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摘要】 本文分析了住宅供热采暖系统采用温控和按热量计费技术的节能潜力，分析了适合我国国情的具有按热量计量功能的住宅室内采暖系统方案和室外供热管网水系统变水量控制方案，介绍了与供热系统温控和热计量相关的控制产品，总结了在此领域所做的技术研究成果和示范工程，提出了今后急需解决的主要问题，探讨了按热收费的主要原则，阐述了与我国住宅建筑采暖计量收费相适应的室内采暖系统和室外供热管网水系统的设计原则。
一、概论
1.供热系统现状
1)采暖能耗巨大
我国地域广泛，人口众多，房屋建筑规模巨大，而且，住宅建设正处于快速发展阶段。同时，我国能源紧缺，采暖用能十分巨大，目前的采暖用能约点全国商品能源总消耗的10%，采暖的高能耗不仅造成资源的消耗，而且还成为大气污染的一个重要因素。
2)采暖能耗浪费
由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，管网输送效率低，缺乏控制与节能手段，普遍在低负荷、低效率下运行，实际供暖面积平均只有设备能力的40%左右。同时，用户节能意识差也是浪费的主要原因。我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3倍左右。
3)室内热环境差
发达国家通常室内保证温度是22℃，我国仅为16℃，而且我国的供热品质很差，室温冷热不匀，系统热效率差，没有计量末端能耗的手段，用户不能自行设定和调节室温等等。
2.技术措施
建设部于1995年12月修订了“民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)JGJ26-95”，目标是在1980/1981年当地通用设计的基础上节能50%。标准提出的目标应通过以下几方面实现：
改善围护结构保温性能，提高门窗密封性；
提高管网输送效率；
推行温控技术，作到用户室温可以控制调节；
推广应用用热计量收费技术，促使用户自觉节能。
建设部已将集中供暖的民用建筑按热量计费列到了全国建筑节能“九·五”计划和2010年规划的发展目标，把建筑按户计量和温控技术及供热管网调节控制技术做为今后研究开发的主要内容。根据发达国家的经验，采取供热计量收费措施，即可节能20～30%。
3.国外经验
国外，特别是在北欧国家，从70年代能源危机以来，十分重视建筑节能工作，并制定了有关政策、法规，以及相配套的技术措施，特别对采暖系统安设自动控制装置，以使用户能够充分利用自由热，提高舒适度，提出了明确的要求，并且普遍采用计量热量收费制度，取得了良好的节能效果，计量与温控技术业也已日臻成熟。
国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，调控手段完善，设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵，差压控制器，电动调节阀，气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一整套成熟的供热系统运行模式。对于多层公寓式居住建筑，其室内采暖系统主要采用垂直双管或水平双管中央供暖系统以及80年代随着温控技术的发展而采用中央分散型水平单、双管系统(即所谓CIC系统)，不管哪种系统，每个荼热器进水管上均装有散热器恒温阀，用户可按需要，设定室内温度。通常在双管系统的每根立管上安装一个压差调节器及自动平衡控制阀。近几年随着东欧国家供热系统实行计量收费制度，针对单管系统改造开发恒温阀，使水平单管系统得到迅速发展。
集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势，是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家已采用这一措施外，东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖按热量计费的相应技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技术更加可靠和准确，整个采暖热量计费装置向小型化，计算机化发展。
二、温控与计量产品
1.热表：
热表就是计量热量的仪表，它是能够测量热水的流量与供回水温差，计算二者乘积并进行累计的仪表。热表由一个热水流量计、一对温度传感器和一个积算仪的组成。一般都显示输出总耗热量、总耗水量、即时热流量、即时水流量、供回水温度、温差、平均温度等参数。其技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、寿命与可靠性，自备电源或电池等。
目前国内已经有多家单位已经或正在开发热量表，已经有国内外产品役入到了工程实践，该仪表的特点和应用难点是：价格较贵，安装复杂，应有各要求的量程范围较大，低流速下的准确度要求高，长期应用和水质恶劣等因素要求仪表的可靠性与适应性要高，电器元件低功耗以延长电池寿命等。
另外，实行一户一表的计量方式需要对管道系统的布置进行深入探索。
2.热量分配表
热量分配表是通过散热器平均温度与室内温度的差值的函数关系来确定散热器的散热量。热量分配表可以用来结合热表来测量用热顺向房间散发出的热量：只要在住户中的全部散热器安装了热量分配表，结合楼入口的热量总表的总热量数据，就可以得到该户全部散热器的散热量。
使用方法是：在公共供热系统中，在每个散热器上安装热分配表，测量计算每个住户用热比例，通过总表计算热量；在每个供暖季结束后，由工作人员来读表，根据计算，求得实际耗热量。
目前此种仪表在天津等地有一定规模的应用，该方法的特点是：价格较低，安装方便，但是不能直观读取数据，不同散热器与蒸发量的关系需要大量的 标定工作，热量表的安装位置、周围环境等多种因素影响其准确性，等等。
国外公司很少有直接销售热量分配表的，通常是要配套计量服务，这一点在国内是否接受还有待探讨。
3.散热器恒温阀
散热器恒温阀是安装在散热器上的自动控制阀门。可以保证稳定舒适的室温，控制元件是一个温包，内充感温物质，当室温升高时，温包膨胀使阀门关小，减少散热器热水供应，当室温下降时过程相反，这样就能达到控制温度的目的。散热器恒温阀还可以调节设定温度，恒温阀会按设定要求自动控制和调节散热器的热水供应。
目前国内外散热器恒温阀在国内应用实例很多，取得了一定的节能效果与经验。国内有厂家生产散热器恒温阀，在防泄露、温包感温介质的密封、阻力预设定功能、可靠性等方面还有欠缺；国外产品在价格以及产品如何适合中国系统方面还有欠缺。
在目前安装散热器恒温阀的建筑中，温度的垂直失调能够普遍得到解决，系统能够正常运转并且实现室内温度控制，但是由于按热计费还没有真正实行，用户没有足够的节能意识去主动调节设定温度，甚至通常是将阀门设定在最高温度点，因此对于应用散热器恒温阀能够节能多少，动态调节对于外网影响多少等方面尚缺乏实践效果，系统如何去匹配和控制，以及设计方案还不够成熟。
4.气候补偿器
气候补偿器可以根据室外气候温度变化，用户设定的不同时间的室内温度要求，按照设定曲线求出恰当的供水温度，自动控制供水温度，实现供热系统的供水温度的气候补偿，也可以通过室内温度传感器根据室温调节供水温度实现室温补偿，还有限定最低回水温度的功能。
气候补偿器的主要功能应用在两个方面：
一是我国集中供热缺乏量化管理，司炉工凭感觉、凭经验烧锅炉。散热器、锅炉等供热设备是按照设计工况进行选型的，通常情况下，室外温度蒿于设计温度点，如果不能及时根据室内外情况调节出力，必然会造成浪费。气候补偿器正可以针对这一点，根据回水温度与室外温度，随时控制出水温度，简单、准确的实现动态质调节；
一是我国的供热采暖系统多为直联系统，无论建筑物的类型和功能均统一24小时供热，例如公共场所、办公建筑无人时间照常供热，因此造成了很大的浪费。利用三通混水阀或小型热力站，就可以将系统分割开来独立控制。在一些公共场所，利用气候补偿器时间编程的功能设定不同时间段的不同需求温度，大幅度地实现节能。这种方式在新疆等地区已经得到了应用，产生了良好的效果。
目前由于气候补偿器应用较少，尚无国内产品出现。
5.自力式流量调节阀、自力式压差调节阀、自力式温度调节阀
自力式差压调节阀和自力式流量调节阀原理相同，都是根据测压点的压力变化自动调节阀芯位置，达到恒定流量或是恒定压差的作用。
在供热系统末端安装恒温阀等控制元件后，动态地调节势必会给系统带来波动，系统稳定性受到影响；影响其它末端设备工况的同时，也影响水泵、锅炉等中央设备的出力、效率等工况。因此需要这种自力式控制设备来增强系统稳定性。
6.平衡阀
平衡阀在我国开发应用已有比较长的时间了，简单地说，平衡阀是一个可以测出流量的调节阀。在我国水力失调非常严重的现状下，平衡阀有很大的节能效果和推广价值。对于温控与计量的动态调节系统，平衡阀是调节系统平衡与稳定性，达到控制设备发挥应有作用的一个关键设备。
7.变频水泵
变频水泵的作用是根据系统阻力、水量变化，改变转速，调节出力，使水泵始终在较高的效率下工作，降低耗电量。这对当前推广的动态变流量系统是十分重要的。
8.其它设备
其它设备有诸如组装式热力站、三通混水阀等为系统分段分区控制、动态变流量调节的重要设备。
三、室内供暖系统方案
近几年来，为实现民用建筑节能第二阶段节能50%的目标，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，进行了有益探索，取得了一定成效。当前集中探索和实践的系统形式主要有以下三种：
1.垂直单管加旁通管系统(新单管系统)
见附图。
国内的住宅室内采暖系统主要是垂直单管系统，旧有的单管系统无法实现用户自行调节室内温度，因此在试点中被改造成单管加旁通跨越管的新单管系统。旁通管通常比立管管径小一档，与散热器并联，在散热器一侧安装两通的散热器恒温阀，或是直接安装三通的散热器恒温阀。
新单管系统使用的散热器恒阀要求流通能力大，不需要预设定功能。两通形式的散热器恒温阀安装改造方式比三通形式要容易得多，价格也相对便宜。
多数的节能试点实验了这种新单管系统，得到了解决垂直失调，实现室内温度调节，降低不同朝向房间温差等结论。
主要探索问题可以分成四部分；
1)基本单元
新单管系统的最基本单元由一组散热器、供回水管和旁通跨越管组成，其水流分配、阻力情况、热力工况与原来的旧系统有很大的不同。通过试验、测试与理论计算，以对此基本单元温度调节性能、水力、热力工况的改变进行研究探索。
2)立管单元
由多个新单管系统单元垂直串联组成的一个立管单元，其水量分配、阻力情况、热力工况与原来的旧系统立管也有很大的不同，特别是当其中的某些散热器恒温阀进行调节的时候，对立管流量、阻力会产生影响，其水力、热力上的变化程度、采取什么办法减小对未调节单元的影响、以及不同基本单元个数(楼层数)的不同影响需要进行深入研究，目前较普遍的结论采用的是立管安装自力式定流量阀。
3)入口单元
由多根新单管系统立管单元组成了新单管系统热网入口单元，各种可能的工况对供热外网会有很大的水力热力工况上的改变，带来的水力、热力方面的影响，直接影响热源外网的运行工况。采用何种控制手段来匹配动态系统，也是目前正在探索的主要问题。
4)热量计量方式
针对公寓式住宅，普遍采用建筑入口设大量程的总热表，每户的每个散热器上安装一个热量分配表，以分配表的读数为依据，计算每户所占比例，分摊总表耗热量到各个用户。
新单管和双管系统的热计量通常都是参照国外的做法，用入口的总热表结合每个散热器上的热量分配表的方式。这样就须开发质量高、价格适中的热量表和热量分配表，同时还须建立散热器热量分配表的标定装置和制定热量分配表耗热量计算法则，并通过一定的法规确定下来。有些示范工程就是以这种方式进行热计量的。
采用在每组散热器上安装热量分配表的方法，优点是分配表的价格低廉，对建筑内供热管道的分布没有特殊要求，但是其安装、围护、试验测试等过程非常烦琐，不能直接测量实用热量，各户实际用热值需经过复杂的计算才能得出，管理较复杂。另外，根据国情，目前尚难以避免热量分配表在使用过程中的人为损坏、拆卸，还存在用户对蒸发器作弊的可能性。
2.垂直双管系统
见附图。
双管系统在国内也占有重要的份额，具有良好的调节稳定特性，供回水温差大，流量对散热量的影响较大，容易控制温度，改造工作量较单管小，恒温阀需要预设定。
双管系统温度控制技术在国外较为普及，技术成熟，但是中国的采暖系统的阻力、压降、流速有很大差别。进口的散热器恒温阀、热表等设备的流通能力较小，必须考虑其压力损失，以免供热不足；进口设备容易被管道污物阻塞或是结垢，所以实际使用也会带来很多问题。一些试点在大规模的供热小区里改造几个单元为双管系统，造成新旧系统混供的局面，改造的新系统阻力高以致流量不够，满足不了室温要求，更无法进行温度控制。
双管系统的热计量方式的探索与新单管系统相同。
3.适合户用热计量的采暖系统
见附图。
目前国内还有一种思路，即彻底改变传统的住宅采暖系统，提出应变型住宅，在管束井内安装热量计和控制装置，各用户单独安装供暖管道系统，即在每个单元的楼梯间安装供暖的供回水立管，从供回水立管上引出各层每户的支管，每户单独布置成为一个环路，立管采用垂直双管并联系统，水平支管采用串联或并联系统。温控方式采用每组散热器加散热器温控阀或是在中央集中温控。
在一些试点中实验了单户采暖系统的方式，有采用水平管道贴墙角铺设的方法；也有采用章鱼法地下敷设管道的方式。这种方式应用于新建建筑，要与建筑装修配合，户内水平支管的走向、过门、排气等问题尤为重要，还需要与结构、装修专业配合，同时要解决好水力平衡问题、散热器选型计算问题，立管的垂直失调问题等等，其对外网的影响也有待研究。
针对单户住宅建筑，直接由每户小量程的户用热表，可以方便准确地读数热量值，也较容易为业主接受。
四、室外系统控制
实现节能目标中重要的一个手段就是提高管网输送效率；同时，室内温控包含控制设备自动调节与用户主动调节两种动态调节方式，为适合室内动态控制的需要，外网及热源必须采取相应的控制手段。
1)热源控制
由于用户室内采取温控措施，系统热负荷为动态的变数；同时由于室外气温的变化，要求系统出力相应地变化。因此要求热源供水水温采取相应的质调节方式，采用气候补偿的方式，根据室外气温与回水温度自动调节供水水温是非常重要的。同时，通过组装式热力站或三通混水阀方式，可以将外网分割成若干个系统，根据不同建筑的不同负荷需要单独控制。但是也要考虑到锅炉出力的调节和锅炉效率。
2)水泵控制
室内采用温控阀是一种变流量调节的方式，利用组装式热力站和三通混水阀也要求改变通过的流量。这种情况下，可以采用旁通定温量的系统，也可以采用循环水泵变频变流量的系统。为了有效的节省电能，水泵采用变频控比较优化。如何选取变频设备，如何选择定压点，一些单位针对这些问题进行了理论研究，还有待实践探索。
3)水力系统稳定性控制
实现动态调节，水力系统稳定性是关键问题之一。末端设备(温控阀)调节工况的改变会对其它末端产生相互影响，影响其它末端设备的调节性能甚至产生噪音；同时末端设备调节工况的改变也会对系统集中控制产生影响，使锅炉、水泵不在额定工作点工作。因此，需要利用调节设备增强系统稳定性，减少不利影响。
通过平衡阀可以解决水力失调，提高供热效率，改善供热品质，这一点在国内有大量的成功范例；同时，正确的利用平衡阀，还可以增强系统稳定性，减少调节产生的影响程度。通过自动的压差控制、流量控制设备可以动态地调节，补偿系统变化，增强稳定性。通过组装式热力站或三通混水阀也可以将大系统分割成若干小系统，便于独立控制。
这方面的理论研究已经有单位进行了较深入的研究，试点实践尚缺乏。
五、收费方法
在实现了计量每户用热量之后，如何定价收费的研究就非常重要了。这方面的探讨主要分为两方面：定价与收费。
1.制定热价
1)热价的确定，也就是供热的投资和运行成本计算，其中包括锅炉煤耗、水泵电耗、软化水的药、水耗，供热人员的工资收入，设备的投资、折旧等等很多项目。还要考虑一次换热、二次换热乃至三次换热后根据热源品质定价的问题，不同供热模式及燃料种类对热价的影响等等。
热价需要考虑到能源费用的两个部分：固定开支与浮动开支。以及两部分之间的分配比例。
固定开支是指与能源产量没有直接的比例关系，即在完全没有生产的情况下也必须付出的费用，如土地使用，设备投资，维修管理，职工工资等。这些固定开支提供了用户相应的使用功能，并不因为使用或停用、用得多少而变化。这部分投资应当按照用户所占建筑面积均分或是在房价上体现出来。
浮动开支是随能源的产量而变化的部分，即能源产量越多，浮动开支越大。如燃料消耗、运行耗电，系统用水、废料处理，职工加班费等。这部分费用需按照各用户应通过冷热量表计量的实际用能量进行分配。
2)热价的修正
●外墙传热修正：即使用户的室内设定温度相同，但由于房间之间不同的朝向、楼层、外墙面积等因素造成耗热量相差很大，这种的现象，需要在制定热价时考虑给予补偿。
●内墙传热修正：由于不同住户设定温度的不同，造成楼内内墙传热，致使室内设定温度较高的住户多耗了许多额外的热量，设定温度较低的住户得到额外热量，这需要在制定热价时考虑补偿。
2.收费办法
按热计费是实现温控节能的重要手段，但是我国长期以来国家“暗贴”方式，养成了用户用热交费观念淡漠的习惯；再加上一些地区、单位经济形式不景气，一下子让百姓自己交费有很大的困难。
因此，按热收费要制定基本原则：
1)“暗贴”转“明补”，由国家、单位和个人分摊供热费用逐步转化成用户自费；
2)节能改造先行，收费随后，不可以将浪费全部转嫁在热用户身上，造成强买强卖形式，避免挫伤用户积极性甚至造成强烈抵触；
六、按户计量与温度控制的示范工程
当前针对按户计量与温度控制的实施，各地区都做出了许多工作，建立了研究试点、示范工程，其中部分比较有影响的示范工程有：
北京会城门小区节能示范工程
山东烟台民生小区节能示范工程
北京西三旗新康小区节能示范工程
天津滨水里、寿园里小区节能示范工程
天津凯丽花园热计量示范工程
哈尔滨煤热院住宅楼节能示范工程
长春市供热公司旧有居民楼采暖分户控制改造工程
等等
七、亟待进一步解决的问题
1.要求政策配套
●采暖费由目前的国家“暗贴”转变成“明补”；由单位统一交费转变成个人交费，国家和单位负担的部分采暖费在职工工资中体现。这样才能作到供需见面，才能将采暖热作为商品在市场上流通，让买方卖方直接发生关系，才能促使用户自觉节能，促使供热企业提供质优价廉的商品(热)和服务。
●需要尽快制定并推出计量与温控方面的全国性的法规文件，以及在此基础上相应的地方实施细则。这将对计量与温控的推广起到重要的推广意义，产生有力的推动作用。
2.国内产品的开发研制与推广应用
按户计量收费和温度控制的实施，势必带动相关产品的巨大市场；系统的改造与增加控制与计量设备，势必要增加许多的改造和建设投资；这也为有关技术的推广带来了难度，同时也带来了潜在的巨大市场。目前，国外厂家看到了这一点，纷纷进入中国，建立了相应机构，做了许多工作，他们在推广先进产品的同时，也为我国带来了先进的技术与经验。但是，这样大的一个推广项目，关系到千家万户基本生活方式的项目，要完全依靠购买国外产品，既不能消化吸收先进技术，又要消耗大量外汇，这样做是不可能的，也是不应该的。因此，必须及时发展国内企业研究开发国内产品。
计量与温控产品的开发主要有两个基本原则：
1)产品性能与适应性
●国产产品要求质量可靠，性能优良。
例如针对散热器恒温阀，要求长时间使用不泄漏(目前国产阀门很少有不漏水的)，流量、温度调节性能好，外观美观，功能全面；针对热量表，要求测量可靠、准确，显示直观。
●国产产品要求适应中国采暖现状
我国集中采暖系统与国外相比有很大的不同，管道设计计算与安装均有差异。因此，国外产品在中国直接应用会带来一些问题：严重的情况下设备或系统不能正常工作，较轻的情况下控设备也许会达不到应有的控制性能，不能取得良好的节能效果。这就要求暖通技术人员与产品工艺技术人员相互配合，开发出适合中国国情的产品，而不能按照国外产品照搬。
2)产品价格
新建建筑按户计量，旧有建筑需要改造，这些都需要增加投资。为了降低成本，与国外对手兑，要求国产产品具有价格优势。这一点对于计量温控的推广实施具有重要的意义。
3.按户计量供热系统方案要与建筑等专业配合
供热系统要改造成可以计量耗热量，可以由用户控制室温，必然要对系统有较大改动。改动工作就要牵涉到建筑中其它专业领域，例如户型热表的安装需要有管道井，管道埋地安装需要增加建筑层高，且增加结构负载，等等。这就要求按户计量供热系统方案的实施要与建筑等专业进行配合，共同努力实现计量和温控。
4.供热企业的改制，以适应计量收费的实施
当前的供热企业模式还不能够适应计量收费的推广，供需双方没有真正自觉成为买卖双方关系，供热企业还需要进一步改变机制与观念，以适应计量收费的实施：
●供热企业需增强市场竞争意识。
长期向单位收费和向国家领取补贴的方式，使供热企业没有作到真正地自负盈亏，还没有足够的具有危机感和服务观念，市场竞争意识还需要增强；
●供热企业需增强节能意识。
当前，节能降耗与企业效益没有建立应有的关系，以至造成系统落后，管理落后的现状，这一点需要有所改变；
●供热企业的供热模式需要转变成为按需供热。
过去供热企业是凭经验调节供热，计量温控实施后，作为买方的用户必然会主动调节用热量，有些用户会调节室温较低以节能省钱，也有些用户会调节室温较高以舒适，供热方就得按照用户的需求随时调节控制，既满足用户需要，又得有效节能。
5.标准图、规范的修改
为配合按户计量与温度控制的实施，设计、施工等单位必须有所依据。这就需要有关政府部门在制定政策与细则的同时，有关研究设计单位、标准制定单位制定修改出相关规范、标准，如提高采暖室内设计温度，增大采暖设计的热负荷，以及水力、势力计算方法等等。
八、结束语
计量温控这一课题在我国已经成为新的热点问题，其发展符合我国当前的市场经济与节能、环保政策，推广和发展势在必行，近年来的发展也非常迅速。
本文仅对这一领域的主要研究成果和进展情况以及主要产品的发展进行了回顾与评述，希望能够给研究、设计、建设和生产厂家等多方面的人员一个全面的认识，共同配合促进我国供热系统计量温控的实施，达到节能50%的目标。
