智能阀门在BA系统工程中的应用

作者：沈晔，同济大学；王枬，瑞士搏力谋执行器有限公司

摘要：随着暖通空调末端对控制稳定性、准确性及节能运行的要求在不断提高，普通阀门在BA系统工程中越来越难以满足控制性能的需求。在电子化、信息化高度发达的现代社会中，出现了电子式的智能化控制阀门。在压力无关型流量控制的基础上，对暖通末端设备，如表冷器的控制，提出了新的解决方案。尤其是在控制的稳定性和节能方面。电子式的智能化控制阀门的目的是将暖通末端变为数字化末端。

关键词：智能阀门；楼宇自控；节能运行；表冷器；压力无关型流量控制；电子式压力无关型调节阀；

1.     传统阀门在暖通工程中的缺陷

在通常的楼宇自控工程中，对于表冷器的控制，一直是自控专业的短板，不能够像控制其它设备一样游刃有余地、稳定准确地对其运行进行操控。究其原因，首先便是自控专业对表冷器工作特性理解的不足，其次是普通阀门对表冷器运行进行完全掌控的能力十分有限。我们试图通过智能型的表冷器控制阀门，在表冷器的水量-热交换量问题上形成一个局部的闭环控制，给出自控控制信号-表冷器热交换量之间这一局部问题的解决方案，从而搭建起自控控制信号与表冷器热交换量、设计参数之间的桥梁，使得自控专业可以十分容易地对表冷器的实际运行进行稳定的、准确的控制，并能在此基础上，将表冷器的运行控制提升到量化控制的层级。我们的目标是将水利工况对暖通自控效果的影响根除。自控可以使用暖通设备的设计参数，以量化的程度，稳定地根据部分负荷的需求变化，稳定、准确地控制表冷器的热交换量及水量，杜绝大流量小温差，提高能效比。

通常来讲，自控工程师在控制表冷器运行的时候，受限于专业视角的差异，并不深入探究表冷器自身的工作状况，只是把实际温度采样值（或温湿度）与设定值做比较，以偏差作为控制逻辑的输入去控制阀门的开度。只在极少情况下，如工业高精度要求的工艺空调控制，自控工程师可能会考虑在表冷器后部加装温度传感器，以增加参考参数，提高控制精度、改善控制的稳定程度，这种方式依然没有从本质上涉及到表冷器的热交换量的量化控制。在表冷器进出水口加装水温度传感器、水流量传感器属于十分罕见，且其目的多是解决温差问题及能耗管理，依然并不以了解、控制表冷器工作状况为主要目的。如果考虑到温度代表着分子的热运动的剧烈程度，表冷器即是在暖通工艺上控制分子平动动能增加减少的直接设备（参见图1），量化表冷器的热交换量对于从根本上准确稳定地控制温度有着十分重要的意义。

自控工程师在控制思维上普遍以阀门为目标设备，以条件参数控制阀门的开度，很少关心阀门开度改变之后，流量跟随响应程度、表冷器热交换量跟随响应程度、以及水力状况上的参数如阀门两端压差、表冷器进出口水温度对整个控制的影响情况。普遍上自控工程师都是以阀门的开度为控制目的，而不是把阀门作为一个工具去控制表冷器的热交换量。某些少数情况下，尽管自控工程师能够表述出这个控制过程是以阀门为控制工具去控制表冷器的热交换量，也无法确切给出解释出这一控制过程的是如何进行的，更无法给出确定的、量化的表冷器热交换量控制方式，也无法将表冷器的热交换量控制数据与设计参数关联起来。

图1. 理想的BA控制对象

以阀门开度为最终控制目标设备的情况下，实际上是理想化了其它参数（如阀门两端压力差、表冷器进出口水温）对表冷器热交换量的影响。没有从根本上掌控住表冷器热的交换量，尤其是在动态运行的工况下，影响表冷器热交换量的直接因素不是控制阀门的开度而是水量及进出口的水温差。暖通末端在动态运行的环境下，表冷器的热交换量受迎风面空气参数、流经表冷器的水流量（质量流量）、表冷器进出口水温差影响，其中水的流量变化又对某一时刻的热交换量存在着很大的影响。因此，如果希望稳定控制住表冷器的热交换量，则阀门至少要能稳定地控制住通过表冷器的水流量，而自控系统对于阀门开度的稳定控制，显然是没有可靠地达到这一要求的（图2）。如何把阀门的控制延伸到流量的控制，已经有很多的理论及手段，其目的无外乎希望能够稳定、准确地控制住这个流量。其中比较直接的是压力无关型流量控制阀，随着对运行效果希望的提高，此类阀门也一直有所发展。

图2. 实际中BA的控制对象

2.       电子式压力无关型调节阀

目前压力无关型流量控制阀主要是机械式，很小一部分采用电子式。机械式的压力无关型流量控制阀也被称为动态流量平衡阀，其概念十分明确，即：为空调末端（一般是表冷器）提供一种流量与阀门两端压力变化无关的、只和阀门开度相关联的控制阀门。机械式动态流量平衡阀在理论层面是理想的，但在实际应用当中，受限于机械结构，是很难达令人满意地到这一目标的。相对于普通的控制阀门，只能说在动态运行中流量控制的效果上有所改善，但此类阀门对使用环境、条件、水质，都有较为严格的要求。体现在其正常工作时对阀门前后的压力要求、水质和水的流态上，尤其是对阀门前后的压力有所要求。做为其关键部件压力稳定装置，因为是自力式的机械部件，一定压力差是其工作的动力来源，阀门前后必须要达到一定的压力差，机械补偿装置才能正常工作，如果压力达不到，机械稳压装置则不能正常工作甚至完全失去作用。这意味着这个动力来自水泵，暖通设计过程中必须考虑到为其提供足够的压头。随着测控技术的发展，电子式的压力无关型流量控制阀，其“测流量-控流量“的原理，不再需要自力式机械稳定装置，逐渐体现出了在末端流量控制上的优势，在稳定性和准确性上已经出现了性能优于机械式的产品。同时，电子式压力无关型流量控制阀借助于其本身的控制器，可以搭载机械式无法实现的局部问题解决方案，就末端设备控制的特点给予针对性的优化控制，趋向于表冷器控制的完美解决方案。

电子式的压力无关型控制阀，采取的是“先测流量，在测量的基础上控流量”方式，这与机械式“维持控制阀两端压力恒定，以阀门开度决定流量”方式有根本的不同，更为直接及简单。在从控制信号到结果这一过程中，机械式以控制信号决定开度，用压力稳定装置稳定控制阀门两端的压力很定，藉此希望流量与开度呈相对应的关系；而电子式则是直接以控制信号决定流量，流量与阀门两端压差及阀门的机械开度完全没有机械式的那种对应关系。由于省略了机械稳压装置，由机械稳压装置带来的所有短处一并消除，降低了对使用环境的要求，不再要求必须提供足够的压力差，同时对水质的要求降低，并在全部产品口径范围、全量程范围提供几乎一致的精度。机械式与电子式的比较请见表1

在末端基本的控制需求上，电子式的压力无关型控制阀能更好的满足控制需要，性能也更加的稳定，对设计、安装及现场工况的要求也更少，从稳定、易用、效果好的层面来讲，电子式的压力无关型控制阀是真正的实现了前文所表述的“为空调末端（一般是表冷器）提供一种流量与阀门两端压力变化无关的控制阀门”。

电子式的压力无关型控制阀，虽然基本原理都是“测流量、控流量”，但在过阀流量的测量方式上，也有不同的方式，分为估算和测量两种，其中采用流量计实际测量的方式更为严谨和适用范围宽。在采取估算方式的产品上，优点是成本比较低，口径可以做得比较大，但精度是不能全程被保证的。这是因为在估算形式的产品上，事先预置了阀门开度-压差和流量的对应数值，但这个预置数值是在实验条件下测量得出，而阀门安装后的工作条件，很难和实验条件匹配，现场流态会给数据复现带来不利的困扰。另外一种估算则是通过内置经验公式，以当时的压力值配合开度值进行计算，但这种方式得出的流量数值更为粗疏，原因是作为流量测量元件，其对流道形式、流态要求十分严格（参见孔板流量计原理），作为阀门，是完全达不到测量用节流元件的要求的，所以是一种更为粗疏的估算。直接采用流量计测量形式的产品，在准确程度上是压倒估算方式的，目前的缺点是口径不能做到很大，只有到DN150的产品。

欧洲厂家采用的是直接测量方式，如瑞士搏力谋执行器有限公司的电子式压力无关型控制阀ePIV系列及在其基础上发展的能量阀Energy Valve^TM系列，在DN15~DN150的所有口径产品上，均采用了稳定性好、精度较高的标准流量计来测量过阀流量，对现场适应性好，对环境条件几乎没有要求。而同期有此类电子式产品的亚洲厂家及美国厂家，却没有采用标准流量计方式，因此对安装和使用环境，有着较为严格的要求，以保证测量精度。

在直接测量的方式下，由流量计准确测得当前实际的过阀流量，此流量数值与控制要求相比较，得出的偏差信号去控制阀门改变流量，整个过程稳定、平顺、准确。这是因为电子式压力无关型控制阀具有自己的控制器及控制逻辑，对于过阀流量“测-控-测”这一闭环控制环路，有针对性的优化控制逻辑及程序。

图3. BA采用压力无关型流量控制阀时的控制对象

由图3可以看到，在流量计测量实际过阀流量并指挥控制球阀达到需求流量的这个过程，基本上已经十分稳定可靠且干脆利落地实现了控制意图，即温度偏差信号直接决定流经表冷器的水流量。相对于通常的“动态流量平衡阀”（或“机械式压力无关型控制阀”），减少了稳定压力这一中间环节，提高了稳定性、准确性，降低了对使用条件的要求。

3.     智能阀门的功能特点

电子式压力无关型控制阀由于内置控制器，有强大的运算能力，所以会带给使用者一些更为便利的功能，极大的提高控制过程的质量且十分简单，常常令人惊喜。最大流量值可重新设定就是其中一个例子。通常情况下，每一个阀门根据其口径有不同的额定流量（指压力无关型控制阀或动态流量平衡阀），这个额定流量在阀门选型的时候，几乎没可能与设计参数中的流量设计值完全相等。这种情况下，控制阀需必须选用其额定流量能够满足设计要求的，带来的问题是如果阀门口径比较大，设计流量是在两个口径之间且偏向口径小的一方，那么在自控上其100%一端流量可能会超出当前表冷器的设计流量。这对自控不是什么大问题，但局部过流对暖通水的输送总是不希望出现的。电子式压力无关型控制阀有极为方便的解决方法：最大流量可重新设定。以瑞士搏力谋执行器有限公司的产品为例，其电子式压力无关型控制阀的最大流量，可以在额定流量的45%~100%区间内设定。这意味着一件重要的事情，暖通自控有史以来第一次，依据设计参数对表冷器进行控制。自控信号的0~100%，即是设计参数中的0到设计流量值，完美的全程等百分比曲线，且与其它因素无关。这依赖于电子式压力无关型阀门强大的运算能力。等百分比曲线是流量-开度对数曲线，流量曲线的每一点都由计算得出，即在最大流量已知的条件下，根据确定的公式计算出每一开度下的流量值。这里的开度指的是控制信号值，直接以控制信号的幅值代替了阀门机械的开度值。以往的机械式阀门，缺乏这种直接对应的能力，必须增加中间环节，即：给出最大流量，依据公式计算出每一开度点的流量值，以此流量值计算出阀门的开度（开度即阀门的过流截面积）。机械式动态流量平衡阀，只是在普通机械阀门上加上压力稳定装置，流量的调节及流量特性还是依靠阀门的开度及流道形状。

由机械式到电子式这一改变，导致了暖通末端控制阀门控制概念的一个飞跃。和以往完全不同的是：自控可以严格按设计流量来控制末端表冷器的运行，即：把阀的最大流量直接设置成表冷器的设计流量，自控给出的0~100%信号即是完美的全程的等百分比曲线，0-设计流量，绝无过流，利好水力工况。更为重要的应用是单表冷器冬夏季工况的转换，按夏季工况选用的盘管，电子式压力无关型阀门可以按设计流量设定其最大流量，在冬季运行时，通过自控系统的冬夏季转换过程，所有电子式压力无关型控制阀瞬间可以把最大流量设置成冬季工况下的设计流量。这直接提升了设备性能，在这种情况下，已无必要采用双表冷器，电子式压力无关型控制阀，无论在控制的稳定性上还是准确程度上，远远超过配用普通阀门或机械式动态平衡阀的双表冷器机组。这在建设成本上及控制效果上，都是飞跃性的进步。

对于按设计参数设定表冷器的最大流量，还有一个好处是避免在部分负荷运行阶段的调节过程中产生过流。控制器控制信号的100%对应的是设计参数中针对区域负荷需求所给出的流量。如阀门的最大流量（或额定流量）超出这个流量设计值，所带来的问题不是自控上的麻烦，而是在自控给出比较大的开度信号情况下，流量可能超过甚至远远超过此区域的设计流量，造成过流，从而导致其它部位欠流。这种情况在控制上是高几率事件，因为在控制上如果有较大的温度偏离或，扰动信号，即是是在实际负荷较轻的情况下，为尽快达到目标参数，被控局部也可能以大开度进行纠正。电子式的阀门可以十分可靠地以设计参数为最大可调节量，从而避免过流。

4.     数字化表冷器的实现

由机械式到电子式这一改变所导致的表冷器控制的飞跃式进步还远不止于此。电子式压力无关型控制阀的控制器功能之强大，对流量的稳定准确控制只是其最为基本、可以轻松实现的一项功能，远没有发挥出控制器的全部能力，控制器的基本能力还有温度测量能力及通讯能力。

加入了温度测量功能，电子式压力无关型控制阀即成为了“能量控制阀”，亦即在电子式压力无关型控制阀的基础上具有了表冷器的换热量测量、计量功能及强大的数据通讯功能。这事实上将表冷器转化成为了“数字化表冷器”。在表冷器的设计能力范围内，能量阀可以将表冷器的换热能力稳定、准确的线性化，即表冷器的热交换量与控制信号呈线性关系。

图4. 流量与阀权度及BA控制信号的关系

在传统的阀门控制方式下，采用等百分比特性阀门的用意之一是补偿表冷器的特性，希望表冷器的热交换特性能适合控制，如图4。

不过在阀门的流量特性曲线固定的情况下，无在实际工况下流量是否符合理论曲线，表冷器的热交换量特性曲线都是无法成为直线的，重要的原因之一是表冷器的工作参数在变化而阀门特性曲线是固定的，综合结果就是表冷器特性曲线只是从上方向直线趋近，但趋近程度受诸多因素影响。尤其是当阀门选得比较大的时候，通过普通阀门控制表冷器，经常会出现震荡的情况。压力无关型流量控制阀对流量控制的稳定性、流量的准确性有所改善（其中电子式的表现更为优秀），但对表冷器的细致控制，还有进步空间，需要引入表冷器进出水的温差参数，能量阀在这方面，针对表冷器的运行控制上给出了一个可靠的方案，见图5。

图5. BA对表冷器完整的控制过程

温差数据的加入，使得表冷器的运行状况容易以量化的方式表现出来，即在表冷器运行时，表冷器热交换的实际功率可以用水侧参数计算得出（Q=c*m*ΔT），有了这个数据的意义在于可以参照这个数据来控制表冷器的水流量，使其功率趋近且最终等于控制需求。这就是自控控制的0~100%信号直接控制表冷器热交换量。

相对于单纯的电子式压力无关型控制阀，能量阀的功能更为强大。除了可以设定且控制表冷器的最大水流量、热交换量，能量阀可以将表冷器数字化，成为数字式表冷器，这意味着表冷器几乎所有的运行参数，都可通过能量阀强大的数据通讯功能接入BA/BMS系统。如表冷器的瞬时热交换量（功率），瞬时水量，而且还具有冷表、热表等计量功能。能量阀的强大之处还在于其本身即是一个表冷器控制上的局部问题解决方案，自己形成了一个局部的闭环控制系统，并搭载有“温差控制功能”。温差控制的功能指能量阀可以监测表冷器的进出口水温，并在进出口水温低于设定值的时候减少过阀流量，把水温差控制在要求值之上，这个值可以根据要求设定且可更改，这个功能可以通过BA系统或手操器打开或关闭。

数字化表冷器（能量阀+表冷器），已经是完全的智能化末端，受控程度高，亦具有物联网功能。能量阀的通讯功能具有多种主流通讯协议，可以方便地连入楼宇自控系统，这些协议包括BACnet MS/TP（或Modbus RTU），BACnet IP，TCP IP等。以BACnet为例，能量阀可以提供的数据如下表：

表2. 能量阀对表冷器的测控参数

通过上面两个表格可以看出，能量阀可以提供几乎所有的表冷器运行参数，供自控系统使用。

这些参数除了直接供自控系统调用、进行控制之外，还同时在能量阀的内部控制器内进行统计和分析，自动生成各种数据的趋势记录，这些趋势记录亦可以方便的导出至Excel，供运行管理者作为分析使用。其中的冷表、热表功能，更是能耗管理的有力工具。

能量阀同时具有内置WEB Server，自带显示、操作图形界面。这个功能使得能量阀亦可以直接连接到网络，无需通过BA系统即可在远端查看及控制能量阀的各项参数，也可以无需通过BA系统直接地、十分方便的配合当前的Iot、云计算概念。

结束语

综上所述，电子式压力无关型控制阀以及在其基础上发展的能量阀，是当前在表冷器运行控制上的最为稳定可靠的自控执行机构，是提升自控品质的不二之选，可以大大的提高自控系统的性能，尤其是在能耗管理方面，更是独一无二的产品。这两种产品作为局部问题的解决方案，极好地、无缝的衔接了现场设备的设计参数和控制系统的控制信号，使得自控系统可以直接地、确定地、稳定地直接以设计来控制现场设备，且包容水力工况及参数偏离。对自控来说是极容易地实现了表冷器的直接量化控制，且这种控制与水力工况及设备偏离无关。

相信在今后的暖通自控发展过程中，电子式智能型末端控制阀，会逐渐地占有更大的比重。尤其是在对能源管控有所要求的项目中，量化控制表冷器的运行对于整个系统的能耗管理有着十分重要的实用意义，而智能末端阀门是相当好的选择。