摘要：本文概述了熱量表的熱量計量原理，并介紹了幾種具體的熱量計量方法，分析比較了各自的優(yōu)缺點,從而得出對溫度和壓力同時進行在線完全補償?shù)膋系數(shù)補償法具有較高的精度。同時簡要介紹了熱量表的測量系統(tǒng)的構成。
1.概述
長期以來，我國北方地區(qū)城鎮(zhèn)居民采暖一般按住宅面積而不是實際用熱量收費，導致用戶節(jié)能意識差，造成嚴重的資源浪費。顯然該計量方法缺乏科學性。而歐美等發(fā)達國家在八十年代初，熱量表的使用已相當普遍，熱力公司以熱量表作為計價收費的依據(jù)和手段，節(jié)能20％～30％。作為建筑節(jié)能的一項基本措施，國家建設部已將熱量計量收費列入《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)劃》：對集中供暖的民用建筑安裝熱表及有關調節(jié)設備并按戶計量收費的工作，1998年通過試點取得成效，開始推廣，2000年在重點城市新建小區(qū)推行，2010年全面推廣。因此，研制開發(fā)用于采暖計價的熱量表至關重要。
1988年，國際法制計量組織公布了世界上第一個國際性的標準文件：“OIML—R75國際建議熱量表”。1997年，歐共體正式通過了統(tǒng)一的熱量表標準，其代號為EN1434。這兩個文件給出了熱量表的定義及其計量原理、工作環(huán)境、計量精度等具體規(guī)定，從中可以看出先進的熱表，一般具有以下特點
1)總體精度達到OIML—R75規(guī)定的4級標準；
2)流量計部分的精度，誤差<3％；
3)溫度傳感器采用鉑電阻測溫元件，符合IEC—751標準并精確配對，當供回水的溫度差在6以內時，測量誤差<0.1；
4)積分計算儀具備熱焓和質量密度修正的功能或程序，誤差小于0.5％；
5)微功耗的設計，內藏電池可以連續(xù)工作5年；
6)設計結構緊湊，外觀精美，配套系列完整。
現(xiàn)在涌入中國市場的國外熱量表技術成熟，標準化程度高，但是價格相當昂貴。特別地，中國對熱量表的海量需求，研制開發(fā)低成本的、符合國際標準的熱量表勢在必行。然而，目前國產(chǎn)化的熱量表雖然成本較低，但是因其計量方法過于簡單，使得精度難以與國際接軌。本文概述了熱量表的熱量計量原理，并介紹了幾種具體的熱量計量方法，分析比較了各自的優(yōu)缺點，從而得出對溫度和壓力同時進行在線完全補償?shù)膋系數(shù)補償法具有較高的計算精度。而且，計算機技術的飛速發(fā)展，為該方法的實現(xiàn)提供了可能。
2.熱量計量原理
熱量表的定義為：適用于測量在熱交換環(huán)路中，被稱作載熱液體的液體所吸收或轉換熱能的儀器，熱量表用法定的計量單位顯示熱量。熱量表（熱表）又稱熱能表、熱能積算儀，既能測量供熱系統(tǒng)的供熱量又能測量供冷系統(tǒng)的吸熱量。
將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口或回流管上（流量計安裝的位置不同，最終的測量結果也不同），流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫度高低的模擬信號，而積算儀采集來自三路傳感器的信號，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。各元件的安裝位置如圖1所示。圖1.熱量表原理圖
傳熱量一般由流過該處流體的質量、比熱容和溫度變化等因素決定。對熱量表來說，進出口的焓值還與時間成比例。國內熱量表一般采用焓差法計算熱量。焓差法的傳熱公式如下：
（1）也可以表示為：
（2）式中，釋放熱量或；質量流量；進出口焓差；熱交換系數(shù)；時間；進出口溫差,；累積流量。
目前，國產(chǎn)熱量表的熱量計量方法基本分為如下幾種：
2.1直接焓差法
（3）式中入口與出口的定壓比熱容；入口與出口溫度下的載熱流體密度；入口與出口的溫度；瞬時體積流量。
通過計算同一時刻流入與流出用戶的熱能值的差，求得用戶獲得的瞬時熱量。該公式計算簡單，無須對溫度和密度的進行校正，只要根據(jù)實測溫度，查表求得等四個常數(shù)，代入公式（3）即可。顯然，溫度測量精度越高，數(shù)據(jù)表所占的存儲空間就越大，例如，若實測溫度最小單位為0.01，令溫度變化范圍為0～110,則所建數(shù)據(jù)表應以0.01為溫度間隔，存儲大約11000組數(shù)據(jù)。并且，對于實測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術，通過與其距離最近的點計算相應的焓值，從而得出瞬時熱量。如此，實現(xiàn)方法的簡單性，勢必帶來不必要的人為誤差。
2.2常系數(shù)焓差法
（4）式中，令定壓比熱容，視為常數(shù)；載熱流體的質量流量和體積流量。
該方法計算簡便，cp為常數(shù)，使得程序的計算量減少，而且計算速度大大加快。但是由于流體的密度是溫度的函數(shù)(如表1所示)，所以必須對密度進行溫度修正，否則會有較大計算誤差。例如，設流量計安裝在入水口，設定=965.531(t=90),則當入水溫度在40~110變化時可產(chǎn)生的最大誤差為：在1atm下，當溫度在之間變化時，水的定壓比熱的變化量約為20的定壓比熱值(4.1868kg/m3)的1%。當供暖系統(tǒng)的入水與出水的溫差較小，且相對穩(wěn)定時，該方法可直接用于戶用型熱表熱量計量的計算公式。但是，常系數(shù)焓差法的溫度適應性較差，不能對進行在線溫度補償。尤其當入回水的溫差較大時，其計算誤差較大，不適于作為戶用型熱表的熱量計算方法。
表1.壓力為10bar時水的密度隨溫度的變化情況
t()405060708090100110
(kg/m3)992.654988.435983.574978.091972.101965.531958.589950.808
2.3分段式k系數(shù)法
（5）式中，是熱交換系數(shù)，當壓力一定時，它隨溫度而變化，將其按回水溫度進行分類：
該方法將熱交換系數(shù)量化為三個分段常數(shù)，在一定程度上對其進行了溫度修正，并且熱量計算方法簡單。式中三個常數(shù)的確定非常關鍵，應保證熱量計算誤差在儀表精度允許范圍內，但是實際上是憑經(jīng)驗來確定，而且因溫度區(qū)間劃分較粗，溫度適應性依然較差，當溫度變化范圍較大時，產(chǎn)生明顯的計算誤差。因此，分段式k系數(shù)法僅適用于對熱量計量的精度要求不高或入回水溫度變化較小，溫差變化也較小的情況，例如，供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，用戶間的相互影響小的建筑。例如樓層數(shù)不高住宅區(qū)，由小型熱力站單獨供熱的單幢建筑，供回水系統(tǒng)分戶獨立的住宅建筑等。
以上無論是焓差法抑或分段式k系數(shù)法都可以達到一定的精度，但是其計量方法和計量的精度均達不到OIML—R75國際規(guī)程和EN1434歐洲標準等國際標準的規(guī)定。
2.4系數(shù)補償法
系數(shù)補償法，引入以比溫度和比壓力為自變量的吉布斯函數(shù)，定量分析了溫度和壓力對系數(shù)的影響。系數(shù)補償法實現(xiàn)了熱系數(shù)的在線溫度和壓力補償，大幅度提高了熱量計量的精度。OIML—R75國際規(guī)程和EN1434歐洲標準都對熱系數(shù)如何計算有明確的說明[]。
在載熱介質一定的熱交換回路中，熱系數(shù)是壓力，溫度的函數(shù)，可以按下式計算：
(1)式中，（入口溫度或出口溫度下）載熱流體的流量；入口溫度，出口溫度；某溫度下的定壓熱容。
為簡化計算，引入如下參數(shù)：
(2)式中，比溫度；比壓力；比自由焓，即吉布斯函數(shù)（Gibbsfunction）。
分別為載熱介質為水時選取的參考溫度，參考壓力，參考容積，（參照IFC-1967）。
由式（1）、（2），并引入相應的比參數(shù)，熱系數(shù)為：（3）或（4）其中(or)（5）根據(jù)吉布斯函數(shù)及其導數(shù)，由式(3)或(4)以及式（5）即可得到不同溫度、壓力下的熱系數(shù)。熱量表的實際工作環(huán)境近似于定壓狀態(tài)，如果溫度或進出口的溫差一定時，熱系數(shù)基本保持不變[]。因此，我們可以認為吉布斯函數(shù)僅是溫度（入水與回水溫度）的函數(shù)。溫度和流量分別通過溫度傳感器和流量傳感器來測量。
3.傳感器
3.1溫度測量系統(tǒng)
溫度敏感元件采用鉑電阻Pt500或Pt1000，在的溫度范圍內，鉑電阻的阻值與溫度的關系式為：
顯然，由Pt電阻的阻值很難直接求解出溫度值，可以使用表格法和線性插值法進行溫度的標度變換。即將測得的電阻值與表格內電阻值進行比較，直到時停止比較。此時所對應的溫度值為所測溫度的整數(shù)部分。而溫度的小數(shù)部分。
3.2流量傳感器
流量傳感器選用渦輪式流量計。渦輪式流量計精度高，一般可達到指示值得0.2%~0.5%,而且在線性流量范圍內，即使流量變化也不會降低累積精度。當載熱流體沖擊渦輪時，磁電轉換裝置把渦輪轉數(shù)轉換成電脈沖。單位時間內的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)反映瞬時流量和累積流量。測量時將來自流量計的脈沖信號經(jīng)脈沖整形電路后成為具有一定幅度的矩形波信號，然后接入微控制器的I/O口，并進行計數(shù)。
首先標定出流量計的脈沖當量系數(shù)N(升/脈沖)。若單位時間的脈沖數(shù)為m,則瞬時流量為
當渦輪式流量計使用時的溫度和校驗時的溫度懸殊時，要將常溫下校驗的儀表常數(shù)加以修正，其具體的修正公式為
式中:使用溫度下的儀表常數(shù)；校驗溫度下的儀表常數(shù)；渦輪材料的溫度膨脹系數(shù)；機殼材料的溫度膨脹系數(shù)；使用時的流體溫度；校驗時的流體溫度。載熱流體的流量也可用標準孔板測量。
4.結束語
國內熱量表熱量積算的方法多種多樣，而歐洲熱量表的熱量積算儀一般采用系數(shù)補償法。隨著中國加入WTO，熱量表生產(chǎn)走向國產(chǎn)化的同時應注意與國際標準接軌，只有這樣才能取得長足的進步。
