大家好，我是科特力文的文文，很高兴又和大家见面了！今天我们谈谈阀门的数字化转型，用数字阀替代机械阀。

我们知道，空调水系统从流量是否恒定的角度来区分，可以分为定流量系统和变流量系统两种。所谓定流量系统，是指系统在运行过程中空调管路所输配的流量是恒定的。简单地讲，只要系统一启动，管道里的流量就固定了，在运行过程中不会有变化；变流量系统，则正好与之相反，在系统运行过程中管道内的流量是变化的。这个变化是根据末端设备的实际负荷的变化而变化。

所以，变流量系统类似于“自助餐”，负荷多就多供给，负荷少就少供给；而定流量系统则有点像“订套餐”，不考虑具体需求的多少，所供应的份量是固定的。不难看出，变流量系统比定流量系统更为科学合理，节约能耗。据有关资料统计，采用变流量系统可以节能20%以上。

于是，在现实中大部分项目都在采用变流量系统。

然而，变流量系统的应用也带来了新的问题。那就是，每当流量发生改变时，管网内各支路的压力、流量也得随之改变。在重新建立“平衡”的过程中出现管路间压力波动相互干扰的现象，最终造成局部“过流”或“欠流”，导致系统失衡，这种现象也称之为动态不平衡。系统的不平衡会产生噪音，加速设备的老化，增加系统的运营成本。

可见，如果不能消除动态不平衡的现象，变流量系统的节能效果也难以保证。

影响系统水力是否平衡的参数有哪些呢？

流量和压差是最主要的两个参数，且这两个参数具有关联性。如下图所示，用字母Q代表流量；ΔP代表压差，ΔP=P1-P2；

当阀门处于某一开度保持不变时，其流量系数Kv是常数，流量与压差的关系可以用下列公式表示：

从以上公式可知，如果阀门开度（Kv）不变，只要能够保持压差（ΔP）稳定，流量（Q）就能稳定。

例如，下面图-1是某建筑的空调水力示意图。该建筑共有三层，制冷机房建在地下（包括制冷机和压差旁通阀）。每层楼的设计流量分别为Q1、Q2和Q3，各层的供水压力依次为P1、P2和P3，回水压力为p1、p2和p3。为了简化计算，从地面到第一层楼的空调管路的高度假定为0，并以此为基准，第二层距离上下楼层的高度均为H。

图-1某建筑空调水力示意图

当三层楼全部正常运营时，压差旁通阀处于完全关闭状态，Q0=0，总流量Q=Q1+Q2+Q3；

如果忽略管道的沿程阻力及相关件的局部阻力，那么冷机出口压力P=P0=P1（第一层的层高忽略不计），P2=P1-H，P3=P2-H；

假设由于某种原因第二层（F2）停止运营，那么流经第二层的流量Q2减少为0，多出来的流量怎么办呢？

一个办法是开启旁通阀，从旁通管道吸纳多出来的流量Q2；另一个办法是通过变频或其它方式减少供给量。但不管采用哪种办法，在管网的原有平衡状态被打破，新的平衡建立之前，第一层和第三层的供水压力将升高，相应的压差ΔP1和ΔP3也将增大，导致流量Q1和Q3增加。这样第一层和第三层就会出现“过冷”（制冷期）或“过热”（供热期）的现象，不但降低了环境的舒适度，还造成了能源的浪费。

为此，理想的状况是当第二层的阀门关断时，流经F1和F3的流量能够保持不变，这样就既不会影响舒适度也不会增加运营成本。

怎样维持F1和F3的流量不受F2的影响呢？

根据前面的公式，只要压差ΔP1和ΔP3保持稳定，那么流量Q1和Q3就能保持不变。

为此，人们开发出了压差控制阀（DifferentialPressureControlValve），简称“压差阀”，安装在各个楼层的回水管路。每台压差阀根据各自的设计要求预先设定好各自的压差值，在系统正式运营时就能把所在支路的压差维持在设定值附近。试想，每条支路都在按设定压差运营，整个管网系统不就稳定平衡了吗？

所以，压差阀是保持系统水力平衡的关键设备，也是变流量系统能否实现节能的关键！

目前，在项目上应用最早也最广泛的压差阀是机械压差阀，又称自力式压差阀。如下面图-2所示，在供水管路安装电动调节阀，回水管路安装压差阀，电动调节阀入口压力为P1，空气处理机组出口压力P2。压差阀的作用就是当供水压力P1发生变化时，保证ΔP=P1-P2维持恒定。

图-2压差阀应用配置图

机械压差阀的工作原理是利用膜片和弹簧在流体的压力作用下产生形变而调节阀门开度，从而实现调节压差的目的。

如下面图-3所示，机械压差阀的主要部件包括阀体、阀芯、膜片和弹簧等。其原理是将供水侧的水（高压端）引入膜片下方，产生向上的推力P1，该作用力有增大阀门开度的趋势；另一导压管将回水侧的水（低压端）引入膜片上方，产生向下的作用力P2，该作用力的趋势是减小阀门开度；同时，膜片上方的弹簧(锥形弹簧）受到螺栓和膜片的挤压而收缩变形并产生反作用力Ps，其趋势也是减小阀门开度。当三个力达成平衡时，存在P1=P2+Ps。

图-3机械压差阀结构原理图

怎样设定压差呢？通过旋转手轮和螺栓而调节弹簧的压缩量，也就是弹簧的预紧力。不同的预紧力可以实现不同的压差设定值。

理论上无可挑剔，但实践中效果如何呢？

从目前的使用情况来看，机械压差阀至少有三大缺陷：

首先是压差设定十分困难，通过拧螺栓的这种粗放式操作很难实现精准设定。设定都不准确，何谈精准调压呢？

其次是没有显示功能，阀门的设定值是多少，实测值是多少，在运行中一概不知。越来越多的用户在怀疑“这种阀门只是个摆设，压根就不工作”。

最后，机械压差阀的长期稳定性令人怀疑。关键件如弹簧和膜片长期浸泡在水里，水中杂物的堆积会造成材料的腐蚀和老化，其材料特性（如弹性系数）必然会发生改变，最初设定的弹簧预紧力难道会一直有效吗？

除了上述自力式压差阀，还有一种阀门其实也是机械压差阀，只不过名称里面含有“电动”两字，具有一定的隐蔽性。这种阀门就是“动态平衡电动调节阀（一体阀）”。

我们看一下“一体阀”的剖面图（如图-4所示）。上面是电动调节阀部分，下面是压差控制部分。压差控制部分安装了弹簧和膜片，其工作原理和自力式压差阀是一样的，也是通过弹簧和膜片的形变而调节开度。只不过，这种阀门把弹簧和膜片放在了电动阀的腔体内，把电动阀和压差阀合二为一，故又称“一体阀”。

图-4动态平衡电动调节阀（一体阀）

不管采用了什么样的安装方式，其机械阀的特性没有改变。所以“一体阀”继承了自力式压差阀的所有缺陷，这里不再赘述。

不但如此，“一体阀”还多出了另外一个致命缺陷，那就是流通能力（或流量系数）太低。为什么呢？一个腔体内同时安装了电动阀的阀芯和压差阀的阀芯，有两个阀芯存在，造成阀体内部的有效流通面积减小，所以流通能力就大幅降低。如某厂家口径DN的电动调节阀，其流量系数是，而同口径“一体阀”的流量系数只有50，仅仅是原来的三分之一都不到，减小了69%。这一点在阀门选型的时候需要特别注意！有些改造项目用同口径“一体阀”替换原来的调节阀后发现流量不足，叫苦不迭！

鉴于上述缺陷，机械压差阀（含“动态平衡电动调节阀”）在实际应用中并不能实现应有的功能——调节压差，反而会增加管道的阻力造成额外的损耗。以至于在一些改造项目中，拆除压差阀成为了一项重要的手段。

当然，拆除压差阀只是无奈之举，并不意味着压差平衡不需要了，并不意味着系统水力失衡的问题就解决了。

水力平衡的理念没有问题，问题的根源在于现有压差阀未能按设计工作！

为此，科特力文开发出了KV88和KV89系列数字压差阀（DigitalDifferentialPressureValve）。该系列阀门彻底摒弃了传统阀门的设计思维，屡遭诟病的弹簧和膜片一概不用，而是采用了具有数字化时代特色的高性能微处理器(MCU)和专业控制算法相结合的方法。

图-5科特力文KV88和KV89系列数字阀

KV88和KV89系列数字压差阀均属于压力无关型动态压差平衡阀（注：不受管网压力波动的影响，称之为“压力无关”），包括控制器、执行器和阀体三部分。其中，KV88系列专门用于旁通管道，也称之为“数字旁通阀”；KV89系列用于回水管道，简称为“数字压差阀”。

图-6科特力文数字阀的组成

图-7科特力文数字阀的控制部分

KV88和KV89系列数字阀的工作原理是：

1）通过控制器上的按键输入压差设定值；

2）控制器内部集成了压力传感器，供水管和回水管通过导压管连接控制器以后，控制器便可以测量压差；

3）根据专业的控制算法，控制器输出控制信号调节阀门开度。

从以上可以看出，数字阀的特点是测量精度高，压差设定简单无误差，具有显示功能，有利于管网系统的智能化升级改造。

上述这些特点与机械压差阀的缺点形成了鲜明对比，如下面表格所示：

KV88系列用于旁通管路，维持供回水管路之间的压差恒定，如下图所示：

图-8KV88系列应用配置

KV89系列用于回水管路，维持电动调节阀和空气处理机组前后之间的压差恒定，如下图所示：

图-9KV89系列应用配置

学习到这里，我们对今天的内容进行简单总结：

1)空调水系统可以分为定流量系统和变流量系统两种。据有关资料统计，变流量系统可以节能20%以上；

2)变流量系统节能的前提是实现管网系统的水力平衡；

3)传统的机械压差阀（自力式压差阀）采用弹簧和膜片的工作原理，在大量的实践应用中被证明不能够按设计要求调节压差；

4)动态平衡电动调节阀（一体阀）也是机械阀，也是采用了弹簧和膜片的工作原理。不但不能调节压差，而且流量系数偏低，在实际应用中有害而无益；

5)新型的数字压差阀（如科特力文的KV88和KV89系列产品）采用智能芯片结合专业算法，能够精确调压并实现系统的水力平衡，是阀门数字化转型的首选。

以上是我们这次学习的内容。如有不正确的地方欢迎大家批评指正。我们下期节目再见！

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附录-参考资料（部分）

1）赵天怡，周颖，张吉礼，空调冷水系统压差重设定自适应调整算法试验研究，暖通空调，，51（2）：-

2）裘舒年，李嘉劼，李铮伟，李振海，基于自校正水泵模型的空调系统冷水泵压差前馈-反馈控制方法，暖通空调，，49（11）：50-55

3）徐新华，武汉某地铁站通风空调控制系统升级节能改造分析，暖通空调，，49（11）：56-61

4）邱锡鹏，《神经网络与深度学习》，机械工业出版社

5）罗伯特·珀蒂琼，《全面水力平衡》，瑞典