（通信与信息系统专业论文）网络热计量系统的研究与开发.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 本文通过对我国目前供热现状的分析，指出对用热实行分户计量的优 越性以及研制热分户计量系统要解决的具体问题。针对自行研制的“网络 热计量系统”全面介绍了该系统的计量原理、计量手段、计量方法、系统 的组成及功能。该系统具有三层结构，最底层是物理构建，即电控三通阀、 温度流量采集器；中间层为单元控制器，作为对该单元数据的汇集、分析、 计算、通信、数据显示、用户刷卡等操作；最上层为监控计算机，该层完成 监测、控制功能。重点介绍了系统核心部件单元控制器的各个硬件模块如 电源模块、光电隔离4 8 5 通信模块、双c p u 模块、双端口r a m 模块、显示 模块、数字语音模块、射频i c 卡电路块的结构和功能以及软件设计流程。 同时详细记录了该系统的测试数据并对数据做了分析。通过对既有建筑的 合理改造，进一步调节供暖设备的水力平衡后该系统的安装可以在不牺牲 用户舒适度的前提下能够节约近1 8 热能消耗，达到了预期设计目标，具 有广阔的应用前景。 关键词：网络热计量系统；分户热计量；远程电控三通截止阀；层间热平 衡调节；集中采暖；流量传感器：射频i c 卡 兰州大学研究生学位论文 a b s t r a c t t h ea r t i c l ep o i n t e do u tt h ea d v a n t a g eo fh o u s e h o l d - b a s e dh e a tm e m r i n gf o r c u s t o m e ra n df i n d e do u tt h eq u e s t i o n so fh o u s e h o l d b a s e dh e a tm e t e r i n gt h a t n e e dt os o l v e dt h r o u g ha n a l y s e da c t u a l i t yo fm e a s u r a b l eh e a t i n gi no u r c o u n t r y w e h a v e d e v e l o p e d n e t w o r kh e a t m e a s u r i n gs y s t e m t h e t e x t i n t r o d u c e dc o m p u t a t i o np r i n c i p l e ，m e a n s ，m e t h o do ft h es y s t e mo v e r a l l a tt h e s a m et i m e ，t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fn e t w o r kh e a tm e a s u r i n gs y s t e ma r e f u l l yi n t r o d u c e d t h es y s t e mi sm a d eu po ft h r e ep a r t t h ef i r s tp a r ti n c l u d et h e l o n g - d i s t a n c ee l e c t r i ct h r e e w a yv a l v ea n d t h es e n s o ro ff l u x ；t h es e c o n dp a r ti s c o n t r o l l e ro fu n i t ，w h i c hc o m p l e t ec o l l e c t i o n ，a n a l y s i s ，c o m p u t a t i o nf o rau n i t t h et h i r dp a r ti st h em o n i t o r , w h i c hc o m p l e t et h ef u n c t i o no fs t a k e o u ta n d c o n t r 0 1 t h e e m p h a s i s i su n i tc o n t r o l l e r , w ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y t h e c o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o n o fh a r d w a r em o d u l eo fu n i tc o n t r o l l e rs u c ha s e l e c t r i c a ls 0 1 1 i c em o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo f4 8 5b a s el i g h ee l e c t r i c i t y i s o l a t o r , d o u b l ec p uc i r c u i t ，d u a l - p o nr a mm o d u l e ，m o d u l eo fd i s p l a y ，d i g i t a l s o u n dm o d u l ea n di 妊r a n ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 。a tt h es a m et i m ew e d e s c r i b e df l o wo fs o f t w a r e w eh a v er e c o r d e da n da n a l y z e dt h e s ed a t aw h i c h t e s t e db yo u rs y s t e m t h er e s u l ti st h a ti tc a ns a v i n ge n e r g y1 8 i fw ef i x t h i s s y s t e mb u tn o ts a c r i f i c ec o m f o r t a b l em o d e r a t i o no fc u s t o m e r ，c e r t a i n l yw e m u s t r e f o r mt h ec u r r e n tb u i l d i n gr e a s o n a b l y t h ep r o d u c ta c h i e v e dt a r g e to fd e s i g n ，s o i th a sv a s tf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：t h es y s t e mo fn e t w o r k f o rh e a t i n gm e a s u r i n g ；h o u s e h o l d b a s e d h e a tm e t e r i n g ；l o n g d i s t a n c ee l e c t r i ct h r e e - w a yv a l v e ；t h eh e a tb a l a n c ea d j u s to f d i f f e r e n tl a y e r ；c e n t r a lh e a t i n g ；s e n s o ro ff l u x ；r fc a r d 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鏊挝 日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：垄笸至翌导师签名：日期：型2 ：尘： 兰州大学研究生学位论文 1 1 课题研究的背景 1 前言 1 1 1 中国能耗状况简介 随着g d p 的高速增长我国的能源消耗同样是惊人的2 0 0 6 年7 月1 9 日，国务院常 务会议通过了国务院关于加强节能工作的决定，那么中国能耗与其他国家相比究竟 处在怎样的水平? 表l 是世界主要经济体g d p 以及能源消耗情况统计，由表l 可见，中国1 亿美元 g d p 所消耗的能源是1 2 0 3 万吨标准煤，大约是日本1 亿美元g d p 所消耗能源的7 2 0 倍、德国的5 6 2 倍、美国的3 5 2 倍、印度的1 1 8 倍、世界平均水平的3 2 8 倍。可见 我国能源的浪费是很严重的。 表12 0 0 2 年世界各国g d p 及能耗状况 国家o d p 总量( 单位：能源消耗总量每吨标准煤产出 1 亿美元g d p 消 亿美元)( 单位：万吨标g d p ( 单位：美耗能源( 单位： 准煤)元)万吨标准煤) 中国9 4 6 31 1 3 9 2 38 ：3 0 6 41 2 0 3 德国2 1 5 0 64 6 0 8 24 6 6 6 鲫2 1 4 印度4 1 4 1 4 2 2 6 79 7 9 7 2 1 0 2 0 日本3 9 4 0 56 5 9 6 65 9 7 3 5 31 6 7 俄罗斯2 8 2 4 8 2 9 8 43 4 0 6 7 2 9 3 5 美国戳r 2 8 82 9 8 6 9 62 9 2 2 0 03 4 2 澳大利亚3 7 4 0 1 5 0 7 62 4 8 0 4 0 3 巴西7 8 7 01 7 0 4 24 6 1 8 0 02 1 6 世界2 9 6 0 3 21 0 8 6 4 6 22 7 2 4 7 33 6 7 目前我国每年的新建建筑中8 0 9 6 以上仍属于高耗能建筑，单位建筑面积采暖能耗为 气候相近发达国家的3 倍左右乜1 。从能源利用效率来看，作为占全球总人口1 5 的中国， 单位产值能耗却是发达国家的3 至4 倍，主要产品能耗比国外平均高4 0 。其中，原油 兰州大学研究生学位论文 消耗了全球的8 、电力消耗了1 0 、铝1 9 、铜2 0 、煤炭3 1 $ 、钢材3 0 。可见，我国 经济的离速增长实际上是付出了极大的能耗成本和承担了极大的技术安全风险的伽。 面对如此严峻的状况，国家为此制定了一系列政策和计划努力降低能源消耗。“十 一五”规划建议提出，到2 0 1 0 年单位g d p 能耗比“十五”期末降低2 0 左右“】。不久后 又启动了十大重点节能工程实施方案，这十大工程包括节约和替代石油工程、燃煤工业 锅炉( 窑炉) 改造工程、区域热电联产工程、建筑节能工程等等。专家测算，这十大工 程的实施，可在“十一五”期间节约2 4 亿吨标准煤，这不仅对实现2 0 目标起到关 键作用，还将带动社会投资约5 0 0 0 亿元。 1 1 2 中国集中供热能耗情况 据权威统计l 5 1 ，截至20 03 年，我国城市集中供热总面积达5 9 7 亿平方米，占全 国房屋总面积的40 左右，年平均增长速度超过10 。供热年耗近400 亿元人民 币。由于旧的供暖体制的束缚，供热耗能量巨大，热源有效使用仅相当于发达国家的三 分之一。当然集中供热作为城市的基础设旌，在节约能源、减少环境污染、改善人民生 活质量等方面优点明显。但是，长期以来，中国的集中供热都是采用计划体制下的包费 制，整个供热行业的供热设计规范、热网结构形式、供热行业的管理方式以及用户的消 费心态都深深地受到这种福利供热机制的影响。近几年来，随着供热面积的不断扩大。 这种供热收费管理体制与市场经济机制越来越不相适应。 首先是收费难。采暖收费难已经成为社会的焦点问题。有些地区供暖单位收费率最 低时仅达到2 0 。沈阳市1 9 9 9 年以前采暖费的拖欠率为7 0 ，到2 0 0 0 年底沈阳地区已 经欠下采暖费2 6 亿元，取暖季节政府接到投诉的5 0 与供暖有关。我们知道，现行的”单 位包费、福利供热”的采暖制度，是建立在住房单位所有、职工低租金福利使用的旧体 制基础上的，与原有的住房福利制度及单一的住房公有制联系在一起。改革开放以来， 住房制度已经彻底改革。全国城镇80 以上的住宅已经归城镇居民所有，单位不再拥 有住房的产权。随之而来的问题是取暖费收缴难度越来越大。如何实现收费的准确、公 平，合理、透明成为一个现实问题。要实现收费的准确，公平，合理，透明就得有配套 的技术手段用户的积极性和相应的政策法规来保障。 第二是节能意识和技术手段落后。现行供热体制造成能源浪费严重。长期以来，北 方各地的采暖计费方式是按建筑面积收费，而不是按实际消耗热量计算收取，热费与热 2 兰州大学研究生学位论文 量消耗无关。这种热费与热耗相脱节的买卖关系，直接造成采暖用户没有节能的积极性。 据测算，目前我国民用建筑耗能量占全国商品能源总耗的25 ，其中60 为采暖能 耗，相当于发达国家在同等条件下采暖能耗的三倍，不仅造成能源的浪费，还加剧了城 市大气环境的污染。 第三是能耗高。从技术层面上来看，我国采暖能耗高，一方面是建筑的保温隔热和 气密性能差，热量损失大；另一方面是室内采暖系统缺乏热量计量和温度调控的功能， 用户不能自行调节室温，用热效率低。因此，自”八五饱，建设部就开展了住宅墙体、 门窗和室内采暖系统节能技术改造的试点工作。采用保温隔热性能高的新型墙体和门窗 材料，可提高住宅建筑节能水平30 左右。安装室内温控、计量设施，实行按用热量 计量收费，可实现住宅节能20 30 但是，在现行供热体制下，供热收费价格 按房屋面积计算，热费由单位承担，居民家庭没有节能的积极性，房地产开发企业没有 节能的动力，严重制约着建筑节能技术的推广应用。 我国目前大多数的城市供热系统浪费严重。原因一是设备老化，管网失修，跑冒滴 漏严重，产热效率低，系统损失的热量己经占到全部供热量的3 0 ：二是供热系统水力 工状失调，造成部分用户室内温度偏高，用户室内又无法自主调控，只好开窗户调节室 温，这部分浪费大约占了全部热量的7 左右；三是管理不科学，不能计量收费譬如， 公共建筑尤其是办公楼、学校等，下班、放学以后，周六、周日和元旦、春节以及寒假 在室内无人的情况下，照常供热。以华北地区为例，供热期1 2 5 天，其中节假日就有了 4 0 天，占采暖期的3 0 。加上学校放假有的就达到6 5 天，占采暖期的5 2 9 6 。由于现阶段 是按面积收费，供热系统又没有调控计量设旋，初步估算这部分公共建筑能耗浪费高达 4 0 以上由此可见我们在暖通节能上是大有文章可做的那么我们应该怎么做昵? 目 前来看借鉴国外的做法分户计量是一条可行的路 1 1 3 国外集中供暖分户热计量的现状 关于集中供暖分户计量，目前在全球范围内，被业内公认的典范是欧洲的热计量技 术系统 1 1 3 1 政策法规 在2 0 世纪七十年代石油危机的冲击下，西欧国家为节省能源纷纷出台了按实际使 用量收取暖气费用的政策法规，从立法角度明确规范了热费计量义务、相关的技术装备 标准、计量服务及结算方式等随着八十年代环境问题日益突出，政府和公众对供暖分 3 兰州大学研究生学位论文 户计量的认识又进一步上升到环境高度，二十多年来，欧洲国家关于取暖计量政策规范 不断在实践中补充完善，迄今已相当成熟，完全为民众接受，转化为取暖消费方面的自 觉行动。由此为西欧国家在节能和环保方面带来的巨大收益，也为实践所证明。以德国 为例，德国政府1 9 8 1 年颁布的取暖费用规定条例实施后，通过对私人取暖费用的 统计，节约能源达到1 5 - - 2 0 。1 9 9 0 年，原东德引入了暖气计量收费制度后，节省 能源甚至达到3 0 。九十年代以来，波兰、捷克、匈牙利等东欧国家基本照搬了西欧国 家的取暖计量法规，建立了暖气分户计量系统，均取得了令人满意的效果。 1 1 3 2 技术装备 欧洲国家的暖气计量系统，经过多年的技术改革和不断创新，现在使用的已经由欧 洲工业标准规范认定。目前在欧洲，广泛采用的热计量设备有三种，即蒸发式热分配表、 电子式热分配表和精密复杂的热能计量器。这三种设备，技术上各具优势实践中技术 装备的选择，主要根据项目的具体技术要求及房产物业的不同结构，通过细致的效率和 经济方面的比较分析才能作出结论。 1 1 3 2 1 蒸发式热分配表 这种热分配表根据蒸发原理制造，利用非线性的刻度系统，根据其中甲苯甲酯的蒸 发量，测得单个用户在测量系统中总费用里所占的比例，以此进行热费分配。具体用法 是：在区域系统的热入口安装热量总表( 物理式热量表) ，热力公司根据此表收取总热 费。用安装在各户散热器上的热分配表，计算出每个散热器在系统消费中所占的百分比。 多年来形成的热分配模式加上近年来开发并不断完善的软件计算系统，使得这种分配计 算变得轻而易举。蒸发式热分配表的特点：第一、计量系统工作原理简单易行，技术成 熟可靠。制造成本、使用成本较低。第二、不受系统流量指标的制约，不用改造旧有管 道系统即可实现供暖系统计量收费。第三、计量的不是物理值，只是分配值，故可以很 方便地将公用面积的耗热量及管路损耗计算到每个用户的帐单中，避免了户用热量表收 费系统的表外加价难题。蒸发式热分配表在欧洲暖气计量领域运用最为广泛，在所有热 计量设备中占有数量上的绝对优势。 1 1 3 2 2 电子式热分配表 这是一种上世纪九十年代在德国市场上出现的产品，分配计算原理与蒸发式热分配 表相同，使用方法也完全一样。技术上与蒸发式不同的是：它没有蒸发液体，而是通过 对温度进行动态测量后参与时间的积分运算，经中央处理器，将热分配数值显示出来， 4 兰州大学研究生学位论文 仪表可设置启动温度，达到设置温度时，计数器开始工作。这种表由欧洲标准( e n 8 3 4 ) 认定。电子式分配表与蒸发式相比，提高了计量精度，增加了更多的使用功能，在欧洲 市场上的应用越来越广泛，数量呈上升趋势。这种分配表的特点是：一、消费值可存储 在选定的日期上：二、在大型系统中可设置统一的启动时间：三、存有历史数据，可方 便地与前年度用量进行比较；四、可加装射频调制模块，进行无线测量。无需进入用户 户住宅就可进行读数统计这种舒适安逸、不破坏私人生活气氛的产品，尤其受到民众 的欢迎：五、采用高效环保电池，可安全可靠地工作十年 以上两种热分配表，技术上可归为同一种设备。由于测量的不是物理热值，所以无 需进行校验( 也无法校验) 。政府规定这种热分配表投放市场前必须提交国家授权的研 究机构按照相关的欧洲标准进行检测，并取得合格证书 1 1 3 2 3 精密热量表 造价方面属于最昂贵的系统。这种热表测定的是热物理值，每五年必须进行法定的 校验，这也增加了运行成本。热量表同样可以加装射频调制模块，进行无线测量这种 计量器适用的系统要求必须是建立了室内水平循环的供暖系统，或独立设计的家庭暖气 系统，如在欧洲大量采用的地板暖气由于大量安装热量表会对系统产生流量和压差的 影响，所以要求供暖系统必须设置恒流和均压装置。另外，仪表的精密结构也对滤除系 统杂质提出了更高要求。 由于上述原因，精密热量表在欧洲暖气计量系统中的使用量十分有限，不到系统总 量的2o ，只是在规定必须使用热量表的地方或对计量精度要求特别高的情况下，才 投入使用。 1 1 4 国内集中供暖分户计量的现状 实际上，国内暖气计量技术目前正处在开发研制阶段。由于欧洲公司多年来对热分 配表技术的封锁，在很大程度上限制了国内的业内人士对于热分配表技术的了解，所以 众多研究机构和生产厂家及开发商的注意力一直集中在物理式热计量表上。近年来国内 在一些试点城市的楼宇安装了国外的热计量表，但是在使用中凸现了很多的问题。 1 1 4 1 使用热量表的主要问题集中在以下几个方面： 1 安装物理式热计量表必须改造现有暖气管路系统由于历史的原因，我国的暖 气管路系统一直沿用整楼或整单元循环的单管或双管系统实行分户计量，要做到一户 一表，必须将现有的每户管路改造为户内循环，即每户形成一个独立的循环系统，在入 5 兰州大学研究生学位论文 口加装热量表。这种改造几乎推翻全部原有设计，所形成的工时成本及所遇到的破坏用 户装修方面的阻力，使这种改造几乎无法实现。尽管国家规定今后新建居住建筑的集 中供暖系统，应当使用双管系统，推行温度调节和户用热量计量装置，实行供热计量收 费”，但已建成的更大量居民住宅无法安装这种装置，使得供暖计量没有广泛意义上的 基础，实际上难以落实。 2 系统和设备运行质量将阻碍热量表的正常工作。我国目前在选用采暖散热器方 面，由于价格低廉和经久耐用等优势，铸铁散热器至今仍是住宅集中供暖系统的首选品 种。然而，铸铁散热器的弱点也十分突出，其铸造工艺使它成为系统堵塞的主要原因。 特别是安装热量表或精细的调节装置后，铸铁散热器的弊端就更加明显。另外，系统杂 质将严重影响热量表的工作状态，甚至形成新的堵塞点。 3 户与户之间的熟传递影响。户间的每l 摄氏度温差，仅通过楼板的传热量就相 当于设计耗热量的5 左右，相当于采暖期平均耗热量的l5 左右。由于此因素，不 仅难以合理确定设计热负荷，分户计量也只能是一个近似值。由此可知，对户用热量表 的精度其实不需过于苛求。为追求计量精度，花费大量的改造经费。安装价格昂贵的计 量表，便更加值得探讨另外，一户一表、单户独立系统户内系统的管道布置在住户对 装饰要求日益高档化的情况下，可能只有采取在地面垫层内铺设的办法，这将涉及到管 材质量、建筑层高和散热器布置方式等问题，对供热部门的供热质量、运行和管理水平 也会提出更高要求。在我国天津和沈阳，试点工程提供了大量的经验说明，暗埋管道的 施工质量问题已经造成了巨额的居民索赔。 4 由于计量方式的限制，公共采暖面积和管路损耗的计量仍然有再分配的问题， 这样就造成了表外还需收费，很难让用户理解和接受从这种意义上说，热量表实际上 也只是实现了热分配表的功能。正是由于上述原因，国内专家根据欧洲运营的经验提出 中国在实行供热计量的过程中，技术装备的选择是一个极其重要的问题，对于选用精密 热量表应采取谨慎态度，除了一户一表的分户热计量方式之外，还应探索较为简易和更 适合国情的其他合理分摊供暖费用的办法。即热分配表系统技术 1 2 该课题研究的意义 目前我国计量供热试点大都是采用国外的温控计量技术和产品，但是外来的产品直 接用于我国的现有系统出现了“水土不服”，除了水质问题，锈蚀和管理问题外，还有 6 兰州大学研究生学位论文 许多技术问题。如系统末端压差、系统规模大小、设备工作环境等都存在很大的不同 若不做任何改变就应用在一起很难得到正常的效果。如有的示范工程，产品应用效果不 好，出现一些问题，厂家就提出要根本彻底地改变中国的供热系统，殊不知，对中国这 一巨大规模的供热体系，改变是一渐进的过程，是需要一定的时间，不可能一蹴而就。 谁应该去适应谁并不存在一个分明的界限，但是寻求一个合理的结合点，这个工作非常 重要。尽管国外有许多成功的经验可以借鉴，但是由于国情的不同使得在理论和实践方 面仍然面临着许多问题需要解决，因此我们应该开展诸多的研究工作来完善和改进已有 的国外技术，如一户一表式计量供热系统的性能；热入口和热网的必要配置；热交换站 及供热锅炉的调节：制定计量供热系统新的设计、施工和运行管理规范；系统中配套的 计量仪表和设备的研制等。这些问题的研究具有现实意义，必将在国内供热技术领域产 生极大的影响，将为供热计量事业发展提供科学依据，使今后的工作避免在技术上造成 停滞或不必要的经济损失；也将使我国供热计量及收费事业得到科学稳固的发展，产生 巨大的节能效果并将带动相关产业的发展。 1 3 该课题研究的进展情况 2 0 0 4 年我们响应国家节能号召经过充分的调查研究，在对国内外产品的充分了解 的基础上，提出了适合于我国既有建筑和公用建筑的热能计量的方法，并以系统的观念 研制成功了“网络热计量系统”，该系统于2 0 0 5 年在国务院机关事务管理局的大力支持 下，进行了现场楼宇平衡试验，得到了初步的数据2 0 0 6 年我们进一步进行了楼间平衡 试验，楼宇平衡调节试验，试验数据良好，初步达到节约能源2 0 的目标由于我国北 方集中供暖耗能总量相当于全国商品能源总耗的1 5 ，按照国家“十一五”规划建议提 出，到2 0 1 0 年单位g d p 能耗比“十五”期末降低2 0 左右，这样我们仅此项技术就能够 为国家节约3 的商品能耗，可以看见该课题的研究意义重大。 1 4 本文的主要工作 本人在读研究生的3 年中，有幸于2 0 0 4 年加入了课题研究组，经过2 年半的研究 开发工作掌握了整个系统硬件软件的设计以及集成参与设计了整个试验系统。文章针对 目前国内国外产品的不足，以节能，分户计量为主要目的，全面介绍了我们开发的产品 的软硬件技术系统流程及试验，试点情况。 7 兰州大学研究生学位论文 2 1 热计量方法 2 热计量 目前世界通用的热计量方法主要有三种嘲： 1 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 暖季节的室内外温差累计求和，然后乘以房间常数( 如体积热指标) 来确定收费。该方 法采用的仪表为测温仪表。该方法的特点是：安装容易，价格较低。但由于该方法遵循 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，用户舒适度是靠自己来调节，调节的方法是开窗或加窗，这样系统并不是平衡 的，因此开窗浪费能源的现象无法约束，不利于节能。另外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为室外温度。目前德国不采用，美国、法 国有时使用。 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，并且可以在户外读值。目前在欧美受到欢迎 3 、直接测定用户从供暖系统中使用的热量。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，并且在小流量时误差较大。目前在法国、瑞典等国应用较多。 2 2 热计量原理 根据工程热力学中的分析方法，对于一开口系统，流经此系统的流体通过系统时的 能量平衡方程可用下式表示： d e ，= q + m ( a h ) + m g a z + 1 2 ( m c 2 ) + 形 其中：d e c ，v 系统内部总储存能的随时阋的变化；妒一系统与外界的熟交换量： m 流经系统的工质流量；az 系统迸、出口处的位置差；c 2 工质在系统进、 8 兰州大学研究生学位论文 出口处速度的平方差：w s 一一系统与外界交换的功：h 一工质在系统进、出口处的 比焓差。 如果系统是一换热器系统，可以对以上方程进行简化。当工质流速较低时，通常不 计其流经换热器进、出口的动能和位能差。换热器与周围环境也没有功的交换，w s = 0 。 因此。当换热器处于稳定工作状态时，d e c 。v = 0 。流经换热器的流体与周围环境的换热 量可表示为： q 一- m ( a h ) 一m ( 啊一，1 2 ) 其中：h l 流体在换热器进口处对应温度下的比焓； h 2 流体在换热器出口处对应温度下的比焓。 也即流体通过换热器与周围环境的换热量等于流经换热器流体的质量流量与流体 在换热器进、出口的焓差之乘积。 2 3 热量表的计量原理 热量表的计量原理是采用焓差法和k 系数法，前者是计算时间的积分，后者是计算 流量的积分。这些公式的推导都是基于下面这样一个简单的热力学基本原理，即： l 升纯净的水( 比热为1 ) 温度每变化i c ，所吸收或放出的热量是1 0 0 0 卡( 也就是l 大 卡) 。在热量表的实际应用中，考虑到导热介质水是流动的，并且在不同压力和温度下 水的比热也是变化的，传热量一般是由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定 国内热量表一般采用焓差法计算热量。焓差法的传热公式为 q = r q a h d t( 2 3 1 ) ，f 式中；q 为释放热量，单位 = ，或k w a ，q 为瞬时质量流量，单位船i s ，t t h 为进 出口焓差，单位k j k g ，单位k w l , m 。c ；t 为时问，单位为秒，对于交换热量的计 算，目前一般采用以下三种方法。 1 直接焓差法 q 吼晦吩) = 岱略辟譬辟。o r ) ( 2 3 2 ) 式中：c p f ，c p r 为入口与出口的定压比热容( 单位j k g ) ：q v ，q m 为瞬时体积流 量、瞬时质量流量，乃，岛为入口与出口温度下的载热流体密度； 吩，b 为入口 9 兰州大学研究生学位论文 与出口的温度。该公式计算简单，只要根据实测温度乃与毋查表得c p f ，c p r ，乃和 办等4 个常数，代入式( 2 3 2 ) 即可m 。我们看到决定热量的因素是瞬时质量流和温度， 如果我们能够准确的测量流量和温度，那么就意味着热量能够测试准确，但是温度测试 和流量测试目前仍然有很多难题没有解决。另外，温度测量精度越高，数据表所占的存 储空间越大，并且。对于实测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其 距离最近的点计算相应的焓值，从而得出瞬时热量，这一方法会带来测试系统本身和人 为因素引起的误差。 2 常系数焓差法 q = c p q 。( 口，一o r ) ；c p p 口，( 口，一0 ，) ( 2 3 3 ) 式中：c p 为定压比热容，为常数，使得程序的计算量减少，计算速度大大加快。该 方法对于定压不变频的系统是合适的。但是由于流体的密度p 需要进行温度修正，同 时由于不能对c p 进行在线温度补偿，该方法的温度适应性较差，不适宜于作为户用型 热表的热量计算方法 3 k 系数法嘲 q = 七a 0 d v ( 2 3 4 ) 式中：q 换热器与周围环境的换热量 k j 】： v 流经换热器流体的体积流量 m 3 】： a0 流体在换热器进，出口处的温度差 ： k 热系数，是流体在相应温度、温差和压力下的函数 j m 3 或 k w h m 3 由于热交换系数k 当压力一定时，它随温度而变化，所以k 系数法又可分为分段式 k 系数法和k 系数孙偿法。 分段式k 系数法是将热交换系数按回水温度进行三段分类n 3 1 ： 0 r 9 1 ，k = k l ：0 1 8 r 0 2 ，k = k 3 ( 2 3 5 ) 该方法将热交换系数量化为三个分段常数，在一定程度上对其进行了温度修正，式 中三个关键常数凭经验来确定，如果温度区间划分较租，温度适应性依然较差。因此， 分段式k 系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高，温度变化也较小的情况以上 无论是焓差法抑或分段式k 系数法都可以达到一定的精度，但是其计量方法和计量精度 1 0 兰州大学研究生学位论文 均达不到o i m l - - r 7 5 国际规程和e n l 4 3 4 欧洲标准等国际标准的规定。k 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 l 4 3 4 欧洲标准都对热系数k 如何计算有明确的说明哺“。下面简要说明其 思想。 热量是依据热载体的质量和进回水热焓的差值来计算的。现有的流量计测得的只是 体积流量，必须根据温度和压力修正才能得到载体质量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； 七p ，口，臼，) = 1 i e ( e , ) ( 日，一日，) 够c p ( a ) 加( 2 3 6 ) 式中：q ( 口i ) 为入1 3 温度或出c i 温度下载热流体的流量：口f ，如为入口温度，出口 温度；c p ( 日) 为比热容，式中：q ( 目i ) 为入口温度或出口温度下载热流体的流量； o f , o r 为入口温度，出口温度；c p ( 口) 为简化计算，引入如下参数： 蔫叫嘉】芦仁3 乃pc l g c ld 肛。 卜。“ 式中：p 乡缸。，为比温度；卢- 夕乏。，为比压力； 宇似，) 为比自由焓，即吉布 斯函数( g i b b sf u n c t i o n ) ；b c l = 6 4 7 3 k ，p c l = 2 2 1 2 0 0 0 0 j m 3 ，表示载热介质为水时选 取的参考温度、参考压力、参考容积【埘。由式( 6 ) 、式( 7 ) ，并引入相应的比参数，热 坳一剐= 器去萨【差圳z 地”，。器去 c 旷c 鼽旷咖，蚓肛， ( 2 3 热等 一t 净h ；i = r o r f 旺3 舯， 兰州大学研究生学位论文 比自由焓亭( 肛，卢) 的函数关系式如下： 毒，声) 4 4 觯一l n ) + 善加v - 1 i a i t 咯i z - 五i - 1 0 l ，) z 西+ m ：+ 4 ，肛+ 4 4 卢2 + 以瓯一p ) 1 0 + 。一。一 4 。 7 + 声修) - 1 】卢一( + p “) - 1 似，声+ 吗。卢2 + 4 9 f 1 3 ) 一4 卢墙瓴+ 弘2 ) 【( 吗o + 声广+ q ，声】+ 4 1 ( q 2 一p ) 矿+ 4 笠- 2 0 f f 4 ( 2 3 1 1 ) l 其中，z y + 0 3 y 2 2 a 4 + 2 a 5 p ) i ；y1 1 - 口l 2 4 2 一6 ；其中a o - a 2 2 ，a 呻1 2 均为常 系数，取值参见文献【1 2 1 。根据吉布斯函数【见式( 1 1 ) 】，以及( 9 ) 和式( 1 0 ) + t 1 1 + i + 至l j 不同温度、压力下的热系数。例如，已知压力为1 标准大气压，入口温度7 0 、出口温 度6 5 ，流量计安装在回水管时对应的热系数，具体计算如下： 旦( 6 5 + 2 7 3l s ) 比温度u - 毛； 6 4 7 3 = o 5 2 2 4 ： 尸1 0 1 3 2 5 比压力：p c l ；2 2 1 2 0 0 0 0 = 0 o 吣8 代入以上公式解得 k = 1 1 4 1 u 7 k w h ( n l ，) 1 图2 1 给出了在流量计安装在回水管，压力为0 6 m p a ，温差为1 0 4 0 c 时，热系数与 入水温度的关系曲线。由图2 1 可以看出，在工作压力和温差保持不变的倩况下，入口 温度越高，热系数越低；入口温度保持不变时，温差越大，热系数越大。 求出k 系数在不同压力下随进、出口温度变化值及不同温度下随压力的变化值，由 这些不同的k 值根据公式计算出换热器与周围环境的换热量。图2 2 是一组试验图，我 们可以看到在压力一定时，k 值随温度的不同变化较大，而恒温时，热系数k 值随压力 变化不大嘲。 1 2 兰州大学研究生学位论文 图2 1 压力为o 6 m p a 时，热系数k 随进、出口温度变化曲线 兰州大学研究生学位论文 图2 2 热系数随压力的变化曲线 实际上我们看到由于k 系数与温度的关系相对来说要比焓与温度的关系复杂，在使 用公式进行计算时，所包含的数据量也更大。 2 4 热计量表 2 4 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，因此现在应用得比较多。 2 4 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。以上两种计 1 4 兰州大学研究生学位论文 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，热量分配表价格便宜、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。 2 。5 对分户热计量表的要求1 1 帕 2 5 1适合热计量的供热采暖系统应该具备的条件 2 5 1 1 调节功能 即系统必须具有可调性，用户可以根据需要能够对不同的屋内空间控制温度。无论 手动调节还是恒温调节，可调系统是热计量的前提。 2 5 1 2 与调节功能相应的控制装置 这是保证调节功能实现的必要条件由于室内系统的调节，原有的定流量系统成为 变流量系统，系统工况变化较大。若不采取相应的控制措施，将无法满足用户需要。 2 5 1 3 每户按热计量功能 每户用热量应可计量，用户按用热量计量收费，加强用户自身的节能意识。 2 6 适合热计量的集中供热采暖系统 目前在国内符合分户热计量表要求的室内采暖系统形式大体分为两种：一种是沿用 传统的垂直的上下贯通的“单管式”或“双管式”系统：另一种是适应按户设置热量表 形成的共用的供回水立管和分户独立系统相结合的新形式。 2 6 1 垂直式单管系统 改造旧有顺流式单管系统为跨越式单管系统、带温控阀的可调节系统，是旧系统改 造极易可行的一种方式。一般有两种形式：一种加两通温控阀，一种加三通温控阀。这 种系统的热计量设备是在一拣楼或小区的总入口处设楼用热量表，在每个散热器上设蒸 发式或电子式热量分配表。 2 6 2 适应按户设置热表的共用供回水立管和分户独立系统相结合的形式 用的供回水立管和分户独立系统相结合的形式是指每户是相对独立的一个系统，每 兰州大学研究生学位论文 户的供回水管和共用的供回水立管相连，在每户入口的总供回水管处设一户用热量表来 进行热计量。户内的采暖系统形式有地板辐射采暖、散热器采暖等形式。 2 7 分户热计量的价格 热量价格的确定要考虑到多个方面，包括锅炉煤耗、水泵电耗、水的软化除氧、水 耗，供热人员的工资收入，设备的投资、折旧等很多项目。还要考虑不同供热模式及燃 料种类对热价的影响等等。其价格由固定成本和可变成本组成。固定成本与热量没有直 接的比例关系，主要由用于热网正常运行的固定资产投资和供热企业管理费用等组成 如设备投资、维修管理、职工工资、税费、水损失、热损失等。这些固定成本提供了用 户相应的使用功能，并不因为多用或少用而变化。这部分投资应当按照用户所占建筑面 积来公摊，此部分费用究竟占多少国家并没有具体的规定，各地的情况也是不一样的我 们认为比较合理的费用应该是占总费用的3 0 5 0 。可变成本是随能源的产量而变化 的部分，即能源产量越多，浮动开支越大。如燃料消耗、运行耗电、职工加班费等。这 部分费用需按照各用户应通过冷热量表计量的实际用能量进行分配分配的部分热价究 竟怎样来定目前没有可用的规定和参考，只能通过大量的试验，大量的调研作出合理的 价格，使得企业和用户都受益。 2 8 分户热计量系统开发的技术难点和需要解决的问题 热量表是一种适用于测量在热交换环路中，载热液体所吸收或转换热能的仪器，熟 量表用法定的计量单位显示热量“”。热计量表俗称暖气表，主要用途是对供暖进行热量 计量。它是适应城市供暖体制由以往按面积收取采暖费向按用户所消耗的热量收费转变 和供热机制由计划经济向市场经济转变的需要而推出的计量器具。作为机电一体化产 品，热计量表主要由流量系统、计算系统、显示系统、传感系统4 大部分组成，另外还 带有远传通讯接口。应当说，热计量表的技术含量是较高的。热计量表的研制和设计的 难点表现在以下6 方面： 1 ) 经验和技术尚不成熟。由于起步较晚，中国热计量表的研制无论在技术上，还 是在经验上，都与外国有较大差距。 2 ) 供热系统是一个动态的闭环回路，在工作过程中，系统介质的物性参数随着压 兰州大学研究生学位论文 力和温度的变化而不断变化，要使热量计量准确，必须进行全过程的压力和温度补偿。 3 ) 供热系统介质温度变化范围大，要准确测量不同温度下的介质流量。 4 ) 采暖用水杂质含量较高。对计量精度和流量计最小启动流量有不良影响。 5 ) 采暖用水腐蚀性较强，影响热计量表的使用寿命和计量精度。 6 ) 流量信号采集系统应当适应不同使用条件( 如恶质水质) 总体看，分户热计量需要解决的问题：第一、能准确计量热量，灵活调节室温热 既然作为商品出售，用户就有权按照自己的需要调节室温，外出时还可以暂时关闭室内 系统。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 。实现供暖系统按热量收费的最终目的是建筑节能，要作到这一点，除了加强 建筑保温、降低设计能耗外，室内供暖系统必须有温控装置，温控是实现热计量的前提 条件之一，只有计量收费装置而没有室内系统的温控手段，实际上达不到节能的目的， 而仅仅是为了收费，这实际上偏离了建筑节能的根本目的，因此热计量和