【技术分析】数据中心必须要动态平衡阀吗?

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在现有的空调设计中,稍微大一些的水冷系统,在末端每个精密空调的支管处均会设置一动态平衡阀,以保证系统水系统的水力平衡。

 
那么,这个动态平衡阀是否是必须的呢?
 

一、首先要了解动态平衡阀在空调系统中的作用

 

在控制技术不太成熟的早期,空调水系统都是采用定流量系统,各支路及各设备间的不平衡率较大,主要靠早期设计计算及手动初调节来减弱,但是无法消除系统的不平衡,总不免要出现冷热不均的现象。

 

随着控制技术的发展成熟,变流量空调水系统逐渐成为了主流,冷机、水泵均实现了变频,末端应对水力不平衡也发展出了静态平衡阀、动态平衡阀,进而有了电动调节阀,可以配置到每一个末端设备进行精确调节。
 
平衡阀是用于规模较大的供暖或空调水系统的水力平衡。平衡阀安装位置在建筑供暖和空调系统入口,干管分支环管或立管上。平衡阀的类型有静态平衡和动态平衡阀。动态平衡阀分为自力式流量平衡阀和自力式压差平衡阀两种。
 
自力式流量平衡阀,自动恒定流量的水力工况平衡用阀。可按需求设定流量,并将通过阀门的流量保持恒定。

 

自力式流量平衡阀结构图

 
当系统总流量增加了时,可保证近端流量恒定,多余的流量进入远端;而当系统总流量减小时,近端阀门会开到最大以保证流量恒定,而远端流量将无法保证,不能有效地解决管网整体流量变化的水力失调。自力式流量平衡阀在这里只是一个限流阀,只起限定最大流量的作用。
 

 

自力式流量平衡阀接管图

 
自力式流量平衡阀一般安装在用户支干管上,平衡各用户间的流量用。
 
自力式压差平衡阀,自动恒定压差水力工况平衡用阀,其区别在于自力式流量平衡阀的变流量装置在阀门本体上,而自力式压差平衡阀的变流量装置在阀门“用户”内(此处的用户指的是携带多个末端的支干管功能区域)。通过控制户内回水压差控制流量,用这种办法控制流量,必须依靠便携式流量测试仪确定,优点是对于远端用户不会增加消耗压头。有利于被控制系统各末端装置的自主调节,尤其适用于变流量空调系统。

 

 

自力式压差平衡阀结构图

 
安装自力式压差平衡阀后,自力式压差平衡阀消耗系统的富余压头可以隔绝用户间流量变化互相干扰作用,被控系统可在水压作用下,自动消除管网的富余压头及压力波动引起的流量变化,有助于稳定系统的运行工况。自力式压差控制器可以限制近端用户保证远端用户需求的效果,这些性能支持“用户”的主动变流量。

 

自力式压差平衡阀接管图

 
自力式压差平衡阀用作系统压差调节时,可以安装在供水上,也可安装在回水上。两种安装压差阀结构不同,不可以互换,但可直接安在电动阀前控制电动阀前后压差。安装位置有3种:装在每栋建筑物的总入口上;装在每栋建筑物的分入口上,住宅楼装每个单元的入口;装在每户或每层的入口。
 

二、数据中心里的动态平衡阀

 

那么,对于数据中心,平常普遍采用的动态平衡阀应该是那一种呢?很明显,数据中心的平衡阀安装在每一个精密空调末端,有的直接与电动两通阀配合使用,这些场景下,只有自力式压差平衡阀了。
 
数据中心IT机房常规的末端制冷,最常用的是精密空调加新风,通过精密空调来带走房间发热量,通过新风来保持室内湿度和正压。精密空调只是房间内回风进入机组,冷却处理后送入房间,机组内并不会有送风与回风混风的情况出现。每个精密空调配一个独立的电动两通阀来调节流量。精密空调控制原理图如下所示:
 

精密空调平面布置图如下:

 

 

精密空调接管示意图如下:

 

 

 

精密空调出风温度通过电动两通阀来控制,当出风温度低于设定值时,自动关小电动两通阀开度使出风温度升高;当出风温度高于设定值时,自动开大电动两通阀开度使出风温度降低,当电动两通阀开度达到最大,出风温度仍然过高时,则降低EC风机转速直至出风温度达到设定值附近。而实际项目运行过程中,一般室内负荷恒定,所以,很多项目直接将精密空调EC风机转速设定为恒定值,只通过电动两通阀调节冷冻水流量,从而满足室内负荷,再通过新风系统控制室内正压和湿度,就可以满足项目需要了。

 

 

三、民用空调系统里的动态平衡阀

 

再来看一下民用建筑中最常用的类似系统——风机盘管加新风系统。
 
如下图所示,在一个办公区域,设置几台一次回风的风机盘管,再加上新风系统,为办公区域提供冷源及正压。

 

 

室内制冷量的控制,通过调节风机盘管的电动两通阀来控制冷冻水流量,当出风温度低于设定值时,自动关小电动两通阀开度使出风温度升高;当出风温度高于设定值时,自动开大电动两通阀开度使出风温度降低。
 
风机盘管接管示意图如下:
 

 
风机盘管水系统图如下:
 

 

对于风机盘管空调系统,只是在每层的支干管处设置一动态平衡阀,以保证每层之间的水力平衡,同层内的各个房间及风机盘管间的水力平衡,直接通过电动两通阀来调节末端流量及阻力,来达到满足末端需求的要求。

 

四、结论——末端每个精密空调上的动态平衡阀可以取消

 

对比数据中心精密空调加新风系统和风机盘管加新风系统,可以发现,两者场景相似度极高,况且民用空调系统的负荷波动更大,对平衡阀的要求更高。
 

 
但是实际设计中,动态平衡阀的配置却差异极大,负荷相对稳定的数据中心内的动态平衡阀的配置反而更多。
 
笔者也在实际项目中多次看到因动态平衡阀带来的问题,比如末端阻力偏大,导致末端流量不足,进出水温差偏高,无法达到设计要求。还有末端动态平衡阀接管的位置并不能平衡末端精密空调环路的阻力或流量,平白增加无谓的阻力。普通民用系统中末端阻力一般不超过5m,而现实中有的精密空调末端阻力甚至达到了15m。这些情况导致整个空调系统处在高阻力工况下,使得输送能耗大大增加。
 
另外,动态平衡阀的造价不菲,少则几千,多则上万,而此部分的投资是否用在了对的地方,也是需要认真考虑的。
 
实际工程中,也已经有越来越多的项目完全取消了末端的动态平衡阀,而实际运行完全可以稳定运行。
 
综上,从功能实现、运行经济可靠、建设投资、现实案例等方面,都支持取消精密空调末端动态平衡阀,此阀门完全可以取消不用。
 

已经有越来越多的人不再把钱继续花在这个可有可无的鸡肋上,你还要继续坚持吗?

 

2020年4月2日
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