平衡阀，从字面上理解是在水力工况下，在管道系统中起到平衡调节的阀门。在制冷供暖等系统中，平衡阀对于系统的水力平衡发挥着重要的作用。平衡阀的种类有很多，包括静态平衡阀、动态平衡阀、定流量平衡阀、自力式压差平衡阀、自动平衡阀……它们的作用和区别在哪里？在数据中心中可以用到哪些平衡阀？平衡阀是如何调节水力平衡的？欢迎进入平衡阀的探秘之旅。
——导语
Ⅰ. 平衡阀的分类
平衡阀按照调节方式可以分为静态平衡阀和动态平衡阀。静态平衡阀的阀门开度自安装调试以后不再改变，而动态平衡阀的阀门开度在运行的过程中会根据实际水力工况不断进行调节。
图1 静态平衡阀
如图1所示为静态平衡阀，静态平衡阀亦称平衡阀、手动调节平衡阀、数字锁定平衡阀、双位调节阀等，它是通过改变阀芯与阀座的间隙(开度)，来改变流经阀门的流动阻力以达到调节流量的目的。静态平衡阀的作用对象是系统的阻力，能够将新的水量按照设计计算的比例平衡分配，各支路同时按比例增减，仍然满足当前气候需要下的部份负荷的流量需求，在管路系统中起到热平衡的作用。
图2 动态流量平衡阀
动态平衡阀分为动态流量平衡阀，动态压差平衡阀，自力式自身压差控制阀等。
如图2所示为动态流量平衡阀，亦称为自力式流量控制阀、自力式平衡阀、定流量阀、自力式平衡阀等，它是跟据系统工况(压差)变动而自动变化阻力系数，在一定的压差范围内，可以有效地控制通过的流量保持一个常值。当阀门前后的压差增大时，阀门自动关小，流量保持恒定；当压差减小时，阀门自动开大，流量仍然保持恒定。但是，当压差小于或大于阀门的正常工作范围时，阀门不能自身提供额外压头，此时阀门打到全开或全关位置时流量就会偏离设定的流量值。
图3 动态压差平衡阀
如图3所示为动态压差平衡阀，亦称自力式压差控制阀、差压控制器、压差平衡阀等，它是用压差作用来调节阀门的开度，利用阀芯的压降变化来弥补管路阻力的变化，从而使在工况变化时能保持压差基本不变，它的原理是在一定的流量范围内，可以有效地控制被控系统的压差恒定，即当系统的压差增大时，通过阀门的自动关小动作，它能保证被控系统压差增大反之，当压差减小时，阀门自动开大，压差仍保持恒定。自力自身压差控制阀，在控制范围内自动阀塞为关闭状态，阀门两端压差超过预设定值，阀塞自动打开并在感压膜作用下自动调节开度，保持阀门两端压差相对恒定。
Ⅱ.平衡阀的区别
分类 | 静态平衡阀 | 动态平衡阀 | |
|---|---|---|---|
名称 | 静态平衡阀 | 流量控制阀 | 压差控制阀 |
作用 | 平衡阻力 | 平衡流量 | 平衡压差 |
水力调节 | 解决静态水力失调 | 解决动态水力失调 | 解决动态水力失调 |
适用场合 | 定流量及变流量系统 | 定流量系统 | 变流量系统 |
作用原理 | 平衡阀为一个局部阻力可以改变的节流元件。环路1和环路2分别设置静态平衡阀，其开度大小根据末端负载的大小及环路阻力特性而确定。通过调节开度改变阀体阻力的大小，使该环路的水流量等于设计流量。末端负载不变时，若主管路流量发生变化，阀门不会自动调节，环路1和环路2根据平衡阀设定的阻力大小分配流量。 | 动态流量平衡阀由自动调节阀瓣和手动调节阀瓣组成。系统流体的工作压力为P1，手动调节阀瓣的前后压力分别为P2、P3。当手动调节阀瓣调到某一位置时，即人为确定了“设定流量”，以及相对应的固定(P2-P3)值。在管网压力或系统流量变化时，(P2-P3)的实际值发生变化，自动阀芯就会在压力的作用下自动开大或关小阀口来维持设定流量数值不变。 | 当支路①关断，（P1-P2）增大，感压膜受力平衡被打破，阀瓣下移，关小阀口，使P2又回升到原来的大小，即（P1-P2）不变。对于支路②来讲，在支路①关断前和关断后，其开度不变，（P1-P2）由于压差控制阀的控制，在支路①关断前后也恒定不变，则流量G不变，所以被控环路内部某一支路流量变化，不会影响其它支路。 |
特点 | 管路安装后一次性调节并固定开度，总流量变化时，平衡阀局部阻力不变，各支管路按照比例变化。 | 通过自动调节平衡阀自身的局部阻力，维持管路的流量恒定。总流量变化时，处于有利位置的管路流量恒定，不利位置的管路流量有偏差。 | 在一定的流量范围内，吸收网路的压力波动，同时克服被控环路内部的阻力变化，维持被控环路的压差恒定，被控环路中若阻力不变，则流量也会保持恒定。 |
表1 各平衡阀性能对比
静态水力失调指系统由于最初的设计、材料设备的选用及连接安装等环节的因素，不可避免地导致系统在实际使用过程中各终端的流量与设计要求流量值在一定程度上不一致，从而产生水力失调。
注
动态水力失调由于在系统运行过程中各末端的使用状态发生变化（如设备的开关及阀门的开度发生变化），引起管道流量变化及压力的不规则波动，影响到其他末端的流量偏离要求流量而产生水力失调。
为了更加清晰的对比静态平衡阀、动态流量平衡阀和动态压差平衡阀，我们可以将他们分别理解为定电阻（阻力）、定电流（流量）、定电压（压差）。
图4 三种平衡阀对比图
如图4所示，为三种平衡阀的对比图，静态平衡阀相当于电路中的电阻，其阻力大小一经设定变保持不变，末端负载会随着系统的压差和流量的变化而发生变化；动态流量平衡阀相当于电路中的电流控制器，它使得通过该管路的流量适中保持不变，一定范围内，无论系统的流量和压差如何变化，该管路的流量始终保持不变；动态压差平衡阀相当于电路中的电压控制器，它使得该环路的供回水压差始终保持不变，通过负载流量的大小会根据阻力的大小而发生变化。
Ⅲ.平衡阀在数据中心的应用
平衡阀目前已经广泛应用于数据中心的制冷系统当中，由于末端负载会随着业务量的变化而不断改变，因此制冷系统为变流量系统。目前在冷冻水系统中采用静态平衡阀和动态压差平衡阀的方式来维持系统的水力稳定。
如图5所示为腾讯某数据中心平衡阀的分布图，在冷冻水的供水立管上设置了静态平衡阀，用以初调节平衡各立管环路的阻力大小，使流量接近设定值。在每个MDC的水分配单元入口处，设置了动态平衡阀，用以维持MDC各空调盘管进出水之间的压力，减小各支路进行水力调节的过程中对其他支路的影响，同时缓冲系统水压变化对末端水力平衡的影响。当同一个IT机房中某一MDC的负载变大时，水阀开大，流量变大，此时其他MDC由于受到动态压差控制阀的控制，其进出水的压差保持恒定，MDC内各空调盘管的水流量维持恒定。
图5 腾讯某数据中心冷冻水系统平衡阀分布图
在数据中心的制冷系统设计过程中，虽然经过水力平衡计算并达到规范要求，但运行时各末端的实际流量与设计不符，这种水力失调是稳态的，如果不加以解决，将会始终存在。假如没有静态平衡阀，那么各立管支路的流量分配便会与设计值相偏离，因此，静态平衡阀在一定程度上是必要的、不可替代的。那么动态压差平衡阀是否可以替代呢，加设没有压差平衡阀，末端各MDC进出水的压差便是否受到内部及外部水压变化的影响呢？目前MDC内每台列间空调均配备了二通水阀，可以自动调节流量，冷冻水泵根据末端最不利环路供回水压差而自动控制，通过冷冻泵和二通阀的控制是否能实现动态压差平衡阀的功能呢？
首先，验证内部水压变化的影响。如图6所示，假设1号空调附近负载加大，使得1号二通水阀开度变大，这个瞬间， P2变大，供回水压差（P1-P2）变小。假如没有压差控制阀，这时2、3、4号空调水阀如果开度不变，将会导致其流量减小，此时2、3、4号空调水阀会增大开度。相反，如果1号空调水阀开度突然变小，其他空调水阀开度也会随之变小以维持流量不变。如果该环路不为最不利环路，那么调整方式如前文所述，如果该环路为最不利环路，当供回水压差数值偏离设定值并持续一段时间后，冷冻水泵会自动调频使其压差维持在设定范围内，这时供回水压差（P1-P2）恢复原始数值，2、3、4号空调水阀又要重新调整。若供回水压差始终处于设定范围内，冷冻水泵频率不变，末端流量依靠二通水阀进行调整。因此，我们可以看出，依靠冷冻水泵 二通水阀可以在一定程度上实现流量和压差的稳定，但调整过程较压差控制阀复杂，调整精度不高。假如有压差控制阀，阀门在一定范围内会自动控制使得（P1-P2）恒定，2、3、4号空调水阀开度维持不变、流量维持不变，调节更迅速，效果更良好。
图6 内部水压变化影响
图7 外部水压变化影响
接下来验证外部水压变化的影响，如图7所示，假设环路1负载量突然加大，使得该环路内水阀开度全部加大，假设各环路未安装动态压差平衡阀，这时环路1的供回水压差增大，此时若冷冻水泵频率不变，环路2会由于环路1流量的变大而流量变小，这是环路2内的水阀开度也会发生变化；若环路2为最不利环路，末端压差数值触发了冷冻水泵频率发生改变，则环路2内水阀开度将维持在原有状态。可以看出，依靠冷冻水泵实现各环路之间水力调整互不影响是不精确的，加设各环路安装了动态压差平衡阀，阀体会根据外部工况自动调节，使该环路供回水压差维持恒定，缓冲了外部水压变化对内部环路的影响。
因此，无论从内部水压变化还是外部水压变化情况来看，水力调节过程中采用动态压差平衡阀的调节效果均优于“冷冻水泵 二通水阀”的形式。在实际运营中，冷冻水泵、二通水阀、动态压差平衡阀、静态平衡阀在一个系统中相互影响，共同作用，维持着数据中心冷冻水系统的稳定运行。采用科学的方法调节冷冻水泵及平衡阀的设定值对于科学运营和系统优化也有着重要的作用。
——总结
