末端通断调节与热分摊技术中热费分摊合理性研究
1 引 言
通断时间面积法作为一种新的热计量方法，经实践证明具有良好的温控效果，但按照阀门累计开启时间分摊热费目前还存在一些问题，主要包括：1)按照阀门累计开启时间分摊热费的方式在一定程度上可以削弱建筑端部、顶层和中间用户由于外围护结构面积不同带来的差异，但是这种削弱作用到底有多大？2）用户私改散热器或散热器设计不准对热费分摊合理性的影响有多大?3）用户实际流量和设计流量的差异对热费分摊合理性的影响有多大？4）实际供水温度和需求供水温度的差异对热费分摊合理性的影响有多大？关于上述问题的回答，本文首先通过模拟手段对各个因素的影响进行了定量分析，然后结合实测数据和调查结果对按阀门累计开启时间分摊热费方法的合理性和用户可接受性进行了综合评价。
2 热费分摊合理性模拟分析
影响热费分摊的各种因素相互耦合，作用复杂，很难通过实测的手段对每一种因素进行独立研究，而仿真模拟是解决这个问题比较好的手段。本文采用的模型较全面地考虑了影响系统热力特性的各类因素，包括相邻房间的传热、水流在散热器中的流动延迟和散热器壳体的蓄热。模型通过了各种验证，能够反映实际情况，鉴于篇幅限制，具体内容详见参考文献[1]。
2.1 计算对象和基准工况
2.1.1 计算对象
在选择计算对象时，考虑到计算量的大小，在保证不同建筑位置的用户和各种房间类型均存在的前提下，尽可能减少相同类型的房间数。根据该μ，本文对北京市1栋满足1997年北京市住宅节能标准的4单元6层住宅楼进行了简化，取其中2个单元作为计算对象，且只考虑4层，层高为2.7 m，建筑计算模型如图1所示。围护结构热工性能见表1。通风参数的设定主要依据一些测试和经验数据[2]：房间与外界的换气次数为0.5次/h；房间与房间的夜间换气次数为0.5次/h(23：00~次日7：00)，其它时间为2次/h。设计供水温度为60℃，回水温度为45℃，室内空气设定温度为20℃。散热器类型为铸铝散热器，各房间散热器面积和各用户的设计水流量分别见表2和表3。
2.1.2 基准工况
为分析问题方便，首先设定1个基准工况，其它工况的输入和输出都以此为标准。基准工况的参数设置如下：室温监控房间为北卧，室内空气温度设定为20℃；散热器面积、流量采用设计参数；模拟时段为1月1 ～10日；整个模拟时段内供水温度恒定为60℃。
2.2 用户位置的影响
2.2.1 分析方法
一般来说，维持相同的室内空气温度，和建筑中间的用户相比，处于板式建筑端部和顶层的用户由于外墙、外窗等外围护结构面积的差异，实际耗热量要大些。若按阀门累计开启时间分摊热费，由于建筑端部和顶层散热器面积较大，会削弱这种由于用户位置不同带来的热费分摊差异。为定量分析这种影响，设计如下案例进行分析：以基准工况为基础，各用户设定相同温度(20℃)，并且都以北卧为监控房间，供水温度恒定为60℃，比较各不同位置用户热费的差异。由于耗热量乘以单价即为热费，热费的分摊实际是热量的分摊，本文在分析各种因素对分摊合理性的影响时将不对二者进行区别。同时，为了定量描述这种由于楼内所处位置不同带来的影响，引入“相对热量比”和“热量不均匀系数”来进行评价。
相对热量比定义为用户分摊的单位面积热量qi与最不利用户分摊的单位面积热量qmax 的比值，其中最不利用户指分摊的单位面积热量最大的用户，数学描述如下：
xi = (qi/qmax) (1)
当各个用户的设定温度、监控房间等初始条件完全相同时，最合理的热费分摊方法是热费的多少只与供暖面积有关，即各个用户分摊的单位面积热量应该相等，相对热量比应为1。
热量不均匀系数定义为楼栋内所有用户单位面积热量均方差和平均值的比值，数学描述如下：
2.2.2 模拟结果
图2为不考虑室内发热量情况下，建筑内不同位置用户按照阀门累计开启时间分摊热费和按照实际耗热量计量热费2种方式的比较。从图2a可以看出，对于采用阀门累计开启时间计量的方式，不同位置用户单位面积分摊的热费最大差异为10%左右，而对于采用实际耗热量计量，这种差异可达60%。同时还可以明显看出，中间位置用户所耗的热量普遍低于建筑端部和顶层用户。图2b给出了采用这2种计量方式的单位面积耗热量的不均匀系数，该参数表征着楼栋内各用户由于位置差异带来的热量分摊不均匀程度，采用阀门累计开启时间计量的不均匀系数仅为0.04，而按实际耗热量计量的不均匀系数达到了0.27，差异很大。按阀门累计开启时间计量的合理性明显优于按实际耗热量计量。带来这种改善的原因是对于建筑端部和顶层的用户，虽然实际耗热量大，但由于多安装了散热器，按阀门累计开启时间分摊热费的计量方式并不需要多分摊热费。
2.3 散热器面积偏差的影响
2.3.1 分析方法
以基准工况为基础，分别以位于建筑不同位置的101和202用户为研究对象，将其各房间的散热器面积依次变为基准T况的50%，60%，70%，……，150%，在其它输入条件均不改变的情况下，比较101和202用户热费的变化。
2.3.2 模拟结果
图3给出了101和202用户分摊热费随散热器面积偏差的变化，可以看出：1）用户分摊热费的变化并不与散热器面积偏差成正比，而是成左上凹的曲线，即散热器面积不足带来的影响要高于散热器面积过多带来的影响。值得注意的是，在实际工程中，散热器面积偏大的现象要比散热器不足的现象多得多。2）当散热器面积偏少10%时，用户分摊的热费将增加5%~10%，偏少20%时，分摊的热费将增加15%~20%；当散热器面积偏大30%时，用户 分摊的热费约减少15%~20%，偏大50%时，分摊的热费约减少25%~27%。即随着散热器面积的进一步增加，影响越来越弱。一般来说，散热器面积偏差在±20%之间变化是可接受的。实际工程设计中，通过精心计算，每户散热器面积的差异可控制在±10%以内。
2.4 供水温度偏差的影响
2.4.1 分析方法
供水温度的改变可能造成2个方面的影响：一是对各个用户自身的影响；二是是否会加剧或减弱楼内不同位置对热费分摊的差异。为回答这2个问题，本文设计如下案例：以基准工况的供水温度为基准，改变用户的供水温度偏差依次为-8，-6，……，8℃（由于热源的出口温度是统一的，故所有用户同时改变），在其它输入条件均不改变的情况下，进行模拟。上述2个问题的分析仅是研究对象不同，对于第1个问题，以单个用户分摊热费的相对变化来说明；对于第2个问题，以整栋建筑所有用户热量不均匀系数来评价。
2.4.2 模拟结果
1)供水温度偏差对用户个体热费分摊的影响
图4为各个用户分摊的热费随着供水温度变化的曲线，可以看出，各个用户变化的规律不尽相同，但总体变化量在±3%以内，说明在供水温度偏差由-8℃到8℃的变化过程中，单个用户所分摊的热费变化不超过6%。差异最大的是202用户，所分摊的热费增加了约4%。
2)供水温度偏差对用户整体均匀性的影响
图5给出了热量不均匀系数随供水温度偏差的变化，可以看出，在供水温度偏差由-8℃到8℃的变化过程中，热量不均匀系数基本没有变化，即供水温度的变化对楼内所有用户的热量均匀性影响不大。
2.5 供水流量偏差的影响
2.5.1 分析方法
用户流量偏差包括2种情况：一是某单个用户流量的改变对其自身分摊的热费造成的影响；二是楼栋总流量的变化对各个用户自身的影响以及能否改善由用户位置的不同所带来的热费分摊的差异。针对上述2种情况，本文设计以下2类案例：对于第1种情况，以基准T况为基础，以101用户为研究对象，将其流量依次变为基准T况流量的50%，60%，……，140%，150%，其在它输入条件均不改变的情况下，比较101用户热费的变化；对于第2种情况，同样以基准工况为基础，将所有用户流量依次变为基准工况流量的50%，60%，……，140%，150%，在其它输入条件均不改变的情况下，分析比较不同位置用户的热费分摊差异和整体均匀性。
2.5.2 模拟结果
1) 单个用户流量变化的模拟结果
图6为101用户在不同供水流量下的热费变化，可以看出，其变化和散热器面积偏差带来的影响类似，当用户流量偏少时，用户分摊的热费增加，并且流量偏少的程度越大，热费增加的越多，但两者之间不成正比关系，而是成左上凹的曲线，表明流量偏少的程度越大，其热费增加速率越大。相反，当流量偏多的时候，随着流量越来越多，热费减少的速率越来越小。当流量偏少10%时，其分摊的热费将增加5%，偏少20%时，分摊的热费增加9%，但当流量偏少50%时，对热费分摊的影响很大，热费分摊将增加42%。另一方面，当用户流量偏大时，对用户热费减少的影响却相对较小，当偏大10%时，其分摊的热费只减少了4%，当偏大30%时，其分摊的热费仅减少11%。值得注意的是，在实际情况中，多是由于水力耦合造成的用户流量增加。一般来说，流量偏差在- 20%~30%范围内变化是可以接受的。《采暖通风与空气调节设计规范》( GB 50019-2003)第4.8.6条要求计算压力损失的相对差额应控制在±15%以内 ，由于流量和压差是平方关系，也即流量差异要求控制在±8%以内。
2) 楼栋总流量变化的模拟结果
图7为各个用户分摊的热费随着楼栋总流量变化的曲线，可以看出，各个用户变化的规律不尽相同，但总体变化量在±6%以内，即当楼栋总流量的偏差由-50%变化到50%时，单个用户所分摊的热费最大变化不超过12%。差异最大的是202用户，约为10%。图8给出了热量不均匀系数随楼栋总流量偏差的变化，可以看出，当楼栋总流量的偏差由-50%变化到50%时，按阀门累计开启时间的计量方式的热量不均匀系数略有增加，但幅度不大，总流量偏差每变化10%，热量不均匀系数变化0.005。总体上讲，楼栋总流量的变化对楼内所有用户的热量均匀性影响不大。
2.6 用户分摊合理性测试分析
为了叙述方便，本文将同一建筑内不同位置的用户分为2大类，一类是位于建筑端部、顶层和底层的用户，称为“边角用户”，如图9中的阴影部分所示；另一类是完全位于建筑中间的用户，称为“中间用户”，如图9中的非阴影部分所示。
理论上对于户型相同的中间用户来说，可排除位置对热费分摊带来的影响。若用户都正常供暖，不考虑户间传热，则按照实际耗热量计量就是最合理的方法，因此检验按阀门累计开启时间计量是否合理就可以通过分析其与实际耗热量接近线性关系的程度来确定。图10为2008年3月28~31日期间，部分楼栋中间用户的阀门累计开启时间和实际耗热量的关系，可以看出，每栋楼中间用户单位面积耗热量与阀门平均占空比（阀门开启总时间与供暖总时间的比值）之间表现出了较为明显的线性关系（R2>0. 92，相关系数R表征数据的线性程度，R越大，线性度越好）。这一结果表明在复杂的实际工况条件下，按阀门累计开启时间分摊热费的方式总体上是相对合理的。
2.7 用户满意度调查
图11为供暖通断调节和计量示范过程中用户的满意度调查，结果表明，有65%的用户感到很满意，仅有5%用户感到不满意。而对选择一般和不满意的用户进行进一步的调查发现，大部分用户是由于在示范过程中，对调控原理和操作过程不清楚造成了误解或误操作。调查结果表明：末端通断调节与热分摊技术能够被用户所接受。
2.8 关于收费的讨论
在欧洲，目前普遍应用的热费收缴方法有3种[4-8]：第1种方法是直接按照用户所消耗的热量乘以相应的热价即为该用户应缴纳的热费（方法A）。第2种方法是首先计量楼栋总热量，按热价计算出楼栋供热总费用，再将其中的一部分作为固定费用（容量费），按各户的建筑面积或者散热器容量分配；而将另一部分作为可变费用（能量费用），按各户的用热计量值分配，随着楼栋总耗热量的不同，各户的固定费用也是变化的（方法B），这种方法目前在德国应用的较多。第3种方法是首先按照热用户的供暖面积或散热器容量收取一定的费用作为固定费用，不同于第2种方法的是其不随楼栋总热量的消耗而改变，可变费用是按各户的热计量值分摊楼栋总热费得到的（方法C），这种方法目前在韩国和瑞典应用的较多。
关于这3种方法，目前的争论很多。支持方法A的人认为：这种方法通过节能带给用户的收益最大，能够最大限度地提高用户节能积极性。不支持方法A的一部分人认为虽然方法A对刺激用户节能积极性最大，但是对于计量前供暖能耗较高的国家，由于用户的积极节能会使得能源消耗急剧减少，供热企业的收入显著下降，甚至会破产，难以被企业所接受。另外基于管网的能源供应需要复杂的基础设施，其投资和运行维护这部分费用是不会随着用户用热量的减少而降低的，所以应该有一部分不随用户用热量变化的固定费用。基于上述2条理由，相关人士提出了方法C。值得注意的是，目前我国的城市发展非常迅速，集中供热存在的主要矛盾是热需求过多而导致热源不足，不同于东欧的供过于求，因此热力公司由于用户节能所减少的热量可以供给新的热用户，不会存在破产或者效益下降的问题。尽可能提高用户节能的积极性来减少能耗对于我国来说是最重要的。另外，我国的热力设施同用电和用燃气一样。在建造时已经从用户那里按照供暖面积收取了容量费用，再按面积收取是不合理，也是不必要的。至于设施的运行维护，应注意到相类似的情况在用电和用燃气时同样存在，但用电和用燃气却没有额外收取固定费用。
还有一部分不支持方法A的人认为对于公寓式建筑，建筑端部和顶层会耗热较多，当邻户不供暖时，供暖户的热量会增加，因此提出了方法B以减少这种差异，使得计量能够被用户接受。从这个角度看方法B是合理的，也是可以理解的。按照时间分摊的方法在一定程度上会削弱位置不同对热费分摊的影响，但不能完全解决户间传热的问题，因此若类比方法B，采用楼栋总热费一部分按供暖面积分摊（削弱户间传热的影响），另一部分按阀门累计开启时间计量分摊，就能够达到既能被用户接受又能最大限度发挥用户节能积极性的目的。因此借鉴方法B的思路，即将按照楼栋消耗的实际热量计算出的总热费分成2部分，其中一部分根据供暖面积收取固定费用，另一部分采用本文所讨论的按照阀门累计开启时间来分摊热费的方式收取可变费用。这便是本文建议的热费收缴方式。
3 结论
本文通过仿真模拟手段对影响热费分摊的各个因素进行了定量分析。主要结论有：
1)用户散热器面积偏差在±20%范围内，流量偏差在- 20%~30%范围内（设计规范要求压差不平衡率控制在±15%，则流量偏差应控制在±8%范围内），供水温度偏差在“需求温度-8℃”到“需求温度+8℃”范围内变化，给用户带来的热费分摊差异在±15%范围内，是可接受的。
2)实际测试的每栋楼中间用户单位面积耗热量与阀门平均占空比之间存在较为明显的线性关系，表明在复杂的实际工况条件下，按照阀门累计开启时间分摊热费在总体上是相对合理的。
3)采用两部制收费方式，上述散热器面积、流量等因素的偏差对各户热费分摊的影响可进一步削弱，以上各因素的偏差可进一步放宽。
参考文献
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