基于单片机的热量计研究文献综述

文献综述

一、热量计的简介

本文基于单片机的设计的热量计，以我国供热的基本国情出发，适应我国的供热体制改革的需要，主要为了实现建筑节能，它主要包括，载热液体流量监测，进水口、出水口温度测量，有效数据显示等功能部件组成。热量计是基于MCS一51单片机，主要由流量传感器、温度传感器、单片机三部分组成。

二、热量计收费现状

我国城市集中供热收费的基本情况是，供热企业与供热用户根本没有计量仪表，仍按传统落后的建筑面积结算收费，既不科学也不合理。目前，我国三北地区城市供热面积很大，遍布多个个省、自治区、直辖市，形成一定规模。因此，城市供热如不进行计量并按热用户使用热量多少收费，就会造成能源浪费，投资增多，供热企业技术和管理水平低，供热效果不好，直至造成热用户拖欠热费，供热企业运行困难等严重问题。

在中国已经作为商品提供给用户的热量计，从应用状况上，分别属于或运行在四个层次水平上。

1.安装，通过试运行

在系统上安装热量计。目的仅仅是通过符合建设部规定的监察；使集中供暖的新建筑得以通过验收；或者作为增加新建筑促销时的卖点。运行中只要不堵塞，没影响供热；就认为时没问题的。几年前，很大一部分热量计处于这样一种运行状态。其实有问题尚未发现，仅此就认为时正常运行，很有可能留下巨大的隐患。

2.运行并观察显示安装上热表后，不定期地、间断地观察了显示读书情况；并不做计量、记录、分析和判断，仅作为未来的准备。如果这种运行状况下，已发现了问题（堵塞，流量计停转，无显示或明显错误显示等），可以认为这批产品的实际故障率可能是已发现的四倍以上。

3.系统计量运行

系统上安装了户用表和楼宇总表，定期观测显示数据，分析其合理性和可信度。一般在热量计试点工作中，时这种运行状况。能发现一些稳定性、可靠性发面的问题；但仍不足以对其精度（准确性），特别是长期运行的可靠性进行确切的评价。遗憾的是，一些试点的工作经验已发现：尽管送来参加试点工作的厂家已认真地挑选了认为是合格的产品；试点现场在安装运行条件上，也进行了包括安装前冲管、加过滤器、定期清污排渣，等等周到、细致的工作；国产的户用热量计故障率仍达到了30%以上！相同条件下，进口表确实表现了好的质量。

4.计量并作为收费依据在试点阶段，确有一些地方，认真地进行了包括实施按计量结果收费的工作。在热量计运行中，发现了用户表之间，和胡永彪与总表之间不合理的偏差过大的问题。由于任何一支户用表的故障率和误差斗湖影响到整个系统，而且必须在两个以上的供暖季结束后才能总结分析；这是对表的稳定性和准确性的双重检验。今后的若干年里，将逐渐形成：要求绝大多数的热量计，都必须在第四个层次上可靠地正常运行。显然，对于热量计的设计和生产者来说：你们的产品，是否有把握长期在作为计量收费依据的层次上符合要求？作为热量计的使用和管理者，应考虑你采购或监管的热量计，目的是什么？确实准备在哪一层次上运行，以及如何考核、确保在作为计量收费的依据的层次运行。

三、国内外研究现状及发展水平

国外，热量是以商品进入市场的。欧洲早在20世纪二十年代就开始进行按户计量，八十年代已全面实行集中供暖按户计量。美国到八十年代末期应用的热量计量仪表己达到250万台。七十年代末出现的能源危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事，促进了发达国家供热计量技术的长足发展。北欧国家规定其必须安装自动控制装置，以使用户能够充分利用自由热，提高舒适度。德国规定每栋楼必须安装热量计，每组换热器必须安装温控阀和热计量装置。在法国1980年公布的热计量收费法规中，也明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面积收费。收费方法也作了明确规定：生活热水按热水表计量收费，采暖热费则要分两部分收取，其中30～40％为按建筑面积计算，60～70％按消耗的热量计算。国外发达国家的集中供热系统均为变流量系统，其调节与控制技术先进，调控手段完善，设备质量高。我国早在1986年开始试行第一部建筑节能设计标准，但建设部2000年对北方地区的检查结果表明：真正的节能建筑只占到同期建筑总量的6．4％!不仅单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上，而且空调系统的能耗也居高不下。事实上，造成大量能源浪费的原因，除体制方面的原因外，还在于传统的按面积缴纳热费或冷气费的做法无形中纵容了高能耗的行为。高能耗造成了热费收缴困难等问题。由于我国热计量方面的研究处于起步阶段，存在一定程度上的盲目性与试探性，研究中出现了一些问题与争议，比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情?国外的热计量产品能否在中国完全适用?什么样的系统能够应用计量?面对我国如此大的市场需求，开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠，在达到节能目的的同时，满足舒适需要?等等，这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。近几年来，国内许多部门做了大量有效的工作，在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程，进行了有益的探索，取得了一定的成效。目前，国内不少单位根据建筑采暖必须计量收费的原则，已着手研究开发建筑节能技术和产品，引进、消化、研制相关的控制手段和仪表。天津、北京、哈尔滨等城市的供热单位已经以不同规模，不同供热计量方式进行了试验，并取得了可喜的成绩。比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等，都为下一步的研究提供了宝贵的经验。另外，热计量产品方面，一方面，国外大公司如：何德鲁美、Honeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场，另一方面，国内生产企业全面进入起步阶段，热计量产品的研制开发工作发展很快，己经有数家企业开发出类似产品。目前国外在供热工程中采用的热计量方式可分为4种，每种方式都有其自身的技术特点，成本效益各不相同。

a)方式A：楼栋热表

整栋楼的热耗由安装在热力入口的一块热量计计量，并以此计算整栋楼的热费，每户按面积分摊。本方法可用于各种供热系统。芬兰等国采用此方法进行供热计量。

b)方式B：热分配表

户内每个散热器的散热量由蒸发式或电子式热分配表计量，整栋楼安装热量计，每户的耗热量按照分配表的读数进行分摊。由于热分配表安装在独立的散热器上，对供热系统的管路形式没有特殊的要求。为了保证热分配表更好地工作，必须按照标准和生产厂家的要求确定其安装位置。在德国、瑞士、丹麦、奥地利、波兰等国家中，热分配表得到了普遍的应用。热分配表分为蒸发式和电子式两种。两种热分配表都是间接计量散热器的散热量，蒸发式分配表主要是通过计量蒸发液来计算散热器的散热量；电子式分配表则主要是通过采集散热器表面温度，并利用散热器散热量计算公式来计量散热量。电子式分配表有很多优点，如计量准确，不计量没有使用的散热器的热量，数据可以远传，消除了入户查表的麻烦。

C)方式C：热水流量表

整栋楼安装热量计，每个住户的耗热量根据安装在住户入口管道上的热水表计量的热水流量进行分摊。通常热水表安装在按户分环的双管系统中。韩国是惟一一个法定用热水表进行热计量的国家，由于该国国内普遍采用大流量、小温差的低温热水地板辐射供暖系统，所以按热水表计量的热水流量进行热量分摊精度很高。

d)方式D：户用热量计

户用热量计安装在按户分环系统中。户用热量计既可以作为热费分摊的计算依据，又可以直接用于供热单位与热用户结算热费。虽然上述4种方式都能用于计算用户耗热，但准确性、易用性和经济性却存在差异。计量准确度和价格由高到低排序为：方式D、方式B(电予式)、方式B(蒸发式)、方式c、方式A。国内试验的计量方法及仪表基本是采用了国外的计量方式A和计量方式C。同时也试验了我国提出平均温差法和变温差法。国内试验工程中使用的仪表有：叶轮式热量计、超声波式热量计、磁感应式热量计、蒸发式和电子式热量分配表。世界各国已经越来越重视按户计量收费，我国己在多个城市进行了按户计量的试验工程，一些城市己开始以各种手段促进这一技术的发展。

四、热量计原理

热量计算公式如下：

(1.1)

式中：Q释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

　　　ｑｍ流经热量计的水的质量流量（Kｇ/ｈ）；　　

　　　ｑｖ流经热量计的水的体积流量（ｍ３/ｈ）；

　　　ｐ流经热量计的水的密度（Kｇ/ｈ）；

　　　△h在热交换系统的入口和出口温度下，谁的焓差（J/Kｇ）；

　　　ｔ时间（ｈ）；

在热量计算公式中，(1.1)两个公式决定了两种不同的流量测量方法：一种是质量流量测量（焓差法）；一种是体积流量测量（热系数法）。质量测量的方法容易受到流体的腐蚀性、粘稠度等水质的影响，不适合中国的供暖条件的应用。在这里我们选用体积测量的方式来实现热量的准确测量，一次上边的公式也可以表示成（1.2）形式：

(1.2)

式中：V载热液体流过的体积（m3）；

θf热交换回路中载热液体入口处的温度（0C）；

θr热交换回路中载热液体出口处的温度（0C）；

K热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW/m30C）；

通过（1.2）公式我们可以看出，在这里流量传感器的的选择不仅决定了测量的准确性，而且直接关系到测量数据计算的复杂程度。通过公式我们可以看法出当我们选择的流量传感器为将流量转换成脉冲信号的时候，热量计量公式可以变换为（1.3）的形式，大大的缩减了计算的工程量。

（1.3）

式中：Q释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

V热液体流过的体积（m3）；

△T进水温度与回水温度的差（0C）；

K导热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW/m30C）；

而且，我们在测量温度时最好采用三线制桥式温度检测电路，与两线制相比，其消除了内引线电阻的影响，提高了测量精度。铂电阻具有电阻温度系数分散性小，精度高等优点，因此在热计量系统中得到了广泛的应用。

用户通常采用小型的，标准流量0.6立方米/小时的热量。这类仪表按照制作标准所匹配的温度传感器精度，在标准流量的情况下，采暖的给/回水温差在＜10K时为8%，当10K≤At＜20K时为7%，随流量的减小而误差将增大。

流量表多选用叶轮式流量表，如在法国和德国，叶轮式热量计的比例高达90%，但是叶轮式热量计在水中杂质较多时精度会受到较大的影响。叶轮式流量表，因为它体积小、质量轻、外形美观、耗电少、抗干扰性好、安装维护方便和价格低廉的有点，其测量原理和结构相对简单，对工作条件的要求相对不高。

五．使用软件

使用KEIL软件进行程序的编译，在集成开发环境里，包括项目管理器、源程序编辑器、汇编器、编译器、连接器、调试器等，我们可从建立设计象奴开始，然后编辑源程序、编译、汇编、链接，在进行调试。由于低端应用的需求，8位机本身的技术提升，8位位单片机在未来的嵌入式系统应用中仍有巨大的发展空间。

六．研究意义

1、降低能源消耗

进入九十年代以来，节能与环保成为我国的重要国策。据有关国家对德国热力系统调研，采用热量计可降低能源消耗10-30%。北京市1998年集中供热面积逾3000万，以节约10%计，可节约标准煤12万吨，价值22500万元。同时还可缓和城市燃料运输紧张的状况，减少对大气环境的污染。

2、有效地解决供需矛盾

热量计还可以缓解供热部门与用户的矛盾，热与不热以表为准，供热有据，同时便于节电节水合理供热，用户可根据自家的情况进行热量调节，避免浪费。

3、按量收费、公平合理

热量计的应用可有效地解决供热收费难的问题。热量计使供热收费有据，透明度强，用户一目了然，缴费的积极性自然会大大增强。

4、填补空白、推动供热市场

热量计的生产在国内仍是空白，技术落后于国外。由于旧的供暖视住宅面积大小收费，在当前形式下，我们共同研制开发热量计的生产技术的成功，为国内热量计开发领域填补了空白，该技术的投产应用必将带动新一轮的市场增长点，并推动热量计技术的不断发展和完善。总之，热量计的应用是一个崭新的，具有很强生命力的项目，前景深远。

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