智能閥門在BA系統(tǒng)工程中的應(yīng)用

沈 曄, 王 枬

(1.同濟(jì)大學(xué), 上海 200092;2.瑞士搏力謀執(zhí)行器有限公司, 上海 201108)

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智能閥門在BA系統(tǒng)工程中的應(yīng)用

沈 曄1, 王 枬2

(1.同濟(jì)大學(xué), 上海 200092;2.瑞士搏力謀執(zhí)行器有限公司, 上海 201108)

介紹了智能閥門在BA系統(tǒng)工程中的應(yīng)用，電子式的智能控制閥門在壓力無關(guān)型流量控制的基礎(chǔ)上,對暖通末端設(shè)備,如表冷器的控制,提出了新的解決方案,提高了控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,將使暖通設(shè)施末端變?yōu)閿?shù)字化末端。

智能閥門; BA系統(tǒng); 節(jié)能運(yùn)行; 電子式壓力無關(guān)型調(diào)節(jié)閥

沈 曄(1964—),男,教授,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑⑿@信息化。

0 引 言

樓宇自控工程中,對表冷器的控制,往往不能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地對其運(yùn)行進(jìn)行操控。原因是對表冷器的工作特性理解不足,普通閥門對表冷器運(yùn)行進(jìn)行完全掌控的能力有限。如果通過智能型的表冷器控制閥門,在表冷器的水量、熱交換量上形成局部的閉環(huán)控制,給出自控控制信號、表冷器熱交換量之間的局部解決方案,從而搭建自控控制信號與表冷器熱交換量、設(shè)計(jì)參數(shù)之間的橋梁,對表冷器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制,將表冷器的運(yùn)行控制提升到量化控制的層級,避免水力工況對暖通自控效果的影響[1-2]。

暖通末端在動(dòng)態(tài)運(yùn)行的環(huán)境下,表冷器的熱交換量受迎風(fēng)面空氣參數(shù)、流經(jīng)表冷器的水流量(質(zhì)量流量)、表冷器進(jìn)出口水溫差的影響,其中水流量變化對某時(shí)刻的熱交換量有很大的影響。因此,如果穩(wěn)定控制表冷器的熱交換量,則閥門至少要能穩(wěn)定地控制通過表冷器的水流量。自控系統(tǒng)對于閥門開度的穩(wěn)定控制,例如把閥門的控制延伸到流量的控制,已經(jīng)有很多的實(shí)現(xiàn)方案,其中比較直接的是壓力無關(guān)型流量控制閥。

1 電子式壓力無關(guān)型控制閥

目前,壓力無關(guān)型流量控制閥主要是機(jī)械式,少部分采用電子式。機(jī)械式壓力無關(guān)型流量控制閥也稱為動(dòng)態(tài)流量平衡閥,即為空調(diào)末端(一般是表冷器)提供一種流量與閥門兩端壓力變化無關(guān)的,只與閥門開度相關(guān)聯(lián)的控制閥門。機(jī)械式動(dòng)態(tài)流量平衡閥在實(shí)際應(yīng)用中受限于機(jī)械結(jié)構(gòu),相對于普通的控制閥門,在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中改善流量控制的效果,但對使用環(huán)境、條件、水質(zhì)都有較嚴(yán)格的要求,對閥門前后的壓力要求、水質(zhì)和水的流態(tài)上都有要求。因采用自力式的機(jī)械結(jié)構(gòu),閥門前后必須有一定的壓力差來提供工作的動(dòng)力,機(jī)械補(bǔ)償裝置才能正常工作,如果壓力達(dá)不到要求,機(jī)械穩(wěn)壓裝置則不能正常工作,甚至完全失去作用,所以需要有關(guān)鍵部件(壓力穩(wěn)定裝置)。這意味著暖通設(shè)計(jì)必須考慮水泵,應(yīng)為其提供足夠的壓頭。隨著測控技術(shù)的發(fā)展,電子式壓力無關(guān)型流量控制閥基于測流量、控流量原理,不再需要自力式機(jī)械穩(wěn)定裝置,體現(xiàn)在末端流量控制上,出現(xiàn)了在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上優(yōu)于機(jī)械式的產(chǎn)品。同時(shí),電子式壓力無關(guān)型流量控制閥因其本身的控制器,可以構(gòu)成局部反饋控制,并針對末端設(shè)備特點(diǎn)實(shí)行優(yōu)化控制,使表冷器得以有效控制[3]。

電子式壓力無關(guān)型控制閥是在測流量的基礎(chǔ)上采用控流量方式,更直接、簡單。在從控制信號到結(jié)果的過程中,機(jī)械式壓力無關(guān)型流量控制閥以控制信號決定開度,用壓力穩(wěn)定裝置穩(wěn)定控制閥門兩端的壓力,流量與開度呈對應(yīng)的關(guān)系;電子式壓力無關(guān)型流量控制閥直接以控制信號決定流量,流量與閥門兩端壓差及閥門開度沒有對應(yīng)關(guān)系,由于省略了機(jī)械穩(wěn)壓裝置,降低了對使用環(huán)境的要求,不要求提供足夠的壓力差,降低了對水質(zhì)的要求,并在全部產(chǎn)品口徑范圍、全量程范圍提供幾乎一致的精度。控制閥性能對比如表1所示。

表1 控制閥性能對比

電子式壓力無關(guān)型控制閥在末端基本的控制需求上能更好地滿足控制需要,性能更加穩(wěn)定,對設(shè)計(jì)、安裝及現(xiàn)場工況的要求也更少,實(shí)現(xiàn)了為空調(diào)末端(一般是表冷器)提供流量與閥門兩端壓力變化無關(guān)的控制閥門。

電子式壓力無關(guān)型控制閥在過閥流量的測量方式上也有不同的方式,分為估算和測量兩種,其中采用流量計(jì)實(shí)際測量的方式更嚴(yán)謹(jǐn),適用范圍更廣。估算方式的產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)是成本比較低,口徑可以做得比較大,但不能全程保證精度,這是因產(chǎn)品預(yù)置了閥門開度、壓差和流量的對應(yīng)數(shù)值,但預(yù)置數(shù)值是在試驗(yàn)條件下測量的,而閥門安裝后的工作條件很難與試驗(yàn)條件匹配,現(xiàn)場流態(tài)會(huì)給數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)帶來不利。另外,估算通過內(nèi)置經(jīng)驗(yàn)公式,以當(dāng)時(shí)的壓力值配合開度值進(jìn)行計(jì)算,但得出的流量數(shù)值更為粗疏,原因是作為流量測量元件,其對流道形式、流態(tài)要求十分嚴(yán)格,閥門達(dá)不到測量用節(jié)流元件的要求。直接采用流量計(jì)的產(chǎn)品,在準(zhǔn)確程度上有優(yōu)勢,但口徑不能做很大,只有DN150產(chǎn)品。

歐洲廠家多采用直接測量方式,如瑞士搏力謀執(zhí)行器有限公司的電子式壓力無關(guān)型控制閥ePIV系列及在其基礎(chǔ)上發(fā)展的能量閥系列,在DN15～DN150所有口徑產(chǎn)品上均采用了穩(wěn)定性好、精度較高的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)來測量過閥流量,其現(xiàn)場適應(yīng)性好,對環(huán)境條件幾乎沒有要求。同期有此類產(chǎn)品的亞洲廠家及美國廠家沒有采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)方式,因此為保證測量精度,對安裝和使用環(huán)境有較嚴(yán)格的要求。

直接測量方式下由流量計(jì)準(zhǔn)確測得當(dāng)前實(shí)際的過閥流量,流量數(shù)值與控制要求相比較,得出的偏差信號去控制閥門,改變流量。電子式壓力無關(guān)型控制閥具有控制器及控制邏輯,對于過閥流量測、控、測閉環(huán)控制環(huán)路,有針對性的優(yōu)化控制邏輯及程序。

BA采用壓力無關(guān)型流量控制閥時(shí)的控制對象如圖1所示。

圖1 BA采用壓力無關(guān)型流量控制閥時(shí)的控制對象

由圖1可以看到,流量計(jì)測量實(shí)際過閥流量,并指揮控制閥達(dá)到需求流量,控制過程穩(wěn)定、可靠,實(shí)現(xiàn)了控制意圖,即溫度偏差信號直接決定流經(jīng)表冷器的水流量。相對于通常的動(dòng)態(tài)流量平衡閥/機(jī)械式壓力無關(guān)型控制閥,減少了穩(wěn)定壓力中間環(huán)節(jié),提高了穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性,降低了對使用條件的要求。

2 智能閥門的功能特點(diǎn)

通常壓力無關(guān)型控制閥或動(dòng)態(tài)流量平衡閥根據(jù)其口徑有不同的額定流量,該額定流量在閥門選型時(shí)不可能與設(shè)計(jì)參數(shù)中的流量值完全相等。這種情況下,為滿足設(shè)計(jì)要求,選用控制閥的額定流量,往往所選的閥門口徑比較大,這樣閥門在100%開度時(shí)其流量必然會(huì)超出表冷器的設(shè)計(jì)流量，對自控系統(tǒng)無影響,但局部過流對暖通水的輸送有一定的影響。電子式壓力無關(guān)型控制閥最大流量可重新設(shè)定,如瑞士搏力謀執(zhí)行器有限公司的產(chǎn)品可以在額定流量的45%～100%區(qū)間內(nèi)設(shè)定,即暖通自控依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對表冷器進(jìn)行控制。自控信號的0～100%等百分比曲線是流量-開度對數(shù)曲線,曲線的每一點(diǎn)都由計(jì)算得出,即在最大流量已知的條件下,根據(jù)確定的公式計(jì)算出每開度下的流量值。開度指的是控制信號值,直接以控制信號的幅值代替閥門機(jī)械的開度值。機(jī)械式閥門缺乏直接對應(yīng)的能力,必須增加中間環(huán)節(jié),即給出最大流量,依據(jù)公式計(jì)算出每開度點(diǎn)的流量值,再計(jì)算出閥門的開度(過流截面積)。機(jī)械式動(dòng)態(tài)流量平衡閥只是在普通機(jī)械閥門上加上壓力穩(wěn)定裝置,流量的調(diào)節(jié)及流量特性還依靠閥門的開度及流道形狀。

智能閥門的最大流量直接設(shè)置成表冷器的設(shè)計(jì)流量,自控給出的0～100%信號即是全程等百分比曲線,沒有過流,有利于水力工況。單表冷器的工況轉(zhuǎn)換,按夏季工況選用的盤管,電子式壓力無關(guān)型閥門可以按設(shè)計(jì)流量設(shè)定其最大流量;冬季運(yùn)行時(shí),通過自控系統(tǒng)的冬夏季轉(zhuǎn)換,所有電子式壓力無關(guān)型控制閥瞬間可以把最大流量設(shè)置成冬季工況下的設(shè)計(jì)流量。在這種情況下,已無必要采用雙表冷器,電子式壓力無關(guān)型控制閥在控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過配用普通閥門或機(jī)械式動(dòng)態(tài)平衡閥的雙表冷器機(jī)組,提升了控制效果,而且大大降低了建設(shè)成本。

對于按設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定表冷器的最大流量,還能避免在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的過流?？刂破骺刂菩盘柕?00%對應(yīng)的是設(shè)計(jì)參數(shù)中針對區(qū)域負(fù)荷需求所給出的流量,如閥門的最大流量(或額定流量)超出該流量設(shè)計(jì)值,可能超過該區(qū)域的設(shè)計(jì)流量,造成過流,從而導(dǎo)致其他部位欠流。這在控制上是高概率事件,因?yàn)樵诳刂粕先绻休^大的溫度偏離或擾動(dòng),即使在實(shí)際負(fù)荷較輕的情況下,為盡快達(dá)到目標(biāo)參數(shù),被控局部也可能以大開度進(jìn)行糾正,而電子式閥門以設(shè)計(jì)參數(shù)為最大可調(diào)節(jié)量,從而避免過流。

3 數(shù)字化表冷器的實(shí)現(xiàn)

電子式壓力無關(guān)型控制閥加入了溫度測量功能,成為能量控制閥,亦在電子式壓力無關(guān)型控制閥的基礎(chǔ)上具有表冷器的換熱量測量、計(jì)量功能及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信功能,將表冷器轉(zhuǎn)化為數(shù)字化表冷器。在表冷器的設(shè)計(jì)能力范圍內(nèi),能量閥可以將表冷器的換熱能力進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確的線性化,即表冷器的熱交換量與控制信號呈線性關(guān)系。

在傳統(tǒng)閥門控制方式下,采用等百分比特性閥門補(bǔ)償了表冷器的熱交換特性,便于適合控制。流量與閥門開度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 流量與閥門開度的關(guān)系

在閥門的流量特性曲線固定的情況下,無論實(shí)際工況下流量是否符合理論曲線,表冷器的熱交換量特性曲線都無法成為直線,重要的原因是表冷器的工作參數(shù)在變化,而閥門特性曲線是固定的,故表冷器特性曲線只是從上方向直線趨近,但趨近程度受諸多因素影響。尤其是當(dāng)閥門選得比較大時(shí),以普通閥門控制表冷器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振蕩的情況。壓力無關(guān)型流量控制閥對流量控制的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性有改善,但對表冷器的控制還需要引入進(jìn)出水的溫差參數(shù)。能量閥對表冷器完整的控制過程如圖3所示。

溫差數(shù)據(jù)的加入,使得表冷器的運(yùn)行狀況容易以量化的方式表現(xiàn),即在表冷器運(yùn)行時(shí),表冷器熱交換的實(shí)際功率可以用水側(cè)參數(shù)計(jì)算出,以便控制表冷器的水流量,使其功率趨近且最終等于控制需求。這就是自控控制的0～100%信號直接控制表冷器熱交換量。

圖3 能量閥對表冷器完整的控制過程

相對于電子式壓力無關(guān)型控制閥,能量閥的功能更強(qiáng)大,除了可以設(shè)定且控制表冷器的最大水流量、熱交換量,還可以將表冷器數(shù)字化,成為數(shù)字式表冷器,即表冷器幾乎所有的運(yùn)行參數(shù)都可通過能量閥的數(shù)據(jù)通信功能接入BA/BMS系統(tǒng),如表冷器的瞬時(shí)熱交換量(功率)、瞬時(shí)水量,而且還具有冷量、熱量等計(jì)量功能。能量閥本身形成局部的閉環(huán)控制系統(tǒng),并搭載溫差控制功能,可以監(jiān)測表冷器的進(jìn)出口水溫,并在進(jìn)出口水溫低于設(shè)定值時(shí)調(diào)節(jié)過閥流量,把水溫差控制在要求值之上,該值根據(jù)要求設(shè)定且可更改,可以通過BA系統(tǒng)或手操器打開或關(guān)閉。

數(shù)字化表冷器(能量閥+表冷器)已經(jīng)是完全的智能化末端,受控程度高,具有物聯(lián)網(wǎng)功能。能量閥的通信功能具有多種主流通信協(xié)議,可以方便地連入樓宇自控系統(tǒng)。

能量閥可以提供幾乎所有的表冷器運(yùn)行參數(shù),供自控系統(tǒng)使用。這些參數(shù)除了直接供自控系統(tǒng)調(diào)用、控制之外,還同時(shí)在內(nèi)部控制器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,自動(dòng)生成各種數(shù)據(jù)的趨勢記錄。這些趨勢記錄可以方便地導(dǎo)出,供運(yùn)行管理者分析、使用,其中冷/熱量表功能更是建筑能耗管理的有力工具。

能量閥內(nèi)置Web Server,自帶顯示、操作圖形界面。該功能使能量閥可以直接連接到網(wǎng)絡(luò),無需通過BA系統(tǒng),可在遠(yuǎn)端查看及控制能量閥的各項(xiàng)參數(shù),方便地配合當(dāng)前的IOT和云計(jì)算應(yīng)用。

4 結(jié) 語

電子式壓力無關(guān)型控制閥以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展的能量閥,是當(dāng)前在表冷器運(yùn)行控制上的最穩(wěn)定、可靠的自控執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以提高自控系統(tǒng)的性能,便于能耗管理。這類產(chǎn)品無縫銜接了現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制系統(tǒng)的控制信號,使自控系統(tǒng)可以直接、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制現(xiàn)場設(shè)備,且包容水力工況及參數(shù)偏離。

在未來的暖通自控發(fā)展過程中,電子式智能型末端控制閥會(huì)逐漸占更大的比重。尤其在對能源管控有所要求的項(xiàng)目中,量化控制表冷器的運(yùn)行對于整個(gè)系統(tǒng)的能耗管理有著重要的實(shí)用意義,而智能末端閥門是最佳選擇。

[1] 沈曄.樓宇自動(dòng)化技術(shù)與工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2] 程大章.智能建筑樓宇自控系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 程大章.智能建筑理論與工程實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

Application of Intelligent Valve in BA System Engineering

SHEN Ye1, WANG Nan2

[1.Tongji University, Shanghai 200092, China;2.BELIMO Actuators(Shanghai) Trading Co., Ltd., Shanghai 201108, China]

The application of intelligent valve in building automation(BA) system engineering was introduced.Based on the pressure independent flow control,this paper proposed a new solution of heating ventilation and air conditioning(HVAC) end device,such as surface air cooler.It improves the stability and accuracy of control.The electronic intelligent valve makes the end of HVAC facility transform into a digital end.

intelligent valve; building automation(BA) system; energy-saving operation; electronic pressure independent regulating valve

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0044-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.010

2016-06-28

王 枬(1966—),男,工程師,從事建筑節(jié)能控制工作。