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熱計量系統故障特性分析
摘要：建立了分戶熱計量管路系統的簡化數學分析模型，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，同一時段內水流量大的一戶，被采集的溫差偏大，將被顯著地多計熱量，甚至達到8倍或更多;水流量小的一戶，所采集的溫差數據偏小，則將被少計熱量。最后結合實際采暖記錄數據，對所建立的模型進行了驗證。
關鍵詞：數學模型 熱計量 計量誤差
一、引言
哥本哈根世界氣候大會后，世界各國更加重視節能減排。我國從“十一五”開始將節能減排列入國家發展規劃綱要。
集中供暖和分戶計量是一種有效能源利用與管理方式，可以促進節能減排。分戶熱計量需在管道井內分別安裝用戶熱量表，并在對應的采暖進、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現。
本文建立了分戶熱計量管路系統連接的物理和數學分析模型，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：在管路錯接且兩戶用熱不平衡的情況下，被計入的熱量與實際水流量等異常，與實際用暖情況也不符，誤差很大。論文結合記錄數據對簡化數學模型和分析結果進行了驗證。
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熱量表的采暖水體積流量qv;進出水溫度分別由安裝于進水、出水管路的溫度傳感器測得，并可以計算得到進出水溫差△T;積算器則根據流量和溫度差計算向用戶提供的采暖供熱量Q。
在t0到t1計量時段，向用戶提供的采暖供熱量Q與通過熱量表的采暖水質量流量qm、進、出水溫度差△T的關系可通過積分獲得
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。按照一般經驗，水流量較大的情況下，熱水循環快，因而進、出水的溫差相應較小。為了便于簡化分析，根據熱量表記錄某建筑面積住宅的實時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，余下簡單分析時均取整值溫度;
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，出水溫度為無供暖下室溫，取整值為15OC;
4.除說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時段內流量、溫差均穩定，則積分公式簡化為求和公式，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，熱流量一定時，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，如果用戶組管道接反，則反映的流量與溫差會正好相反。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，并及時進行糾正。
四、熱計量故障特性分析
為進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、乙用戶采暖質量流量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，用戶的流量計量正常，但溫差計量數據恰好互換。由于兩戶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為△T'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。假設在甲乙兩戶面積等條件完全相同的情況下，甲用戶正常使用暖氣，而乙用戶關閉閥門不使用暖氣。根據常識，甲用戶的進出水溫差小，乙用戶進出水溫差達到最大。此時，乙用戶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實時出水溫度數據50℃為參考，溫差為5℃。可算出甲用戶實際用熱為
Q1=Const・qm1・(55-50)=5Const・qm1 (7)
但是由于管路錯接，甲用戶溫差變為40℃，被計入的熱量為
Q'1=Const・qm1・(55-15)=40Const・qm1=8Q1 (8)
可見，由于管路錯接導致流量與溫差失配，甲用戶熱量計量與實際嚴重不符，為實際用量的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行分析、故障查找。如表1所示，為某組用戶的實際采暖記錄數據和分析結果。由表1可見，2823相對25記錄的總水量少，然而記錄總熱量卻多，與實際使用情況也不符。
表1 熱量表實時數據記錄及分析
根據實時數據狀態1-5，發現采暖溫差異常。針對表1所列數據提示的問題，經用戶及工程技術人員多次核實發現，兩個用戶的管路的確是錯誤地混接在一起了，導致了流量計量錯誤，因此應予實地檢查并糾正。
如果用戶熱計量表的熱流量、水流量和溫差計量異常，則應及時檢查管道連接與熱計量表的運行情況，及時查找問題，提高熱計量的準確性，小用戶和管理部門的損失與麻煩。
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題的方法，并結合采暖記錄數據，對所建立的模型進行了驗證。分析表明：1.在錯接的兩戶用熱不平衡的情況下，同一時段內水流量大的一戶，被采集的溫差偏大，將被顯著地多計熱量，甚至達到8倍或更多;2.水流量小的一戶，所采集的溫差數據偏小，則將被少計熱量。
參考文獻：
[1]張穎.集中供暖住宅分戶熱計量的探討[J].建筑科學，2013，(8).
[2]張兵，田雨忠，王逸雪，遲媛.關于集中供暖住宅分戶熱計量的幾點思考[J].建筑熱能通風空調，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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