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哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 热量在线测量装置的研制 摘要 随着我国供热体制的改革，住宅供暖按户计量已成为必然趋势。热量表是 指在一个热流回路中流体吸收或释放热量多少的测量仪表，它是热量计量的基 础，是实施城市供热体制改革，推行按热量计量收费的关键仪表。 热量表通常由流量计、温度计和积算仪三部分组成。传统的热量表测量原 理较准确，但对系统水质要求高，维护管理较复杂；同时需要配套流量计，价 格较高；且安装时需要破坏原来管道结构，给用户造成不便。国外常采用的热 量分配表经济、易安装，但是由于抄表和计量精度的问题在我国没有得到大规 模应用。因此，针对现有住宅散热系统，设计出实用性强、性价比高、使用安 装方便的热计量装置成为首要解决的问题。 热量在线测量装置以温差修正热计量方法为理论依据，无需测量流量，投 资小、安装方法简单。此装置主要包括三个部分：终端信号采集，数据通信， 基站显示控制。终端热量信号采集以低功耗微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 为基础，主 要实现温度信号的采集，流量系数的动态校正，热量值的积算等功能；采集到 的热量信号通过有无线相结合、公专网相结合的方式传给基站集中进行显示控 制；基站以三星公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 为硬件平台，嵌入w i n d o w s c e 5 0 操作系统，在线监控和显示所有用户热量值，并具有实时热量曲线和历 史热量曲线显示、保存以及数据打印等功能。整个系统最终完成按热量消耗计 量收费的全过程。 关键词热量表；温差修正；a r m 9 ；w i n d o w sc e5 0 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 r e s e a r c ho nt h eo n - l i n eh e a tm e t e r i n gd e v i c e a b s t r a c t w i t ht h er e f o r m o ft h eh e a ts u p p l ys y s t e mi nc h m a ，t h et r e n dt h a tt h eh e a tu s e r s a r ec h a r g e d a c c o r d i n gt ot h eh e a tc o n s u m p t i o no fe v e r yh o u s e h o l dh a sb e c o m e i n e v i t a b l e t h eh e a tm e t e r sa r eu s e dt om e a s u r et h eh e a ta b s o r b e do rr e l e a s e di na h e a tf l o wl o o p t h e ya r et h eb a s i sf o rm e a s u r i n gt h eh e a t ，a n dp l a yt h ek e yr o l ei nt h e r e f o r m so f u r b a nh e a ts u p p l ys y s t e ma n dt h ec h a r g em e t h o d s u s u a l l y ，ah e a tm e t e ri sc o m p o s e do ff l o wm e t e r ，at h e r m o m e t e ra n da l l i n t e g r a t i n gi n s t r u m e n t t h em e a s u r e m e n to u t c o m eo ft h et r a d i t i o n a lh e a tm e t e r si s a c c u r a t e ，b u tt h ed e m a n dt ot h ew a t e rq u a l i t yi sr e l a t i v e l yh i g h ，a n dt h e i r m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ta r ev e r yc o m p l i c a t e d b e s i d e s ，t h e i rc o s t sa r eh i g h e n o u g ho na c c o u n to ft h en e e dt ot h ef l o wm e t e r s o nt h eo t h e rh a n dt h ei n s t a l l a t i o n o ff l o wm e t e r sw i l lh a v et h eo r i g i n a lp i p i n gl i n e sd a m a g e d ，w h i c hi si n t o l e r a b l et o t h em o s to ft h eh e a tu s e r s t h eh e a td i s t r i b u t i o nm e t e r sa r eu s u a l l yu s e da b r o a d ， a l t h o u g hc h e a pa n de a s yt oi n s t a l l ，t h e yc a i ln o tb eu s e dw i d e l yi nc h i n ad u et ot h e i r l o wp r e c i s i o na n di n c o n v e n i e n tr e a d i n g t h e r e f o r e ，i tb e c o m e su r g e n tw o r k i n go na p r a c t i c a l ，c o s t - e f f e c t i v ea n de a s i l yi n s t a l l e dh e a tm e t e r i n gd e v i c ef o rt h ee x i s t i n g r e s i d e n t i a lh e a ts y s t e m s b a s e do nt h et h e o r yo ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec o r r e c t i o n ，t h eo n l i n eh e a t m e t e r i n gd e v i c ei sl o w - i n v e s t e d ，e a s i l yi n s t a l l e d ，a n dt h ef l o wm e t e ru n n e e d e d i t m a i n l yi n c l u d e st h et h r e ep a r t s ：t h et e r m i n a ls i g n a l sa c q u i s i t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ， a n dd i s p l a ya n dc o n t r o li nt h eb a s es t a t i o n t h ep a r to ft h et e r m i n a lh e a ts i g n a l s a c q u i s i t i o ni m p l e m e n t st h ef u n c t i o n so fa c q u i s i t i o no ft e m p e r a t u r es i g n a l s ，t h e d y n a m i cc o r r e c t i o no f f l o wc o e f f i c i e n t s ，a n dt h eh e a ti n t e g r a t i o na n de t c b yw a yo f t h el o w - p o w e r - d i s s i p a t e dm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 14 9 t h ea c q u i r e dh e a ts i g n a l s a r es e n tt ot h eb a s es t a t i o nf o rt h ec e n t r a l i z e dd i s p l a ya n dc o n t r o l ，w i t ht h ew i r e da n d w i r e l e s s ，p u b l i cn e t w o r ka n dt h es p e c i a l i z e do n ec o m b i n e d t h eb a s es t a t i o n m o n i t o r sa n dd i s p l a y st h eh e a tv a l u e so fa l lt h eu s e r so n 1 i n e dw i t ht h es a m s u n g c o r p o r a t i o n sa r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 410a si t sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h ee m b e d d e d i i 哈尔滨理丁大学t 学硕i j 学位论文 w i n d o w sc e 5 0a si t so p e r a t i n gs y s t e m i ta l s od i s p l a y st h er e a l - t i m ea n dh i s t o r i c a l h e a tc u r v e s ，a n ds t o r e sa n dp r i n t st h ed a t a t h eo v e r a l ls y s t e mr e a l i z e st h ec h a r g i n g t a s ka c c o r d i n gt ot h eh o u s e h o l dh e a tc o n s u m p t i o n k e y w o r d s h e a tm e t e r s ，r e v i s i o no ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，a d v a n c e dr i s c m a c h i n e9 ，w i n d o w sc e5 0 i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 木人郑苇声明：此处所提交的硕 ：学何论文热鼋：在线测量! 装胃的石j m i j ， 是本人舀：导师指导下，乔! i l 会尔演理一l ：人学攻读硕l 学位蟛j 州独受：进行研究一i ：作 所i 陂得的成果。掘木人所知，沦文r f 一除已汴明部分外小包禽他人已发表或撰写 过f l , j i i j f 究成果。对木文的川咒ii 作做h 蕈爱贡献的个人和集体，均已在文中以 明确力。式注f 1 j 。木声h j f i gs ；, 件结果将完全i j i 本人承越。 作者签名：饧，季i 云腓w p f ；月， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 热嚣n j 线测昂：装胃f 1 9 研制系本人( f ：i l u4 , 滨理：r ：人学攻读硕士学化身肿j 神! 导 j i j i 指导r 完成f i 勺硕i ：学位论文。本论文n ，j 研究成聚p 二l i i 合尔滨理 大学所有， 本沦文的研究内容不得以j 乓它甲位的名义发表。本人完全了解l 呛尔滨理：j ：入学 关j i 保存、使川学位论丈的规定，同意学校保留许向囱关部fj 送交沦文f f 勺复印 什和r u 了版本，允诈：论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨婵f ：大学，可以采用 影印、缩印或其他复制段保彳f 论文，可以公和论文的全部或部分内容。 保密口，存年解密厉适，i 】本授权一f 5 。 水。f 移论文属丁 不保密叼。 ( 清存以 ：州应方榧内打“”) 懈答够：硇，辱j 杰 刷订瞒纯号凝威。 、一， f w v 羽：矽再f “f7 1 ：i 刚吼唧年利，罗 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 第1 章绪论 热水是重要的二次能源，广泛应用于人民的日常生活，量大面广。长期以 来，我国在热水供暖上按供热面积结算，这种“包费制”的结算方式一方面严 重影响了供热方供热积极性，使供热品质下降；另一方面由于供热只按供热面 积收费，与是否用热无关，房中长期无人居住时不停暖气，暖气过热时宁可开 窗也不肯将阀门调小，节能意识淡薄造成了资源的大量浪费。因此，热量的准 确计量、科学合理收费，意义重大。 1 1 课题研究的目的和意义 我国供暖区域较广，严寒和寒冷地区的面积占全国国土的7 0 ，人口占总 人口的5 0 ，供暖节能在建筑节能中占有重要地位，建筑能耗占能耗总量的2 5 以上，三北地区高达3 0 4 0 ，其中采暖能耗约占一半1 。目前我国住宅供暖状 况的基本特征是能耗高且热环境差，能源利用效率低下，在按供热面积收费的 体制下，没有人关心节约能源。我国的三北地区尤其是东北地区的供热现状形 势严峻，由于经济等方面的原因，供热收费成了困扰市政府部门的一大难题， 近些年供热收费率偏低，供热单位入不敷出，直接影响供热质量。另外由于旧 的供热系统大多是单管顺流式，没法对用户进行控制，形成了缴不缴热费都供 热的大锅饭局面；由于交费用户承担了不缴费用户的费用，导致热费年年升高， 缴费用户因缴费多，供热质量不好而不满意。 热量表是指在一个热流回路中流体吸收或释放热量多少的测量仪器，它是 热量计量的基础。在发达国家，特别是在欧洲，供热按计量的热量多少收费， 热量表的使用已极为成熟和普及。热量表作为热力公司向每一位住户收费的依 据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，加强 了住户的节能意识。正因为这样，建设部等八部f - j 关于进一步推进城镇供热 体制改革的意见中提出：新建住宅和公共建筑必须安装楼前热计量和散热器 恒温控制阀，同时还要具备分户热计量条件；即有住宅要因地制宜，合理确定 热计量方式，热计量改造随建筑节能改造同步进行卜。由此可以看出，供热体制 的商品化，货币化趋势势在必行。 目前，各种热量计量装置通常由流量传感器、微处理器和配对温度传感器 组成。微处理器通过流量传感器得到流量信号，从测温电路得到出口和入口水 温信号，根据标准热量计算公式计算出载热液体释放的热量。这种热量计量装 置测量原理较准确，但其存在的缺点也不容忽视：对系统水质要求高，维护管 哈尔溟理t 大学t 学硕十学位论文 理较复杂；同时需要配套流量计，成本高，且安装时需要破坏原来管道结构， 给用户造成不便，影响用户和供热单位的使用热情，为推广按热计量收费造成 困难。因此，针对当前现有住宅散热系统，设计出满足热量消耗计量准确度要 求，实用性强、性价比高、使用安装方便、对用户影响小的热计量装置成为首 要解决的问题。本文设计研制的温差修正热计量装置，对于解决现存大量老式 供暖住宅在短时间内无法实现分户计量的供暖现状来说尤为重要。 1 2 国内外热量表研究现状 1 2 1 国外热量表研究现状 在西方国家，热能是以商品进入市场的。欧洲热计量法规各有差异，但基 本上每个热用户都安装热计量仪表，并按用户使用的热能收费。目前，国外按 户计量供热所采用的方法主要有以下三种： 1 直接测定用户从供暖系统中取走的热量使用的仪表称为热量表，由流 量计、温度传感器和积算仪组成。测量入户系统的流量和供、回水温度p 1 。其特 点是：测量准确度较高，但对系统水质要求高，维护管理较复杂，同时价格较 贵。 2 通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量利用散热器平 均温度与室内温度差值的函数关系来确定散热器的用热量。使用的仪表称为热 分配表，常用的有蒸发式和电子式两种。 蒸发式由导热板和装有蒸发液的玻璃管两部分构成。测定蒸发液的蒸发量 来确定散热量的多少。其特点是：价格较低，安装方便，但计量准确性差，不 具备远传功能。 电子式热分配表是测量相应温度与相应时间积分的电子装置。在热用户每 个散热器上安装热分配表，在建筑物入口设置大量程总热量表。热分配表测得 散热器表面温度和室内温度，通过系数修正，将总耗热量分摊到各个热用户。 其优点是计量较准确、方便，价格比热量计量表低，并且可在户外读值。 电子式热分配表近年来在欧美逐渐兴起，有取代蒸发式热分配表而成为集 中供暖按户计量主导仪表的趋势。但散热器的传热量不仅涉及散热器表面积， 还涉及散热器表面传热系数卜。由于散热器的种类和规格繁多，为了确定不同种 类、不同规格散热器的传热量，就需要建立专门的数据库来记录其表面积、表 面传热系数等相关参数。然而，散热器表面传热系数的影响因素较多，特别是 受散热器装饰方式及人为因素的影响大，导致热分配表计量误差较大；另外， 由于用户所在建筑房间位置的差异，导致即便是所有用户都具有相同的采暖温 哈尔滨理工人掌丁掌坝十学位论文 度和相同的采暖居住面积，耗热量却有高有低，热费有多有少，难于向用户解 释，不利于推广使用。 3 室温热计量法国外另外一条完全不同的热量分摊途径是室温计量方 法，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。它避免了考虑位置修正或者出售时 的差价，也避免了热费分摊向住户麻烦的解释，分摊方法简单，投资小，易于 理解。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p 。 1 2 2 国内热量表研究现状 中国为了实施供热体制改革，推行按热量计费，1 9 8 9 年，政府有关领导开 始关注集中供暖的民用建筑计量收费的问题。1 9 9 0 年，热量表作为专题被列入 “七五”科技攻关计划。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o i m l r 7 5 国际建议热能表。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，规定：“新建居住建筑的集中采暖系统 应当一一实行供热计量收费”，同时“鼓励发展分户热量计量技术与装置”。及 至2 0 0 3 年7 月2 4 日，建设部、国家发改委等八个部委印发了关于城镇供热 体制改革试点工作的指导意见。到2 0 0 7 年1 0 月1 5 日，建设部又发布了中华 人民共和国城镇建设行业标准热量表c j1 2 8 2 0 0 7 ，代替c j1 2 8 2 0 0 0 于2 0 0 8 年4 月1 日起实施。现在，遍及全国1 5 个省、区的4 7 个城市，在集中供暖的 新建居住建筑系统中，推行温度调节和户用热量计量装置，按热量计量收费的 系统试验工作。 目前，为实现“一户一表，分户计量，按户收费 ，我国生产和经营热量表 的企业常采用流量温差式法进行热量计量。这种热量表计量的是采暖系统向单 元住户输出的供热量，它由流量传感器计量热媒水流量，同时由温度传感器测 量供、回水温度，并设置计量仪表进行运算、累计和显示u 1 。 流量温差式热量表测量原理较准确，但对系统水质要求高，维护管理较复 杂；同时需要配套流量计，成本高；特别是安装时需要破坏原来管道结构，给 用户造成不便，影响用户和供热单位的使用热情，给推广按热计量收费造成困 难。此外，流量温差式热量表的安装具有一定的局限性，在某些场合不宜安装： 采暖热媒水质差、杂质多、易结垢，影响热水表计量，降低热量表使用寿命甚 至会损坏热表；采用直接式( 直接插入采暖系统) 的热水表( 如旋翼式、涡轮 哈尔溟理l 大学t 掌硕十学位论文 式) 再加装过滤器，对采暖系统水力特性有影响，明显增加系统阻力，影响采 暖效果，而采用间接式热水表( 如超声式、电磁式) 经济投资则较高6 1 。 目前，对于我国热量表的研发、生产来说，一方面我们认真学习借鉴国外 成熟的先进技术，另一方面要针对中国国情开发出适合我国供暖现状的热量表。 目前我国供热系统水质较差，多方面的原因造成水中含有大量的铁锈等对机械 式流量计具有破坏性的杂质。不可否认，热量表技术本身也还不够完善，还处 于尚未成熟的研发和试生产的阶段。国产的热量表面对竞争日益激烈的国际化 市场，如何保证既符合国家标准，又满足中国供热体制改革的需要，已成为一 个重要的问题。 1 3 课题研究的目标及主要工作 针对我国供暖水质差、系统改造困难、热量表造价较高等现实问题，本文 以供、回水温差为基础，通过建立散热器数学模型，得出流量与温度的关系， 利用动态修正，实现以温度变化为唯一测量值的热量在线测量装置，并将采集 到的热量信息通过数据远传，由基于a r m 9 处理器的嵌入式系统集中显示控制。 整个系统最终完成按温差修正热量计量的全过程。 具体来说要对以下方面进行研究： 1 数学模型的建立及理论公式的推导通过对热量计量原理及现有热量 计量方法的研究，得出与热量计量有关的因素，通过总结改进，提出温差修正 的热计量方法，并建立散热器数学模型，得出散热器流量与供回水温度的函数 关系，从而构建热量在线测量装置的理论基础。 2 设计方案的确定整个系统最终完成按热量消耗计量的全过程。 基站：以a r m 9 为平台嵌入w i n d o w sc e5 0 操作系统，对收集的热量消耗信 息进行分析处理，包括显示信息和相应动作。 终端：利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机及一线式数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，检测实 时温度信号，利用流量与温度的函数关系，按照热量计量原理，计算出用户消 耗热量值并显示，同时设计通信接口，将热量信号传输到基站。 3 热量在线测量终端软硬件设计包括终端c p u 的选型，温度传感器的 选择，液晶显示电路，实时时钟电路，电池欠压报警电路及通信电路的设计。 对多路温度数据信息进行采集，制定与基站的通信协议，编制热量计量程序， 制作p c b 板图，对各部分电路进行调试，最终完成热量计量的在线测量部分。 4 选择数据通信方式将终端采集的热量信号以有无线相结合、公专网相 结合的方式传递给基站，实现热量表的远程抄表。 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 5 选择嵌入式系统，对户用热量集中进行控制构建嵌入式系统软硬件开 发平台，并在构建的硬件系统平台上定制、编译、移植w i n d o wc e5 0 实时操作 系统，进行应用程序的开发，实现数据控制、显示等功能，完成整个热量计量 系统。 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 第2 章热量计量方法的研究 2 1 传统热量表的计量方法 热量表是用于测量热交换回路中载热流体释放热量多少的计量仪表，热量 表用法定计量单位显示热量。将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上 行管和回流管上，流量计安装在流体入口或回流管上，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高低温度的模拟信号，积算器将二者 收集起来，通过计算，显示出载热流体从进口至出口所释放的热量值。传统 热量表结构如图2 1 所示。 图2 - l 传统热量表结构图 f i g 2 - 1c o n f i g u r a t i o nm a po ft r a d i t i o n a lh e a tm e t e r s 在理论上热流率的测量在稳定流动中可以归结为流体质量流量与其温差以 及定压比热的乘积。在图2 1 所示的测量系统中，在，时间内流经热交换器的耗 热数学模型如( 2 1 ) 式所示： q = n 。a h d t ( 2 - 1 ) _ o 式中：q 为释放或吸收的热量，j 或w h ；q 。为流经热量表的水的质量 流量，k g h ；a h 为在热交换系统的入口和出口温度下水的焓值差，j k g ；f 为 时间，h 。 公式( 2 1 ) 中密度和焓值应符合国家标准的规定，当温度为非整数时，应 进行插值修正或拟合。 在实际计算时，通常采用欧洲的k 系数法，k 系数法实现了热交换系数的在 线温度和压力补偿，它大幅度提高了热量计量的精度。公式如下川： 以 q = l ，碰册 ( 2 2 ) 叫l 式中：丁为热流体进出口的温差，r = 瓦一z ，o c ；k 为热当量系数， 嗡力：浜理t 大学t ：掌坝十学位论文 是一个与供热流体的温度和压力有关的物理参数，w h m 3 。c ；y 是流体流过 热交换系统的体积，m ，。 随着温度不同，k 值有所不同，可根据温度区间进行量化，k 系数的计算 差别远小于热量表的误差限，因此本设计以k 系数法为计算热量的理论基础。 只要找出温度与流量的函数关系，( 2 2 ) 式就可化简为只于温度有关的函数。 2 2 供暖模型建立及理论推导 由传统热量表工作原理我们可以看出，在热量的计算中，流量，温度是我 们需要得出的两个必要参数，但流量计价格较高，且安装具有一定的局限性， 给按热计量收费造成了一定的困难。基于这种情况，我们设想建立一种数学模 型，得到理想情况下流量与温差之间的函数关系，从而使温度成为热量计量中 的唯一参数，我们知道，温度的测量较为简便，这样我们就在一定程度上克服 了流量测量给我们带来的不便，通过工程实际校准修正，最终得出实际情况下 的温度热量计算公式。 从一般生活经验来看，进水口温度一定的情况下，流速越快，热流体在散 热器里停留的时间越短，散失的热量越少，出口温度降低的也越少，造成的进 出口水的温差就越小；相反，流速越慢，热流体在散热器里停留的时间越长， 散失的热量越多，出口温度降低的也越多，进出口温差也就越大。由此我们可 以推断，流量与温差之间存在一定的关系，只要找到流量和温差之间的函数关 系，我们设想的温度热量计算方法就可以实现。 为了找到散热器进出口温差与流量之间的关系，我们建立单个散热器在理 想散热环境下的一维供暖系统模型m 1 4 1 ，如图2 - 2 所示。 绝热层 l n ， 1 1 疡羽眵 吃 _ _ 卜p ( x ，t ) 口 i 髟观q n 叼 热交换层 - - 卜卫 n ，、，、 8v l x ，u i ，艟 热交换层 ，r x + s x z h 环境 “ x 图2 - 2 室内供暖散热模型 f i g 2 - 2e m a n a t em o d e lo fr a d i a t o ri nr o o m 设x 为空间坐标，为时间坐标，将室内暖气中热水流作为热流体，室内 哈尔演理下火学下学硕i ：学位论文 空气作为冷流体，分别记其温度分布为尸( x ，) 与q ( x ，f ) ，简称p 流体与q 流体， 室外环境温度为r 。口，分别为热流体与冷流体，冷流体与室外环境的热交 换系数( j m k ) 。在这里我们假定，冷热流体和室外环境通过热交换已经达到 热平衡，即所有的量不再随时间变化。 在图中沿热流体流动方向x 取一个微元6 x ，研究6 x 上的热量传递情况。我 们分热流体和冷流体两部分来考虑。 1 热流体部分在这里材为热流体的质量流量( k g h ) ，c 为热流体的比 热容( j k g k ) ，口为冷热流体热交换面的换热系数( w m k ) ，尸( x ) 为流体 在x 处的温度。如图2 2 所示，在热流体从左端向右端流动的过程中，不断释放 出热量，热流体的温度是逐渐下降的。 在微元中，流入微元的热流量为从x 处流入的热流量：c u 尸( x ) ；流出的 热流量由两部分组成：一部分是从x + 6 x 处流出的热流量：c 材e ( x + 8 x ) ； 由泰勒逼近定理得：c t 1 尸 + 万x ) = c z f 尸( x ) + c 甜_ d e ( x ) 6 x 。 d x 另一部分是从冷热流体交换面流出的热流量：口( 尸( x ) 一q ( x ) ) 6 x ； 根据热平衡原理，流入的热流量等于流出的热流量： c ”p ( x ) ：c 掰尸( x ) + c 甜皇! ：譬2 8 x + 口( p ( 戈) 一q ( x ) ) 8 x a x 即：c 材_ d e ( x ) 8 x ：一口( p ( x ) 一q ( x ) ) 万x 以x 眦 c 协竽掣：口( q ( x ) 一p ( x ) ) 得出：_ d e ( x ) ：旦( q ( x ) 一尸( x ) ) ( 2 3 ) 积xc “ 2 冷流体部分在这里v 为冷流体的质量流量( k g h ) ，d 为冷流体的比 热容( j k g k ) ，口为冷热流体热交换面即暖气的换热系数( w m k ) ，为 冷流体即室内空气与室外环境的换热系数( w m k ) ，q ( x ) 为冷流体在x 处的 温度。 如图2 2 所示，在微元中，流入微元的热流量由两部分组成：一部分为从x 处流入的热流量：d v q ( x ) ；另一部分为从冷热流体热交换面流入的热流量： 口( p ( x ) 一9 ) ) 8 x 。 流出微元的热流量也分为两部分：一部分为从x + 6 x 处流出的热流量： d 咿q ( x + s x ) ；另一部分为向室外环境r 流出的热流量：( q ( x ) 一r ) 8 x 。 根据热平衡原理有： 培- 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 d v q ( x ) + 口( p ( x ) 一q ( x ) ) 5 x = d v q ( x 1 - 8 x ) + ( q ( x ) 一r ) 6 x ( 2 4 ) 在实际的供暖过程中，室内的空气无强制对流，处于一个相对稳定的状态， 即我们可以认为在模型中冷流体流速1 ，= 0 。 式( 2 4 ) 可化简为： 口( 尸( x ) 一q ( x ) ) + ( r q ( x ) ) = 0 ( 2 - 5 ) 由公式( 2 3 ) ( 2 5 ) 得方程组： j i d p ( x ) = 兰cu ( q ( 小m ) ) ( 2 6 ) 出 一一7 ( ) 【口( 尸( x ) 一q ( x ) ) + ( r q ( x ) ) = 0 代入边界条件p ( o ) = e o ，q ( o ) = q o ，得出式( 2 6 ) 的解为： 一上旦生。 p ( x ) = r + ( e o - r ) e 。+ ：r + a - - - 与( p o - r ) e 一击+ 2 - 7 将式( 2 7 ) 变换形式得： 一上旦生。 p ( x ) = 异一( 异- r ) - ( 1 一e 。“a + p ) q ( x ) = 昂一( 异一只) ( 1 一a 旦+ 一f l p 一万币a p 。) 8 l( 2 - ) 令x = l ，得出： f 一上旦= 生f i 尸( 三) = 最= 最一( e o r ) ( 1 一p 。“口+ 卢) 幽盼“印南2 告静，q 。9 由式( 2 9 ) 得出热流体进出口温差p o 一只为： 一上旦芝 昂一= ( p o - r ) ( 1 一pp 眦+ ，) ( 2 1 0 ) 由式( 2 - 1 0 ) 可以解出热流体的质量流量u 为： l g c b 。蕊c a + f l u ( 2 - 1 。1 。) 。矿丁 l 2 。) h l ( 1 一生1 ) p o r 。 由式( 2 - 1 1 ) 看出，我们可以通过测量散热器进出口温差以及环境温度来 哈尔滨理丁大学t 学硕i ：学位论文 估计流量值，然后再用估计流量值和前面测得的温度值用欧洲k 系数法计算热 量值，从而实现无需流量计就可以计量热量的目的。 2 3 本章小结 通过对传统热量计量方法的研究及散热器数学模型的建立，本章提出了基 于温差修正的热计量方法，以温度作为唯一参数，辅助系数调节，实现住宅用 户热量计量。这种方法避免了热量计量方法中流量的测量，为供热按热计量的 推广提出了解决方案，尤其适合现有大量老式住宅的热量计量。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 第3 章热量计量系统构建方案 3 1 系统结构及功能实现 热量表设计时应具备以下技术要求： 1 总体精度达到o i m l r 7 5 规定的4 级标准： 2 流量计部分的精度，最大允许测量误差为3 ； 3 温度传感器采用铂电阻测温元件，符合i e c 7 5 l 标准并精确配对，当供 回水的温度差在6 以内时，测量误差 m _ e x i t t h r e a d e v e n t 0 ) = - - w a i t _ o b j e c 矽 b r e a k ； i f ( p d l g 一 m _ h c o m m ! = i n v a l i d _ h a n d l e _ v a l u e ) b o o lf r e a d s t a t e = r e a d f i l e ( p d l g - m _ h c o m m ，r e c v b u f , 10 2 4 ，& d w l e n g t h ， n u