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热计量系统故障特性分析
摘要：建立了分户热计量管路系统的简化数学分析模型，仿真分析了热流量随温差及水流量的变化规律，得到了因管路连接错误可能导致的热计量放大程度。分析表明：管路错接将导致所采集的温差数据异常，同一时段内水流量大的一户，被采集的温差偏大，将被显著地多计热量，甚至达到8倍或更多;水流量小的一户，所采集的温差数据偏小，则将被少计热量。最后结合实际采暖记录数据，对所建立的模型进行了验证。
关键词：数学模型 热计量 计量误差
一、引言
哥本哈根世界气候大会后，世界各国更加重视节能减排。我国从“十一五”开始将节能减排列入国家发展规划纲要。
集中供暖和分户计量是一种有效能源利用与管理方式，可以促进节能减排。分户热计量需在管道井内分别安装用户热量表，并在对应的采暖进、出水管上安装温度传感器，记录温度、水流量等信息。安装失误，容易出现温度传感器错接，引起用户热计量误差乃至错误，从而导致计费错误。由于管道工程的隐蔽性，这种错误往往难以发现。
本文建立了分户热计量管路系统连接的物理和数学分析模型，分析了热计量故障特性和管路连接错误可能导致的热计量放大程度。分析表明：在管路错接且两户用热不平衡的情况下，被计入的热量与实际水流量等异常，与实际用暖情况也不符，误差很大。论文结合记录数据对简化数学模型和分析结果进行了验证。
二、暖气热计量原理
图1所示热量表由流量计、供出水温度传感器、积算器等主要部件组成。其中，流量计通常测量的是通过热量表的采暖水体积流量qv;进出水温度分别由安装于进水、出水管路的温度传感器测得，并可以计算得到进出水温差△T;积算器则根据流量和温度差计算向用户提供的采暖供热量Q。
在t0到t1计量时段，向用户提供的采暖供热量Q与通过热量表的采暖水质量流量qm、进、出水温度差△T的关系可通过积分获得
Q=C・△T ・qm・dt (1)
式中，C=4.18kJ/kg・OC为水的比热容，即水在等压且只作体积功的条件下温度升高1OC所吸收的热量，qm=qv・p，为水质量流量，p为水密度。
三、供暖特性分析
根据单元楼管路连接情况，建立了双管路供暖分析模型，用以分析管路错接对热计量的影响规律。
现阶段，建筑大多都采取了室内保温措施。按照一般经验，水流量较大的情况下，热水循环快，因而进、出水的温差相应较小。为了便于简化分析，根据热量表记录某建筑面积住宅的实时数据及供暖情况作如下基本假设：
1.管路入水口温度，取整值为55OC，余下简单分析时均取整值温度;
2.正常室内、外温度取整值分别为20OC、5OC;
3.流量为零的情况下，出水温度为无供暖下室温，取整值为15OC;
4.除说明的管路连接错误之外，假设不存在其它错误或误差。
假设在相对短的△T时段内流量、温差均稳定，则积分公式简化为求和公式，热量可采用(2)式计算
Q=C・△t・qm・△T=Const・qm・△T (2)
式中系数Const=C・△t，单位时间下系数Const就是比热容常数Cp，正常采暖温度50OC附近C变化很小。则单位时间热量(热流量或热功率)可以表示为
Q=C・△t・qm (3)
由(3)式可见，热流量一定时，水流量与温差成反比，管路系统相似情况下，水流量越大，温差越小;反之，水流量越小，换热越充分，则温差越大。这是正常的供暖规律和生活常识。
依据这种生活常识和供暖规律，可判断供暖计量系统是否有故障，如果用户组管道接反，则反映的流量与温差会正好相反。因此可根据用暖情况(室温)，对照热流量及温差判断是否存在系统故障，并及时进行纠正。
四、热计量故障特性分析
为进一步分析管路错接导致的计量故障情况，本文建立了双管路分析模型。假设甲乙两用户使用如图2所示的正确的独立暖气管路，热计量系统测量甲、乙用户采暖质量流量qm1、qm2，以及供出水温度Ti1及Tb1、 Ti1及Tb1。
根据公式(2)可以获得甲(左)、乙(右)用户各自的采暖热量分别为
Q1=Const・qm1・(Ti1-Tb1) (3)
Q2=Const・qm2・(Ti2-Tb2) (4)
在管路错接情况下，用户的流量计量正常，但温差计量数据恰好互换。由于两户的出水温度数据被相互对换，导致所测得的供出水温度差分别变为△T'1=Ti1-Tb2、△T'2=Ti2-Tb1。则计量表将采暖热量错计算为
Q'1=Const・qm1・(Ti1-Tb2) (5)
Q'2=Const・qm2・(Ti2-Tb1) (6)
显然，只有在甲乙双方使用情况完全相同情况下，温差等数据才一致。假设在甲乙两户面积等条件完全相同的情况下，甲用户正常使用暖气，而乙用户关闭阀门不使用暖气。根据常识，甲用户的进出水温差小，乙用户进出水温差达到最大。此时，乙用户计入的流量和热量都为0。为便于计算，以热量表记录的甲用户实时出水温度数据50℃为参考，温差为5℃。可算出甲用户实际用热为
Q1=Const・qm1・(55-50)=5Const・qm1 (7)
但是由于管路错接，甲用户温差变为40℃，被计入的热量为
Q'1=Const・qm1・(55-15)=40Const・qm1=8Q1 (8)
可见，由于管路错接导致流量与温差失配，甲用户热量计量与实际严重不符，为实际用量的8倍(800%)。如果流量更大，温差差别更大，计量被放大更多。
五、诊断方法的工程验证与应用
依据上述特性，就可对记录的采暖数据进行分析、故障查找。如表1所示，为某组用户的实际采暖记录数据和分析结果。由表1可见，2823相对25记录的总水量少，然而记录总热量却多，与实际使用情况也不符。
表1 热量表实时数据记录及分析
根据实时数据状态1-5，发现采暖温差异常。针对表1所列数据提示的问题，经用户及工程技术人员多次核实发现，两个用户的管路的确是错误地混接在一起了，导致了流量计量错误，因此应予实地检查并纠正。
如果用户热计量表的热流量、水流量和温差计量异常，则应及时检查管道连接与热计量表的运行情况，及时查找问题，提高热计量的准确性，小用户和管理部门的损失与麻烦。
六、主要结论及建议
本文提出了根据供暖热量、温差与水流量的特性分析查找热计量系统问题的方法，并结合采暖记录数据，对所建立的模型进行了验证。分析表明：1.在错接的两户用热不平衡的情况下，同一时段内水流量大的一户，被采集的温差偏大，将被显著地多计热量，甚至达到8倍或更多;2.水流量小的一户，所采集的温差数据偏小，则将被少计热量。
参考文献：
[1]张颖.集中供暖住宅分户热计量的探讨[J].建筑科学，2013，(8).
[2]张兵，田雨忠，王逸雪，迟媛.关于集中供暖住宅分户热计量的几点思考[J].建筑热能通风空调，2012，(4).
[3]杨静.居住建筑供暖系统中热计量的应用[J].建筑与预算，2012，(2).
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