试论平均温度热量分配法及可行性.doc

试论平均温度热量分配法的可行性清华大学 石兆玉西南自动化研究所 杨同球北京海林节能设备股份有限公司 王峰安2010.04.05【摘要】本文提出了平均温度热量分配法。基本特点是只测量供回水温度，而绕开流量测量，依据散热器平均温度进行热量分摊。这种方法简单、可靠、低廉。文中就基本原理、分摊方法，软、硬件开发进行了论述，以期促进全国供热体制改革和热计量的推广。【关键词】供热系统 热计量技术 平均温度 热量分配【序言】2009年3月15日，国家住房建设部发布了供热计量技术规程1，并于当年7月1日开始实施。同年10月，住房建设部又在唐山市召开了“北方采暖地区供热计量改革工作会议”。目前，北方地区正在大力推广供热计量技术。由于多数热计量在结算点进行，这样，热用户热量如何分配，已成为业内人们关注的热点。目前，在我国试用的热量分配法有：散热器热分配计法，户用热量表法，流量温度法和通断时间面积法等等。这几种分配方法，在工程实践中各有千秋，也都有需要改进完善的地方。为了促进供热体制改革和供热计量推广，本文作者提出了平均温度热量分配法。该方法主要特点是在结算点处测量总供热量（含供、回水温度，流量）和室外温度，在热用户端只测量系统回水温度和典型房间室温，再根据散热器平均温度进行热量分摊。这种分摊方法，最大的优点是绕开了流量测量，因而简单、可靠、廉价，很有推广意义。一、 理论依据在供热工程2和供热系统运行调节与控制3中，给出了供热系统运行调节的基本公式如下：（1）（2）（3）式中，散热器平均温度，；，分别为散热器供回水温度，；热用户室内温度，；当地室外温度，；供热系统供热量，kJ/h；水的比热，kJ/kg；供热系统循环流量，kg/h；供热系统相对流量，即实际流量与设计流量之比值；散热器的传热指数；所有带角码“”的参数，皆为设计值。从上述三个基本公式，可以得到如下一些重要结论：1从公式（1）可知，散热器的平均温度在室外温度一定的情况下，与室内温度成唯一的单值函数关系。也就是说，在室内建筑物结构一定，散热器类型且数量一定时，室温的高低完全由散热器的平均温度所决定，即散热器的平均温度愈高，室温愈高；散热器平均温度愈低，室温愈低。这就说明：在通常情况下，散热器平均温度的高低，基本上可以判断室温的高低。2在设计状态下，为了达到设计室温，只要根据公式（1），使实际室温=，则计算出的散热器平均温度就是系统运行的基本参数。在实际运行时，只要满足或者说达到要求的，则室温一定能够达到设计值，而与系统运行流量无关。此时散热器平均温度值完全由系统供回水温度决定；当系统流量大于设计值，则供水温度 低于设计值，回水温度高于设计值；当系统流量小于设计值，则供水温度高于设计值，回水温度低于设计值。这里明确指出：散热器平均温度与系统流量无关，无论系统流量为何值，只要调整系统供回水温度，就能使散热器平均温度、室温达到要求值。3对于一个实际的供热系统，在运行期间，往往系统的供水温度是已知的，可测的，而且是不易改变的。此时，在热用户处，要想改变散热器平均温度进而改变室温，只有对回水温度进行调节；回水温度愈高，散热器平均温度愈高；回水温度愈低，散热器平均温度愈低。从公式（1）、（3）的比较中看出：在系统供水温度一定的情况下，系统回水温度愈高，系统流量愈大；反之亦然。因此在运行期间，决定室温高低（亦或散热器平均温度）的关键因素是进入散热器流量的大小。系统流量愈大，室温愈高；系统流量愈小，室温愈低。4在稳定情况下，当测出室外温度，供水温度和热用户回水温度时，通过公式（1）、（3）即可计算出室温和热用户循环流量或，然后由公式（2）计算出热用户在当时情况下的供热量的大小。由此可见，通过测试散热器平均温度，进行热用户供热量分配是有理论根据的。这种热量分配法，最大的优点是在各热用户只测试回水温度，避免了各热用户循环流量的测试，再配合结算点处总供热量、总供回水温度和总流量的测试，即可完成计量收费过程中的供热量的各热用户分摊。二、 实施步骤1数学模型的校准由公式（1）可得：（4）式中b为散热器的传热指数，对于不同类型的散热器，其b值不同，一般在0.150.37之间。公式（4）的左端表示散热器传热面积为1时的相对散热量，公式（4）的右端表示单位建筑体积由室内向室外的相对散热量，在稳定工况下等式左端与右端相等，即散热器相对散热量应与向室外相对散热量相等，但实测结果可能往往并不相等，说明公式（4）中的散热器传热指数、建筑结构的热特性系数和设计参数与热用户实际值并不相符。因此，在热量分摊实测计算时，首先应对公式（4）进行校准。对公式（4）取对数，得：（5）（6）根据系统的设计参数（、）和、的实测数据，由公式（6）即可计算出实际的值，再经实测数值对公式（4）的验证，则计算出的值即可视为实际工程的中散热器传热指数、建筑结构热特性和设计参数的综合修正值。2热用户热量分摊值计算 用公式（7），进行各热用户一个供暖季分摊值热量计算： （7）式中，第热用户一个供暖季的热量分摊值； 热用户某时刻供回水平均实测温度，； 热用户典型房间某时刻实测室温，；热用户总散热器片数或总传热面积，；校准后的热用户实测散热器传热指数；供暖季总运行小时数，；结算点总热用户数；公式（7）计算值，称为热用户热量分摊值，并不是该热用户整个供暖季的总供热量。因为在实际计算中，只考虑了散热器的传热指数值，对散热器传热系数中的值未计算，由于值为常数，在公式计算中消掉了，不影响分摊热量的比例关系。3各热用户总热量的分摊其值由公式（8）来计算：（8）式中，第热用户在结算点总供热量的基本分摊比例；第热用户供暖季的热量分摊值；结算点各热用户热量分摊值之总和；结算点总热用户数。三、 修正因素的判断1私装散热器分两种情况：在计量收费前私装散热器，此时散热器平均温度无明显差异，而室温显著升高，通过与类似热用户的比较即可判断；在计量收费后私自加装散热器，则在加装过程中，回水温度明显下降；加装完毕后，散热器平均温度与加装前无明显变化，而室温明显提高。2过量开窗户局部时间内，回水温度、散热器平均温度和室内温度均明显降低，即可判断为过量开窗。3偷水现象偷水现象一般发生在回水管上。此时，局部时间内，回水温度、散热器平均温度，室温普遍提高。4系统堵塞系统发生堵塞，通常发生在散热器底部转弯处。出现堵塞，由于系统阻力大，循环流量变小，散热器回水温度、平均温度和室温均明显降低。四、 热用户收费计算热用户收费计算按公式（9）进行4： （元）；（9）式中，第热用户应缴热费，元；基本热费所占比例，； 基本热费单价，元/；该热用户供热面积，；计量热费所占比例，；计量热费单价，元/或元/；该热用户累计热量分摊数，或；在公式（9）中，基本热费比例与计量热费比例一般为50%:50%；40%:60%；30%:70%，通常由地方政府确定。基本热费单价，计量热费单价也一般由地方政府确定。热用户供热面积由热用户、热力公司或其他售热公司提供。热用户累计热量分摊数由公式（10）确定：（）（10）式中，结算点总供热量，；各用户方位、朝向、违规运行的修正比例；其中方位、朝向修正系数小于1；违规运行修正（如私装散热器、偷水、过量开窗户等）系数大于1；热用户通断阀的通断时间；分别为平均温度法和通断时间法的加权系数；五、 平均温度分配法在既有建筑中的应用平均温度法在各热用户只测系统回水温度和典型房间的室内温度，测量工作大大简化。因此在新建建筑中，由于室内供暖系统系按户分环布置，采用这种热量分配法，不但测量精度高，而且工作量减少，有利于推广应用。这种热量分配法，对于既有建筑，只做很少的系统改造即可应用，因此，其优点是非常明显的。1既有系统的改造既有建筑绝大多数的供暖系统是单管上分串流式系统，本文叙述的基本方法，主要针对这种系统；只要这种系统能够应用，其它系统就更能方便采用了。1）散热器处不必加装跨越管（加装也可）；2）最底层立管加装恒温阀（对于下分式系统，恒温阀加装在最上层立管上）；3）中层、底层（下分式为中层、最上层）立管上加装温度传感器；4）统一进行外墙保温；2平均温度法应用1）在结算点连续测量累计供热量，及系统供回水温度和室外温度；2）连续测量热用户各立管中层、底层回水温度；3）根据结算点的供水温度，和各热用户立管中层、底层测量的系统水温，按比例分摊各立管的供回水温度，并计量热用户每个房间散热器的平均温度；4）将实测、计算出的各房间散热器的平均温度与结算点实测出系统平均温度相比较，根据平均温度的差值（以结算点平均温度为标准）多少按比例进行供热量分摊，散热器平均温度高于结算点系统平均温度时，分摊比例要大于结算点平均值；散热器平均温度低于结算点平均温度，则分摊比例要小于平均值；5）计算出热用户各房间供热量的分摊比例，然后相加，即可计算出每个热用户相对于结算点总供热量的分摊比例。3评价1）由于散热器平均温度与室温是单值函数关系，因此，根据散热器平均温度衡量供热量大小是完全可行的。2）室内供暖系统的垂直失调，即同一立管上下层房间之间的冷热不均，完全是由立管流量决定的3。立管实际循环流量，如果与设计循环流量相等，则不存在垂直失调，上下各层房间室温相同；立管循环流量比设计值愈小，垂直失调愈严重，上层室温愈比下层室温高。通过调节，加大立管循环流量，则上层室温下降，下层室温升高，冷热不均现象即可得到缓减。因此，对于既有建筑，每一立管，只在底层房间加装一个恒温阀，当房间温度偏低时，恒温阀自动开大，增加立管循环流量，促使底层室温提高，整个立管所带的各房间室温都得到改善。如果底层房间过热，恒温阀将关小，立管流量减小，该立管所带各房间室温普遍降低。总之，可以看出：只在底层房间每一根立管加装一个恒温阀，就能对所带各房间室温进行调控，消除垂直失调。这种调控手段避免了室内原有供暖系统的大拆大改，能节约大量的人力、物力、财力，应该是既有建筑推广计量收费技术的一项重要的技术措施。3）在既有建筑中，采用这种热计量方法，每根立管各房间的室温基本上趋于一致。主要受控立管底层恒温阀的调节，不能同时满足各房间热用户不同室温的要求。这同一户一系统的新建建筑相比较，供暖标准有所降低。但对既有建筑居民进行自身比较而言，供暖质量已得到很大改善，应该是可以接受的。六、 控制系统为实现热计量收费，须在供热区域建立热计量计算机监控系统。1系统结构组成供热区域热计量计算机监控系统采用分布式系统，由分户控制器，结算点控制器和中央计费计算机组成。分户控制器包括回水温度传感器、调节阀、通信接口和室温控制器等。分户控制器安装在每个供暖热用户。结算点控制器包括超声波热量计（含供、回水温度传感器、流量表），室外温度传感器，通信接口等。结算点控制器安装在供热系统的结算点处（门栋热入口或楼道热入口）。中央计费计算机包托计算机、通信接口、打印机及电话机等。该分布式系统，在供热系统规模较小时，采用两层结构布置：分户控制器、结算点控制器皆为终端控制器，测试数据都直接上传至中央计费计算机；当供热系统规模较大时，分三层结构布置：分户控制器测试数据上传至结算点控制器，结算点控制器数据上传至中央计费计算机。见图1所示。2系统功能1）分户控制器：输入本热用户的基本资料（户主姓名、地址、供暖面积、朝向等）；设定室温；实时测量系统回水温度，典型房间室温，阀门开度，通断时间等，并进行采集数据自处理；向调节阀下发指令，自动调节室温；无线通信，向上输送采集数据。2）结算点控制器测量瞬时供热量和累计供热量，实时测量室外温度，并进行数据自处理；无线通信，上传采集数据。3）中央计费计算机无线通信、接收终端控制器（分户控制器，结算点控制器）上传数据，并进行数据审核；根据供热合同要求，输入基本热费，计量热费比例，基本热费和计量热费的单价等基础数据；计算各热用户供热量的分摊比例（主要以平均温度分配法为主，如果需要，可与温流分配法、通断时间分配法进行加权计算）；计算各热用户应交热费（含基本热费、计量热费），并打印热用户热费通知单（含因违规操作增收热费）；实时判断热用户故障，通过手机与热用户联络。3控制系统示意图表系统示意图见下图，分层及功能见下表。表1，控制系统示意简表控制器层次第一层（底层）第二层（中层）第三层（上层）备注控制器名称和功能分户（房）控制器：热计量分配和舒适节能室温控制器分区控制器：（超声波热量计+控制器）中央计费计算机：采用加权综合分配系数法，使用灵活图中的表示符号Ctrl.ii=1,2,3,4(内从0起)CTRL.*=A,B ,.ZCOMPUTER采样参数Tgi, thi ,tniQ,tg,thQ=f(G, tg, th)可选：气象参数实时数据短距无线（一，二层）长距无线（二，三层）长距无线（二，三层）集中数据U盘 （二，三层）U盘 （二，三层）实时管理短距无线（一，二层）长距无线（二，三层）长距无线（二，三层）控制参数tni设定参数#Tniset, 通讯参数通讯参数通讯参数，计量参数#通讯参数可固化控制对象阀Vi故障判断简单中级高级故障处理自处理，按上级指令处理，故障上传下传命令，故障上传下传命令，用短信通知到用户的手机计量收费计算，打印说明：点线：短距离无线通信；虚线：长距离无线通信；i=1,2,3,n：用户号；A,B, ,Z：分区号；Ctrl.1, , Ctrl.n：户控制器；CTRL.A, , CTRL.Z：区控制器与流量计；Ctrl.1tg1,th1,tn1,V1,F1tn1tg1CTRL.Z：Q ,tg ,thCTRL.A：Q ,tg ,thth1F1V1Ctrl.ntgn,thn,tnn,Vn,Fntgntnnt