热计量与温控

一、热计量与温控的意义
  


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2000年,全国城市建筑耗能占能源生产总量的14%,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。

  

采暖包费制,改为?

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20%-30%。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。
温控的意义---热计量的前提
实现供暖系统的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,因此热计量和温控往往是密不可分的。虽然热计量的大面积推广一定要在有温控的前提下进行,但是温控除了节能、节资外,它的另一个作用是提高了室内舒适度,提高热网供热质量。


二.国外应用情况及我国发展现状
  
国外,特别是在北欧国家,从20世纪70年代能源危机以来,十分重视建筑节能工作,并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统,其调节与控制技术先进,控制手段完善,设备质量高。
国外
各国采暖燃料结构不同,付费按燃料的类别分别计量确定.
水电资源丰富的加拿大,核电规模巨大的法国,很大部分建筑用电取暖;以天然气为燃料主要来源的英国,千家万户烧天然气,德国着重各家烧燃料油.
这些国家上述方式的计量较简单,各家电表,煤气表,油表自动计量.
国外应用情况及我国发展现状


集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势,也是各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。

  


我国发展现状
由于我国热计量与温控方面的研究处于起步阶段,存在一定程度上的盲目性与试探性,研究中出现了一些问题与争议,比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情?国外的温度控制与热计量产品能否在中国完全适用?什么样的系统能够应用计量与温控?面对我国如此大的市场需求,开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠,在达到节能目的的同时,满足舒适需要?等等,这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。

国内有效工作
近几年来,国内许多部门做了大量有效地工作,在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程,进行了有益的探索,取得了一定的成效。比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等,都为下一步的研究提供了宝贵的经验。另外,在温控与热计量产品方面,一方面,国外大公司如Danfoss、Honeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场,另一方面,国内生产企业全面进入起步阶段,温控与热计量产品的研制开发工作发展很快,已经有多家企业开发出类似产品。


三.热计量方法与仪表

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:
  (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。


  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。


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。
  

热量表依据流量计测量方式的不同
可以分为---
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90%,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。
  
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。
  

606航发热计量表由流量计、温度传感器和计算器三部分组成,计量以水为媒介的热交换系统释放或吸收的热量,既可用于分户计量的采暖供热系统,又可用于空调制冷系统。


(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

  蒸发式热分配表由导热板和测量液体两部分构成。导热板夹或焊在散热器上,盛有测量液体的玻璃管则放在密封容器内,比例尺刻在容器表面的防雾透明胶片上。测量液体的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。
  
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。
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。
按热量分配表收费合理吗
每户居民在整栋建筑中所处位置不同,顶层有屋顶,比中间户多一散热面;
北向外墙住户比南向外墙住户保持同样室温时多耗热量.
要根据具体位置进行修正.
按热量收费,除技术问题,还有政策与管理问题,物业管理应发挥其功能.
四.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。

获得自由热时
同时,更重要的是,当室内获得自由热(又称免费热)时,如阳关照射,室内热源---炊事,照明,电器及居民等散发的热量使室温有升高趋势时,温控阀会及时减少流经散热器的水量,不仅保持室温合适,同时达到节能目的.
温控阀外形图
温控阀
温控阀的恒温控制阀是一个带少量液体的充气(或充液体)波纹管膜盒,室温升高时,部分液体蒸发为蒸气,压缩波纹管膜盒,关小阀门开度,室温降低时,作用相反,部分蒸汽凝结为液体,波纹管被弹簧推开,使阀门开度便大.

温控阀原理图
单管系统问题
当前我国室内采暖系统一般沿用单管顺流式,由于单管系统(不带跨越管)中热水一般自上顺流而下,如果安装了温控阀,上一层的室温变化而引起的热水流量变化会影响到下一层,所以,温控阀不能简单地直接用以单管系统.从合理应用温控阀来说,新设计的采暖系统宜用双管系统.
对相当数量的旧有建筑中的单管系统,可以加跨越管去改造.
五.适合热计量的室外供热
系统及其控制
  由于按热量收费,主动调节温控阀以节省热量将成为热用户的自觉行为,由此产生的室内系统的变化,使采暖系统由原来的定流量系统成为了变流量系统。外网若仍采用原有的定流量控制方式,显然不能满足需要,必须进行相应改进。

1. 适合热计量的室外供热系统形式
  由于我国以往供暖系统为定流量系统,所以传统常规室外供热系统多采用集中式热力站,有时一个小区只设一个热力站、小区热力站的规模从5~40万m2不等。而在集中供热发达的北欧,多采用建筑入口设小型组装式热力站的形式。

两种形式相比较
集中式热力站初投资低、便于集中管理。但是当用户流量变化很大时,虽然用户间相互干扰可以通过入口加差压控制器消除,同时还可以通过对主循环泵的调速,控制最远端用户压差维持不变,但泵的工作点将在很大范围内变化,致使泵的效率大为降低。
建筑入口设小型组装式热力站的形式初投资较高,但运行费用较低,调节灵活。同时增加了系统的稳定性,减小了用户间的相互影响,如末端漏水、相互干扰等问题。  

选择最优方案
所以在确定供热方案时,应从投资、运行的经济性与其功能两方面综合考虑,选择最优方案。

2. 适合热计量的室外供热控制方式

  由于不同系统形式的特点不同,所以采取什么样的控制方式要具体问题具体分析。在实施按热计量收费后,室内系统可以分两类:一类是有共用立管且户内为双管系统,另一类是带跨越管的垂直单管系统或者是有共用立管且户内为带跨越管的水平单管系统,在温控阀调节后,这两类系统对总流量的影响是不相同的。

第一类系统
对于第一类系统,在入口定压差的情况下,是理想的变流量系统,外网应采用相应变流量控制方式,即在采用质调节的同时,应采用控制水泵转速的方法,使供热系统实现无级变流量运行。控制水泵变频调速的方式有很多,较合适的方式有两种,一种是控制最不利环路供回水压差恒定;另一种是控制热力站进出口压差恒定。当流量变化很大时,前者调速节能效果较后者要好,而后者更易实现。

第二类系统
第二类系统,系统的总流量基本不变,因此要求定流量,只进行质调节。一般可以在用户入口加流量限制器,保证系统定流量,满足用户要求,而对于分散的小型热力站,由于系统小,所以只要二次循环泵定流量运行就可保证用户要求。

七.热计量收费方法
  热量价格的确定,要考虑到多种方面,其中包括锅炉煤耗、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、折旧等等很多项目。还要考虑一次换热、二次换热乃至三次换热品质定价问题。不同供热模式及燃料种类对热价的影响等等。

热费计价办法应分为两个部分:
城市供热是由热源、热网、热用户(室内采暖系统)组成的庞大、封闭、复杂的循环系统,只要进入供暖期投入运行后,就必须连续运行,不能间断;但是,按市场经济规律要求,又必须按用户的实际用热多少进行公平交易,保证供热。考虑到这两方面因素,热费计价办法应分为两个部分:固定开支与浮动开支。

  
固定开支
固定开支为与能源产量没有直接的比例关系,即用户在完全没有使用的情况下也必须付出的费用,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。如土地使用、设备投资、维修管理、职工工资等。这些固定开支提供了用户相应的使用功能,并不因为使用或停用、用的多少而变化。这部分投资应当按照用户所占建筑面积均分或是在房价上集中体现出来。

  

浮动开支
浮动开支为热量热费,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、系统用水、废料处理、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。

方式?
在欧洲部分地区,供暖总费用分为两部分收取,一部分是按面积收费,一部分是按计量收费;也有些地区供暖费全部按表计费。我国应该实行什么方式,还有待探讨。


应用示例
供暖热价的探索及研究

供 暖 热 价 的 探 索 及 研 究
清华大学 马玉清 刘娜 韩永彬

1 热价管理方法
  
  长期以来,供暖热费采用暗补政策,按面积收费,个人所交热费只占总热费的极小部分,造成用户没有节能热情,拖欠热费现象时有发生。
  在分户热计量即将实施的今天,制定合理的收费制度十分必要。
  笔者查阅了国内外很多资料,发现目前普遍采用两部制热价法,即供暖费由固定费用和变动费用两部分组成,二者缺一不可。


供暖系统是按照热用户的合同容量建设、维修和管理的,其投入资金只能通过热用户交纳热费的形式来回收并增值,此为容量热价。供暖系统向用户供热还需要消耗一定量的燃料、电力、水和劳动力,投入一定量的资金。按照市场经济规律的要求,供暖企业应按照用户热量的多少收取热费,这种热价为计量热价,它充分体现了"多用热,多交费"的原则,有利于用户合理用热,节约用热。


供两部制热价的制定一般按照下式计算:
热费 =容量热费+计量热费 =容量热价×每户容量基数+计量热价×每户实际用热量
其中:
容量热价=(年固定资产折旧费+年固定资产投资利息)÷年供暖能力
居民采暖用热容量基数=供暖建筑面积 × 设计热负荷
计量热价=(成本+费用+税金+利润-年固定资产折旧费-年固定资产投资利息)÷ 年实际销售量

一个城市在制定热价时应遵循补偿成本,合理盈利,节约用热,差价合理的原则,此外还应考虑采暖用户的承受能力。

2 实例研究
  
  天津市某节能小区,在1999-2000年供暖期,对各户热量表逐个进行检查,记录各热量表的初读数,在供暖期结束时再记录各表的终读数,并由用户签字确认,计算出各户的实际用热量。


各户热费包括两部分:容量热费和计量热费。具体计算时,先统计供热站的费用构成,得出供暖成本。小区该供暖季的供暖费用是124705.14元,供暖面积8695.5m2,一个供暖季结束后,用户总用热为461874kWh。如果全部按面积折算,热价应为0.27元/kWh。

在两部制热价的实际操作过程中,这两者的比例可以调整。对供热站而言,总的热费应该能够补偿成本,所以供暖部门关心的是用户交纳的总费用能否与他的投入费用相抵。但对用户而言,两部分热费的比例关系将直接影响到用户的个人利益和交费的积极性。笔者按照不同的比例组合固定热价(14.34元/ m2)计量热价(0.27元/kWh)计算出相应热费。

经过权衡,确定该住宅小区的两部制热价比例为固定热价占40%,变动热价占60%,即容量热价为5.73元/ m2,计量热价为0.16元/kWh。在这个比例下,小区的绝大部分住户都能省钱,只有极小数用户的热费会比原来稍高一些。这个比例与现今西方国家的标准相差不多(西方很多国家采取计量热费占70%),而且与供热站的费用构成比例(固定费用:变动费用为39.82%:60.18%)几乎一致,符合两部制热价制定的原则。

3 结束语
  
  在两部制热价的管理办法下,用户和供热单位供热计量和建筑节能的积极性被调动起来,用户或供热企业投资于热计量设备,热计量的节能收益再用于供热系统的节能投资,最后再把供热系统节能的收益用于建筑围护结构的节能投资。久而久之,形成良性循环,建筑节能工作才能上台阶。
  该试验小区的热费收缴办法简单明了,既能够让供热单位维持再生产,用户也乐意接受,有实用意义。
 
应用实例
计量收费供热系统的设计
Design on Space Heating with House-Based Heat Metering
王能超

摘要:本文主要讨论了计量收费后单管跨越式供暖系统的特性、分流系数的影响以及有关设计参数的选择,并提出了一些设计新概念。

实现热计量收费后,供热系统增加了可调性,各个散热器和用户安装了温控阀。用户可以根据自己的需要,随时调节散热装置的散热量。供热系统的基本情况发生了变化,因此应对原来的供热设计参数和设计方法进行修正,以适用热计量收费后的新情况。

计1 单管跨越系统的设计
室内单管采暖系统改造方案是指在现有的单管顺流式系统的基础上,在各层散热器的供回水间增加跨越管,散热器供水支管上安装温控阀,由此构成新的垂直串连单管跨越式系统。这种安装跨越管和温控阀的办法同样适用于单管形式的新建系统。其中,跨越管分流系数对于系统整体特性的影响较大,是问题的核心。

1.1 分流系数的选择对系统调节特性的影响
分流系统的大小直接影响流入散热器流量的大小、进出口温差,进而影响散热器的调节特性。图1显示了随分流系数变化,散热器相对流量和相对热量之间的关系。(横轴为相对流量)

图1分流系数对系统调节性能的影响

表1 在不同的分流系数下6个房间所需的散热器片数
分流系数 90% 80% 70% 50% 30% 10%
散热器片数 120 89 81 76 74 74
从图中可以看出,分流系数对调节性能的影响是非线性的。随着分流系数的增加,散热器调节特性逐渐向线性逼近。但是,为了使室内温度达到设计温度,室内设计散热器片数要随分流系数增加而增多。如表1所示某一建筑6个房间在不同分流系数下所需散热器的片数。


最有代表性的单管系统改造是加分流系数为70%的跨越管。如图2所示一实例,五层住宅的立管上有五组散热器,原来为单管顺流系统,现在改造为单管跨越系统。各个参数如表2、3所示。我们根据加跨越管后系统流量的变化、散热器散热量的变化情况等性质分别讨论单管跨越系统的系统改造设计问题。
表2 各个房间热负荷
楼层 1 2 3 4 5
围护传热系数W/℃55.2 53.04 53.85 53.85 59.12
房间热负荷W1492.83 1432.08 1453.951453.91596.24

1.2.1 加跨越管后系统阻力的变化
表3 改造系统设计参数
室外设计温度 室内计算温度 供水温度 回水温度 分流系数
-9℃ 18℃ 95℃ 70℃ 0.31
如图3加跨越管后,管路的总阻力系数发生了变化,设为S。设S1为散热器一侧阻力数,S2为旁通管一侧的阻力数。则有:

表4 旁通前后阻力变化
管段号流量Kg/h长度m管径m总压降Pa阻力数Pa/(m3/h)2总阻Pa/(m3/h)温降℃
1 194.13 1 20 76.62 2033.081 1173 20.9
2 61.43 2 20 76.59 20296.48 1173 20.9
1 255.56 2 20 323.4 4952.009 4952 5.02
表4为计算所得的数值。其中,1’为原单管顺流系统的管段。1和2是单管跨越系统中的散热器管段和旁通管段。2管段的长度为2m,1管段的长度为1m。可以看出加跨越管后,阻力数和压降都减少到原来的23.69%。从一个计算单元推广到整个系统,系统阻力减少到原来的25%左右。

1.2.2 加跨越管后散热器散热量的变化
加跨越管后,散热器流量减少,出口温度降低,导致散热量降低。但是散热器的供回水温差加大,抵消了部分流量减少所带来的散热量减少。从图4中各楼层散热量的变化可以看出:在设计工况下,加设跨越管,散热器的水流量减少了70%,可是散热量最多也只降低了8%。其原因主要是因为进出口水温的大温差弥补了因为水流量的大量减少而降低的热量散失。

图4 加装跨越管后,各层散热器散热量变化

1.2.3 加跨越管后室内温度的变化
根据散热量的变化来计算各层室内温度。原设计室内温度为18℃,计算结果发现,改造后各层温度都在16.5℃左右,全都不符合标准,偏离室内设计温度近2℃。
表5 改造后室内温度(在改造前散热面积和流量富余量不同的条件下)
1.00 1.02 1.04 1 .06 1.08 1.10 1.12
1.00 16.34 16.59 17.08 17.31 17.50 17.85 18.20
1.50 17.03 17.41 17.78 18.15 18.51 18.87 19.22
2.00 17.46 17.83 18.20 18.57 18.94 19.20 19.45

目前实际在系统设计时都偏于保守,设计散热面积偏大,而且运行单位也一般采用大流量运行,因此现在较为保守的散热器设计可以弥补散热量的轻微减少而保证室温达到设计要求。由表5表示了在大于设计流量和设计面积的条件下,增加分流系数70%的跨越管后,室内温度的变化情况。可以看出,当实际散热面积超过理论设计面积的10%以上,即使系统循环水量不变,改造后的室内温度也可以满足要求。


1.2.4 加跨越管后同程系统的稳定性
单管顺流加跨越管后,系统的流通面积大大提高。根据实际系统的水力计算,跨越安装前后立管阻力会减少80%以上。立管阻力过小,会造成严重的水平失调现象。在设计时,需要对系统进行认真的校核计算。

1.3 单管跨越管系统的新建设计
实现计量收费之后,系统必须具备可调节性,双管系统调节性优于单管系统。但是单管系统占用空间少,管道简单,适用性较广。如图5,左边系统入户干管布置在天花板下,各组散热器顺次连接,可以避免系统管道过门。右面系统管道可以布置在下一层天花板上,或埋入用户水泥垫层内,管道布置简单美观。从经济上分析,虽然散热器片数比双管系统要多,但是少使用了一根管道,所以总体造价少。

图5 单管跨越系统室内布置图

1.3.1 跨越管管径的选择
对跨越管管径的选择有两种意见,一种认为应该比散热器支路管径小一号,一种认为两者的管径应该保持一致。使用不等温降进行分析计算,观察这两种方案下的散热器温降。
表7 调整管径满足不同负荷
房间编号 1 2 3 4 5
20(同号) 19.45 18.7 37.88 18.95 20.8
调整后的温降 19.45 18.7 22.15 18.95 20.8
表6负荷如表2时不同方案下散热器温降
跨越管管径 1 2 3 4 5
15(小一号) 13.6 13.05 13.25 13.25 14.55
20(同号) 21.6 20.7 21 21 23.1

通过计算,如表6,可以看出小一号选择的温降小,这会使散热器流量变大(与其他分流系数情况比较),热调节特性不好。而选择同管径,其温降合适,调节特性改善。负荷同时增加或减少时,各散热器的温降不变,仍然使用同号管径最合适。
当部分散热器负荷改变(如第三组热负荷增加一倍),若仍按同管径设计,各个散热器温降如表7第一列所示,第三组散热器温降过大。所以,对于第三组散热器必须选择小一号的旁通管。调整后,温降如下表第二行所示。
因此,对于实际设计而言,选择什么样的跨越管管径,应该具体问题具体分析。

1.3.2 温控阀选择
目前温控阀有两种形式,一种是普通的高阻力阀门,一种是新兴的低阻力单管用温控阀。选择的标准是看是否满足阻力和温降的要求。
表8 使用高阻力温控阀散热器温降
房间编号 1 2 3 4 5
负荷一致 25.8 24.7 25.1 25.1 27.5
负荷不一致 21.55 20.7 42 21 23
当负荷不一致,即同一立管上各组散热器热负荷相差很大,如表7中负荷大于其他散热器一倍的散热器3选择同号管径的温降为37.88℃。而如表8,选择温控阀系统无法实现。因此,对于单管系统,尽量使用低阻力单管用温控阀是必要的。


2 室内设计温度的选择
实现计量收费后,供热系统要满足用户的各种调节需要,对于室内设计温度的选择,现在有两种观点,一种是应该提高室内设计温度,以满足用户的调节要求。另一种观点认为不需改变,不同用热量的要求可以通过流量的变化来弥补调节。


从满足用热要求的角度来考虑,作为大多数的乙类住宅,供热系统保证的室内温度为18℃,最高时可达21℃,这是所有供热用户都在使用时的情况。实际上,还存在大量和用户作息时间相反的公共建筑,例如学校以及一些社区服务机构。同时,计量收费后,用户自己控制热量消耗,为了节省费用,常常只打开部分房间的散热器。而且即使用户打开自己房间内所有的散热器,也不一定就要求每个房间室内温度都在18℃以上(例如厨房、卫生间和储藏室等)。这样不需要正常供热的用户的流量会向其他需要正常供热的用户分配,而分配的数量和外网和用户的水力特性有关。假若散热器流量能增加2倍,室内温度可以提高3℃左右。采用增大系统循环流量和这种用户之间的流量互补现象,可以满足用户的部分需要。但是为了系统安全设计考虑,可以根据热网热用户的用热时间特征,提高设计室内设计温度1-2℃
从恢复室内温度的时间来考虑。当在不同时间段内设定不同室内温度时,例如上班时家中温度设定为10℃,下班后希望升到18℃,此时必须考虑室内温度的恢复时间。在不同的室内设计温度情况下(周围房间的温度为18℃,墙体为普通内墙),30分钟内室内空气温度都能恢复到15-16℃左右,并且恢复时间相差不大。这主要由于室内空气的热容较小,升温速度比较快,而家具墙壁等固态密实物体的升温比较慢。所以完全恢复到室内设计温度可能需要2-3个小时,而恢复到15-16℃的只需要半个小时。当然原室内设计温度选取的越高,恢复到18℃室内温度所需要的时间就越短。所以适当提高室内设计温度可以加快室内温度的恢复到18℃左右的速度

以上提到可以适当提高室内设计温度以满足计量收费的新情况。但是如果一味的提高室内设计温度必将造成系统初投资的大量增加,所以应该按照系统的实际情况选择室内设计温度。


3 供回水参数的选择
供热系统沿用供回水温度95/70℃的设计模式多年,但实际运行时供水温度一般不超过80℃。对于这种情况,有人认为设计温度不应选择95/70℃,不仅浪费能源,而且造成输配系统的热损失增加,应该选择75/50℃左右的温度作为热媒设计参数。另外,还有人认为应该降低回水温度以提高经济效益。

3.1 供水温度的降低对系统的影响
表9和图6显示了供回水温度降低对散热器片数和系统调节能力的影响。可以看出,降低供回水温度,对散热器的调节特性改善很有限,并且是以增加系统初投资即散热器片数为代价的。同时,对于现在的低温运行情况,是由于系统设计不合理、过分保守的设计造成的,和设计参数无关。至于输送热消耗的问题,完全和系统管理以及维护水平有关。所以,降低供回水温度没有必要

3.2 降低回水温度对系统的影响
如果系统采取大流量运行会使运行效率低下。因此,为了使系统高效运行,增大供回水设计温度,采用小流量运行比较可行。
表9 不同供回水温度时散热器片数(热负荷1500W)
供水温度(℃) 95 85 75 65
回水温度(℃) 70 60 50 40
四柱散热器片数 9 11 14 18

图6 供回水温度对散热器调节性能的影响

4 结束语
供热计量收费是一项新兴的政策,它对供热系统提出了许多新的问题。其中,对原系统的改造是一个重要部分,许多问题都比较复杂烦琐,本篇主要分析了单管系统的设计和改造,真正要把供热计量收费工作作好,还需要进一步通过理论分析和实践经验进行解决,使新的系统能够满足计量收费的要求。
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热计量与温控专题


随着市场经济的发展,家庭采暖用热能做为需要花钱购买的的消费品,已为广大消费者认可。近年来,国家建设部、各地建委也相继颁布了有关推广政策,要求实行采暖分户计量。但是,采暖分户计量收费在我国还是一个全新的话题。它涉及到政策、管理、收费方式、相关产品、技术等诸多问题。我们开设这个话题与同行们进行讨论, 旨在推广采暖分户计量方面与大家进行交流,共同提高。在这里我们首先介绍一些国外及国内各大相关网站上发表的名家的关于采暖分户计量的文章(如果侵犯了您的著作权请您来信指正,谢谢!),以为抛砖引玉之意。


一.热计量与温控的意义
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92%,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20-30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--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2000年,全国城市建筑耗能将占能源生产总量的14%,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。

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20%-30%。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。

实现供暖系统的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,因此热计量和温控往往是密不可分的。虽然热计量的大面积推广一定要在有温控的前提下进行,但是温控除了节能、节资外,它的另一个作用是提高了室内舒适度,提高热网供热质量。因此热计量一定要和温控配合使用,才能相辅相成,使两者的效果达到最好。

二.国外应用情况及我国发展现状

国外,特别是在北欧国家,从20世纪70年代能源危机以来,十分重视建筑节能工作,并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统,其调节与控制技术先进,控制手段完善,设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势,也是各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。 我国由于现行的供热收费体制是按面积收费,所以抑制了供热节能的实现,同时造成了热费收缴困难等问题。目前,随着对供热节能研究的深入,热计量与温度控制已经成为当前我国暖通行业关注与研究的热点。由于我国热计量与温控方面的研究处于起步阶段,存在一定程度上的盲目性与试探性,研究中出现了一些问题与争议,比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情?国外的温度控制与热计量产品能否在中国完全适用?什么样的系统能够应用计量与温控?面对我国如此大的市场需求,开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠,在达到节能目的的同时,满足舒适需要?等等,这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。近几年来,国内许多部门做了大量有效地工作,在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程,进行了有益的探索,取得了一定的成效。比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等,都为下一步的研究提供了宝贵的经验。另外,在温控与热计量产品方面,一方面,国外大公司如Danfoss、Honeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场,另一方面,国内生产企业全面进入起步阶段,温控与热计量产品的研制开发工作发展很快,已经有多家企业开发出类似产品。


三.热计量方法与仪表
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:
(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。
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。

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90%,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
蒸发式热分配表由导热板和测量液体两部分构成。导热板夹或焊在散热器上,盛有测量液体的玻璃管则放在密封容器内,比例尺刻在容器表面的防雾透明胶片上。测量液体的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。
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。
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。


四.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。


五.适合热计量的住宅供热系统形式
5.1适合热计量的供热采暖系统应该具备的条件
(1) 调节功能即系统必须具有可调性,用户可以根据需要分室控制温度。无论手动调节还是恒温调节,可调系统是热计量的前提。
(2) 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。
(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,调动用户自身的节能意识。

5.2适合热计量的供热采暖系统形式
符合以上几个条件,适合热计量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所?quot;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
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栋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分配表。
2. 垂直式双管系统
由于双管系统存在的垂直热力失调原因,过去往往只应用于4层及以下采暖系统。由于双管系统本身具有可调节性,因此只在每组散热器入口处安装温控阀就可以了。这种系统的热计量装置和垂直式单管系统的相同,即一栋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分配表。需要指出的是,由于温控阀的阻力较大,因此在安装温控阀后可以很好的克服垂直热力失调,双管系统应用不再受层数的限制。
3. 适应按户设置热表的共用的供回水立管和分户独立系统相结合的形式
共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一个系统,每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,其中散热器采暖形式主要有水平并联式和水平串连式两种。


六.适合热计量的室外供热系统及其控制
由于按热量收费,主动调节温控阀以节省热量将成为热用户的自觉行为,由此产生的室内系统的变化,使采暖系统由原来的定流量系统成为了变流量系统。外网若仍采用原有的定流量控制方式,显然不能满足需要,必须进行相应改进。

1. 适合热计量的室外供热系统形式
由于我国以往供暖系统为定流量系统,所以传统常规室外供热系统多采用集中式热力站,有时一个小区只设一个热力站、小区热力站的规模从5~40万m2不等。而在集中供热发达的北欧,多采用建筑入口设小型组装式热力站的形式。两种形式相比较,集中式热力站初投资低、便于集中管理。但是当用户流量变化很大时,虽然用户间相互干扰可以通过入口加差压控制器消除,同时还可以通过对主循环泵的调速,控制最远端用户压差维持不变,但泵的工作点将在很大范围内变化,致使泵的效率大为降低。建筑入口设小型组装式热力站的形式初投资较高,但运行费用较低,调节灵活。同时增加了系统的稳定性,减小了用户间的相互影响,如末端漏水、相互干扰等问题。所以在确定供热方案时,应从投资、运行的经济性与其功能两方面综合考虑,选择最优方案。

2. 适合热计量的室外供热控制方式
由于不同系统形式的特点不同,所以采取什么样的控制方式要具体问题具体分析。在实施按热计量收费后,室内系统可以分两类:一类是有共用立管且户内为双管系统,另一类是带跨越管的垂直单管系统或者是有共用立管且户内为带跨越管的水平单管系统,在温控阀调节后,这两类系统对总流量的影响是不相同的。对于第一类系统,在入口定压差的情况下,是理想的变流量系统,外网应采用相应变流量控制方式,即在采用质调节的同时,应采用控制水泵转速的方法,使供热系统实现无级变流量运行。控制水泵变频调速的方式有很多,较合适的方式有两种,一种是控制最不利环路供回水压差恒定;另一种是控制热力站进出口压差恒定。当流量变化很大时,前者调速节能效果较后者要好,而后者更易实现。第二类系统,系统的总流量基本不变,因此要求定流量,只进行质调节。一般可以在用户入口加流量限制器,保证系统定流量,满足用户要求,而对于分散的小型热力站,由于系统小,所以只要二次循环泵定流量运行就可保证用户要求。


七.热计量收费方法
热量价格的确定,要考虑到多种方面,其中包括锅炉煤耗、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、折旧等等很多项目。还要考虑一次换热、二次换热乃至三次换热品质定价问题。不同供热模式及燃料种类对热价的影响等等。 城市供热是由热源、热网、热用户(室内采暖系统)组成的庞大、封闭、复杂的循环系统,只要进入供暖期投入运行后,就必须连续运行,不能间断;但是,按市场经济规律要求,又必须按用户的实际用热多少进行公平交易,保证供热。考虑到这两方面因素,热费计价办法应分为两个部分:固定开支与浮动开支。

固定开支为与能源产量没有直接的比例关系,即用户在完全没有使用的情况下也必须付出的费用,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。如土地使用、设备投资、维修管理、职工工资等。这些固定开支提供了用户相应的使用功能,并不因为使用或停用、用的多少而变化。这部分投资应当按照用户所占建筑面积均分或是在房价上集中体现出来。 浮动开支为热量热费,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、系统用水、废料处理、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。

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