熱計(jì)量系統(tǒng)故障特性分析
摘要:建立了分戶熱計(jì)量管路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化數(shù)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(guī)律,得到了因管路連接錯(cuò)誤可能導(dǎo)致的熱計(jì)量放大程度。分析表明:管路錯(cuò)接將導(dǎo)致所采集的溫差數(shù)據(jù)異常,同一時(shí)段內(nèi)水流量大的一戶,被采集的溫差偏大,將被顯著地多計(jì)熱量,甚至達(dá)到8倍或更多;水流量小的一戶,所采集的溫差數(shù)據(jù)偏小,則將被少計(jì)熱量。最后結(jié)合實(shí)際采暖記錄數(shù)據(jù),對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型 熱計(jì)量 計(jì)量誤差
一、引言
哥本哈根世界氣候大會(huì)后,世界各國(guó)更加重視節(jié)能減排。我國(guó)從“十一五”開始將節(jié)能減排列入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃綱要。
集中供暖和分戶計(jì)量是一種有效能源利用與管理方式,可以促進(jìn)節(jié)能減排。分戶熱計(jì)量需在管道井內(nèi)分別安裝用戶熱量表,并在對(duì)應(yīng)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(xiàn)溫度傳感器錯(cuò)接,引起用戶熱計(jì)量誤差乃至錯(cuò)誤,從而導(dǎo)致計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤。由于管道工程的隱蔽性,這種錯(cuò)誤往往難以發(fā)現(xiàn)。
本文建立了分戶熱計(jì)量管路系統(tǒng)連接的物理和數(shù)學(xué)分析模型,分析了熱計(jì)量故障特性和管路連接錯(cuò)誤可能導(dǎo)致的熱計(jì)量放大程度。分析表明:在管路錯(cuò)接且兩戶用熱不平衡的情況下,被計(jì)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(jié)合記錄數(shù)據(jù)對(duì)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型和分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
二、暖氣熱計(jì)量原理
圖1所示熱量表由流量計(jì)、供出水溫度傳感器、積算器等主要部件組成。其中,流量計(jì)通常測(cè)量的是通過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(cè)得,并可以計(jì)算得到進(jìn)出水溫差△T;積算器則根據(jù)流量和溫度差計(jì)算向用戶提供的采暖供熱量Q。
在t0到t1計(jì)量時(shí)段,向用戶提供的采暖供熱量Q與通過熱量表的采暖水質(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(jù)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(cuò)接對(duì)熱計(jì)量的影響規(guī)律。
現(xiàn)階段,建筑大多都采取了室內(nèi)保溫措施。按照一般經(jīng)驗(yàn),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(yīng)較小。為了便于簡(jiǎn)化分析,根據(jù)熱量表記錄某建筑面積住宅的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及供暖情況作如下基本假設(shè):
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(nèi)、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(cuò)誤之外,假設(shè)不存在其它錯(cuò)誤或誤差。
假設(shè)在相對(duì)短的△T時(shí)段內(nèi)流量、溫差均穩(wěn)定,則積分公式簡(jiǎn)化為求和公式,熱量可采用(2)式計(jì)算
Q=C・△t・qm・△T=Const・qm・△T (2)
式中系數(shù)Const=C・△t,單位時(shí)間下系數(shù)Const就是比熱容常數(shù)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,熱流量一定時(shí),水流量與溫差成反比,管路系統(tǒng)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(guī)律和生活常識(shí)。
依據(jù)這種生活常識(shí)和供暖規(guī)律,可判斷供暖計(jì)量系統(tǒng)是否有故障,如果用戶組管道接反,則反映的流量與溫差會(huì)正好相反。因此可根據(jù)用暖情況(室溫),對(duì)照熱流量及溫差判斷是否存在系統(tǒng)故障,并及時(shí)進(jìn)行糾正。
四、熱計(jì)量故障特性分析
為進(jìn)一步分析管路錯(cuò)接導(dǎo)致的計(jì)量故障情況,本文建立了雙管路分析模型。假設(shè)甲乙兩用戶使用如圖2所示的正確的獨(dú)立暖氣管路,熱計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量甲、乙用戶采暖質(zhì)量流量qm1、qm2,以及供出水溫度Ti1及Tb1、 Ti1及Tb1。
根據(jù)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(cuò)接情況下,用戶的流量計(jì)量正常,但溫差計(jì)量數(shù)據(jù)恰好互換。由于兩戶的出水溫度數(shù)據(jù)被相互對(duì)換,導(dǎo)致所測(cè)得的供出水溫度差分別變?yōu)椤鱐'1=Ti1-Tb2、△T'2=Ti2-Tb1。則計(jì)量表將采暖熱量錯(cuò)計(jì)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(shù)據(jù)才一致。假設(shè)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(guān)閉閥門不使用暖氣。根據(jù)常識(shí),甲用戶的進(jìn)出水溫差小,乙用戶進(jìn)出水溫差達(dá)到最大。此時(shí),乙用戶計(jì)入的流量和熱量都為0。為便于計(jì)算,以熱量表記錄的甲用戶實(shí)時(shí)出水溫度數(shù)據(jù)50℃為參考,溫差為5℃?伤愠黾子脩魧(shí)際用熱為
Q1=Const・qm1・(55-50)=5Const・qm1 (7)
但是由于管路錯(cuò)接,甲用戶溫差變?yōu)?0℃,被計(jì)入的熱量為
Q'1=Const・qm1・(55-15)=40Const・qm1=8Q1 (8)
可見,由于管路錯(cuò)接導(dǎo)致流量與溫差失配,甲用戶熱量計(jì)量與實(shí)際嚴(yán)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(jì)量被放大更多。
五、診斷方法的工程驗(yàn)證與應(yīng)用
依據(jù)上述特性,就可對(duì)記錄的采暖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、故障查找。如表1所示,為某組用戶的實(shí)際采暖記錄數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。由表1可見,2823相對(duì)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(shù)據(jù)記錄及分析
根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)1-5,發(fā)現(xiàn)采暖溫差異常。針對(duì)表1所列數(shù)據(jù)提示的問題,經(jīng)用戶及工程技術(shù)人員多次核實(shí)發(fā)現(xiàn),兩個(gè)用戶的管路的確是錯(cuò)誤地混接在一起了,導(dǎo)致了流量計(jì)量錯(cuò)誤,因此應(yīng)予實(shí)地檢查并糾正。
如果用戶熱計(jì)量表的熱流量、水流量和溫差計(jì)量異常,則應(yīng)及時(shí)檢查管道連接與熱計(jì)量表的運(yùn)行情況,及時(shí)查找問題,提高熱計(jì)量的準(zhǔn)確性,小用戶和管理部門的損失與麻煩。
六、主要結(jié)論及建議
本文提出了根據(jù)供暖熱量、溫差與水流量的特性分析查找熱計(jì)量系統(tǒng)問題的方法,并結(jié)合采暖記錄數(shù)據(jù),對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析表明:1.在錯(cuò)接的兩戶用熱不平衡的情況下,同一時(shí)段內(nèi)水流量大的一戶,被采集的溫差偏大,將被顯著地多計(jì)熱量,甚至達(dá)到8倍或更多;2.水流量小的一戶,所采集的溫差數(shù)據(jù)偏小,則將被少計(jì)熱量。
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