基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术介绍

目前，我国北方城镇建筑供暖用能折合标准煤为1.3亿t/a，占我国总的城镇建筑用能的52%，是建筑用能的最主要部分，同时与发达国家相比，我国单位面积供暖能耗是同纬度国家的2～3倍，因此供暖节能应是我国建筑节能工作中潜力最大、最主要的途径^[1]。进一步追究我国供暖能耗偏高的原因主要有两个方面：一是建筑围护结构保温性能较差，外墙和外窗的传热系数是北欧国家的1～2倍，这就使得在满足同样室内温度的条件下耗热量大1～2倍；二是系统调节不好，目前多数供暖系统没有末端调节手段，即使有一些调节手段，也操作不便，导致用户不能调或不会调，更重要的是由于按面积收费的方式使得用户没有积极性不想调，由于系统调节不好损失的热量占建筑实际需求热量的15%～40%（如图1所示）。

图1 建筑供暖耗能分析

研究发现，上述问题得不到解决归根到底是由于我国集中供热系统按面积收费，因此为推动建筑节能，近10年来我国各级政府投入大量资源进行热收费体制的改革，对各种按热计量收费方式进行了实验，但由于目前已有的按热计量方式在技术、经济、社会可接受性等方面均存在着一些问题，至今仍没有出现真正大规模计量收费改革成功的案例。仔细分析这些方法，发现其研究的核心都是如何让收费更公平合理，而对调节所谈甚少。但是集中供热改革的目的是促进建筑节能，主要手段就是通过按照热量收费使保温好的建筑通过减少耗热量而减少热费，从而激励新建建筑做好保温和对既有建筑进行改造；通过按照热量收费使使用者在室温偏高时不是开窗降温，而是关小暖气，以节省热量；同时，鼓励使用者适当降低供暖时的室内温度，在室内无人期间，尽可能关闭暖气或调低室温，从而降低热量消耗。因此其中的关键问题是改善室温调节，避免用户过热和开窗，而计费改革是促进用户行为节能的手段。因此本文将从改善室温调节的角度出发，阐述基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术。

目前我国供暖系统不管是分户成环的水平系统还是垂直系统，基本都是采用单管串联的方式，而连续变流量调节（通过改变阀门开度调节循环水流量的大小，从而改变进入室内的热量）是目前供暖系统末端最普遍的调节方法，但是研究和实践均表明，在散热器串联的状况下，仅改变水量时，会使得各个散热器的散热量变化差异较大：流量过小会导致系统前端热、末端凉，流量过大则会导致系统前端凉、末端热，供热极不均匀。若每组散热器单独安装，不仅投资较大，而且阀门易堵塞，同时由于调节的滞后，室温控制精度不高，易受负荷、供水温度、供水流量变化的影响。而通断调节可能是解决这种串联系统调节问题的一种理想方式，接通时，整个系统大流量运行，保证各散热器散热量均匀，通过改变供热的时间控制各房间的室温，从而实现所有房间的室温调控。

目前在空调系统中有一种常见的偏差通断调节方式，其阀门只有通和断两种状态，即以室内设定温度为中心设置室温偏差范围，当温度高于设定温度十偏差值时，阀门关断，停止供热；当温度低于设定温度一偏差值时，阀门开启，开始供热。这种方式若直接应用于散热器供暖系统，由于建筑物的巨大热惯性，调节容易滞后，室温控制精度低。

在实施本技术初期，首先通过理论比较目前已有室温调控方法各自的特点，发现无论是连续变流量调节还是偏差通断调节，均不能很好满足该技术的要求，进而提出根据室内实际温度和设定温度之差，按照智能算法计算出单个周期内阀门开启占空比（阀门开启时间比控制周期），并按照该占空比控制阀门通断的智能通断调节方式，其原理如图2所示。

   
图2 智能通断控制原理图

与连续变流量的调节方式比，智能通断调节方式在散热器串联的情况下，只采用通和断的方式可使一个住户单元中的各个散热器的散热量均匀变化，有效避免由于流量过小导致的前端热、末端凉的现象和由于流量过大导致的前端凉、末端热的现象。只要各组散热器面积选择合理，就可以在各种负荷下都实现均匀供热。

偏差通断调节方式由于受建筑物惯性的影响，调节容易滞后，室温在温度上限和下限间来回波动，控制精度低，并且传感器放置不当或出现故障时容易造成阀门频繁动作，在实际工程应用中受到一定的限制。与偏差通断调节方式相比，智能通断调节方式由于带有智能预测功能，只要调节算法适当，可有效避免调节滞后问题，控制精度高，同时，阀门在一个周期内至多动作一次，避免了频繁启停。

智能通断调节方式的核心技术是其内部的智能控制算法。为了得到合理的智能控制算法，以保证室温控制的精度和算法的适应性，在研究过程中建立了水流、散热器本体、建筑本体动态的传热模型，对各种算法进行了室温控制效果模拟，最后筛选出控制精度高（模拟室温控制在±0.5℃），稳定性、鲁棒性都很好的最优算法。

图3是某住宅以调节周期为30 min(即30rmn阀门至多动作一次)、恒定供水温度60℃，采用通断控制的室温模拟结果。可以看出，在模拟的一周内室温波动基本控制在±0.5℃之内（设定温度18℃），一周内阀门的累计开启时间比（即阀门开启的时间比热入口热量表的总计量时间）为0. 15。

   
图3 通断控制的室温模拟结果

与此同时，还利用该模型进一步对智能通断调节、偏差通断调节以及常见的散热器温控阀流量连续调节3种控制方式同一初始条件下的室温控制效果进行了模拟，结果表明：

1)智能通断调节的室温偏差基本控制在±0.5℃，并且对热媒温度变化和流量的变化都有很好的适应性，鲁棒性较好；

2)偏差通断调节由于受建筑物惯性的影响，调节容易滞后，室温频繁在温度上限和下限间来回波动，并且不同程度地超出设定偏差，同时阀门频繁动作；

3)温控阀连续变流量调节由于其变流量调节范围在设定温度以上，室温控制精度不高，并且受负荷、供水温度、供水流量影响较大。

综上所述，智能通断调节方法应该是单管串联系统的首选调节方法。

智能通断调节方法是根据用户当前设定温度和实际温度之差，按照某个算法计算一个周期内(如30 min)阀门的开启占空比，进而按照该占空比控制下一个周期内阀门的开关。在实际操作中，由于所有用户阀门的开启时间集中在一个周期的前半段，所有用户阀门关闭的时间集中在后半段，这就使得阀门动作一致性的概率大大增加。如图4所示，某干管上有3根立管，每根立管有6个用户，以立管1为例，当控制周期为30 min，各个用户的阀门占空比均为0.5时，如果阀门动作的起始时刻相同，则下一个周期内的前15 min (30 minX0.5)内6个用户的阀门同时开启，后15 min阀门又将同时关闭（如图5所示），如果3根立管状态一致，则整个系统水力工况严重恶化。

1室温通断控制阀
图4 通断控制装置安装示意图

注：阴影部分代表阀门开启，空白部分代表阀门关闭，T代表一个控制周期
图5 智能通断调节模式下水力工况示意图

为了解决水力工况问题，提出一种控制周期交错的水力均匀性方法。其基本原理是：

1)依据某个参数按照一定的方法固定错开各个用户热入口通断控制阀门的起始时刻，使得各个用户的阀门开启时间和关闭时间互相错开，在时间上保证用户的水力均匀。如图6所示，时间轴t下方代表立管1的总流量，当错开各个用户的控制周期后，在任何时刻均只有3个用户的阀门全开，避免了图5所示在每个周期的前半段6个用户阀门均打开，后半段6个用户阀门均关闭导致的流量剧烈变化。

注：同图5。
图6 控制周期交错的水力均匀性方法示意图

2)为保证空间上的均匀以及操作上方便，在实施时以立管为依据，即只考虑同一根立管上用户错开即可，不同立管之间的起始时刻可以一致，从而使得关闭用户和开启用户在空间上分布均匀。

这种在时间和空间上均使得用户阀门控制周期交错的方法，保证了智能通断调节系统水力工况的稳定。

   
图7 通断控制装置及热分摊技术原理图 

通过上述的分析研究，提出了如图7所示的末端通断调节与热分摊系统，整个系统由通断调节阀、温控器、热量表组成。具体工作过程如下：在每一户的代表房间放置温控器，它可通过无线通讯控制该户的通断调节阀。使用者可通过温控器设定需要的室温，温控器根据实测室温与设定值之差，确定在一个控制周期内通断调节阀的开停比，并按照这一开停比控制通断调节阀的通断，以此调节送入室内的热量。温控器同时还记录该户的实际通和断的累计时间，从而得到一个供热时段内的累计接通时间。各户可按照供暖面积与各户的接通时间之乘积来分摊总热量，确定各户应缴纳的热费。

具体分摊公式如下：

式(1)，(2)中q_j为分摊给用户歹的供暖耗热量；α_j为用户j入口阀门的累计开启时间比；F_j为用户j的供暖面积；Q为楼栋入口的热量表计量的热量；T_open,j为用户歹入口阀门的累计开启时间；T_o为楼栋入口热计量的累积时间。

由于每栋建筑按照热量计量收费，从而可以激励新建建筑的保温和既有建筑的节能改造。用户调低室内温度设定值，温控器会相应减少开停比，从而使该户的累计接通时间缩短，进而减少分摊热量的份额。用户开窗通风，会使室温降低。温控器为维持要求的室温，就会加大开停比，增加接通时间，这就增大用户分摊的热量份额。因此这也可以作为抑制开窗通风的经济手段。当住户外出时，可以把温度设定值降低，以减少接通时间。但只要在温控器中限制最低设定温度（例如12℃），就可以实现住户不在期间室温维持预定的最低温度，而不是完全关闭散热器，这就大大削弱了户间隔墙传热。由于是按照供热面积与累计接通时间的乘积分摊热量，顶层和端部单元按照设计会多装散热器，所以也不需要多分摊热费。这样，分户计量收费改革的各项目的用这一方法都可以实现，而所出现的相应问题和改造费用却大大减少。

如图8所示，整个末端通断调节系统由手持式操作器（简称手操器）、室温遥控器（简称遥控器）、室温通断控制器（简称控制器）、无线转发器（简称转发器）四部分组成，它们之间全部采用无线射频通讯，遥控器和手操器由锂离子电池供电，控制器和转发器由交流220 V或交流24 V电源供电，具体各部分功能如下。

   
图8 末端通断调节系统组成

2.1.1 手操器功能

手操器主要用于完成系统维护以及数据读取、清零，通断控制器地址设定等工作，这些工作均不需维护人员入户，在通断控制器的射频范围内就可以随时进行。手操器由锂离子电池供电，当电池电压不足时，手操器会间断发出警示音，提示维护人员及时更换电池。

2.1.2 遥控器功能

为削弱邻室传热的影响以及避免室内结露，遥控器限定最低设定温度12℃，在12～25℃ 之间用户可以任意设置温度，同时遥控器自动测量房间温度，并且每隔一个周期将这两个温度值发送给通断控制器。其面板液晶显示屏实时显示设定温度、实际温度、信号强度、地址以及阀门累计开启时间比（阀门累计开启的时间比供暖计量的总时间）。遥控器由锂离子电池供电，正常情况下，可以连续使用3年以上，当电池电压不足时，遥控器会间断发出警示音，提示用户及时更换电池，当和通断控制器通讯不上时液晶屏显示提示信息，从而避免阀门常开使得用户热费增加。另外遥控器在首次使用前需进行对码操作，以便同特定的通断控制器建立联系。

2.1.3 控制器功能

控制器主要有两个功能，一是通过接收遥控器发来的温度信息，按照内置的算法控制阀门的通断，从而控制室温；二是对运行数据进行双备份保存，防止不正常断电丢失数据。另外控制器还可以同手操器通讯，完成数据读取和清零等维护操作，其在首次使用前应进行地址设定，以获取唯一的身份。

2.1.4 转发器功能

转发器主要用于由于控制器和遥控器因距离较远，或楼内结构复杂而无法可靠通讯时转发数据，即通过接收遥控器数据转发给控制器，同时将控制器的反馈数据转发给遥控器。在转发器的支持下，通讯距离得到明显的延伸，并且一个转发器可以支持多个遥控器和控制器之间的数据转发。

具体工作过程如下：遥控器在每个控制周期(0.5 h)自动将用户设定的房间温度和实际测量的房间温度无线传输给控制器，控制器经过其内置控制算法计算后，得到一个介于0～1之间的阀门瞬态开启时间比（该周期内阀门开启时间比控制周期），并依此瞬态开启时间比对阀门进行ON-OFF控制，从而控制室温。同时，通断控制器自动记录其累计开启时间比。

为了保护用户的用热安全性以及防止部分用户人为采取某些措施进行窃热，在出现故障时控制器采用表1的处理方式。

除产品开发过程中对天线效果、设备可靠性等进行了试验、测试外，在设备投入运行前，还利用水箱模拟建筑散热过程，搭建了模拟试验台，对控制器、遥控器、手操器等设备运行进行了测试。迄今为止，各设备可靠性得到了实际工程的检验，效果良好。另外在硬件的研发和嵌入式软件的编写过程中，设计人员关注于整个系统的实用性、稳定性与经济性，在满足功能性的同时，大幅度地降低了硬件的成本以及设备的运行、维护成本。

表1设备故障处理方法

1)连续变流量调节方式不能满足单管串联系统的调节要求，通断调节是适应该系统的一种很好的方式，可避免流量连续调节因流量过小而引起的失调问题。

2)提出了一种通过错开用户控制周期改善智能通断调节带来的水力工况恶化的方法。

3)提出了基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术，在调节的同时，按照各用户累计阀门开启时间和供暖面积进行热费分摊，并成功开发出相关设备，从而为推动供热计量改革提供了一种新的途径和措施。

4)基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术，可有效促进建筑保温，避免用户开窗和过热，其分摊方式易于被用户接受。

5)末端通断调节与热分摊技术集调节和计量于一体，同时由于仅进行通断控制，可靠性较高，并且改造简单，成本低廉，避免了传统热计量方法需要对供暖系统进行复杂改造以及增加大量温控阀、热分配表从而造成成本高的弊端，有利于推广应用。

6)开发出适应该系统的一系列设备，从功能角度充分保证了供热安全性和防止人为窃热以及工作的可靠性。

[1] 江亿．我国供热节能中的问题和解决途径[J].暖通空调,2006,36(3)：37-41

[2] 刘兰斌，江亿，付林．对基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术的探讨[J].暖通空调，2007，37(9)：70一73

[3] 刘兰斌，江亿，付林，等．基于分栋热计量的末端通断调节与热分摊技术的应用测试[J].暖通空调，2007，37(9)：140-143