智能閥門在BA系統工程中的應用

作者：沈曄，同濟大學；王枬，瑞士搏力謀執行器有限公司

摘要：隨著暖通空調末端對控制穩定性、準確性及節能運行的要求在不斷提高，普通閥門在BA系統工程中越來越難以滿足控制性能的需求。在電子化、信息化高度發達的現代社會中，出現了電子式的智能化控制閥門。在壓力無關型流量控制的基礎上，對暖通末端設備，如表冷器的控制，提出了新的解決方案。尤其是在控制的穩定性和節能方面。電子式的智能化控制閥門的目的是將暖通末端變為數字化末端。

關鍵詞：智能閥門；樓宇自控；節能運行；表冷器；壓力無關型流量控制；電子式壓力無關型調節閥；

1.     傳統閥門在暖通工程中的缺陷

在通常的樓宇自控工程中，對于表冷器的控制，一直是自控專業的短板，不能夠像控制其它設備一樣游刃有余地、穩定準確地對其運行進行操控。究其原因，首先便是自控專業對表冷器工作特性理解的不足，其次是普通閥門對表冷器運行進行完全掌控的能力十分有限。我們試圖通過智能型的表冷器控制閥門，在表冷器的水量-熱交換量問題上形成一個局部的閉環控制，給出自控控制信號-表冷器熱交換量之間這一局部問題的解決方案，從而搭建起自控控制信號與表冷器熱交換量、設計參數之間的橋梁，使得自控專業可以十分容易地對表冷器的實際運行進行穩定的、準確的控制，并能在此基礎上，將表冷器的運行控制提升到量化控制的層級。我們的目標是將水利工況對暖通自控效果的影響根除。自控可以使用暖通設備的設計參數，以量化的程度，穩定地根據部分負荷的需求變化，穩定、準確地控制表冷器的熱交換量及水量，杜絕大流量小溫差，提高能效比。

通常來講，自控工程師在控制表冷器運行的時候，受限于專業視角的差異，并不深入探究表冷器自身的工作狀況，只是把實際溫度采樣值（或溫濕度）與設定值做比較，以偏差作為控制邏輯的輸入去控制閥門的開度。只在極少情況下，如工業高精度要求的工藝空調控制，自控工程師可能會考慮在表冷器后部加裝溫度傳感器，以增加參考參數，提高控制精度、改善控制的穩定程度，這種方式依然沒有從本質上涉及到表冷器的熱交換量的量化控制。在表冷器進出水口加裝水溫度傳感器、水流量傳感器屬于十分罕見，且其目的多是解決溫差問題及能耗管理，依然并不以了解、控制表冷器工作狀況為主要目的。如果考慮到溫度代表著分子的熱運動的劇烈程度，表冷器即是在暖通工藝上控制分子平動動能增加減少的直接設備（參見圖1），量化表冷器的熱交換量對于從根本上準確穩定地控制溫度有著十分重要的意義。

自控工程師在控制思維上普遍以閥門為目標設備，以條件參數控制閥門的開度，很少關心閥門開度改變之后，流量跟隨響應程度、表冷器熱交換量跟隨響應程度、以及水力狀況上的參數如閥門兩端壓差、表冷器進出口水溫度對整個控制的影響情況。普遍上自控工程師都是以閥門的開度為控制目的，而不是把閥門作為一個工具去控制表冷器的熱交換量。某些少數情況下，盡管自控工程師能夠表述出這個控制過程是以閥門為控制工具去控制表冷器的熱交換量，也無法確切給出解釋出這一控制過程的是如何進行的，更無法給出確定的、量化的表冷器熱交換量控制方式，也無法將表冷器的熱交換量控制數據與設計參數關聯起來。

圖1. 理想的BA控制對象

以閥門開度為最終控制目標設備的情況下，實際上是理想化了其它參數（如閥門兩端壓力差、表冷器進出口水溫）對表冷器熱交換量的影響。沒有從根本上掌控住表冷器熱的交換量，尤其是在動態運行的工況下，影響表冷器熱交換量的直接因素不是控制閥門的開度而是水量及進出口的水溫差。暖通末端在動態運行的環境下，表冷器的熱交換量受迎風面空氣參數、流經表冷器的水流量（質量流量）、表冷器進出口水溫差影響，其中水的流量變化又對某一時刻的熱交換量存在著很大的影響。因此，如果希望穩定控制住表冷器的熱交換量，則閥門至少要能穩定地控制住通過表冷器的水流量，而自控系統對于閥門開度的穩定控制，顯然是沒有可靠地達到這一要求的（圖2）。如何把閥門的控制延伸到流量的控制，已經有很多的理論及手段，其目的無外乎希望能夠穩定、準確地控制住這個流量。其中比較直接的是壓力無關型流量控制閥，隨著對運行效果希望的提高，此類閥門也一直有所發展。

圖2. 實際中BA的控制對象

2.       電子式壓力無關型調節閥

目前壓力無關型流量控制閥主要是機械式，很小一部分采用電子式。機械式的壓力無關型流量控制閥也被稱為動態流量平衡閥，其概念十分明確，即：為空調末端（一般是表冷器）提供一種流量與閥門兩端壓力變化無關的、只和閥門開度相關聯的控制閥門。機械式動態流量平衡閥在理論層面是理想的，但在實際應用當中，受限于機械結構，是很難達令人滿意地到這一目標的。相對于普通的控制閥門，只能說在動態運行中流量控制的效果上有所改善，但此類閥門對使用環境、條件、水質，都有較為嚴格的要求。體現在其正常工作時對閥門前后的壓力要求、水質和水的流態上，尤其是對閥門前后的壓力有所要求。做為其關鍵部件壓力穩定裝置，因為是自力式的機械部件，一定壓力差是其工作的動力來源，閥門前后必須要達到一定的壓力差，機械補償裝置才能正常工作，如果壓力達不到，機械穩壓裝置則不能正常工作甚至完全失去作用。這意味著這個動力來自水泵，暖通設計過程中必須考慮到為其提供足夠的壓頭。隨著測控技術的發展，電子式的壓力無關型流量控制閥，其“測流量-控流量“的原理，不再需要自力式機械穩定裝置，逐漸體現出了在末端流量控制上的優勢，在穩定性和準確性上已經出現了性能優于機械式的產品。同時，電子式壓力無關型流量控制閥借助于其本身的控制器，可以搭載機械式無法實現的局部問題解決方案，就末端設備控制的特點給予針對性的優化控制，趨向于表冷器控制的完美解決方案。

電子式的壓力無關型控制閥，采取的是“先測流量，在測量的基礎上控流量”方式，這與機械式“維持控制閥兩端壓力恒定，以閥門開度決定流量”方式有根本的不同，更為直接及簡單。在從控制信號到結果這一過程中，機械式以控制信號決定開度，用壓力穩定裝置穩定控制閥門兩端的壓力很定，藉此希望流量與開度呈相對應的關系；而電子式則是直接以控制信號決定流量，流量與閥門兩端壓差及閥門的機械開度完全沒有機械式的那種對應關系。由于省略了機械穩壓裝置，由機械穩壓裝置帶來的所有短處一并消除，降低了對使用環境的要求，不再要求必須提供足夠的壓力差，同時對水質的要求降低，并在全部產品口徑范圍、全量程范圍提供幾乎一致的精度。機械式與電子式的比較請見表1

在末端基本的控制需求上，電子式的壓力無關型控制閥能更好的滿足控制需要，性能也更加的穩定，對設計、安裝及現場工況的要求也更少，從穩定、易用、效果好的層面來講，電子式的壓力無關型控制閥是真正的實現了前文所表述的“為空調末端（一般是表冷器）提供一種流量與閥門兩端壓力變化無關的控制閥門”。

電子式的壓力無關型控制閥，雖然基本原理都是“測流量、控流量”，但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，其中采用流量計實際測量的方式更為嚴謹和適用范圍寬。在采取估算方式的產品上，優點是成本比較低，口徑可以做得比較大，但精度是不能全程被保證的。這是因為在估算形式的產品上，事先預置了閥門開度-壓差和流量的對應數值，但這個預置數值是在實驗條件下測量得出，而閥門安裝后的工作條件，很難和實驗條件匹配，現場流態會給數據復現帶來不利的困擾。另外一種估算則是通過內置經驗公式，以當時的壓力值配合開度值進行計算，但這種方式得出的流量數值更為粗疏，原因是作為流量測量元件，其對流道形式、流態要求十分嚴格（參見孔板流量計原理），作為閥門，是完全達不到測量用節流元件的要求的，所以是一種更為粗疏的估算。直接采用流量計測量形式的產品，在準確程度上是壓倒估算方式的，目前的缺點是口徑不能做到很大，只有到DN150的產品。

歐洲廠家采用的是直接測量方式，如瑞士搏力謀執行器有限公司的電子式壓力無關型控制閥ePIV系列及在其基礎上發展的能量閥Energy Valve^TM系列，在DN15~DN150的所有口徑產品上，均采用了穩定性好、精度較高的標準流量計來測量過閥流量，對現場適應性好，對環境條件幾乎沒有要求。而同期有此類電子式產品的亞洲廠家及美國廠家，卻沒有采用標準流量計方式，因此對安裝和使用環境，有著較為嚴格的要求，以保證測量精度。

在直接測量的方式下，由流量計準確測得當前實際的過閥流量，此流量數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，整個過程穩定、平順、準確。這是因為電子式壓力無關型控制閥具有自己的控制器及控制邏輯，對于過閥流量“測-控-測”這一閉環控制環路，有針對性的優化控制邏輯及程序。

圖3. BA采用壓力無關型流量控制閥時的控制對象

由圖3可以看到，在流量計測量實際過閥流量并指揮控制球閥達到需求流量的這個過程，基本上已經十分穩定可靠且干脆利落地實現了控制意圖，即溫度偏差信號直接決定流經表冷器的水流量。相對于通常的“動態流量平衡閥”（或“機械式壓力無關型控制閥”），減少了穩定壓力這一中間環節，提高了穩定性、準確性，降低了對使用條件的要求。

3.     智能閥門的功能特點

電子式壓力無關型控制閥由于內置控制器，有強大的運算能力，所以會帶給使用者一些更為便利的功能，極大的提高控制過程的質量且十分簡單，常常令人驚喜。最大流量值可重新設定就是其中一個例子。通常情況下，每一個閥門根據其口徑有不同的額定流量（指壓力無關型控制閥或動態流量平衡閥），這個額定流量在閥門選型的時候，幾乎沒可能與設計參數中的流量設計值完全相等。這種情況下，控制閥需必須選用其額定流量能夠滿足設計要求的，帶來的問題是如果閥門口徑比較大，設計流量是在兩個口徑之間且偏向口徑小的一方，那么在自控上其100%一端流量可能會超出當前表冷器的設計流量。這對自控不是什么大問題，但局部過流對暖通水的輸送總是不希望出現的。電子式壓力無關型控制閥有極為方便的解決方法：最大流量可重新設定。以瑞士搏力謀執行器有限公司的產品為例，其電子式壓力無關型控制閥的最大流量，可以在額定流量的45%~100%區間內設定。這意味著一件重要的事情，暖通自控有史以來第一次，依據設計參數對表冷器進行控制。自控信號的0~100%，即是設計參數中的0到設計流量值，完美的全程等百分比曲線，且與其它因素無關。這依賴于電子式壓力無關型閥門強大的運算能力。等百分比曲線是流量-開度對數曲線，流量曲線的每一點都由計算得出，即在最大流量已知的條件下，根據確定的公式計算出每一開度下的流量值。這里的開度指的是控制信號值，直接以控制信號的幅值代替了閥門機械的開度值。以往的機械式閥門，缺乏這種直接對應的能力，必須增加中間環節，即：給出最大流量，依據公式計算出每一開度點的流量值，以此流量值計算出閥門的開度（開度即閥門的過流截面積）。機械式動態流量平衡閥，只是在普通機械閥門上加上壓力穩定裝置，流量的調節及流量特性還是依靠閥門的開度及流道形狀。

由機械式到電子式這一改變，導致了暖通末端控制閥門控制概念的一個飛躍。和以往完全不同的是：自控可以嚴格按設計流量來控制末端表冷器的運行，即：把閥的最大流量直接設置成表冷器的設計流量，自控給出的0~100%信號即是完美的全程的等百分比曲線，0-設計流量，絕無過流，利好水力工況。更為重要的應用是單表冷器冬夏季工況的轉換，按夏季工況選用的盤管，電子式壓力無關型閥門可以按設計流量設定其最大流量，在冬季運行時，通過自控系統的冬夏季轉換過程，所有電子式壓力無關型控制閥瞬間可以把最大流量設置成冬季工況下的設計流量。這直接提升了設備性能，在這種情況下，已無必要采用雙表冷器，電子式壓力無關型控制閥，無論在控制的穩定性上還是準確程度上，遠遠超過配用普通閥門或機械式動態平衡閥的雙表冷器機組。這在建設成本上及控制效果上，都是飛躍性的進步。

對于按設計參數設定表冷器的最大流量，還有一個好處是避免在部分負荷運行階段的調節過程中產生過流。控制器控制信號的100%對應的是設計參數中針對區域負荷需求所給出的流量。如閥門的最大流量（或額定流量）超出這個流量設計值，所帶來的問題不是自控上的麻煩，而是在自控給出比較大的開度信號情況下，流量可能超過甚至遠遠超過此區域的設計流量，造成過流，從而導致其它部位欠流。這種情況在控制上是高幾率事件，因為在控制上如果有較大的溫度偏離或，擾動信號，即是是在實際負荷較輕的情況下，為盡快達到目標參數，被控局部也可能以大開度進行糾正。電子式的閥門可以十分可靠地以設計參數為最大可調節量，從而避免過流。

4.     數字化表冷器的實現

由機械式到電子式這一改變所導致的表冷器控制的飛躍式進步還遠不止于此。電子式壓力無關型控制閥的控制器功能之強大，對流量的穩定準確控制只是其最為基本、可以輕松實現的一項功能，遠沒有發揮出控制器的全部能力，控制器的基本能力還有溫度測量能力及通訊能力。

加入了溫度測量功能，電子式壓力無關型控制閥即成為了“能量控制閥”，亦即在電子式壓力無關型控制閥的基礎上具有了表冷器的換熱量測量、計量功能及強大的數據通訊功能。這事實上將表冷器轉化成為了“數字化表冷器”。在表冷器的設計能力范圍內，能量閥可以將表冷器的換熱能力穩定、準確的線性化，即表冷器的熱交換量與控制信號呈線性關系。

圖4. 流量與閥權度及BA控制信號的關系

在傳統的閥門控制方式下，采用等百分比特性閥門的用意之一是補償表冷器的特性，希望表冷器的熱交換特性能適合控制，如圖4。

不過在閥門的流量特性曲線固定的情況下，無在實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是無法成為直線的，重要的原因之一是表冷器的工作參數在變化而閥門特性曲線是固定的，綜合結果就是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。尤其是當閥門選得比較大的時候，通過普通閥門控制表冷器，經常會出現震蕩的情況。壓力無關型流量控制閥對流量控制的穩定性、流量的準確性有所改善（其中電子式的表現更為優秀），但對表冷器的細致控制，還有進步空間，需要引入表冷器進出水的溫差參數，能量閥在這方面，針對表冷器的運行控制上給出了一個可靠的方案，見圖5。

圖5. BA對表冷器完整的控制過程

溫差數據的加入，使得表冷器的運行狀況容易以量化的方式表現出來，即在表冷器運行時，表冷器熱交換的實際功率可以用水側參數計算得出（Q=c*m*ΔT），有了這個數據的意義在于可以參照這個數據來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。

相對于單純的電子式壓力無關型控制閥，能量閥的功能更為強大。除了可以設定且控制表冷器的最大水流量、熱交換量，能量閥可以將表冷器數字化，成為數字式表冷器，這意味著表冷器幾乎所有的運行參數，都可通過能量閥強大的數據通訊功能接入BA/BMS系統。如表冷器的瞬時熱交換量（功率），瞬時水量，而且還具有冷表、熱表等計量功能。能量閥的強大之處還在于其本身即是一個表冷器控制上的局部問題解決方案，自己形成了一個局部的閉環控制系統，并搭載有“溫差控制功能”。溫差控制的功能指能量閥可以監測表冷器的進出口水溫，并在進出口水溫低于設定值的時候減少過閥流量，把水溫差控制在要求值之上，這個值可以根據要求設定且可更改，這個功能可以通過BA系統或手操器打開或關閉。

數字化表冷器（能量閥+表冷器），已經是完全的智能化末端，受控程度高，亦具有物聯網功能。能量閥的通訊功能具有多種主流通訊協議，可以方便地連入樓宇自控系統，這些協議包括BACnet MS/TP（或Modbus RTU），BACnet IP，TCP IP等。以BACnet為例，能量閥可以提供的數據如下表：

表2. 能量閥對表冷器的測控參數

通過上面兩個表格可以看出，能量閥可以提供幾乎所有的表冷器運行參數，供自控系統使用。

這些參數除了直接供自控系統調用、進行控制之外，還同時在能量閥的內部控制器內進行統計和分析，自動生成各種數據的趨勢記錄，這些趨勢記錄亦可以方便的導出至Excel，供運行管理者作為分析使用。其中的冷表、熱表功能，更是能耗管理的有力工具。

能量閥同時具有內置WEB Server，自帶顯示、操作圖形界面。這個功能使得能量閥亦可以直接連接到網絡，無需通過BA系統即可在遠端查看及控制能量閥的各項參數，也可以無需通過BA系統直接地、十分方便的配合當前的Iot、云計算概念。

結束語

綜上所述，電子式壓力無關型控制閥以及在其基礎上發展的能量閥，是當前在表冷器運行控制上的最為穩定可靠的自控執行機構，是提升自控品質的不二之選，可以大大的提高自控系統的性能，尤其是在能耗管理方面，更是獨一無二的產品。這兩種產品作為局部問題的解決方案，極好地、無縫的銜接了現場設備的設計參數和控制系統的控制信號，使得自控系統可以直接地、確定地、穩定地直接以設計來控制現場設備，且包容水力工況及參數偏離。對自控來說是極容易地實現了表冷器的直接量化控制，且這種控制與水力工況及設備偏離無關。

相信在今后的暖通自控發展過程中，電子式智能型末端控制閥，會逐漸地占有更大的比重。尤其是在對能源管控有所要求的項目中，量化控制表冷器的運行對于整個系統的能耗管理有著十分重要的實用意義，而智能末端閥門是相當好的選擇。