通断时间面积法热计量技术的发展及应用评述Word文档格式.docx
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◆通断时间面积法会成为中国热计量领域的主流技术方法吗?
会不会昙花一现?
上述这些问题的回答,需要从推行热计量的根本目的、供热企业提高运行管理效率和实现节能降耗的需求、以及通断时间面积法的原理、核心技术的研发应用、产品应用和市场维护等方面来分析,本文将详细阐述。
二、从供热节能的目的看热计量技术路线的发展趋势
大家都知道,推行供热计量的目的是节能,但仅仅安装热计量表是不能实现供热节能的,实现供热节能的途径是通过技术手段实现或促进热网的“均衡输送、按需供热”。
其实,供热系统最大的节能是消除热网的水力失调、热力失调,而目前供热系统普遍存在严重的失调问题,导致冷热不均、能量浪费严重,特别是二次网,更是缺乏监测、调节手段,失调严重。
供热企业特别需要建立二次网的供热运行信息系统,而通断时间面积法热计量系统恰恰是建立了楼栋热力入口、居民热用户入口以及居民热用户室内的采暖运行数据信息系统,帮助判定和解决二次网的水力失调和热力失调问题,是供热企业普遍接受和欢迎通断时间面积法热计量系统的主要原因。
从未来帮助供热企业建立智慧热网的总体技术方案来看,通断时间面积法热计量系统与户用热量表法等其他方法相比具有显著优势,而建立智慧热网是供热企业实现精细化管理、提高运行管理效率、实现供热均衡输送、消除或减少热网水力失调和热力失调等的发展方向和实际需求,因此,通断时间面积法热计量系统受到供热企业的欢迎,将成为热计量技术路线的发展趋势。
也就是说,目前来看,供热企业欢迎的不仅仅是通断时间面积法热计量分摊结果的适用性好和可靠性高,更重要的是欢迎其在智慧热网建设中具有优势的远程数据信息系统。
这是通断时间面积法热计量系统近年来获得快速发展和应用的重要原因。
从实现供热节能的目的以及供热企业提高管理水平和管理效率的需求来看,智慧热网建设将成为下一步供热系统技术升级的主要方案,借助通断时间面积法热计量系统的实施,将能构建完善的智慧热网系统。
通断时间面积法热计量系统
图1智慧热网建设的技术方案和信息化架构
通断时间面积法热计量系统建立了二次网水力平衡信息(楼栋热力入口的瞬时流量、热量、供回水温度、楼栋平均热耗等)以及热用户采暖信息(供回水温度、室内温度、单位面积热耗等),形成了智慧热网从热源、换热站到二次网(楼栋热力入口)、热用户的全网运行信息系统和智能分析系统,为实现供热节能、热网调节、热用户管理提供的智能平台,实现最大节能,同时提升了供热企业的运行管理水平。
户用热量表法等其他任何热计量方法,都不能像通断时间面积法这样实现智慧热网建设的完整信息数据采集和传输,因此,受到供热企业的欢迎。
从热计量推行十余年的工程实践来看,热计量技术路线获得供热企业的认可和欢迎,才能真正获得发展,而仅仅依靠政府的行政职能和财政资金的支持,热计量不可能真正的实现良性发展。
通断时间面积法热计量技术的研究和应用,有望解决目前热计量发展中提高供热企业积极性的关键问题。
基于通断时间面积法热计量系统的智慧热网的实例(邢台热网,1500万平米)
图2邢台市热网(1500万平米)监控中心及信息分析平台
图3换热站及一次网水力平衡分析界面
图4基于通断时间面积法的二次网水力平衡分析界面
图5基于通断时间面积法的热用户采暖工况监测、故障分析及热用户远程管理界面
三、从供热计量技术路线的适用性和可靠性看通断时间面积法
1、供热计量技术路线的思考
从十几年来推行供热计量的工程实践来看,户用热量表法、散热器热分配计法等热计量技术路线,无论是可靠性还是适用性都遇到了很大困难,因为我国供热系统在供热参数、运行管理方式等方面的特殊性,以及我国热用户主要是公寓式住宅的特点,而且一直以来按采暖面积收费的固有习惯(不考虑所处的建筑位置),户用热量表法不能适用,未能达到预期的应用效果。
供热计量政策的推进实质上遇到了技术瓶颈问题。
目前,因为户用热量表本身的质量问题、水质适用性问题,热计量收费执行不到位问题,供热企业没有热计量收费的积极性问题等等,导致已安装的成千上万只户用热量表实质上处于没有使用的状态,而且也没有很好地进行日常管理、维护维修,早期安装的很多户用热量表甚至都已经不能正常使用,导致很大的浪费,即使是户用热量表法推进较好的天津、山东等,这种现象也是很普遍的。
无论是使用财政资金的既有居住建筑热计量改造,还是要求开发商安装、计入购房成本的新建建筑热计量装置,热计量技术方法的可靠性、适用性不解决,都会是极大的浪费,其发展是不可持续的。
在我国推行供热计量,使供热计量政策能够顺利走下去、达到供热节能的预期目标,应认真反思供热计量技术路线的选择问题。
现在,我们可以做出以下思考:
◆中国的公寓式住宅需要分室温控还是分户温控?
取决于成本和使用要求。
◆楼栋计量还是分户计量?
取决于计量器具的成本、安装使用条件、运行可靠性等。
楼栋超声波热量表的质量、可靠性都远高于户用超声波热量表,楼栋热量表的维护维修成本与大量户用热量表相比,也是最佳方案(包括周期检定、维护维修等)。
基点:
楼栋热计量
◆热计量系统的正常运行、热计量事业真正发展,必须解决使用中的维护维修问题,而且维护维修、折旧成本与节能收益相比必须是合适的。
热计量事业才能良性发展,目前是政府买单,下一次寿命期结束,肯定不能再是政府买单。
要求:
运行使用经济性。
◆供热计量、采暖调节、供热调控是一次供热系统的全面技术升级,不能片面理解热计量仅仅是安装计量仪表。
而是集中供热的管理模式、运行调控策略、节能技术应用等的全面技术升级。
借助热计量技术的应用,建立智能热网信息系统,提高热力公司的管理水平和调节控制水平,为供热企业创造效益,获得供热企业的支持。
目标:
提高运行管理水平、提高供热企业经济效益。
从上述思考来看,户用热量表法、温度法、流量温度法、散热器热分配计法等均不能很好地实现“采暖温度调控、楼栋热计量、运行经济性好、建立智慧热网信息平台”的目标,而通断时间面积法恰恰在上述各个方面均具有优势。
2、从通断时间面积法与户用热量表法理论基础对比看其适用性
◆户用热量表的理论基础是对热用户按耗热量收费:
也就是按热用户的采暖消耗热量多少收取采暖费用。
悖论:
追求精度的户用热量表读出的数据,又不得不采用模糊的位置修正系数加以平衡(否则有利位置热用户与不利位置热用户的热耗可能会相差很大,与建筑保温情况有关)。
◆“通断时间面积法”的理论基础是对用户按供热需求收费:
用户的室内采暖温度代表的是用户的采暖需求,而基于楼栋热计量的“通断时间面积法”实质结果是:
采暖热舒适度相同的用户热费相同,不需修正,公平合理。
(理论推导可知,热用户室内采暖温度高低决定了通断阀开启时间的长短。
详见:
齐承英等,基于通/断式供热控制模式的热分摊技术,暖通空调,2009,39(5))。
通断时间面积法是一种“采暖名义耗热量”的分摊算法,之所以称其为“名义耗热量”,是因为基于楼栋热计量和通断时间面积法计算出的热用户分摊热量,不代表该热用户的采暖实际耗热量,而是从“采暖需求相同、缴纳热费应相同”的热计量收费策略上来说的该热用户应缴费的热量。
该分摊热量与户用热量表测量热量的数值不同,其物理意义相当于户用热量表测量的耗热量经位置修正系数修正后的热量值。
从通断时间面积法的理论基础来看,符合我国一直以来的供热消费习惯和政策,特别是对于公寓式建筑来说,追求“热舒适度相同、缴纳热费相同”的热计量收费结果,也被热用户普遍接受。
户用热量表法的“按实际耗热量缴费、多退少补、上不封顶”的政策,肯定会受到处于建筑不利位置热用户的反对,从公寓式建筑的建筑结构特性来说,这样的结果也是不合理的,实行起来肯定会有困难,除非是像有的城市再把户用热量表的数据进行模糊,但怎样模糊(位置修正系数)才算合理?
其理论基础是什么?
值得商榷。
因此,从热计量收费管理的合理结果来看,通断时间面法具有很好的适用性,被认为是下一步最有望推广应用的热计量技术路线。
四、通断时间面积法的关键技术及推广过程中存在的问题
基于对通断时间面积法优势的认识以及看到其迅速增长的市场需求,很多厂家都纷纷生产通断时间面积法热计量装置产品,并在市场上安装使用。
甚至还没有明白通断时间面积法的原理及关键技术,匆忙搭建几个电路、简单拿几个阀门、宣称数据通讯多么多么先进可靠,就形成通断时间面积法产品推向市场,大多数厂家的产品都还没有验证其热分摊数据的可靠性、适用性、可行性。
行业标准《通断时间面积法热计量装置技术条件》(JG/T379-2012)只是规定了在使用条件下的分摊算法,但条文4.2.1规定的使用条件,在工程实际中是不可能做到的。
对于不满足使用条件的情况,条文4.2.2.3仅仅提出了修正算法的思路,导致目前各厂家的分摊算法不统一,甚至就是在上位机任意的分摊计算或人为修改。
上述这些状况是危险的,作为一种热计量装置和新的热计量方法,这样下去会导致应用结果的混乱,使供热企业和热用户的热计量收费管理出现困难和障碍,导致该方法的负面评价甚至失败,吉林省近年来的应用实际经验就证实了这一点,希望北京、新疆等地不再重复吉林省走过的路,希望行业内多一些负责任的企业和研究者。
特别是北京市应认真吸取吉林省的教训,不能放任一些厂家随意而为、拿不成熟的产品在实际工程中进行试验,留下不可挽回的后果。
否则,使用这些所谓的通断时间面积法热计量装置的分摊数据实行供热计量收费管理肯定会导致混乱。
通断时间面积法不是没有技术含量的一些所谓的数据传输电路、电动或电热执行阀门、上位机管理软件的拼凑,而是有严格的理论基础、工程适用性分析和修正计算、工程可靠性和适用性验证的热计量技术方法。
任何随意而为、人为干扰计算结果都是不可取的,也必将失败或者毁掉这个方法。
各级政府供热主管部门应加强监管,避免出现不可挽回的浪费。
希望通断时间面积法真正成为可行、可用的热计量技术方法,希望行内专家学者共同努力,在政府主管部门的支持和指导下,提出针对工程实际条件下通断时间面积法切实可行的分摊算法(多参数的修正算法),为我国的供热计量事业走出发展瓶颈提供真正可行的技术方案。
从本质上说,虽然通断时间面积法的优势是适合建立智能热网的信息平台,但其基本功能还是热计量装置,热计量分摊数据的合理性、可行性、可靠性才是其关键技术。
不能舍本求末,大多数厂家都在宣扬自己的(无线)数据传输系统多么先进,上位机管理软件界面多么美观,北京市对通断控制器执行机构也规定了必须采用电热阀等等。
但很少有人提到通断时间面积法的分摊算法,而分摊算法才是通断时间面积法是否能够称其为热计量装置的核心与关键技术。
1、通断时间面积法的分摊算法与其工程适用性
如前所述,通断时间面积法是一种“采暖名义耗热量”的分摊算法,从理论上来说,该方法是在“采暖需求相同、缴纳热费应相同”的热计量收费策略上提出的热分摊方法,其物理意义相当于户用热量表测量的耗热量经位置修正系数修正后的热量值。
理论分析和实验室模拟试验均证实了这一理论基础,详见:
齐承英等,基于通/断式供热控制模式的热分摊技术,暖通空调,2009,39(5)。
但理论分析和实验室模拟试验均是在假设理想条件下做出的,其假设理想条件包括行业标准《通断时间面积法热计量装置技术条件》(JG/T379-2012)的条文4.2.1规定的使用条件,而这些使用条件,在工程实际中是不可能做到的。
因此,通断时间面积法如果能够具有较好的适用性和可靠性,能够成为一种热计量(分摊)方法,必须研究其在偏离理论工况的实际工程工况下的算法修正问题,而且修正算法必须经过大量工程实际案例和运行数据的验证。
从通断时间面积法的分摊算法上,来看“通断时间面积法”的可靠性和准确性。
行业标准《通断时间面积法热计量装置技术条件》(JG/T379-2012)给出了分摊计算公式:
从通断时间面积法的算法来看,其计算公式中物理参数包括楼栋总热量、分户采暖开启时间比、分户采暖面积等。
除总热量由楼栋热量表测量外,计算公式中需要装置测量和记录的物理量就只有时间,但分摊计算的准确性除了计算公式中的物理参数外,更重要的是还取决于供热系统的运行条件、状况。
通断时间面积法热计量装置(系统)开发应用过程中仅仅追求开启时间(比)记录的准确度,其实不能保证热分摊计量数据的可靠性、准确性和适用性。
通断时间面积法是一个热计量分摊系统,其各部件组成、分摊算法、通讯可靠性、应用条件判断与修正等方面,均包含关键技术内容,很多厂家仅仅使用一个通断阀门的驱动、再加上通断时间的纪录,就形成产品、应用于工程的做法是错误的,存在严重的技术不足,将在实际应用中出现较大偏差、起不到供热计量管理的作用。
特别重要的是,通断时间面积法热计量分摊系统,应具备判定实际工程运行工况偏离理论工况的程度,并针对偏离工况进行修正计算,以保证热计量分摊数据的合理性和适用性。
热计量分摊数据是否合理和适用的判定标准是:
分摊结果是否符合通断时间面积法的理论基础。
也就是,热分摊的名义耗热量结果与热用户室温的关系,符合理论基础:
热舒适度相同,分摊热耗相同。
研究表明,热用户的供回水温度是用于判定实际工程运行工况是否偏离理论工况、并用于分摊计算的最佳参数。
齐承英等提出了采用供回水温度修正的分摊计算方法(详见:
齐承英等,发明专利:
一种集中供热的热量分摊计量方法及装置,ZL200910069672.7),提出了半经验的分摊计算公式,并通过大量实际工程数据回归得出了修正分摊公式中的系数取值。
在河北、新疆、山东、内蒙、北京等省市(自治区)的实施的大量实际工程中进行了验证,证实了分摊计算结果的合理性、可靠性、适用性,保证热计量收费可行、可靠。
有的研究者和厂家提出了采用热用户室内温度作为修正参数进行修正计算的思路,但,需要特别注意两点:
一是室温测量精度保证的问题,因为无论是气温测量的元件精度,还是室内温度场的变化和分布特性,准确地测量室温都是较困难的;
二是室温的人为干扰问题,作为一个可行可靠的热计量产品,必须考虑这一问题。
2、通断时间面积法热分摊计算客观性问题(排除人为干扰因素)
通断时间面积法容易被质疑之处是,早期的分摊计算是在上位计算机完成的,计算结果有人为改动的嫌疑和机会,这也是技术监督部门质疑的客观性问题。
作为一种热计量方法或者说热计量装置,肯定需要具备可靠的理论基础、严密的客观性条件、可核查可溯源的计算结果,而不能是经不起供热方或用热方争议、经不起第三方(特别是技术监督部门)核查的随意性结果。
通断时间面积法重要的核心技术和产品条件,应具备热计量分摊计算结果的客观性和可核查可溯源的产品设计基础。
行业标准《通断时间面积法热计量装置技术条件》(JG/T379-2012)规定了固定周期分摊、实时分摊计算、现场历史记录存储等技术要求。
必须严格执行,所有厂家的产品,只要进行工程应用,必须严格按照这一要求进行产品设计和生产。
通断时间面积法是完整的热计量分摊装置,其分摊计算完全不受上位计算机的影响,上位计算机数据中心仅仅是接收采集计算器的分摊计算结果、并下发相关控制命令。
固定周期分摊计算结果在采集计算器现场完成,而且形成现场存储的历史纪录,解决通断时间面积法热计量分摊计算结果的客观性问题,任何第三方(包括热用户、技术监督部门等)均可核查可溯源。
现场固定周期分摊计算和存储是通断时间面积法热计量装置的产品基本设计要求(详见:
一种实时热量分摊装置,ZL201010187035.2),在采集计算器进行分摊计算和历史纪录存储,每个分摊计算周期的分摊计算结果均在采集计算器现场形成历史记录存储,保证了其热计量分摊计算结果的客观性。
五、推进供热计量、实现供热节能、供热计量政策可持续发展的思考
1、必须解决供热企业积极性的问题
从供热系统节能角度出发,十几年来政府主管部门都在大力推进供热计量改革工作,政策文件、财政支持、标准规范等可以说推进热计量改革的力度之大前所未,可进展情况却不尽人意,究其原因,涉及技术方法问题、产品质量问题、热用户固有意识和利益问题、房地产开发商利益问题等等很多问题,但其重要问题供热企业没有积极性,甚至目前行内也出现了对热计量改革工作的质疑或悲观结论。
为什么供热企业没有积极性呢?
政府主管部门强力要求就能使供热企业有积极性吗?
显然,答案是否定的。
从供热企业来说,对于供热计量没有积极性,无外乎就是基于这些考虑:
(1)采暖收费利益问题。
采用户用热量表的计量方法,执行“多退少不补”热计量收费政策,肯定要少收钱吧?
执行“多退少补”的收费政策,肯定会加大收费难度吧?
(对于处于建筑不利位置的热用户)。
(2)热计量装置的维修维护问题。
热计量装置的第一次安装费用是由财政资金或开发商的建房成本解决的,日常维护维修的经费(设备维修、更换、人工成本)怎么解决?
节能的收益足以支付维护维修费用吗?
设备寿命期结束后怎么办?
其实,对于企业来说,肯定是追求利益最大化的问题。
目前,企业普遍存在追求节能、追求效益的热切需求,企业的积极性不高,主要还是对供热计量改革的效果存在疑问,对于上述问题没有明确的答案。
因为热计量装置本身是不节能的,还貌似增加了供热企业维护维修的成本负担。
那么,从智慧热网整体建设、提升供热企业的运行管理水平、提升热网均衡供热的调节控制水平、实现节能增效的角度,来看供热计量系统的建设和使用问题,供热企业的上述问题就有了答案,推进实施供热计量系统,是为供热企业建设整体智慧热网、提升运行管理水平,而不是仅仅安装热计量装置。
未来的供热运行管理方向是信息化、数字化、智能化的精细智慧管理,而不是目前的人工粗放式管理,实施供热计量系统和热计量管理,能够实现供热企业的节能增效,其收益大于成本。
近年来,我们完成的邢台热力公司、乌鲁木齐西城热力公司等智慧热网的实际运行效果,证实了这一点,受到供热企业的欢迎。
2、必须解决供热计量技术路线的适用性问题
供热计量改革推行十余年以来,对于供热计量技术路线的研究、应用、争论等,都是着眼于热计量本身,怎么做的精度高?
例如户用热计量表经历了机械表、超声波表的发展历程,也有了内部结构的改进和创新,还有三级表、二级表的精度追求等等。
在应用、使用方面,经历了人工抄表、集中抄表,目前有的热力企业已建设了专门针对不同厂家热量表的数据传输集中抄表系统,也主要是用于热用户的热计量收费。
但是,从智慧热网建设和运行的角度来看热计量系统、看热计量的技术路线,其结果和技术发展方向就不一样了。
对于供热企业建立智慧热网,重要的方面,一个是硬件、软件系统的建设,另一个是怎么使用、用好。
从智慧热网分层级数据信息建立来看,需要的是热源、一次网、换热站、二次网、热用户等这5个层级,每个层级的数据信息都会对于热网的均衡供热、消除失调有重要意义,也就是对实现热网节能有重要意义。
上述各层级的必要数据信息必须具备,当然都必须是在建设成本最小的前提下实现信息完备、运行数据实时更新、远程采集,还应具备对供热运行参数远程控制、主动调节的功能,而且,整个系统的硬件设备必须维护维修成本低、长寿命、可靠性高。
基于上述智慧热网考虑和认识,通断时间面积法是目前最可行的供热计量技术路线。
3、必须解决通断时间面积法热计量技术的分摊算法可靠性问题
如前所述,通断时间面积法对于智慧热网建设具有显著优势,但本质上来说,通断时间面积法是一种热计量(分摊)的技术方法,其必须首先解决热计量(分摊)的可靠性和适用性问题,而目前来看,很多厂家的一哄而上、行业标准的不完善、研究开发和工程应用验证的不足,都导致目前实质上缺乏可靠、统一的计算分摊算法,必然会导致应用过程中的热计量(分摊)数据混乱,应用于热计量收费管理出现困难和障碍,吉林省是最早推行通断时间面积法热计量装置的省市之一,其经验和教训值得重视。
特别是北京市目前大面积推行通断时间面积法热计量装置,各厂家的计算分摊方法不统一,甚至一个热网(供热单位)内有多家产品提供商(服务商)在安装不同的产品,分摊计算结果肯定不同,应认真考虑热计量收费过程中的数据应用可靠性和适用性问题。
亟需在政府主管部门的支持和指导下,行业权威研究机构联合有关研究单位、使用单位、生产厂家等,提出通断时间面积法统一的计算分摊方法(在实际工程运行工况下的修正参数、修正计算公式)。
4、必须加强通断时间面积法热计量装置生产及实施单位(节能服务商)的责任
目前来看,推进供热计量改革的瓶颈问题是供热企业对于能否实现节能增效有疑问,而真正实现供热节能,不是仅仅安装或使用热计量装置(包括热计量收费)就能实现的,而是建立面向全网的智慧热网系统、通过全网水力平衡调节实现均衡供热、同时通过热计量收费管理鼓励行为节能,才能实现真正意义上的供热节能,实现供热企业的经济效益(减少煤耗或扩大供热面积),从实际工程运行的节能数据和节能效果分析来看,通过建立基于热计量系统的智慧热网,消除供热运行中的水力失调和热力失调问题,才是最大的节能来源。
但是,基于热计量系统的智慧热网的建设和运行,需要专业技术人员,特别是制定热网的最佳运行控制策略,需要对热网运行数据信息的专业分析、长时间的运行跟踪和工况变动分析、热网内各小区(单位)建筑热特性的了解和分析、居住建筑和公共建筑的用热规律和需求、热网结构和运行特性等等,这些专业性的运行调控数据分析、控制策略的制定、实际运行技术的实施等,很多供热单位的技术人员目前不具备这样的技术能力。
因此,应要求推广供热计量系统(特别是基于通断时间面积法热计量系统的智慧热网解决方案)的厂家(能源服务商),应具备上述技术能力,帮助供热企业实现热网的最佳运行、实现热网节能目标,才能实现供热计量的真正目的,而不是仅仅对于产品的维护维修。
如果不能对于热网的节能运行提供技术服务,帮助供热企业提升运行管理水平,提出热网的调节运行控制策略,实现节能增效,承诺对于产品质保6年也好、10年也罢,都没有什么意义,也会最终成为不能实现的承诺。
因为不能借助热计量系统实现热网的节能运行管理和调控,也就不可能实现真正的热计量收费管理。
供热计量改革已经推行十余年了,到了目前的阶段,必须要求热计量产品的提供商(节能服务商),以全网节能
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