（热能工程专业论文）公共建筑及商业建筑热量计量系统的开发与研制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着热量计量收费政策的推广，建设部又推出了在2 0 0 8 年采暖季前，政 府机构办公楼等建筑原则上应全部完成供热计量改造，达到热计量要求的政 策，所以在今后的一段时间里，热量计量收费改革的重点是公共建筑、商业 建筑、居民小区、换热站以及热源的热量计量。本文研究的重点就是针对以 上的供热系统，开发出计量准确可靠的，适用于供热介质是水的大宗热量贸 易核算的热量计量装置。 热量表的主要组成部分是流量计、供回水温度传感器和热量积算仪。在 流量计的选型中，根据供热系统的特点，分别对标准孔板流量计、文丘里管 流量计、弯管流量计和电磁流量计在热量计量中的适用范围进行了研究；供 回水温度传感器选用配对后的p t l 0 0 0 铂电阻温度传感器；积算仪可采用具有 可编程功能的演算器。热量表的选型参照中华人民共和国建设部发布的 c j l 2 8 2 0 0 0 热量表的相关规定。 在热量表的选型完成以后，对热量表的安装、使用和维护时应注意的事 项做了陈述，并针对设计流量是2 0 t h ，管径是d n l 0 0 的热水网路的热量计 量进行了选型设计计算和上位机软件编制。 关键词：热量计量；流量计；配对温度传感器；积算仪；安装 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eh e a t i n gc o m p u t a t i o nc h a r g ep o l i c y , a n o t h e rp o l i c yw a si s s u e db yt h em i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o no ft h e p e o p l e s r e p u b l i co fc h i n at h a tt h eh e a t i n gm e a s u r e m e n tt r a n s f o r m a t i o no fg o v e r n m e n t i n s t i t u t i o no f f i c eb u i l d i n gs h o u l db ec o m p l e t e db e f o r et h eh e a t i n gp e r i o di n2 0 0 8 ， t h e r e f o r ei nl a t e rp e r i o do ft i m e ，t h em a i np o i mo ft h eh e a t i n gm e a s u r e m e n t t r a n s f o r m a t i o ni st h eh e a t i n gc o m p u t a t i o no fp u b l i cb u i l d i n ga n dc o m m e r c i a l c o n s t r u c t i o n , t h ei n h a b i t a n tp l o r , h e a tt r a n s f e rs t a t i o na n dh e a t $ o u , l * c e i ti st h e e m p h a s e so f t h i sp a p e rt od e v e l o pt h eb e a tm e t e rw h i c hi sf a i r l y , a e e a r a t e ，r e l i a b l e i na l l u s i o nt oa b o v eh e a t i n gs y s t e mu s i n gw a t e ra st h eh e a t i n gm e d i u m 硼坞f l o w 辨n s o lt h et e m p e r a t u r es e n s o rp a i ra n dt h ec a l c u l a t o ra r e s u b a s s e m b l i e so f ah e a tm e t e r i nt h ef l o ws e l l s o rs e l e c t i n g ，i tw a sr e s e a r c h e dt h a t t h ea p p l y i n gf i e l d so ft h es t a n d a r do r i f i c ef l o wm e t e r s ，t h ev e n t u r it u b ef l o w m e t e r s ，t h ee l b o wf l o wm e t c r sa n de l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r si nt h eh e a t i n g c o m p u t a t i o n ；t h ep t l 0 0 0p l a t i n u mr e s i s t a n c ew a sc h o s e nt ob et h et e m p e r a t u r e s e n s o r ；p r o g r a m m a b l e c a l c u l a t o rw a su s e dt oc a l c u l a t e c j l 2 8 - 2 0 0 0 h e a t m e t e r s ”w a sr e f e r r e dw h i c hw a si s s u e db yt h em i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o no ft h e p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a t h ei n s t a l l a t i o n , a p p l i c a t i o n , m a i n t e n a n c eo fb e a tm e t e rw a ss t a t e di nt h i s p a p e ra f t e rt h ec h o o s i n go fs u b a s s e m b l i e s d e s i g nf o rt h eh e a ts y s t e mw h o s e d e s i g nd i s c h a r g ei s2 溉p i p ed i a m e t e ri sd n l 0 0w a sc a l c u l a t e da n dt h e a p p l i c a t i o no f h o s tc o m p u t e rw a sc o m p i l e dt h e n k e yw o r d s ：h e a tm e t e r s ；f l o ws e n s o r ；t e m p e r a t u r es e l l s o rp a 址t h ec a l c u l a t o r ； i n s t a l l a 矗o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，7 并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 红肜 监彬 )日， 帮 期 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 很久以来，我国供热业的热能浪费现象非常严重，为实施城市供热 体制改革，节约能源，近几年政府一直推行按使用热量计费的政策。1 9 8 9 年，政府开始关注集中供热的民用建筑计量收费问题，经过近十年的探 索，于2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部发布了民用建筑节能管理规定， 规定：“新建居住建筑的集中采暖系统应当实行供热计量收费”，“鼓励发 展分户热量计量技术与装置，【t l 。2 0 0 3 年7 月2 1 日，国家建设部、财政 部等八个单位又联合下发了“关于印发关于城镇供热体制改革试点工 作的指导意见的通知”，要求“加快推进城镇供热体制改革”，“停止福 利供热，实行用热商品化、货币化，推行按用热量分户计量收费办法”【2 】。 在户用热表得到相当关注而效果并不十分明显的情况下，于2 0 0 6 年6 月2 8 日，建设部继而发布了关于推进供热计量的实施意见，提出： “要把十一五建筑节能指标细化到供热节能方面，并落到实处；要从政 府机关和公共建筑做起，全面实施供热计量工作，建立和完善供热计量 收费机制，i ，】，并明确提出要求：“2 0 0 6 年采暖季前各地应选择一定数量 的政府机构办公楼等建筑进行供热计量改造；2 0 0 8 年采暖季前，政府机 构办公楼等建筑原则上应全部完成供热计量改造，达到热计量的要 求，【，】。因此本文根据供热系统热量计量的现状，将重点放在公共建筑及 商业建筑热量计量系统的研究及开发上。 政府之所以大力推行热量计量收费，是因为原有的按供热面积收费 的体制无法促使热量的供应方和使用方节能，采暖耗热多少与居民经济 利益无关，用户一般不考虑供热节能；供热公司则把收费不足就作为政 策性亏损，要求政府给予补贴，这样既掩盖了供热单位经营管理和技术 水平低下的问题，又阻碍了技术更新和改进管理的积极性，其结果是供 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热效率低，能源浪费大。一旦实行按热量收费，对于使用方来说，不但 能提高供热的舒适性，还能促使消费者自主节能：对于热量的供应方来 说，供热成本与管理水平、采暖季的气候有关，而不是固定不变的，促 进了供应方的技术更新和改进运行管理，从而实现供热系统的节能。供 热体制的改革核心内容在于供热市场化、商品化，而供热计量是供热市 场化的技术基础，只有供热计量公正准确才能进行热量商品的贸易。 1 2 供热系统热量计量与建筑节能 建筑节能包括两大方面，一是建筑围护结构的节能，即改善围护结 构，加强其保温隔热性能；二是系统节能，即提高向建筑物供给能量系 统的效率，使能量在供给的损失方面减到最少，这里所说的供给能量系 统，对我国西北、华北、东北“三北”地区来说，主要指的是供热系统。 建筑能耗占总能耗的比重，目前己达3 0 t d j ，随着人民生活水平的 不断提高，所占的比重还会继续加大。而供热能耗又是建筑能耗的重要 构成，要落实建筑节能就必须改革供热体制。据调查，在近几年暖冬的 情况下，一些地区实际的耗热量指标还高于设计值，而国内采用的设计 值又高出发达国家的供热能耗指标1 之倍，由此可见我国建筑节能的紧 迫性。 1 9 9 6 年建设部发布了节能5 0 的第二阶段采暖居住建筑节能设计 标准。若要实现节能5 0 的目标，仅靠维护结构节能是很困难的，必须 同时实现供热系统的节能。可以说维护结构节能只是为建筑节能创造了 降低负荷的条件，而供热节能才是落实节能的关键。 供热采暖系统节能的主要措施有：水力平衡，管道保温，提高锅炉 效率，提高供热系统运行管理水平，室温控制调节和热量按户计费【5 l 。 热量测量在供热贸易结算中具有相当重要的作用。在供热系统中，热量 测量对于系统监控、供热调度也是一项重要技术环节。热量测量的准确 程度直接关系到热能的充分利用，因此，热量测量一直受到人们关注。 按照国家节能法的要求，生活用热必须计量向用户收费。这是适应 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 社会主义市场经济要求的一项重大改革，使供热企业改变运行机制的重 要措施，也是促进建筑节能工作的一项根本措施。发达国家的经验告诉 我们：实行供热计量收费措施，可节能2 0 - 一3 0 1 日。如果没有热量计量， 没有手段定量得到能量消耗的即时变化，虽然能够知道新型材料的传热 性能，但是不知道在整个供暖季节里建筑的能耗分配。节约能量的多少 缺乏定量检测手段，分析能耗的分布缺乏数据；由于没有热量计量收费， 不能将能耗与用户的经济利益联系起来，不能从主观上促使用户主动节 能，实现改善围护结构所带来的节能效果。 根据国外几十年供热计量的经验和国内近几年供热计量设备产品 的引进和开发，以及工程应用的经验来看，热计量仪表主要可以分为两 类：一类是通过测定供热介质的流量和供回介质的温差计算出所供热量 的多少的热量表。户用热量表装置在位于竖井和楼梯间的各户供热系统 的回水或供水支管上。热量表也可以装置在一栋楼或一个门洞热力入口 的回水管上，用于测定整栋楼或某个门洞各单元的总供热热耗。另一类 是运用散热器平均温度和室内温度的差值与散热器热量之间的函数关 系，通过分配表来确定散热器的散热量。这种装置成本较低，对于不便 构成单户采暖系统、使用户用热量表的住宅楼适合用这种方式 6 1 。 在我国，由于地域广阔，冬冷夏热，不仅黄河以北广大地区的城镇 居民需要冬季供暖；而且随着人民生活水平和建筑物业管理水平的提 高，中部地区的冬季供暖，夏季供冷，以及南方地区的集中供冷都已开 始发展。因此，必须研制和开发适合我国国情的热能表。 1 3 国内外的研究现状 1 ，3 1 国外热量计量发展现状 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，在欧洲实行集中供暖计量收费，其相应 的热量表的发展，从一开始的机械式、电子模拟积分式、电子数字积分 式直到后来的微处理器为基础的智能式热表川。到9 0 年代，热量表基本 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上定型，设计趋于一致。在1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正式通过了统一的 热量表标准，代号为e n 1 4 3 4 。又在2 0 0 2 年国际法制计量组织通过了 0 i m l r 7 5 规程，这是欧洲热量表技术成熟化和标准化的体现。 集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势，也是各个国家节能环 保的一项基本措施。目前除西方发达国家已采用这一措施外，东欧各国 及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖按热量计费的相应 技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技术更加可靠 和准确，整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展。 1 德国的供热计量收费。德国的热量表在出厂时要求一表一校。原 来东德的城市是按照供热面积进行收费的，室内的采暖系统是单管顺流 系统，为适用供热，普遍改为垂直单管跨越式系统，热量计量主要采用 的是根据每个楼的总热表的读数，热量分配表的读数把各楼的供热分配 到各户。根据建筑物功能的不同，公共建筑并不计量到户，而作为一个 用户组。 2 波兰的热量计量是从1 9 9 2 年热计量公司开始进入波兰开始的，到 1 9 9 8 年的时候，波兰的城市建筑中已有4 0 装有总量表。其经济部1 9 9 9 年3 月规定，所有的换热站必须安装独立的热量表。 3 捷克斯洛伐克在1 9 9 1 年颁布的节能法中也明确地提出：热源操作 者必须在从热源输往网路的输出处测定供热量。热网第一部分的操作者 必须测定出一次侧的供热量；对于供热和生产生活热水的分别提供的热 量要安装热量消耗表以确定供热和生活热水制造所消耗的热量；热网操 作者必须测定为每幢大楼单独提供的热量，如果供应的用户只有一个， 则只需在供热站一次侧安装测量装置。 通过对上述几个国家的供热计量改革现状和发展现状来看，在供热 系统中设置楼用表，热量供应总量计量表非常必要，在贸易核算中提供 可靠依据，以便于有关部门了解能源的分配情况作出相应调整，还能促 进能源消费者节约能源。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 国内现状、所遇到的问题和发展展望 中国热量表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代。当时已有欧洲的热 表样表进入中国，1 9 9 0 年有关单位作为国家“七五”科技攻关课题，研究 仿制。1 9 9 2 年国家技术监督局和国际法制计量组织中国秘书处翻译出版 了0 i m l 7 5 国际建议( 热能表) 。尽管如此，相当一部分单位和个人是“闭 门造车”式的研究；甚至“仿制”也是在对有关产品的国际标准并不了解的 情况下进行的【5 j 。 在1 9 9 7 至u 2 0 0 0 年几年的时间里，欧洲( 热量表) 标准( e n 1 4 3 4 ) 逐渐被 一些企业单位所了解和重视，包括中国科学院、清华大学、航天部、兵 器部等直属的科研院所、高等学校，先后都以多种形式，积极参与到热 计量仪表装置的研制开发工作中来，一些军工企业也将“热量表”作为“军 转民”的重点项目f 】。中国热能表的研制开发真正走上了正轨。 2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部发布了“7 6 号令”民用建筑节能管理规定， 明确了“鼓励发展分户热量计量技术与装置”和“推行温度调节和户用热 量计量装置”，正式开始了供热计量的改革工作。在此期间，在建设部 主持的关于( 热量表) 国家行业标准的编制工作也在进行。对国内开发、 生产热量表的企业单位起到了启发和帮助的作用。 ， 继建设部2 0 0 1 年2 月5 日发布的规定于6 月1 日起实施的热量表标 准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 之后，2 0 0 1 年1 2 月4 日，国家质量监督检验检疫总局发布 了中华人民共和国国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 热能表，并规定 2 0 0 2 年3 月1 日起实施。中国的热量表从法制概念上建立了关于生产标准 和技术检定的完善的质量保证和监督的体系。这两个国家标准和规程， 都是以最新的国际标准为参考和依据的，完全与我国进入“w t o ”后的宏 观政策相符合。 中国热量表的研发、生产中，一方面认真学习借鉴了国外成熟的先 进技术，一方面针对中国国情做了大量自主开发的努力。中国所有的热 量表生产企业，在选用热量表的基本部件中，对精度至关重要的温度传 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 感器，都给予了足够的重视。几乎都选用了符合国际和国家标准的p t l 0 0 型配对铂薄膜电阻测温探头。大多数企业采用的是德国j u m o 公司的产 品。j u m o 公司是欧洲热表的测温头的主要生产企业，他们的产品被包括 丹佛斯、西门子、真兰、斯伦贝谢、荷德鲁美特等著名热表企业所采用， 占有全欧洲6 0 7 0 的市场 9 1 。中国热量表企业几乎都是把热量积分计算 器作为自主研发的主要工作。在积分计算模式上，大多数不采用欧洲流 行的k 系数法，而是采用了更适应现代技术发展和我国国情的热焓差值 计算法。为适应中国相当大的地区范围有“冷热联供”一套系统，冬天供 暖，夏天供冷的需要，许多企业研发了既可以在冬天测量供热量，又可 以在夏天测量供冷( 吸热) 量的热量表。 通过对热量计量相关文献的阅读和对热量计量产品的了解，发现目 前国内在热量计量方面的研究重点还放在户用热量表上，对于管径在 d n 5 0 以上的热水管路的热量计量研究很少，国内所出具的热量计量方 面的行业标准主要是针对d n 5 0 以下的，常用流量在1 0 m 3 h 以下的户用热 量计量。同时国内的热表企业绝大部分出身于电器仪表行业，对于供热 系统的特性不甚了解，而国外的热表生产厂家多数是能设计制造全套供 热系统设备、装置，甚至整个现代智能化建筑从设计到全部技术设备配 套提供的综合科技公司，所以研究供热系统的特性并根据此指导中大口 径的热量计量的选型设计非常必要。 1 4 本文的主要研究内容 由流量计、测温传感器和热量的积算仪三部分组成的机电一体化仪 表即热量表，与其他相关功能配件相组合，构成热量计量装置。热量计 量装置应区分为：户用热量表、单元表、楼用表、小区热力入口热量表、 热力站用表和热源热量表。从目前国内的研究现状来看，大部分的研究 者和厂家将重点放在户用热量表开发上，并取得了一定的成绩，而对于 楼用热量表等以上的流量在3 t h 以上，管径在d n 5 0 以上的热水供热系统 的热量仪表研究不足，而这就是本文的研究重点所在。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文拟开发出针对单体建筑、小区、公共建筑，商业建筑的适用于 大宗熟量商品贸易的热量计量系统，该系统应具有的主要特点是：公 平：准确：可靠，这些是热量计量贸易的基础。另外对于供热系统 在热量计量系统选型时应当注意以下两点：热水供热系统的熟负荷有 以下的特点：二级网侧因考虑到系统流量调节过大时会引起用户的垂直 失调，所以二级网侧的最小流量与最大流量之比约为l ：2 ；一级网侧常 采用量调节的方法实现供热调节，热电联产供热系统的一级网的流量变 化不大，而对于热源是锅炉房的供热系统其最小流量与最大流量之比可 达1 ：4 。所以热量计量系统的量程比至少要达到l ：4 ；由于一般单体 建筑预留的供热系统的资用压差是4 - - 5 m h 2 0 ，一般都小于1 0 m h 2 0 。在 热力系统中增加热量计量系统必定会增加系统的压力损失，为保证热力 系统在热计量后仍能正常运行，热量计量用流量计的压力损失不能超过 0 3 0 5 m h 2 0 。 综上，本文的研究重点就是根据2 0 0 1 年2 月5 日中华人民共和国建设 发布的c j l 2 8 2 0 0 0 热量表，参考国际法制计量组织o i m l r 7 5 热量 计量规程研究选用何种类型的流量计、测温传感器和热量的积算仪才能 保证热量计量的公平准确和可靠，保证流量量程范围大于1 ：4 ，压力损 失小于0 3 0 5 m h 2 0 。另外在选型完成后对热量计量系统进行功能完善 和产品封装。并对其现场安装要求进行详细的说明，以避免由于现场安 装不当引起不必要的误差。 另，下文中所提到的热量表( 除特别说明以外) 都指的是上述范围内 的用于大宗热量贸易核算的热量表。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章热量表设计综述 2 1 热量表结构总述 一个完整的热量表由以下的三部分组成：流量计，用以测量经热交 换系统的热水流量；一对温度传感器，分别测量采暖供回水的温度；一 个积算仪，根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数 据，通过热力计算公式计算出供热系统中交换的热量【7 l 。如图2 1 是一个 普通户用机械式热量表的基本结构。 图2 1 普通户用机械式热量表内部结构 根据热量表总体结构的不同，热量表可分为以下三种： 1 整体式热量表。整体式热量表是由流量传感器、计算器和配 对温度传感器所组成的不可分解的整体式热量表。 2 组合式热量表。组合式热量表示由流量传感器、计算器、配 对温度传感器等部件组合而成的热量表。 3 紧凑式热量表。在型式检定或出厂标定过程中可以看作是组 合式热量表，但在标定完成后，其组成部分必须按整体式热 量表处理。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 热量计量的数学模型 由热源供应的热水以较高温度流入热交换系统( 散热器、换热器或由 它们组成的复杂系统) ，以较低的温度流出，在此过程中，通过热量交换 向用户提供热量【l o l 。把一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行 管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上，流量计安装的位置 不同时，测量的结果会有所不同，流量计发出与流量成正比的脉冲信号 为标准4 2 0 m a 电位信号，一对温度传感器给出表示温差的模拟信号， 热量表采集来自三路传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得 的热量 i l l 。热量表系统的框图2 2 如下： 流 供永温 图2 2 热量表热量计量系统原理图 传热量一般由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定。对 热量表来说，进出口的焓值还与时间成比例。国内热量表一般采用焓差 法计算热量f 1 2 j 。焓差法的传热公式为 q = e q a h d t 或q = r 砸口妞( 2 - 1 ) 式中q 释放热量，l 【j 或k w h ； 质量流量，k g s ； 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 幽进出口焓差，k j k g ： k 热交换系数，k w h ( m 3 ) ； 卜时间，s ： 护进出口温差，： 玑体积流量，m 3 s 。 目前国产热量表的计算方法可以分为以下几种：直接焓差法； 常系数焓差法；分段式k 系数法；k 系数补偿法。其中直接焓差法 最为简单：其热水的物性参数采用线形插值的方法获得，从而计算热量 交换值，当物性参数的数据表精度不够高时，将会带来较大的误差；常 系数焓差法是指将热水的定压热容设为常数，直接用定压热容，密度， 体积流量和温差乘积的方法计算瞬时热量，由于在热力系统运行时，热 水的温度、压力处于不断地变化中，热水的定压比热容必然处于不断地 变化之中，由于其不能随着热水工况进行相应的变化，所以计量误差必 然存在；分段式k 系数法是在常系数焓差法上的改进，这里的k 指的是 热交换系数，是热水在相应温度、温差和压力下的函数，将其按回水温 度进行分段，其公式为 一 q = i k - 口( 2 2 ) 式中i 的取值为：当b q ，k = 岛；当绋 0 2 ，k = 岛。 该方法将热交换系数设为分段常数，虽然比前两个计算方法的精度高， 但是温度区间的划分还是比较粗，仍然会带来较大的误差。以上无论是 焓差法或是分段式k 系数法都可以达到一定的精度，但是其计量方法和 计量的精度均达不到o i m l r 7 5 国际规程和e n 1 4 3 4 欧洲标准等国际标 准。 七系数补偿法实现了热系数的在线温度和压力补偿，大幅度提高了 热量计量的精度。o i m l r 7 5 国际规程和e n 一1 4 3 4 欧洲标准都对热系数k 如何计算有明确的说明n ，1 。在载热介质一定的热交换回路中，热系数是 压力、温度的函数，可以按下式计算： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k ( p ，巳，b ) = e 1 q ( o , ) ( o f 只) r c ，( 臼) d 口 ( 2 - 3 ) 式中g ( 只) 为入口温度或出口温度下载热流体的流量，m 3 h ； 巳入口温度，； 只出口温度，； c p ( d 某温度下的定压热容，k j k g k 。 为简化计算，引入如下参数： 鲁q c l = 甜吼l o u 弘4 ， 风l j 4 式中甜= 0 如比温度； = p p 。l 比压力； f ( “，) 比自由焓，即吉布斯函数。 载热介质为水时选取的参考温度b 。为6 4 7 3 k ，参考压力p c 为 2 2 1 2 0 0 0 0 j m 3 ，参考容积q c l 为o 0 0 3 1 7 m 3 。 由式( 2 - 3 ) 、式( 2 4 ) ，并引入相应的比参数，热系数为 坳删= 而p c l q f t 丽i h 铷 亿s ， 坳删= 而p f l q a 丽1 卅乱一忸，钆卅小2 呦 比自由焓f ( ，) 的函数关系式如下 伽， 善钟“(器z一西17f1)=dou(1-inu)+l ，p 7 + f ， 4 “+ 4 。l 。嚣z 一石l ，l z ”“7 + 4 2 + 钾饥 4 ，魄训”+ 九a t “9 ) 。 一 ( 呜+ 1 ) - 1 ( 4 ，+ 4 。p 2 + 4 。p 3 ) 一如u t s ( a 9 + “2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( q 。+ f 1 ) - 3 + q 。 + 如( q ：一“) + “。 ( 2 7 ) 式中，z = y + ( a 3 y 2 2 a 4 + 2 a s f l ) “2 ；y = i q “2 一a e u _ 6 ；4 4 2 2 ， 口。一a t ：均为常系数。根据吉布斯函数，以及式( 2 - 5 ) 和式( 2 6 ) 即可得到不 同温度、压力下的热系数。仔细观察上面的公式，发现与国际公式化委 员会于1 9 6 7 年提出的i f c 6 7 自由焓的公式一致，可见k 系数补偿法是基于 i f c 6 7 公式的。 由此可以在热量计算中引入国际标准化公式i a p w s i f 9 7 ，该新公 式是水和蒸汽性质国际协会( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o nf o rt h ep r o p e r t i e s o f w a t e ra n ds t e a m ，i a p w s ) 于1 9 9 7 年在德国埃朗根召开的年会上提出 的，基于i f c 6 7 公式。自1 9 9 9 年1 月1 日后，水和水蒸气性质国际联 合会( i a p w s ) 要求在商业合同中采用新型的水和水蒸气热力性质 i a p w s i f 9 7 公式m 。i a p w s i f 9 7 公式的全部适用范围划分为5 个区域， 即常规水区、常规蒸汽区、临界水区和蒸汽区、饱和线区以及超高温过 热蒸汽区。本文设计的热量计量系统载热介质是热水，处于常规水区， 该区的基本方程是自由焓( g i b b s 自由能) 方程g ( p ，d 如下m 1 l 掣：量啊( 7 1 - ，r ) 1 , ( r - 1 2 2 2 广( 2 - 8 ) 式中，疗= p p + ，f = t t ，p = 1 6 5 3 m p a ，r = 1 3 8 6 k 。该公式适 用范围为：2 7 3 1 5 k t _ 6 2 3 1 5 k ，e s ( t ) 2 0 0 m m 时，宜采用超声波式流量计。 二、应设置于回水管上。 三、额定流量下的水流阻力，宜不大于2 0 k p a 。” “建筑入口热量表和热源热量表的配对温度传感器，应严格按照配 套产品的安装使用要求设置。” “建筑入口热量表宜采用内装电池，热源热量表可采用外接电源。” 2 3 2 热量表技术参数的确定 热量表应具有的技术参数：设计温差、最小温差、最大温差、最小 流量、常用流量、最大流量、温度上限、温度下限、最大允许工作压力、 压力损失，最大允许压力损失。 热量表的计量特性： 热量表的计量准确度分为三个等级，采用相对误差限e 表示，相对 误差限e 定义如下【1 9 】： e ：毕1 0 0 ( 2 - 9 ) _ c 式中屹显示的测量值。 k 常规真实值。 1 级 2 级 3 级 式中e k f 曲 c 2 + 4 等争 脯c 。+ 4 等+ o 舵争 一c 4 “鲁+ o o s 争 相对误差限，5 最小温差，j 使用范围内的温差，； ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) f 2 - 1 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吼常用流量，m 3 h ； g 使用范围内的流量，m 3 l l 。 整体式的热量表准确度应按上述的三个等级执行。 本文所研究的热量计量系统的服务对象是公共建筑和商业建筑热 量贸易计量，使用的地方可以是热源热量计量、换热站供热量计量、小 区热力入口供热量计量、楼宇热力入口供热量计量或者单元入口的供热 量计量。针对上述热力入口的特点可知，热量计量的热力系统的设计流 量大约都会在3 t h 以上，管径范围是d n 5 0 以上。普通散热器采暖的设计 供回水温度为9 5 - 7 0 c ，地热采暖的设计供回水温度为6 0 5 0 ，针对地 热采暖其最小温差为6 ，热量计的测量下限温差应小于实际的供回水 温差，在此，设定其测量的下限温差为3 ，考虑到热源的热水温度较 高，热量计的温度测量范围可设为4 1 5 0 。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章热量计量用流量计的选型 为正确有效地在热量计量系统中选择流量测量的方法和仪表，必须 熟悉仪表特性和流体特性这两方面内容，同时还要考虑经济因素。由于 流量计是用于热量商贸核算累积流量的，除了要求较高的精确度，还应 考虑精确度的持久性。对于热量计来，其主要性能参数都由流量计决定， 因为热量表在额定流量、精度和使用寿命等方面的表现，主要是由流量 计的性能决定。所以流量计是热量表中最重要的部分，其测量特性直接 决定测量结果。 据了解，为解决不同条件下各种被测介质的流量测量，至今已发展 了种类繁多的流量仪表，常用的封闭管道流量测量仪表大致有l o 大类： 差压式流量计；浮子流量计；容积式流量计；涡轮流量计； 电磁流量计；流体振动流量计；，超声流量计；热式流量计；科 氏质量流量计；其他流量计。据统计在9 0 年代中期这些流量计全球 产量的百分比大概如下：4 5 5 5 ；1 3 1 6 ；1 2 1 4 ； ( d 9 l l ；5 6 ；2 2 3 ；1 6 2 0 2 ；2 2 5 ； o 9 - 1 2 ：1 6 - 2 2 。据估计，今后所谓传统流量计( ) 的 百分比会呈下降趋势，而新型流量计( ) 所占比重则会逐渐上升【2 0 l 。 下图3 1 是封闭管道流量计的详细分类。另外，可测量液体的流量检测 仪表的主要技术参数如表3 1 。 在热量计量系统中，常用的流量测量装置有机械式流量计、压差流 量计、超声波流量计、电磁流量计。因为本文研究的热量计量系统是针 对大流量、大管径公共建筑热力系统，为保证计量的准确度和精度，不 再考虑户用热量表常用的机械式流量计，仅针对适用于流量在3 t h 以上， 管径在d n 5 0 以上的后几种流量计的计量特性进行比较分析，从而进行 流量计的选型。 1 7 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 匿糕求盘嘲薅卿瓤匠辐ic匝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | 4 l 蹙蔓舞 栽 辇萋萋冀 删醇 1 l 晕瑙恒 囊蔷 蓑甲萋 斗 柱半乓 碟酃错 馘基镛。 * 警敏 一 + i 一 术 刊 ni 刊 瑙 i + l i 器 + i d 一 耀 + l刊 粪薯 日 2 b2 ， 一 x 鼍 辎 坦三 审审 帮 籁 赠 酶 世趟 * h 辎 哦 童萋 葛 荆 h 邑 丑 一 驰 o 捌 o 8 宝 量 o 8 苗 8 g 宝q 善 8 ! 卑 q d 一 樱 吨 i n 暑 苫 删 一 d 蘑 赠8 8o 鬃 棰耀 2 2 寸删肇 盘6 古 i n 啦 n2 一 粼辎警q 抑 熏 露螫 杈 l 懈 蛊 样 辑 盘 样 * 骧 嘲 基 器棼 臻 幕 疆 轺 脚 酬 j | l j 嘲一 世塔拳 爝出螺巾侧懈棚 1 9 一邑籁熊长辎雠卅g僻警嚣辍哪薅g茸矮咖一辎砖ic礤 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 热量表对流量测量的要求 3 1 1 供热系统流量测量特性 供热系统的流量有其自身的特点，首先被测对象比较单一，主要是 各种品位的蒸汽和采暖用的热水等；其次对于供热系统流量测量而言， 其稳定性、可靠性、准确性、适应性的要求都很高；还有对于热源这种 特殊商品的计量，往往不能简单地局限于流量值大小的测定上，因为热 载体品位的高低对于供热来说具有决定性的影响，因此必须在流量测量 的基础上，同时要考虑热量的测量才能作到真正的准确1 2 2 1 。 以下是对被测热力系统的特性分析： 1 被测流体的种类：水 2 工况条件：工作温度4 1 5 0 3 2 ；工作压力1 6 2 5 m p a 3 流动状态：湍流 4 流相：单相流 5 流向：单向流动 6 流量测量范围：上限流量：不限：下限流量：3 t h 7 测量内容：累积流量 8 用途：共公建筑或商业建筑热量商贸核算、记录 3 1 2 流量测量传感器须考虑因素 关于流量的选型，须考虑以下因素： 1 压力损失。由于一般单体建筑预留的供热系统的资用压差是 4 , 一5 m h 2 0 ，一般都小于1 0 m h 2 0 。在热力系统中增加热量计 量系统必定会增加系统的压力损失，为保证热力系统仍能够 正常运行，在此提出热量计量用流量计的压力损失不能超过 0 5 m h z o 。 2 工作水温。选型时需要根据工作水温选择适配型号的流量计， 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一般注明工作温度( a p 最大持续温度) 和峰值温度。通常情况 下，住宅采暖系统温度范围在4 1 5 0 ，温差范围在3 7 0 。 3 设计工作流量和最小流量。在选择流量计口径时，首先应参 考管道中的工作流量和最小流量( 而不是管道口径) 。一般方式 为：使工作流量稍小于流量计的公称流量，设计流量按公称 流量的8 0 取，并使最小流量大于流量计的最小流量门。 4 管道口径。根据流量选择的流量计口径与管道口径可能不符， 往往流量计口径要小，需要安排缩径，也就需要考虑变径带 来的管道压损对热网的影响，一般缩径最好不要过大，最大 变径不超过两档。也要考虑流量计的量程比，如果量程比比 较大，可以缩径较小或者不缩径【可。 5 水质情况。管道水质情况主要影响流量计类型的选择，因为 不同的测量原理的流量计对水质有不同的要求。如电磁式流 量计要求水有一定的导电性，超声波流量计受水中悬浮颗粒 影响l l 。 6 安装要求。选型流量计时要考虑到工作环境、应用场合所提 出的安装要求，如环境温度、电磁防护等，还有安装方式： 水平或垂直安装；流量计前后直管段是否满足测量需要；外 部电源的连接以及管理【1 。 ， 在供热系统的热水网路系统中，热水网路的主干线通常是已知热媒 流量和压力损失来确定管道的直径。在一般情况下，热水网路的主干线 的设计平均比摩阻可按4 0 s o p a m 进行计算，通过对水力计算表的查询， 供回水温度为9 5 7 0 c 的热水网路的管径与流量的对应关系如下表3 2 ， 进行流量传感器的选项时可参照此表。当然对于热水网路的支干线，因 为所处位置不同，则按支干线、支线的资用压力确定其管径，表3 2 只 限于主干线的管径与流量对应关系。 对于支干线和支线在确定其管径时，在热网规范中采用了两个 控制指标，一个是热水流速不应大于3 5 m s ，另一个是比摩阻不应大于 2 1 哈尔滨工程大学硕七学位论文 3 0 0 p “m 。实质上，对管径d n e 4 0 0 m m 的管道，控制其流速不得超过 3 5 m ，而对于d n o 4 5 ， 压 r e e l 0 0 0 0 标准 法兰取d e l 2 55 0 s d s l 0 0 0 o 2 s 口5 0 7 5 孔板 r e e l 2 6 0 夕2 d 压 d d i 2 取 r e e l 2 6 0 矿d 压 粗铸收 i o o ! ；6 呸8 0 00 3 s ! 抑。7 52 1 0 5 s r e 盟x 1 0 6 文丘缩段 里管加工收 5 0 _ d s _ 2 5 0o 4 s 曼0 7 52 x 1 0 5 5 r e s i x l 0 6 缩段 哈尔滨工程大学硕士学位论文 续表 孔径 节流装置管径d m m直径比雷诺数r e d r a m 粗焊收 缩段 2 0 0 三d s l 2 0 0 o 4 f l _ 5 06 5 _ s d 5 0 0 0 3 1 6 f l 郢7 7 5 1 5 x 1 0 5 r e _ 2 x 1 0 6 喷嘴 已知管道内径d 及管道布置情况、流量范围、被测流体参数如压力 p 、密度p 、粘度r l 、等熵指数七、管道内壁的粗糙度k d 、材料线膨 胀系数如和乃等必要条件【3 5 1 ( 对上述参数，按照供回水温度为9 5 7 0 。c ， 整个采暖季平均水温t “6 0 时的工况进行计算) ，要求设计一个标准节 流装置，即进行如下工作：选择节流件形式和确定节流件开孔直径d ； 推荐节流件在管道上的安装位置以及计算流量测量总不确定度，并对压 力损失不超过o 5 m h 2 0 的要求进行校核。下面的内容是以管径为 d n l 0 0 ，流量范围在1 5 2 5 t h 的热水管路的标准孔板流量计量的计算示 例。 当热水网路的设计流量是2 5 t h 时，最小流量按设计流量的6 0 取， 其管径为d n l 0 0 ，查阅相关资料可知，被测介质热水的密度 p = 9 8 3 2 8 4 k g m 3 ，运动粘度度y = 0 4 7 5 x 1 0 。6 m 2 s ，则其设计流量下的雷 诺数 = 半= l 8 6 1 1 矿( 3 - 7 ) 最小流量是为1 5 t h ，对应的m i n = 1 1 1 7 x 1 0 5 由公式 铲丽c 南42 母2 南c 耐2 厩 ( 3 s ) 可知卸= 丽q 2 ( 1 - f 1 4 ) 联立角接取压的标准孔板的流出系数c 的确立方程 哈尔滨工程大学硕十学位论文 6 c - - 0 5 9 5 9 + 0 0 3 1 2 f 1 2 一一o 1 8 4 0 f 1 8 + o 0 0 2 9 f 1 25 ( 妻l ) “”( 3 9 ) k e d 以及孔板流量计的压力损失经验公式 即= 0 一) 印( 3 - 1 0 ) 以上三个公式联立可知，孔径比口与压力损失8 p 之间存在着一一 对应的关系。在印 o 5 m h 2 0 的条件下，的取值越小越好，因为当 值小时，推荐的最小雷诺数较小，使实际最小雷诺数大于推荐使用的最 小雷诺数的可能性大；节流件前后所需的最小直管段长度较短，测量精 度较高。 通过计算可知，当口= o 6 时，即孔径为1 0 0 0 6 = 6 0 m m 时，造成的 最大压力损失是0 4 3 6 m h 2 0 ，在最小流量1 5 t h 时，其压力损失是 o 1 5 6 m h 2 0 ，即在管径为d n l 0 0 ，流量范围是1 5 - 2 5 t h ，孔板孔径是 6 0 m m ，压力损失的范围是0 1 5 6 - 4 ) 4 3 6 m h 2 0 。如果不考虑直径比口、管 径d 和雷诺数r e 的不确定度，且相对粗糙度k d 在规定的极限之内， 则流出系数c 的相对不确定度配c = 士o