CN104142193A - 基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集中供热计量收费领域，为针对分户热计量供暖系统的主要形式——按户分环的室内供暖系统，开发计量准确且成本较低的新型供热计量方法和装置，推动供热计量技术在不同经济水平地区的发展。为此，本发明采取的技术方案是，基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法和装置，结构为：检测元件包括楼栋热力入口回水总管安装的热计量表、每个用户水平分环供回水干管的供水温度和回水温度传感器、回水总立管各管段的温度传感器；楼栋数据处理器包括通信接口、输入通道、输出通道、中央处理器和存储器；区域数据采集系统。本发明主要应用于集中供热计量场合。

Description

基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法和装置

技术领域

本发明涉及集中供热计量收费领域，尤其涉及一种基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法和装置。

技术背景

作为建筑节能的主要措施之一，近几年供热计量技术发展很快。按户分环的室内供暖系统是分户热计量供暖系统的主要形式之一，《供热计量技术规程JGJ173-2009》针对该形式推荐了三种分户计量方法：户用热量表法、流量温度法和通断时间面积法。户用热量表法可以直接计量用户热量，比较直观，便于理解；流量温度法是利用分户独立系统与热力入口流量之比相对不变的原理，结合现场测试的流量比例和各分支三通前后温差，分摊建筑的总供热量；通断时间面积法是以每户的供暖系统通水时间为依据，分摊建筑的总供热量。

除了规程推荐的三种方法外，还有一些研究者提出了其他的热计量分摊方法。针对“通断时间面积法”热能分配方案的分配原则仅根据使用热能时间和使用热能面积来计算，未考虑不同时间取暖，即使采暖时间相同但获取热能不一定相同的问题，有研究者提出了一些改进方法。“一种热能实时实效面积分配方法”能够根据某一单位时间内各个用户在用房间实效面积占全部用户在用房间实效面积的比值，进行各个用户热能的实时分配，考虑了用户不同采暖时间对用户用热量的影响。“一种供热计量热量分摊方法及装置”通过实时测量用户的供回水温度和室外温度计算出各户的温度修正系数，进而对通断阀门在各个分摊周期内的开启时间比进行实时修正。

每种计量方法均有不同的特点和适用性，除了户用热量表法外，其他方法均属于间接计量的方法，虽然投资相对较低，但是不能适用于分室温控的室内系统，仅能够实现分摊热量，而且计量误差相对较大。户用热量表法虽然计量直观，但是该方法所需管井面积较大，初投资和维护成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对分户热计量供暖系统的主要形式——按户分环的室内供暖系统，开发计量准确且成本较低的新型供热计量方法和装置，推动供热计量技术在不同经济水平地区的发展。为此，本发明采取的技术方案是，基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量装置，结构为：检测元件包括楼栋热力入口回水总管安装的热计量表、每个用户水平分环供回水干管的供水温度和回水温度传感器、回水总立管各管段的温度传感器；楼栋数据处理器包括通信接口、输入通道、输出通道、中央处理器和存储器，能够采集、转换并存储楼栋热量表、温度传感器等检测元件检测的信号，利用中央处理器对数据进行计算，得出各用户的瞬时流量、瞬时热量和累计热量，并能够向区域数据采集系统实时传输数据；区域数据采集系统用于实时采集并存储楼栋数据处理器上传的各用户及楼栋的累计热量、瞬时热量、瞬时流量、瞬时供水温度和回水温度数据。

基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法：利用节点质量平衡和能量平衡原理，采集总立管各管段回水温度t_LH(i)、各用户供水温度t_YG(i)、各用户回水温度t_YH(i)以及楼栋热量表计量的瞬时流量G和热量值Q，按照由底层到顶层的顺序顺次计算出各个用户的实时流量G_Y(i)，进而根据实时监测的用户供回水温度计算出用户的实时热量，实现分户热计量。

具体计算方法为：已知热量表计量的瞬时流量G，第一层用户瞬时回水温度t_YH(1)，热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(2)，根据节点质量和能量平衡原理，利用公式(1)和(2)联立，计算出一层用户的瞬时流量G_Y(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时流量G_L(2)；同理，根据上述计算方法，利用公式(3)和(4)联立，计算出任意用户瞬时流量G_Y(i)：

G＝G_L(2)+G_Y(1)   (1)

cGt_LH(1)＝cG_L(2)t_LH(2)+cG_Y(1)t_YH(1)(2)

式中，c为水的质量比热；G为楼栋热量表计量的瞬时流量；G_Y(1)为一层用户瞬时流量；t_LH(1)为楼栋热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度；G_L(2)为一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度；t_YH(1)为一层用户瞬时回水温度；

G_L(i)＝G_L(i+1)+G_Y(i)   (3)

cG_L(i)t_LH(i)＝cG_L(i+1)t_LH(i+1)+cG_Y(i)t_YH(i)   (4)

式中，G_L(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管瞬时流量；G_L(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管瞬时流量；G_Y(i)为第i层用户瞬时流量；t_LH(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管温度；t_LH(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管温度；t_YH(i)为第i层用户回水温度；

根据计算的第i层用户瞬时流量G_Y(i)，以及监测的各用户供水温度Q_Y(i)和第i层用户回水温度t_YH(i)，利用公式(5)，可以计算出相应用户的瞬时热量Q_Y(i)，根据公式(6)，计算出各用户的累计热量Q_YL(i)：

Q_Y(i)＝cG_Y(i)(t_YG(i)-t_YH(i))   (5)

式中，Q_Y(i)为第i层用户瞬时热量；t_YG(i)为第i层用户瞬时供水温度；

$Q_{\mathrm{YL}\left(i\right)}=\underset{1}{\overset{T/\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

式中，△T为采样周期；T为热量累计时间。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

(1)本发明的热量分摊方法虽然属于间接热量计量方法，但是在用户分室调节室温的条件下能够实现热量计量，克服了传统间接热量计量不能适应分室调控的缺点。

(2)与间接热量计量方法相比，利用节点质量平衡和能量平衡理论，采用理论计算和实时监测相结合的方法，能够大幅度提高用户热量计量的准确性。

(3)与直接计量的户用热量表法相比，利用楼栋热量表替代了用户热量表，成本大幅度降低，而且由于热量表安装于楼栋热力入口，安装空间较大，有利于流量的准确计量，既避免了户用热量表安装位置较小影响计量精度的问题，同时还避免了用户流量较低时计量精度低的问题。

鉴于此，本发明的热量计量方法计量精度高、成本低，实现了低成本、高精度的分户热计量，有利于推动供热计量在不同经济水平区域的发展。

附图说明

图1分户热量计量数据传输示意图。

1——供水总立管 2——回水总立管 3——楼栋热量表

4——温度传感器 5——热用户

图2分户热量计量示意图。

图3第一层用户节点流量和能量平衡示意图。

图4第i层用户节点流量和能量平衡示意图。

附图5室内散热器系统的分户热量计量示意图。图中，

1——供水总立管 2——回水总立管 3——楼栋热量表

4——温度传感器 5——热用户 6——恒温控制阀 7——散热器。

附图6室内地面辐射系统的分户热量计量示意图。图中，

1——供水总立管 2——回水总立管 3——楼栋热量表

4——温度传感器 5——热用户 6——分集水器 7——地面辐射盘管。

具体实施方式

本方案针对按户分环的独立室内供暖系统，提出一种基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法和装置。

计量热量分摊装置包括检测元件、楼栋数据处理器和区域数据采集系统三部分(见附图1和附图2)。检测元件包括楼栋热力入口回水总管安装的热计量表、每个用户水平分环供回水干管的供水温度和回水温度传感器、回水总立管各管段的温度传感器。楼栋数据处理器包括通信接口、输入通道、输出通道、中央处理器和存储器，能够采集、转换并存储楼栋热量表、温度传感器等检测元件检测的信号，利用中央处理器对数据进行计算，得出各用户的瞬时流量、瞬时热量和累计热量，并能够向区域数据采集系统实时传输数据。区域数据采集系统可以实时采集并存储楼栋数据处理器上传的各用户及楼栋的累计热量、瞬时热量、瞬时流量、瞬时供水温度和回水温度等。

本发明提出的基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法如下：

利用节点质量平衡和能量平衡原理，根据总立管各管段回水温度t_LH(i)、各用户供水温度t_YG(i)、各用户回水温度t_YH(i)以及楼栋热量表计量的瞬时流量G和热量值Q，按照由底层到顶层的顺序顺次计算出各个用户的实时流量G_Y(i)，进而根据实时监测的用户供回水温度计算出用户的实时热量，实现分户热计量。

具体计算方法为：已知热量表计量的瞬时流量G，第一层用户瞬时回水温度t_YH(1)，热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(2)，根据节点质量和能量平衡原理，利用公式(1)和(2)联立(参见附图3)，可计算出一层用户的瞬时流量G_Y(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时流量G_L(2)。同理，根据上述计算方法，利用公式(3)和(4)联立(参见附图4)，可以计算出任意用户瞬时流量G_Y(i)。

G＝G_L(2)+G_Y(1)   (1)

cGt_LH(1)＝cG_L(2)t_LH(2)+cG_Y(1)t_YH(1)   (2)

式中，G为楼栋热量表计量的瞬时流量；G_Y(1)为一层用户瞬时流量；t_LH(1)为楼栋热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度；G_LY(1)为一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度；t_YH(1)为一层用户瞬时回水温度。

G_L(i)＝G_L(i+1)+G_Y(i)   (3)

cG_L(i)t_LH(i)＝cG_L(i+1)t_LH(i+1)+cG_Y(i)t_YH(i)   (4)

式中，G_L(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管瞬时流量；G_L(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管瞬时流量；G_Y(i)为第i层用户瞬时流量；t_LH(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管温度；t_LH(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管温度；t_YH(i)为第i层用户回水温度。

根据计算的各用户瞬时流量G_Y(i)，以及监测的各用户供水温度Q_Y(i)和回水温度t_YH(i)，利用公式(5)，可以计算出相应用户的瞬时热量Q_Y(i)，根据公式(6)，计算出各用户的累计热量Q_YL(i)。

Q_Y(i)＝cG_Y(i)(t_YG(i)-t_YH(i))   (5)

式中，Q_Y(i)为第i层用户瞬时热量；t_YG(i)为第i层用户瞬时供水温度；c为比热。

$Q_{\mathrm{YL}\left(i\right)}=\underset{1}{\overset{T/\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

式中，Q_YL(i)为第i层用户累计热量；△T为采样周期；T为热量累计时间。

实施方案1：按户分环的室内散热器供暖系统分户计量(见附图5)

具体实施方式见前述方案。

实施方案2：按户分环的室内地面辐射供暖系统分户计量(见附图6)

具体实施方式见前述方案。

Claims (3)

1.一种基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量装置，其特征是，结构为：检测元件包括楼栋热力入口回水总管安装的热计量表、每个用户水平分环供回水干管的供水温度和回水温度传感器、回水总立管各管段的温度传感器；楼栋数据处理器包括通信接口、输入通道、输出通道、中央处理器和存储器，能够采集、转换并存储楼栋热量表、温度传感器等检测元件检测的信号，利用中央处理器对数据进行计算，得出各用户的瞬时流量、瞬时热量和累计热量，并能够向区域数据采集系统实时传输数据；区域数据采集系统用于实时采集并存储楼栋数据处理器上传的各用户及楼栋的累计热量、瞬时热量、瞬时流量、瞬时供水温度和回水温度数据。

2.一种基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法，其特征是，基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法：利用节点质量平衡和能量平衡原理，采集总立管各管段回水温度t_LH(i)、各用户供水温度t_YG(i)、各用户回水温度t_YH(i)以及楼栋热量表计量的瞬时流量G和热量值Q，按照由底层到顶层的顺序顺次计算出各个用户的实时流量G_Y(i)，进而根据实时监测的用户供回水温度计算出用户的实时热量，实现分户热计量。

3.如权利要求2所述的基于节点质量和能量平衡理论的分户热计量方法，其特征是，具体计算方法为：已知热量表计量的瞬时流量G，第一层用户瞬时回水温度t_YH(1)，热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度t_LH(2)，根据节点质量和能量平衡原理，利用公式(1)和(2)联立，计算出一层用户的瞬时流量G_Y(1)、一层用户和二层用户之间回水立管瞬时流量G_L(2)；同理，根据上述计算方法，利

用公式(3)和(4)联立，计算出任意用户瞬时流量G_Y(i)：

G＝G_L(2)+G_Y(1)   (1)

cGt_LH(1)＝cG_L(2)t_LH(2)+cG_Y(1)t_YH(1)   (2)

式中，c为水的质量比热；G为楼栋热量表计量的瞬时流量；G_Y(1)为一层用户瞬时流量；t_LH(1)为楼栋热力入口至一层用户之间回水立管瞬时温度；G_L(2)为一层用户和二层用户之间回水立管瞬时温度；t_YH(1)为一层用户瞬时回水温度；

G_L(i)＝G_L(i+1)+G_Y(i)   (3)

cG_L(i)t_LH(i)＝cG_L(i+1)t_LH(i+1)+cG_Y(i)t_YH(i)   (4)

式中，G_L(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管瞬时流量；G_L(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管瞬时流量；G_Y(i)为第i层用户瞬时流量；t_LH(i)为第i-1层用户和第i层用户之间回水立管温度；t_LH(i+1)为第i层用户和第i+1层用户之间回水立管温度；t_YH(i)为第i层用户回水温度；

根据计算的第i层用户瞬时流量G_Y(i)，以及监测的各用户供水温度Q_Y(i)和第i层用户回水温度t_YH(i)，利用公式(5)，可以计算出相应用户的瞬时热量Q_Y(i)，根据公式(6)，计算出各用户的累计热量Q_YL(i)：

Q_Y(i)＝cG_Y(i)(t_YG(i)-t_YH(i))   (5)

式中，Q_Y(i)为第i层用户瞬时热量；t_YG(i)为第i层用户瞬时供水温度；

$Q_{\mathrm{YL}\left(i\right)}=\underset{1}{\overset{T/\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

式中，△T为采样周期；T为热量累计时间。