值也大，故其阻力变化对管路的水力特性影响很大，常会因其阻力增加而导致系统送排风量的减少。这将会造成如下后果：一是送风量减少破坏了实验室要求的气流组织，并使实验室的换气量达不到设计要求，而影响实验室的使用。二是排风量减少，可能低于送风量，使得实验室的负压丧失，而使实验室失去了安全隔离的作用。为了解决以上问题，本工程在送排风管路分别设置了一个风量平衡阀。其工作原理是，当过滤器阻力增加时，管路风量减少，压力下降，促使定风量平衡阀内的气囊收缩，阀片开度增大，阀门阻力减少，进而使管路压力上升，风量增加，这就保证了系统送排风量并不因过滤器阻力的增加而减少，从而维持了风量的基本恒定，确保了生物安全实验室的正常功能和运转。由于其无需外力，无电控系统，因而运行十分简便可靠。当然，若过滤器阻力的增加超过风量平衡阀的补偿范围，则应考虑更换过滤器。
        5 结束语
        综上所述，可以看出风量平衡阀（也称定风量调节阀）是一种十分有效的管路水力自动平衡装置，它不仅可以确保设计风量的实现，而且大大提高了工作效率。解决了以往依靠人工调整空调通风系统风量很难完成，又费时费力的问题。由于其可适时自动平衡风量，风机的选型上可以做到更加匹配，避免或减少了因风机匹配不当造成的额外动力消耗，降低了空调通风系统的能耗和运行费用。另外，它还是一种不需要外加动力的机械式自力装置，相较于电动调节阀，它不消耗电力，无运动部件，因而节能、可靠，寿命长。而且由于没有电动调节阀复杂的控制系统，设计、安装、控制、维护均十分简单，相信它将会在空调通风系统中得到越来越广泛的应用。