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1 前言
我们都知道，空调的出现是为了提供处在一个特定环境里的室内条件满足我们的需求。最最简单的需求就是温度与湿度。为了满足这两项需求，我们会去安装冰水主机、安装热交换用的盘管，但这些的确是可以将室内的热负载移除，可是光是这样子的组合就够了吗？当然不是！如果需求是温度必须为23±1℃，而室内的热负载又不一定是定值，此时光靠冰水主机送来的冰水及冰水盘管是无法确保这个室内温度要求是可以满足的。谁能预料室内负载会如何地变化呢？
这个时候，你需要的是随着室内负载的变化来“控制”冰水盘管的热交换能力使其符合室内的负载需求进而得以维持所要求的室内温度需求条件。于是，接下来的步骤十分清楚，那就是“控制冰水盘管的热交换能力”，但接下来的问题是，要怎么样来控制？最直接也最普遍的方式就是去控制流进冰水盘管的水量与冰水温度。而执行此一任务的就是本文所要谈的控制阀。我们就是利用控制阀与冰水盘管的“相互搭配”来完成我们所期望的任务。
你会发现，文中特别强调“相互搭配”，事实上，控制阀并不是有装，它就会乖乖地去把你要的条件给弄出来。往往会因为搭配不当而造成根本无法控制。而更严格地讲，所谓的“相互搭配”还不光只是控制阀与冰水盘管这两大主体本身，同时还包含了这两个主要元件所处的管路系统究竟是怎么一回事，这一点在你不断往下看本文后，你也会有同感。
但是，控制阀装是知道要装，而它与冰水盘管，甚至是整个管路系统的搭配也很重要，但要怎么个搭配法才叫做是“相互”呢？这就不得不牵涉到控制阀的选用了。
就笔者个人而言，以前虽然是个空调技师，但是对于如何选控制阀，真得是不敢碰。从书本上是可以获得一些知识，但是通常都不是很详细，只知道一旦选错阀，下场将会十分麻烦。而请教别人，事实上，这个部分对做控制的人而言，“经验”很重要，也就是说，“怎么选”对他们而言是所谓的KNOW HOW，在这种情况下，通常去问这种问题是你自己不对，因为自讨没趣。所以，如果想要去认识这种问题，只有自已想办法。这是本文成文的最大原因与动机。笔者一直想知道控制阀在控制上的角色，所以也就根据一些基本的物理概念及简单的数学运算再搭配上电脑的计算得出一些东西，也就是本文的内容。在我心中，我一直觉得“选控制阀”这件事很神秘，也许你不会，但对笔者个人而言，确实是如此。不过，现在对我而言，已不再是神秘了。相信，也希望与我有同样感受的朋友们，能于看完本文后也明它是有根据、也很明白，而不再是KNOW HOW，它只是一个常识。这是笔者把它写出来的最大心愿。
最后，诚如前段文所言，对控制阀而言，实是一双菜鸟，野人献曝，若文有未尽善处，诚祈多多包涵并不吝指正，是幸。
2 控制阀的特性
一谈到控制阀就不免令人联想到图1的三条曲线。相信大家对图一所意欲描述的都不会太陌生。在图1里的A即是所谓的快开型（Quick-Opening Valve）控制阀，从曲线A的特性上来看，你会发现当阀略打开一些（如：Plug Lift由0%到12.5%）时，其所相应的通过流量之变化非常之大！因此它被名之为快开型的控制阀。而曲线B则很直接从其特性上看出，它是所谓的线性控制阀（Linear Control Valve），因此阀的开度（Plug Lift）与其所通过的流量变化是成正比关系。第三条曲线C，则是最常被用之于空调产业里的等比例阀（Equal Percentagd Valve），而所谓的等比例，我们可以从其定义上看出来，假若X代表pulg lift，当X=0时是为阀完全关闭而X=1则代表阀全开，而Q 则代表流量，Qmax则为阀全开时所通过之流量，则所谓之等比例是为：
此一K即为一常数，是为其等比例之谓。若将（1）重新安排并积分之，则有：
式（2）即代表着曲线C之特性。
就应用层面来看，这三种阀都各有其依其不同之特性而有之运用。如快开型适用于管路上之关断隔离作用，它能够在你需要全量运作时马上很快地提供你所要需求；但是如果你想要利用它来做流量调节时，恐怕你就会发现你很困扰，因为在从全闭到打开一点点，此时的流量变化已几乎到全量了！因此，你会很难去控制，尤其是小流量。而线性控制阀，则是比较适用在流量调节是线性需求，此如利用蒸气作为加热之热盘管，此时由于热负载之变化与蒸气内之流量成正比，因此线性阀正好与此相搭配。而在一般空调常见的冷水或热水盘管，其盘管之能量控制则必须采用等比例阀。图2及图3是一般盘管常见之特性曲线，兹不论其表面风速之差异或者是水流量之差异，你可以发现盘管的热交换能力与水流量之关系皆颇相似。而在X轴的水流量正是必须由控制阀所决定，这一点读者可以参看图4的说明。在图4里四个框里，（a）代表的正是如图2、图3的盘管特性，而（b）则是如图1里的等比例阀之曲线C，(c)则是我们所希望的控制特性，亦即令盘管的热交换能力与控制阀的开度呈现线性的关系。从图4里可以发现，由（b）的50%的plug lift可以得到25%左右的water flow ratio，但25%的water flow ratio对盘管而言却是50%的coil capacity ratio，也就是说，最终的结果是50%的plug lift会产生50%的coil capacity ratio！这个线性关系对控制的运作上是十分重要，毕竟假设它是线性是比较好且容易施作的方式。
但是，要如何挑选控制阀？
要回答这个问题，我们就得来看一看所谓的CV值了。兹不论控制阀是上述三种阀是上述三种阀中的那一种，其实都有所谓的CV值。而其定义则如式（3）所示：
其中Q代表流量而△P则横跨控制阀进出口两端的压力差值。在一般的控制阀选择上都是以满载（亦即阀全开时）之CV值作标示，而事实上，就等比例阀而言，其CV值与阀开度（Travel）是呈现如图5之特性。而从图5上来看，即使是等比例阀，也有某种程度上之差异。在一般的控制阀之选择上，多半是求出所要的CV值之后，再依据该CV值去挑选适当的控制阀，这其中在图1里的三种基本控制阀之特性当然也是必须被列入考量。
但是问题又来了，CV值要的如何被求出来？其实从式（3）里不难看出，把Q除以 不就可以了？但问题是△P究竟该用多少？
这就是一个有趣的课题了。在接下来的内容，我们将从两个比较极端的系统来探讨（1、2）这个有趣的课题。
3 盘管与控制阀之搭配——等压力差源
所谓的等压力差源之系统，此如图6所示。在此一系统里，主干管之压力差△Ps是维持固定不变，故名之为等压力差源，此△Ps不论控制阀是如何地变动都不受影响。此一系统由于△Ps是为定值，因此我们便有办法将控制阀与系统之相互关系推导出来。
兹假设△Pvalve代表控制阀的压力损失，而△Ptotal则是该系统之压力损失，亦即包含了控制阀、盘管及其管路等损失，若再细究之，则△Ptotal=△Ps。而控制阀之流量与压力损失之关系已如式（3）所示，而控制阀以外的系统，其关系则为：
△ Ptotal-△Pvalve=△Pcoil（代表）=C·Q2
因此，我们便可以定义一个控制阀压力损失与其他系统之压力损失（不含控制阀）之
比例X如下：
由于不论流量是如何变化，△Ptotal皆保持固定不变，是故我们有：
从式（4）里，我们可以很清楚地发现在不同的X值情况下，亦即控制阀的压力损失与其他无件之压力操作失比值，对整个系统流量在不同控制阀开度下之关系。从图7到图10可以看见在不同的关于占全系统压力损失（△Ptotal，△Ps）的20%、33%、50%、75%下的不同结果。而当有了这些阀开度（Travel）与流量通过量之关系，我们便可以再利用如图4的作法去求得其所相应的与盘管结合应用后之关系，此如图11到图14的关系。从这些图里（图11到图14）不难发现，在图5里的三种等比例阀中，以High Flow Characteristics及High Characteristics Type的阀在占系统总压操作的50%~75%时其线性度（流量v.s.阀开度）最好。而Linear Type及High Capacity Type（虽然它也是所谓的等比例阀）其线性度就差很多了！
4 盘管与控制阀之搭配——变动性压力差源
所谓压力差源之变动性，其系统如图15所示。此时该系统之压力差是由泵浦所建立，但是就泵浦而言，水量不同，其所建立之扬程（亦即所谓的压力差源）也将会不同，基本上，它是流量愈小其扬程愈大，此如图16所示；而整个水系统元件（不包含控制阀）则是流量愈小则其扬程愈小，且是呈现平方的关系，此亦如图16所示；这两项是相互矛盾，而且渐行渐远（如果把流量变小的话）！
参看图16，其实图中的△Ps即是在选用控制阀时所意欲拥有的压力损失，也就是说利用△Ps来选用控制阀，而流量自当是在设计点的流量。而当盘管负载下降，此时所需要的水流量自当也会根据图2或图3之特性下降，此时你可以发现系统（不含控制阀）的扬程比原设计点小了很多，也就是说△Ps变压△Ps＇了！它加大了许多。这个中大将必须要由控制阀来吸收处理，此一吸收处理是控制阀于提供该流量之情况下，其阀开度与盘管之负载变化特性要几近成正比！
由于此一种系统时性无法如等压力差源之系统般有着公式可兹推求，因此，下面便用实际的泵浦曲线、控制阀（已经选好了Cv值）及盘管特性之整体搭配配作计算。本文所使用的泵浦资料如参考资料（5）。系LM系列产品，而控制阀则为参考资料（3）所示。整个计算基准如表1所示，其计算结果则如图17到图19所示。你可以从这三张图里发现，High Capacity Type虽为等比例阀，但是一旦其阀开到75%以上时，整个线性度偏移相当地大。而在选用的三种等比例阀中，当以图18的High Characteristics Type的线性度最佳而且以控制阀占整个系统压力损失（含控制阀）达50%以上为最佳。
5 讨论
从上面的两个实例来看，相信大概你已经明白在上述的情况里应如何选用控制阀，但是还是有一些地方必须再加以澄清，如果你再回过头仔细去看那一大堆的所谓搭配曲线，你会发殃当阀已开至100%时，盘管也达100%！这似乎在设计上有个问题，亦即没有一点安全量存在。所以，在接下来的内容便是要探讨此一问题。
首先，我们且先看一看等压力差源，如果在选用阀时，于计算Cv值时我们将流量乘以1.2倍，但是控制阀的压力损失维护不变，此时会如何？此时你可以参看图20，这个时候，当控制阀占全系统的50%时依然可以维持相当的线性度，但盘管能力要达至100%对控制阀而言则约在95%的开度左右，也就是说控制阀尚有5%的裕度存在。不过当控制阀开至100%，对盘管能力的增加量也很有限，这是因为一旦盘管冰水的入口温度固定，单单要靠把水量拉高来提升盘管能力是十分有限的。而图21则是一个实际的选用实例。当你所计算的Cv值是为56.69，而实际控制阀所相对应的Cv值确只有44及68两种，你可以发现，选用44时，即使阀是全开，此时的盘管能力仍是小于原设计量，但选用68则约莫有1.2倍的水流量裕度存在，只是盘管能力的增加量并没有20%之多罢了！
其次，我们再来看一看变动性之压力差源之特性。假若如前例，我们选用High Characteristic Type阀而且于估算其阀压力损失为整个系统之50%，此如表1所示，所得之Cv值为43.9，于是我们选用44，假若我们选用Cv值为68呢？亦即如前述般将流量加大至1.2倍？其结果如图22所示。此时你会发现，当阀的开度大至80%以上时，整个线性度已经逐渐跑掉了。如果采用另外一种考量方式，Cv值仍然维持在44而泵浦再往上选大一号，即LM·160/173，其结果又将如何？此如图23所示。你会发现整个线性度被维护住，但是盘管能力之增加量十分有限。
最后，我们综合前面的图面及计算，我们有如下几点讨论：
（1） 假如想要替控制阀于设计时便保留其操作时之裕度，那么与其从Cv值着手，不如
从有效的压力差源入手。从上面的各种计算来看，其实预设1.2倍的流量，基本上是等同把控制阀占整个系统的压力降之比例调低是一样的。因此，会有预设1.2倍之流量后，其线性度会逐渐偏移之现象，尤其是当其压力差源是为变动的情况下。但是，若将裕度留压力差源，比如说已知会100kPa的可用压力差，但在挑选阀时仅用80kPa，则这多出来的20kPa就可以成为其裕度。如图23便是一个很好的例子，而其线性度则几乎没有什么偏难。
（2） 控制阀于选用时，其压力损失之决定当是愈大，其线性度愈佳，而所谓愈大者，乃
意指其压力损失占整个系统之压力损失之比例之谓。但在考虑运转成本及可控制度之两者相互平衡下，50%之系统总压损是一个合理的设计点。
（3） 就控制阀与盘管之搭配系统而言，本文所举之两个主要实例——固定压力差源及变
动压力差源，其实从控制上来看皆属“定准水温度变流量”之负载控制模式。而从上述的运算来看，一旦盘管与控制阀两相搭配，想要让盘管超过其原设计能力是十分十分地有限（除非再改变进水之设定温度）。而利用把阀挑得大一些（亦即比较在原Cv值）来牺牲控制性去抽象取盘管的能力裕度是一件划不来的事。因此，在当你一旦要采用此一“定进水温度变流量”之系统时，最好很明确地确定盘管的能力是足以应付未来的负载变化，否则届时又必须修改进水温度之设定，也是一件颇为麻烦的事。
（4） 阀力差源的大小与控制阀Cv值大小也有着密切的关系。从上来的讨论里已不难发
现，控制阀的Cv值不宜挑选得达大以免失去可控制度，但如果挑得太小时，由于此时流经盘管的流量小于原设计之需求值，因此即使控制阀已经全开，但是盘管能力也将无法达至原设计之需求量。反之，如果原设计及所挑选之Cv值皆正确，但因为没有做好压力差源之管理与控制，则上述之现象也会发生。由此可见，整个水的管路之压力控制与平衡也是一项十分重要的课题。
6 结束语
一只盘管到底好不好，一个系统到底好不好，到最后真的是得看控制阀动作的灵不灵活。而它的灵光与否，除了这个阀本身制作品质之外，事实上一个十分重要的事实是它与它所要调节控制的对象的相互搭配性。就好比人与人相处一样，每个人都有其独特的脾气与个性，一旦了解这个人的行事与处事风格，自然会好配合好相处。控制阀及盘管也是一样，它们都有它们自己独特的特性，两个要怎么搭在一块，就是一项很大的艺术了。
本文便试着从这样的角度，透过电脑程式的运算及笔者的头脑来完成，希望它能够对读者们有所助益。最后，希望浅短的本文不要有太多的错谬，同时也希望于一开头所得心愿能够真的被实现。
参考资料
1． Roger W.Haines and Douglas C.Hittle,Control Systems for Heating,Ventilating,and Air
Conditioning,Fifth edition,Chapman &Hall,1983.
2． Roger W.Haines,Roger Haines on HVAC Controls,McGraw-Hill,1993.
3． Selection Guide to Control Valves,Yamatake Honeywell,1997.
4． 杨政渝，“无尘室干盘管之设计与应用”，中华水电冷冻空调杂志，PP.90~106，1989年3月。
5． Single-Stage In-Line Centrifugal Pumps,LM/LP/CLM,6th edition,Barber-Colman,1991.
6． 洪英辉、杨安石编译，电子装备系统热传分析，全华科技术图书股份有限公司，1976年9月初版。 |
