（热能工程专业论文）新型热量计测量技术的探索研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 目前的热量表在测量热量时需要测量流量、来回管道温度差，再进行积分计 算，其技术复杂、精度低、仪器成本高，难以普及。针对当前热量表测量技术的 特点，本项目提出了一种新的热量测量方法，它依据能量守恒定律，通过对主能 量流中通入一个二次能量流，并测量出由于该二次能量流引起的加热段与散热段 的温度变化，再通过相应的计算公式计算出散热段的散热量值。 该测量方法具有常用热量表所不具备的优点：它不需要测量流量，避免了流 量对测量结果的影响；另外该方法测量非常简单，只需要测量两个温度差以及一 个电压和电流即可，大大的简化了测量的过程，降低了产品的成本，而且该测量 方法所要测的几个参数都可以用常用仪表进行精确的测量，这就使得所得结果精 度非常高，为普及该热量表提供了一个很好的前提。 为了确定该方法的可行性，本项目采用了数值模拟进行理论计算以及实验验 证的方法对其进行了比较分析。数值模拟采用c 语言进行编程计算，对有可能对 测量结果产生影响的因素进行数值计算，再通过建立实验模型，在实验的情况下 对这些因素的影响进行测量计算。本文主要是以水和空气为工质，通过理论计算 与实验结果对比分析，我们得出结论，该型热量表的数值模拟和实验测量的结果， 其走势基本吻合，因此本热量表测量原理在理论和实验上是可行的。 关键词：热量计，热工仪表，节能，能量守恒，数值模拟 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t ac o n v e i l t i o 舱lh e a tm e t e r n e e d st om 既i 觚n gq u 觚t i t yo fh e a tb ym e 鹊u r i n gt h e n o wi a t e ，t e i n p e r 血l r ed i 饪b r e n c e 砒t l l ei i l l c t 觚do u t l c to ft l l ep i p e l i m ，a i l db y c a r r y i i l g t h ei n t e g r a lc o n l p u 诅t i o i l i 协t e c h n o l o g yi sc o m p l e x 埘ml o wp r e c i s i o n 趾dh i 曲c o s t ，i i lv i e wo ft l l ec 瑚th e a tm e t e rt c 圮t l i l o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，m i sp 棚x ：r p r o p o s e d0 n en e wh e a tm e 鹤m 缸gt e c h l l i q u e ，w t l i c hr c l i e s 伽t h el a wo fc o n 辩a t i o n o f e n e r g yb yc o m p a r i n gn l et c m p i 粥m l c h a l l g e sc a u s c db yt v me n e r g yf l u x e s t i l i sm e a s u r i n gt e c h i l i q u eh a st h ea d v a i l t a g e0 v e rac o n v e m i o n a lh e a tm e t e n d o e sn o tn e e dt on l e a s u r et t l en o wr a t e 。锄dt l l u sa v o i d c dt h ef l o wm t ei n n u e n c e ： m 白r v 盯t l l i sm e t l l o di se x 姗n e l ys i l i l p l e ，o n l yn e e d st om e 船u r et w ot c m p e m t i l 坞 d i 仃盯e n c 嚣嬲w e l l 勰av o l t a g e 锄dt h ee l e 硎cc u n c m ，m l dt h e nr c d u c e dt l l e p m d l l c t i o nc o s t t h i sm e 嬲u r i n gt e c m q u eu s e dc o n v e n t i o n a lm e a s 砸n gd e v i c e ，s o t l l eo b t a i n e dr e s l l l tc a nr c a c ha ne x l ：r 锄e l yt l i 吐懈i s i 吡 h lo r d e rt 0d e n l o l l s 仃a c et l l ef c a s i b i l i t yo ft l l i sm e t h o d ，t 1 1 i sp a p e rl l s e dt h c n 啪e r i c a ls i m l l l a t i o nt oc 州t l l em c t l l o dw l l i c ht t l et l l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na sw e u a st h ee x p e r i me i l _ tc o l l 】f - m e dt oi tt oc 螂t l l ec o m 讲盼t i v ea i l a l y s i s t h en 砌e r i c a l s i m u l a t i o nw a sm a d eb yt h ecl a l l g l l a g et 0h a v et h ep o s s i b i l i t yt 0s 呻t 1 1 ei n n u 黜 f h c t o r st om em e a s u r 锄e m s u h t h ee x p e r i me 1 1 _ tw a s 击s om a d et 0c o m p a r ew i m 也e c o m p u t a _ t i t h i sp a p e rt a k e sw a t e ra n da i fa sw o r k i n gn l l i d s ，a n dt l l ea g 】r e e m e n t b e t v e ne x p e r i m 饥ta n dt h em e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns h o 、st l l a tt l l i sn e wt y p eo f c a l o r i m e t e ri sf b 鹪i b l e 1 蛔rw o r d 戟h e a tm e t e r ，1 1 1 e m l a lm e t e e n e r g y - s a v i l l g ，c o i l s e r v a t i o f e e 阱 n l l l 玳衙c a ls i m i l l a t i o n 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注 明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：l i 立鼗 指导教师签名： d 7 年；月；日 谤瓠 矿 年q 其) b 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名；圣杰殇 力年3 月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 我国地域广阔，人口众多，房屋建筑规模巨大，其中住宅建设约占居住建 筑的9 2 ，住宅建设量大而且面广，至今仍呈上升趋势，而且这个上升趋势还 将持续2 0 一3 0 年。但是我们必须清醒的看到，我国如此庞大的房屋建筑及住宅 建设的快速增长是以资源和能源的高消耗为代价换取的，除了利用最直接的资 源一土地以外，住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限制因素。当前由 于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，单位住宅建筑 面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3 倍。到2 0 0 0 年，全国城市建筑耗 能将占能源生产总量的1 4 ，这就说明，只有坚决采取节约能源的措施才能维 持建筑的可持续发展。叫 国外的热计量经验表明，按照热量收费的制度是促使用户自觉节能的最有 效手段，据统计，把”大锅饭式的采暖包费制，改为按实际使用热量向用户收 费，可节能2 0 一3 0 而在我国长期以来实行福利制供暖，能耗多少与用户 利益无关，这是大锅饭体制遗留下来的一大弊端，也是供热系统节能工作的一 个最大障碍。按照国家节能法的要求，生活用能必须计量向用户收费。这是适 应社会主义市场经济要求的一项重大改革，是供热企业改变运行机制的重要举 措，是促进建筑节能工作的一项根本措施。我们只有遵循市场经济规律，把热 作为商品，由用户自行调节控制使用，并按实用热量合理收费，才能调动热和 供热两方面的积极性，进而促进节能。埘 我国政府已重视该项工作，并投资进行研究。建设部建筑节能“九、五” 计划和2 0 1 0 年规划的发展目标中明确指出：“对集中供暖的民用建筑安设热 表及有关调节设备并按表计量收费的工作，1 9 9 8 年通过试点取得成效，开始推 广；2 0 0 0 年在重点城市成片推行；2 0 1 0 年基本完成”啪实现供热计量收费的 基础设施是能以足够的精度对实际使用的热量进行测量的热能表在经济发达 国家，户用供暖用热量表的使用已经相当普遍。热量表作为热力公司向每个供 暖受益者( 住户) 计价收费的手段和依据，已经广泛被用户接受对中国来说， 供暖计量收费势在必行阳其集中体现在以下几个方面： 1 ) 供暖按热量计量收费是推动建筑节能工作的原动力之一 至1 9 9 5 年底，全国按节能标准建成的节能建筑共4 0 0 0 多万平方米。但大 多数数据显示，建成的节能建筑连3 0 的节能标准都没有实现。其主要原因就 第一章绪论 是按面积收费的供暖收费制度不合理造成的，因为按面积收费，无法调动人们 的供暖节能意识，同时也没有供暖节能的技术手段。在北方大部分地区每年供 暖费一般要占到个人收入的1 5 3 0 ，是生活消费不小的一笔开支。如果供暖 按热量计量收费，用户自己购买所用热量，那么买房时，用户才会考虑选择保 温好、调温方便的节能住宅。房地产商也才愿意开发节能住宅所以说，只有 实现了供暖按热量计量收费，才能使现在建成的9 8 8 0 多万平方米节能建筑真正 产生节能的效果，才能推动节能建筑的普及和发展。 2 ) 供暖按热量计量收费可以大量节约能源 实现计量按热量收费后，可以从四个途径节能： a 、调动用户节能意识，实现节能。 b 、公用和商业建筑无人时实现值班采暖。 c 、低负荷时采用质量并调、降低循环水泵能耗。 d 、利用湿控阀，充分利用室内自然得热。 根据发达国家的经验，实行按热量计量收费可以节能2 0 3 0 9 6 。然而，从 我国能源消耗过高的低起点来看，随着热量计量收费带动行业的整体进步、管 理和技术水平不断提高，相信按热量计量收费可以节省更多能源。 3 ) 供热服务公司摆脱困境成为现代企业的根本要求 按热量计量收费能提供”热”这种商品公平交易的手段，做到按消费量付款。 而供热公司从用户手中直接获得供暖费，商品买卖的双方直接见面，可以使供 熟企业提高供热服务质量和水平，使用户掏钱买热；并且实现按热量计量收 费后，逼迫供热企业要进行的成本核算，减少能耗，提高运行管理水平和推动 技术进步。 随着市场经济的不断深入，政府、用户和供热企业三者之间的关系已经完 全转变。过去的计划经济体制下，政府是供热企业的老板，用户是福利的享有 者，而供热企业则是福利制度的执行者，按面积收费的制度成为协调各方面利 益的一个合理选择。而市场经济下，用户是”热的消费者，供热企业是热。的 供应商，政府则是监督管理的协调机构。旧的福利制收费制度成为制约各方面 发展的最大障碍。只有实现个人付费的供暖系统按热量计量收费制度后，才能 理顺政府、用户和供热企业三者之间的关系。 现在中国市场上的国外热量表技术成熟，标准化程度高，但是价格昂贵。 我国对热量表的需求量大，研制开发低成本、符合国际标准的热量表是大势所 趋。田因此，研究开发比欧洲现有的电子式热分配表更为先进，可直接读数的 中国式热分配表，完全是有必要的。 由于传统的测量方法对热量测量精确度不高，在测量中需要测量流量，温 2 第一章绪论 度再进行积分计算，存在计算复杂，精度低，仪器成本高，难以普及等弊端。 于是，针对这种情况，我们研究了一种新型热量测量方法，并进行试验验证， 以解决在供暖( 冷) 工程中急需解决的单户热量计量问题。该方法的主要优点是 对热量消费和计费简便，经济、可靠、实用、精确度高。避免了传统测量方法 的复杂计算过程，真正在供、用双方之间体现了公平、公正、合理的原则。这 对加快热计量收费的改革迸程和节约能源都具有重要意义况且，这种能量测 量方法的理论提出及研究在国内以及国际上还几乎处于空白领域，因此就更值 得进行研究。 1 2 国外应用情况及我国发展现状 1 2 1 国外应用情况 在西方国家，热量是以商品形式进入市场的。特别是七十年代末出现的能 源危机及能源消耗加大了环境污染，使得节约能源和保护环境成为举世瞩目的 大事，并促进了发达国家供热计量技术的长足发展据了解，欧洲的热计量法 规虽各有差异，但基本上每个热用户都安装了热计量仪表，并按用热多少收费。 其中以德国的法律最为严格完备，它规定每栋楼必须安装热量表，每组换热器 必须安装温控阀和热计量装置。德国散热设备上的热计量装置有两类：一类是 蒸发式热分配表；另一类是具有无传输功能的电子式热分配表嘲在法国的热 计量收费法规中，明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面积收费。 而且在供热管网中热力站的一次网系统和用户的二次网系统中都分别装有热量 表。 欧洲热计量收费法规大都由政府主管能源的部门制定颁布。如波兰由能源 部，匈牙利由政府能源委员会制定。一些国家还采取优惠政策来推行热计量收 费的实施，例如提供设备和建设的低息贷款，或对用户实行减税等。还有的国 家在热计量开始阶段采取一种过渡方法，即在建设期先要求用户安装热量计和 熟分配表。 法国、德国、波兰、匈牙利、丹麦等国家的供热工作开展较好。从热表的 研制、标准的制定到仪器的检测使用，这些国家的做法都已相当成熟“热表” 经历了从机械式、电子模拟积分式、电子数积分式，直到以微处理器为基础的 智能式的发展过程1 9 9 8 年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的 标准文件：o i 扎一r 7 5 号国际建议热量表( h e a t 鹏t e r s ) 。到了2 0 世纪9 0 年 代，用户热表基本定型，设计趋于一致。1 9 9 7 年4 月，欧共体正式通过了统一 的热量表标准代号e n 一1 4 3 4 。首先在硬件设施上做到让用户放心，根据具体情 况使用适合用户自己家庭计暖的仪器。现在国外常用的计量仪器主要有热表( 包 第一章绪论 括流量计、温差计、积分仪三部分) 和热量分配贴片两种，热量贴片的工作原 理是往暖气片上贴一种计热膜片，计算出居民用热量。其次，根据具体情况决 定分户计量方式在国外，分户计量也不是每家每户都装上热表或使用热量分 配贴片。在法国，用暖家庭分户计量根据居民的职业特点、居住情况等具体情 况实行灵活的计量方式，比如采取按家庭户或按单元( 楼房、小区) 计量等方 法。如一个小区里居住的大都是教师，同质性较高，则每栋楼或每个单元装上 一只热表即可。“” 1 2 2 国内发展状况 我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 进入我国，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 4 年以后，户用热量计研制、开发工作发展很快。现在，全国已有2 0 多家企业单 位研制或小批量生产了各具特色的热量表。1 9 9 7 2 0 0 0 年，欧洲 标 准( e n 一1 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；或者在深入研究的基础上与企业合 作，或者自己投资开发。一些军工企业也将“热量表”作为“军转民”的重点 项目。嗍中国热量表的研制开发真正走上了正轨。“世纪之交”也成为中国热 能表技术发展的历史转折点。 中国热表企业关于户用热量表流量计的选用，大致经历了用干式、磁传热 水表代用一改进热水表结构，适合热量表水质和工况一改进流量数据远传技术 一独立或合作开发专用热量表流量计这样一个过程。加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。关于微处理器，经过几代的优选，目前多数采用美国t i 公司的 m s p 4 3 0 系列单片机。为了提高测温的精度，逐日微处理器技术有限公司研发设 计了测温和a d 的专用i c ，弥补m s p 4 3 0 用于高精度测温时尚有的某些不足， 虽然增加了一些成本，但对整个热量表的精度和长期稳定、可靠性有了更好的 保证。 也许最具有中国特点的技术发展应该是i c 卡热量表了这在欧洲，在全世 界其他国家也是没有先例的早在1 9 9 9 年，大连天正热能自动化设备有限公司 就开发了采用交流市电的、带锁闭阀的热量表。在中国，由于供热计量与解决 收费难的问题密切相关，对这种可以预收费，并能控制关断的i c 卡热量表有相 当大的市场需求。现在，号称可以生产电池供电锁闭阀的i c 卡热量表的企业， 已占到整生产热量表企业的大约1 0 嘲鉴于这种表在历史上没有成熟的经验， 4 第一章绪论 在使用上存在一些需要慎重考虑的社会问题和技术问题；在质量保证上还没有 建立完善可靠的检定体系。不过目前i c 卡热量表似乎发展特别快，政府和企业 对此都非常重视。据了解中科院对此已经制定了好几个研究项日可见i c 卡热 量表还是有很大的发展潜力的。 总之，由于基础、起点、技术条件各不相同，国内这么多家企业的现有产 品( 或样品) 都还需要经过对设计科学合理性的认证，对符合国际标准性的考核， 需要经过实验、试点、发现问题、取得经验和改进。对企业来说，他们在等待 政府政策的推动，等待国家统一的技术标准，等待规模市场的真正出现。真的 要形成达到预计市场的需求量的生产线时，增加投资将是必不可少的。 1 3 热量计量方法与仪表 1 3 1 热计量方法 目前，欧美国家按户计量热量使用的方法基本是以下三种“n ： ( 1 ) 直接测定用户从供暖系统中用热量。 该方法需对入户系统的流量及供回水温度进行测量。采用的仪表为热量表。 该方法的特点是：原理上准确，但价格较贵，安装复杂，并且在小流量时，计 量误差较大。目前在法国、瑞典等国应用较多。 ( 2 ) 通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量。 该方法是利用散热器平均温度与室内温度差值的函数关系来确定散热器的 散热量。该方法采用的仪表为热量分配表，常用的有蒸发式和电子式两种。其 中蒸发式热分配表的特点是：价格较低，安装方便，但计量准确性较差。目前 在丹麦、德国广泛采用。电子式热量分配表的特点是：计量较准确、方便，价 格比热量计量表低，并且可在户外读值。目前在欧美受到欢迎。 ( 3 ) 通过测定用户的热负荷来确定用户的用热量 该方法是测定室内外温度并对供暖季内的室内外温差累积求和，然后乘以 房间常数( 如体积热指标等) 来确定收费该方法采用的仪表为测温仪表。但 有时将记忆散热器温控阀的设定温度作典型室内温度而将某一基准温度作室外 温度该方法的特点是：安装容易，价格较低但由于遵循相同舒适度缴纳相 同热费的原则，用户的热费只与设定的或测得的室温有关，而与实际用热量无 关因此开窗等浪费能源的现象无法约束，不利于节能。目前德国不允许采用， 美国、法国有使用。 从计量的准确性以及可操作性上，并结合我国的国情，采用分户热量表和 热分配表的热计量方式是较为合适的做法根据采用的热计量方式不同，适用 的采暖系统形式也不同。采用分户热量表时，应采用共用立管分户独立采暖系 第一章绪论 统形式；采用每组散热器上分设热分配表方式时，宜采用垂直双管系统或垂直 单管跨越式系统。前者适用于新建住宅建筑，后者适用于既有住宅分户热计量 改造。通过经济技术比较合理时，共用立管分户独立采暖系统也可采用热分配 表计量方式n ”。 1 3 2 热计量仪表 ( 1 ) 热量表 热量表由一个热水流量计、一对温度传感器和一个积算仪组成。仪表安装 在系统的供水管上，并将温度传感器分别装在供、回水管路上。一段时间内用 户所消耗的热量为所供热水的流量和供回水的焓差的乘积对时间的积分，热量 表就是利用这个原理，用热水流量计测量逐时的流量并用温度传感器测量逐时 的供回水温度，将这些数据输入积算仪积分计算就能得出用户所用的热量。 热量表的测量原理明确，测量数值准确，而且直观、可靠、读数方便，技 术比较成熟。我国已有相应的行业标准热量表( c j t 1 2 8 2 0 0 0 ) ，国际上 有欧洲标准e n l 4 3 4 ( 热计量表) 。 热量表依据流量计测量方式的不同可以分为电磁及超声波式、机械式和压 差式其中机械式有耗电少、抗干扰性好、安装维护方便和价格低廉的优点， 因此现在应用的比较多，如法国和德国，机械式流量计的比例高达9 0 ，但是 机械式的表在水中杂质较多时精度会受到较大的影响。超声波式的特点是量程 大、计量精度较高、压损较少，但是易受管壁锈蚀程度、水中泡沫或杂质含量、 管道震动的影响，价格较机械式贵很多。“” ( 2 ) 热量分配表 热量分配表是通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量的仪 表它的使用方法是：在集中供热系统中，在每个散热器上安装热量分配表， 测量计算每个住户用热比例，通过总表来计算热量；在每个供暖季结束后，由 工作人员来读表，根据计算，求得实际耗热量根据测量原理的不同，热量分 配表有蒸发式和电子式两种。 a 蒸发式热分配表 蒸发式热分配表固定在散热器表面上，热分配表内的测量液体由于散热器 表面的热效应而蒸发。对于某一确定的测量液体，其蒸发速度与散热器的表面 温度密切相关，散热器表面温度越高液体蒸发越快。某一段时间内测量液体的 蒸发量表征了散热器表面温度对时间的积分值，实际上也是反映了散热器的散 热量的相对大小，但是其读数并不能直接得出散热器的散热量值，必须把楼用 总热量表的读数及与该热量表连接的所有热分配表的读数联系起来，才能得到 每个散热器的实际散热量。 6 第一章绪论 由于蒸发式热分配表的测量结果只和散热器的温度和时间有关，其他因素 的不同并不能体现出来，因此要对热分配表的读数进行修正才能参与用户用热 量的计算。一般考虑的修正系数包括以下几种：散热器功率修正、传热热阻修 正、房间设定温度修正等。 散热器功率修正是用来修正类型相同，但额定功率不同的散热器上热分配 表读数的，它一般为各个散热器在标准状况下的散热量。传热热阻修正是用来 修正因散热器形式不同，使得热分配表与散热器表团传热热阻不同，从面对蒸 发液的蒸发量产生影响。房间设定温度修正考虑房间设定温度与热分配表标定 温度( 一般为2 0 ) 之间的差别对读数的影内。 另外还要考虑散热器连接方式、每组散热器片数多少以及不同房间在整座 楼的位置等的修正系数。 蒸发式热分配表造价低廉、易安装、寿命长、对采暖系统无限制缺点是 测量受散热器类型、规格尺寸、供热能力、散热器位置等多方面的影内。需要 有大量的试验工作；需要考虑以上多种因素来进行热量计算，计算工作量大， 结果不直观：其安装位置、安装方法有严格要求每年需要人户更换每个分配 表的玻璃管和进行读表。 蒸发式热分配表目前国内没有相应的标准，国际上有欧洲标准刚8 3 5 ( 蒸发 式热分配表) 可供参考 b 电子式热分配表 电子式热分配表是用传感器来获得散热器表面温度和房间温度的逐时值， 然后测量装置通过a d 转换器数字化，然后由计算单元得到结果。 电子式热分配表的使用方法与蒸发式相近。它直接测定室内温度及散热器 平均温度，利用以下公式计算散热器放出的热量。“” q = i 爿置f o ，一) 5 刃 ( 1 2 ) 式中 q 散热器向房间散发的热量； 置散热器传热系数； f 散热器传热面积： f 。散热器平均温度； ，。室内温度； 4 、曰与散热器有关的系数； 出时间间隔。 电子式热分配表将测得的散热器平均温度与室温差值存储于微处理器内， 高集成度的微处理器可预先写入程序，也可根据需要，进行现场编程。电子式 热分配表具有较高的精度和分辨率，可以现场读表，也可以远传集中读表，面 第一章绪论 且不必每年更换部件，管理方便但造价高于蒸发式热分配表电子式热分配 表的欧洲标准为e n 8 3 4 。 相对于电子式热分配表，蒸发式热分配表构造简单、成本低廉，也不用电。 但是相对应的，它的测量准确性不如电子式。 以上两种计量装置相比较，热量表测量比较准确、管理方便，但是价格比 较贵、维修量大，室内系统一定要分户成环，对旧有建筑多用的单管顺流式和 双管式不适用，室内原有系统改造困难。热分配表价格便宜、对系统没有特殊 要求，旧有系统改造比较适用，但是其结果受多种因素影响，试验工作量大， 计算复杂 1 4 温控设备 用户室内的温度控制是通过散热器恒温控制阀来实现的。散热器恒温控制 阀是由恒温控制器、流量调节阀以及一对连接件组成，其中恒温控制器的核心 部件是传感器单元，即温包温包可以感应周围环境温度的变化而产生体积变 化，带动调节阀阀芯产生位移，进而调节散热器的水量来改变散热器的散热量。 恒温阀设定温度可以人为调节，恒温阀会按设定要求自动控制和调节散热器的 水量，从而来达到控制室内温度的目的n ” 1 5 热量计量方式和收费方案 世界范围内热计量的方案基本上可以分为四种。每一种方案有其自身的技 术特点且成本效益不同。究竟哪一种方案适用取决于技术的、社会经济的、当 地的制度条件和供热系统与建筑的特点。 方案a ：楼栋热表 整个楼栋的热耗由安装在热人口( 即与二次网、热交换器或供整个楼栋的锅 炉的连接处) 的一块热量表计量。整个建筑的热费根据热表计量的热耗付费，然 后根据建筑面积分摊给每个住户。 方案b ：热分配表 除了计量整栋楼的热耗外( 按方案a ) ，户内每个散热器的散热量由蒸发式 或电子式分配表计量。整个楼栋的热费在分摊给每个住户时，部分根据采暖面 积，部分根据热分配表的读数进行分摊。 方案c ：热水流量表 每个住户散热器中的热水流量通过热水表进行计量。整栋楼的热费( 按方 案a ) 根据每户的热水流量进行分摊。这就意味着要求( 或假定) 楼栋内每户 第一章绪论 热入口的供水温度相同。 方案d ：户用热量表 每户住户的热耗通过一块热表进行计量，也就是楼栋热表( 方案a ) 小型 化户用热表可以用来分摊每户的热费( 如方案b ) ，但更多的是依据供热合同 而直接计算热费1 虽然每种方案都能根据用户热耗而向其收取热费，但每种方案在计量用户 热耗时的准确性和易用性却存在差异。需要指出的是在一栋楼内热耗决不能仅 仅归于几个终端用能点中的一个。热在户与户之间传递时，伴随着不同的房间 温差和公共区域的散热。单个用户控制不了这样的传热和散热。热能的这个特 点与其他能的输送是不同的，如电、气、生活热水，这些能的输送网可以明确 地划分单个用户的消耗。一味地追求供热计量的绝对精确和公平将会导致采用 不必要的昂贵的设备和复杂的补偿方法，而市场在简单的、透明的机制下运行 时更为有效。 1 6 热量表国产化的基本要求 1 6 1 先进热表的特点 1 总体精度达到o i 肌一r 7 5 规定的4 级标准( 或e n l 4 3 42 级精度) 。 2 流量计部分的精度；误差 3 3 温度传感器采用铂薄膜电阻测温元件。符合i e c 一7 5 l 标准并精确配对。当供 回水的温差在6 以内时，测量误差 咖 1 7 本文的主要工作和创新 本文的主要工作是： 1 新型热量表原理的理论分析及计算公式的推导： 2 新型热量表原理的实验装置设计及绘制装置图； 3 新型热量表原理的理论计算的编程实现： 4 新型热量表原理的数值模拟及对影响因素进行分析； 5 新型热量表原理的实验验证及数据分析； 6 数值计算和实验测量结果的比较及分析； 本文的创新之处是： 本文首次提出了通过对能量流系统中加入一定的能量并分析其温度变化从 而得到散热量的浸4 量数据，迸而直接获的散热量的方法该方法避免了在传统 测量中需要测量流量，温度再进行积分计算从而使得计算过程复杂，精度低， 仪器成本高，难以普及的通病；并且通过数值模拟计算和实验的方法对该热量 表测量方法进行了验证，证实了其可行性。 l o 第二章热量表基本原理及数学模型 第二章热量表基本原理及数学模型 2 1 热量表的基本原理 2 1 1 传统热量表的基本原理 传统热量表由一个热水流量计、一对温度传感器和一个积算仪组成将一 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，最终的测量结果也不同) ，流量计 发出与流量成正比的脉冲信号，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。 其系统原理图如图2 0 所示。 图2 0 热量表热量计鼍系统原理图 其计算公式为 g = j 足g c p ( r g 一“妙 ( 2 - o 式中 皱供热系统向热用户供给的热量； g 热媒的体积流量： c 。水的定压比热容； ，“熟媒流经热用户的进、出水温度： 硪时间间隔； x 水的密度和比热的修正系数。 足值是用来对比重进行修正的。因为流量计测量的是体积流量，需要换算 成适合热量计算的质量流量，水的比重是随温度的变化而产生变化的所以要 进行比重修正在热量表选型和安装时就需要确定流量计的安装位置( 供水管 或是回水管) ，以便确定对比重进行的修正。呻1 第二章热量表基本原理及数学模型 通过k 值业对比热进行修正，因为水的温度所对应的热值并非绝对线型的， 因此即使两个工况下的供回水温差相同，如果供水或回水的温度不同，相应的 热量值也是不一样的k 值是一个同时取决于供回水温度值的变量。 修正系数置的引入在热量计算中是非常重要的如果不引入该修正系数， 由此而造成的计算误差甚至可达l o 以上。在热量表的国际标准中有专门谈到 的x 值的内容。 2 1 2 新型热量表的基本原理 本文提出了一种新型热量测量方法并对其原理进行试验验证，以解决在供 瑷( 冷) 工程中急需解决的单户热量计量问题。并设计了一个用于验证的实验装 置，安装并进行了实验验证，从而获得了比较理想的效果，并希望最终能应用 于实际工程中，以解决目前在单户热量计量方面存在的问题。 本文所提出的热量表模型设计( 如图2 1 所示) 的基本原理是：通过对主 能量流系统中加入一定量的二次能量q l 并分析由于这个原因而引起的温度场 的变化，再由测量出的温度变化推出热消耗量q 和二次能量q l 之间的函数关 系，最后通过理论计算可直接获得消耗热量的值q 。根据能量守恒定律及系统 中加入的能量等于系统的焓的变化量即为所产生的温差。 即为： t l 一来i j i i 温度t 2 回流温度i 一一加热段末端温度 q l 加热置q 一散热盈t d 环境温度 图2 1 管道热量分配图 q l = j ：c 廊刃 ( 2 - 1 ) q = f 勺刀 ( 2 2 ) 则由以上两式相比得： r 娶：挚坚 ( 2 - 3 ) q 霉c 禹羽 一7 式( 2 1 ) 中的q 、吼在本文所讨论的温度范围内可认为是与r 无关的常 1 2 第二章热量表基本原理及数学模型 数。又知：r 一互= a 五，疋一丁= 瓦 于是前后的热量之比应等于各自所产生的温升之比， 则上式可简化为： 鱼：盟 q瓦 耦 q = 筹q 1 ( 2 4 a ) ( 2 - 4 b ) 在式( 2 4 b ) 中，q l 为二次加热量的值，为已知的量；正，瓦为温差， 其中厶五为加热段的温差，a 互为散热段的温差。均可以通过热电偶测量获得： r 为散热段入口的温度，正为来流的初温，互为散热段出口温度通过测量便 可以得到消耗的热量值q 从公式中也可以看出，该新型热量表计算与流量无 关。这也是新型热量表的优点之一不需要修正系数x ，也许只需少量修正 比热就行了。 2 1 3 研究思路和方法 见实验装置简图2 2 ： ， ，胤l 电加热嚣。i 散熟曩i 。 毒警奉萨i l 粤i q l f er lil v d ll lt i 仁 fni 仁冷冷 飞ji i 标准熟置表ll l 艘0 ；i 戳 - j i 陌细 il 舀畴 撰攀 臼岛 图2 - 2 实验装置简图 实验模型建立： 设管道中、间的散热器散出的热量为q ( 该值由实验段处的标准热 量表所测得) ，在实验段、处安装一电加热装置，以电能的形式向管道中通 入一能量流q l ，由于管道有散热，设该段散热量为q 2 ；在实验段、以及、 第二章热量表基本原理及数学模型 处由热电偶测出在加入能量流q 后管道中温度的变化t l 以及由于散热器散 热q 而产生的温度变化t 2 ；最后利用传热及热工测量知识，首先通过理论计 算获得所要求得的数值q o ，然后再进行编程实现上述计算过程；最后将q 和 q o 两者进行比较，分析并判断该方法是否在实验允许误差范围之内行之有效， 数据以及算例等将在后面进行详细计算时给出。 2 2 数学模型的建立及数值模拟公式的推导 2 2 1 通过圆壁筒的传热的计算 通过管道壁的传热简图如图2 3 所示： 图2 3 管道的传热简图 设，将管道内的流体工质作为一个热力系；则 由管道对流换热得： 孚= 碱吒一) ；毋 。一2 砝“一k ) 铲鑫 最 吼= 如鸸一k ) 1 4 第二章热量表基本原理及数学模型 铲工童琵 所以 q f - 咖磊辩7 简化计算模型；在实际工程中当圆筒壁不太厚即 2 时 ”荆 一十一+ 一 九五 万管壁厚度，取妻( 砬一面) d 计算用直径嘲 2 2 2 实验段的辐射散热损失 1 两表面问辐射换热公式的推导 两表面l ，2 间的辐射换热量为 o u = 4 蜀，2 一以以五j 同时由有效辐射j 与表面净辐射换热量q 之间的关系得： 以4 = 4 毛一唼一1 ) o l ，2 五4 = 以毛2 一仁一1 ) ： 再由能量守恒定律得 o i 。2 = 劬” ( 2 5 ) 将代入可得 。”5 互生 ( 2 - 6 a ) 蜀44 五j 岛4 用4 作为计算面积，上式可改写为 吼户赫 第二章热量表基本原理及数学模型 2 i 2 l 丘铆一占6 2 j 式中 = t 二下_ ( 2 - 7 ) 1 + 唼- 1 ) + 如唼- 1 ) 2 辐射散热可以简化为以下三种情形： ( 1 ) 表面1 为平面或凸平面。此时蜀j = 1 ，式( 2 6 ) 简化为 q 矿驾嵩 p 8 ， 叫x s s 7 咯4 一白4 】w 其中系统发射率为 矿密丢 弘 q4 乞 ( 2 ) 表面积4 和4 相差很小，即4 4 专l 无限大平行平板间的辐射换 熟就属于此种特例。这时，辐射换热量o 。可按下式计算： 咿掣 ( 2 - 1 0 ) 蜀f 2 4 5 研啮一白4 】 土+ 土一1 ( 3 ) 表面积4 比4 大很多，即4 ，4 专o 。大房间内的小物体( 如高温 管道等) 的辐射散热，以及气体容器内( 或管道内) 热电偶测温的辐射误差等 实际问题的计算都属于这种情况。这时，式( 2 - 6 ) 简化为 - z = 岛4 ( 氏i 一巨：)( 2 一1 1 ) 2 q 4 5 6 7 ( 静4 一( 甜4 】 辐射散热简化成的第三种情形恰好符合于本实验的情况，即大房间内的小 物( 如高温管道等) 的辐射散热，因此在本实验中计算管道的辐射散热时可用 公式( 2 1 1 ) 计算而得。哪! 1 6 第二章热量表基本原理及数学模型 2 2 3 对流换热系数的确定 1 对管内换热系数危的确定 若要确定换热系数首先应明确给出所求工况下的该种工质的各热物理参 数，考虑到供暖系统内的温度大致在1 0 0 以内，工质以空气和水最为常用 因此首先将空气和水的热物理性质表铷中在0 一1 0 0 之间的各热物理参数 值通过多项式拟合成随温度变化的函数关系式。具体拟合结果如下所示： 各参数与温度拟合的曲线系数：( o 一1 0 0 之间) ( 1 ) 干空气的各热物理参数的多项式拟合： 乙l = 0 1 + 2 7 3i 为定性温度 密度p = o 2 8 7 l p = 叫( r g 1 0 0 0 ) 定比热容c 。 勺= ( 2 8 1 5 + 1 9 6 7 瓦l 1 0 - 3 + 4 8 0 1 乙1 2 1 0 一1 9 6 6 乙1 3 1 0 4 ) l 0 0 0 2 9 导热系数名 五= ( - 0 0 0 0 0 0 3 0 1 3 6 5 3 t 。1 2 + 0 0 0 7 9 3 4 2 3 t 。1 + 2 4 3 6 1 2 3 8 7 6 ) l o 2 热扩散率口 4 = ( 0 0 0 0 2 0 3 9 6 0 1 2 + o 1 2 6 4 2 1 9 1 x 0 i + 1 8 8 5 5 9 4 4 0 6 ) 1 0 _ 6 动力摩擦系数 = o 0 4 8 2 7 2 7 3 l + 1 7 1 6 8 1 8 1 8 2 运动粘性系数y v = u p 普朗特数p r h = v f o 雷诺数r c l k = 引y 努塞尔数 协， 嘶- o 蚴4 哆叫，料例朋 g 实验验证范围为： 1 7 第二章热量表基本原理及数学模型 o 6 p r 1 5 ，o 5 菩 1 5 ，2 3 0 0 r e 1 0 j _ 啊：掣( 2 - 1 3 ) ( 2 ) 饱和水的各热物理参数的多项式拟合： 密度p p = l o o o 0 3 5 1 6 4 8 4 + o 0 0 8 9 9 1 0 0 9 0 i 一0 0 0 5 5 9 2 4 0 7 6 ，_ 1 2 + 0 o o o o l 3 2 8 6 7 l 1 3 定比热容c 。 勺= 4 2 2 5 8 0 5 4 3 4 0 5 8 5 2 7 7 l + 0 1 2 1 3 5 6 7 8 0 1 2 一o o o l 7 3 7 0 2 1 1 3 + o o 0 0 0 1 2 8 0 5 1 1 4 一o 0 0 0 0 0 0 0 3 “8 5 导热系数a 名= ( 一o 0 0 1 2 0 1 7 9 8 r 肘1 2 + o 2 5 1 4 9 8 5 0 f _ l + 5 5 1 8 5 1 6 4 8 ) 1 0 - 2 热扩散率口 口= ( o o o o o 0 0 5 4 0 1 3 一o 0 0 0 3 5 8 9 7 ，_ 1 2 + o 0 6 8 8 5 0 0 4 0 i + 1 3 0 8 2 5 1 7 4 8 ) 1 0 4 运动摩擦系数 = o 0 0 0 0 0 0 0 3 2 7 6 0 1 4 一o 0 0 0 0 0 9 1 3 ，_ 1 3 + o 0 0 0 9 8 9 7 5 x 1 2 一o 0 5 5 3 6 9 6 5 1 + 1 7 8 2 3 4 5 4 5 动力粘性系数y y = ( o o o o 0 0 2 1 4 5 3 0 1 3 + 0 0 0 0 5 2 2 5 2 0 8 0 1 2 0 0 4 5 1 8 2 8 0 6 l + 1 7 4 9 8 3 5 1 6 4 8 ) l o 巧 普朗特数p r p r = 1 3 3 0 5 3 8 4 6 1 5 0 3 8 4 3 4 7 7 0 l + 0 0 0 4 6 5 8 2 7 5 1 2 一o o o o o l 9 5 5 3 1 3 雷诺数r e r _ e = “引y 嘶一o 毗严2 s 啪 1 + 降) 钔 ( 鼍) 0 1 1 4 ， 数值验证范围为： ” q s o o 们s 鼍 2 。，2 ，叭r e ， 1 0 6。pl 。 啊= 孚 口 1 8 第二章热量表基本原理及数学模型 数，因此无需再进行入口段的热效应损失的修正 ( 3 ) 管道壁导热系数的确定 影响导热系数的因素有温度和材料，当材料取定后，导热系数仅与温度有 关了，导热系数随温度变化的经验关系为2 = 磊( 1 + 6 0 ) ，厶为参