熱計量系統故障特性分析

　　摘要：建立了分戶(hù)熱計量管路系統的簡(jiǎn)化數學(xué)分析模型，仿真分析了熱流量隨溫差及水流量的變化規律，得到了因管路連接錯誤可能導致的熱計量放大程度。分析表明：管路錯接將導致所采集的溫差數據異常，同一時(shí)段內水流量大的一戶(hù)，被采集的溫差偏大，將被顯著(zhù)地多計熱量，甚至達到8倍或更多;水流量小的一戶(hù)，所采集的溫差數據偏小，則將被少計熱量。最后結合實(shí)際采暖記錄數據，對所建立的模型進(jìn)行了驗證。

　　關(guān)鍵詞：數學(xué)模型 熱計量 計量誤差

　　一、引言

　　哥本哈根世界氣候大會(huì )后，世界各國更加重視節能減排。我國從“十一五”開(kāi)始將節能減排列入國家發(fā)展規劃綱要。

　　集中供暖和分戶(hù)計量是一種有效能源利用與管理方式，可以促進(jìn)節能減排。分戶(hù)熱計量需在管道井內分別安裝用戶(hù)熱量表，并在對應的采暖進(jìn)、出水管上安裝溫度傳感器，記錄溫度、水流量等信息。安裝失誤，容易出現溫度傳感器錯接，引起用戶(hù)熱計量誤差乃至錯誤，從而導致計費錯誤。由于管道工程的隱蔽性，這種錯誤往往難以發(fā)現。

　　本文建立了分戶(hù)熱計量管路系統連接的物理和數學(xué)分析模型，分析了熱計量故障特性和管路連接錯誤可能導致的熱計量放大程度。分析表明：在管路錯接且兩戶(hù)用熱不平衡的情況下，被計入的熱量與實(shí)際水流量等異常，與實(shí)際用暖情況也不符，誤差很大。論文結合記錄數據對簡(jiǎn)化數學(xué)模型和分析結果進(jìn)行了驗證。

　　二、暖氣熱計量原理

　　圖1所示熱量表由流量計、供出水溫度傳感器、積算器等主要部件組成。其中，流量計通常測量的是通過(guò)熱量表的采暖水體積流量qv;進(jìn)出水溫度分別由安裝于進(jìn)水、出水管路的溫度傳感器測得，并可以計算得到進(jìn)出水溫差△T;積算器則根據流量和溫度差計算向用戶(hù)提供的采暖供熱量Q。

　　在t0到t1計量時(shí)段，向用戶(hù)提供的采暖供熱量Q與通過(guò)熱量表的采暖水質(zhì)量流量qm、進(jìn)、出水溫度差△T的關(guān)系可通過(guò)積分獲得

　　Q=C・△T ・qm・dt (1)

　　式中，C=4.18kJ/kg・OC為水的比熱容，即水在等壓且只作體積功的條件下溫度升高1OC所吸收的熱量，qm=qv・p，為水質(zhì)量流量，p為水密度。

　　三、供暖特性分析

　　根據單元樓管路連接情況，建立了雙管路供暖分析模型，用以分析管路錯接對熱計量的影響規律。

　　現階段，建筑大多都采取了室內保溫措施。按照一般經(jīng)驗，水流量較大的情況下，熱水循環(huán)快，因而進(jìn)、出水的溫差相應較小。為了便于簡(jiǎn)化分析，根據熱量表記錄某建筑面積住宅的實(shí)時(shí)數據及供暖情況作如下基本假設：

　　1.管路入水口溫度，取整值為55OC，余下簡(jiǎn)單分析時(shí)均取整值溫度;

　　2.正常室內、外溫度取整值分別為20OC、5OC;

　　3.流量為零的情況下，出水溫度為無(wú)供暖下室溫，取整值為15OC;

　　4.除說(shuō)明的管路連接錯誤之外，假設不存在其它錯誤或誤差。

　　假設在相對短的△T時(shí)段內流量、溫差均穩定，則積分公式簡(jiǎn)化為求和公式，熱量可采用(2)式計算

　　Q=C・△t・qm・△T=Const・qm・△T (2)

　　式中系數Const=C・△t，單位時(shí)間下系數Const就是比熱容常數Cp，正常采暖溫度50OC附近C變化很小。則單位時(shí)間熱量(熱流量或熱功率)可以表示為

　　Q=C・△t・qm (3)

　　由(3)式可見(jiàn)，熱流量一定時(shí)，水流量與溫差成反比，管路系統相似情況下，水流量越大，溫差越小;反之，水流量越小，換熱越充分，則溫差越大。這是正常的供暖規律和生活常識。

　　依據這種生活常識和供暖規律，可判斷供暖計量系統是否有故障，如果用戶(hù)組管道接反，則反映的流量與溫差會(huì )正好相反。因此可根據用暖情況(室溫)，對照熱流量及溫差判斷是否存在系統故障，并及時(shí)進(jìn)行糾正。

　　四、熱計量故障特性分析

　　為進(jìn)一步分析管路錯接導致的計量故障情況，本文建立了雙管路分析模型。假設甲乙兩用戶(hù)使用如圖2所示的正確的獨立暖氣管路，熱計量系統測量甲、乙用戶(hù)采暖質(zhì)量流量qm1、qm2，以及供出水溫度Ti1及Tb1、 Ti1及Tb1。

　　根據公式(2)可以獲得甲(左)、乙(右)用戶(hù)各自的采暖熱量分別為

　　Q1=Const・qm1・(Ti1-Tb1) (3)

　　Q2=Const・qm2・(Ti2-Tb2) (4)

　　在管路錯接情況下，用戶(hù)的流量計量正常，但溫差計量數據恰好互換。由于兩戶(hù)的出水溫度數據被相互對換，導致所測得的供出水溫度差分別變?yōu)椤鱐'1=Ti1-Tb2、△T'2=Ti2-Tb1。則計量表將采暖熱量錯計算為

　　Q'1=Const・qm1・(Ti1-Tb2) (5)

　　Q'2=Const・qm2・(Ti2-Tb1) (6)

　　顯然，只有在甲乙雙方使用情況完全相同情況下，溫差等數據才一致。假設在甲乙兩戶(hù)面積等條件完全相同的情況下，甲用戶(hù)正常使用暖氣，而乙用戶(hù)關(guān)閉閥門(mén)不使用暖氣。根據常識，甲用戶(hù)的進(jìn)出水溫差小，乙用戶(hù)進(jìn)出水溫差達到最大。此時(shí)，乙用戶(hù)計入的流量和熱量都為0。為便于計算，以熱量表記錄的甲用戶(hù)實(shí)時(shí)出水溫度數據50℃為參考，溫差為5℃�？伤愠黾子脩�(hù)實(shí)際用熱為

　　Q1=Const・qm1・(55-50)=5Const・qm1 (7)

　　但是由于管路錯接，甲用戶(hù)溫差變?yōu)?0℃，被計入的熱量為

　　Q'1=Const・qm1・(55-15)=40Const・qm1=8Q1 (8)

　　可見(jiàn)，由于管路錯接導致流量與溫差失配，甲用戶(hù)熱量計量與實(shí)際嚴重不符，為實(shí)際用量的8倍(800%)。如果流量更大，溫差差別更大，計量被放大更多。

　　五、診斷方法的工程驗證與應用

　　依據上述特性，就可對記錄的采暖數據進(jìn)行分析、故障查找。如表1所示，為某組用戶(hù)的實(shí)際采暖記錄數據和分析結果。由表1可見(jiàn)，2823相對25記錄的總水量少，然而記錄總熱量卻多，與實(shí)際使用情況也不符。

　　表1 熱量表實(shí)時(shí)數據記錄及分析

　　根據實(shí)時(shí)數據狀態(tài)1-5，發(fā)現采暖溫差異常。針對表1所列數據提示的問(wèn)題，經(jīng)用戶(hù)及工程技術(shù)人員多次核實(shí)發(fā)現，兩個(gè)用戶(hù)的管路的確是錯誤地混接在一起了，導致了流量計量錯誤，因此應予實(shí)地檢查并糾正。

　　如果用戶(hù)熱計量表的熱流量、水流量和溫差計量異常，則應及時(shí)檢查管道連接與熱計量表的運行情況，及時(shí)查找問(wèn)題，提高熱計量的準確性，小用戶(hù)和管理部門(mén)的損失與麻煩。

　　六、主要結論及建議

　　本文提出了根據供暖熱量、溫差與水流量的特性分析查找熱計量系統問(wèn)題的方法，并結合采暖記錄數據，對所建立的模型進(jìn)行了驗證。分析表明：1.在錯接的兩戶(hù)用熱不平衡的情況下，同一時(shí)段內水流量大的一戶(hù)，被采集的溫差偏大，將被顯著(zhù)地多計熱量，甚至達到8倍或更多;2.水流量小的一戶(hù)，所采集的溫差數據偏小，則將被少計熱量。

　　參考文獻：

　　[1]張穎.集中供暖住宅分戶(hù)熱計量的探討[J].建筑科學(xué)，2013，(8).

　　[2]張兵，田雨忠，王逸雪，遲媛.關(guān)于集中供暖住宅分戶(hù)熱計量的幾點(diǎn)思考[J].建筑熱能通風(fēng)空調，2012，(4).

　　[3]楊靜.居住建筑供暖系統中熱計量的應用[J].建筑與預算，2012，(2).

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