王彥秋 鄧琳
(華電青島熱力有限公司 山東青島 266034)
《國(guó)家節(jié)約能源法》第三十八條規(guī)定:“新建建筑或者對(duì)既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造,應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定安裝用熱計(jì)量裝置、室內(nèi)溫度調(diào)控裝置和供熱系統(tǒng)調(diào)控裝置?!彪S著國(guó)家和地方配套法律、法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善,各地集中供熱系統(tǒng)中分戶熱計(jì)量表安裝越來(lái)越普及。分戶熱計(jì)量表的主要用處是計(jì)量熱用戶的用熱量,以適應(yīng)按熱量收費(fèi)政策,鼓勵(lì)用戶自主節(jié)能。
《供熱計(jì)量技術(shù)規(guī)程(JGJ 173-2009)》第2.0.6條中規(guī)定了以下幾種分戶熱量表的計(jì)量方式:以住宅的戶(套)為單位,以熱量直接計(jì)量或熱量分?jǐn)傆?jì)量方式計(jì)量每戶的供熱量。熱量直接計(jì)量方式是采用戶用熱量表直接結(jié)算的方法,對(duì)各獨(dú)立核算用戶計(jì)量熱量。熱量分?jǐn)傆?jì)量方式是在樓棟熱力入口處(或熱力站)安裝熱量表計(jì)量總熱量,再通過(guò)設(shè)置在住宅戶內(nèi)的測(cè)量記錄裝置,確定每個(gè)獨(dú)立核算用戶的用熱量占總熱量的比例,進(jìn)而計(jì)算出用戶的分?jǐn)偀崃?,?shí)現(xiàn)分戶熱計(jì)量。用戶熱分?jǐn)偡椒ㄖ饕猩崞鳠岱峙浞?、流量溫度法、通斷時(shí)間面積法和戶用熱量表法。該文所討論的“戶用熱計(jì)量表”是指“以熱量直接計(jì)量”的使用超聲波流量計(jì)的熱量表,以下所稱“熱計(jì)量表”也是此意。
在大量安裝熱計(jì)量表的小區(qū),熱計(jì)量表的數(shù)據(jù)也可以用于分析小區(qū)水力工況和熱力工況。因此,熱計(jì)量表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)配套廠家,在遠(yuǎn)傳和監(jiān)控系統(tǒng)中,不僅設(shè)置了熱計(jì)量表定點(diǎn)集抄、費(fèi)用計(jì)算等功能,還提供了水力工況分析和熱力工況分析的功能。供熱公司往往無(wú)法自主修改這些功能,各個(gè)小區(qū)的實(shí)際情況千差萬(wàn)別,供熱公司經(jīng)常僅能用來(lái)進(jìn)行初步分析,系統(tǒng)對(duì)其更加詳細(xì)地分析往往無(wú)能為力,甚至在一些供熱公司中,這些帶有水力和熱力分析功能的分戶熱計(jì)量表遠(yuǎn)傳和監(jiān)控系統(tǒng)僅僅用于記錄用戶的用熱數(shù)據(jù),分戶熱計(jì)量表僅僅成為與用戶進(jìn)行結(jié)算的工具。
實(shí)際上,分戶熱計(jì)量表一般均能記錄熱用戶的流量、溫度和熱量數(shù)據(jù),一般來(lái)說(shuō),與分戶熱計(jì)量表配套的遠(yuǎn)傳系統(tǒng)均能做到每天抄表1 次,有的甚至可以一天抄表幾次,也可以人工發(fā)起集抄,將數(shù)據(jù)送往遠(yuǎn)傳系統(tǒng)服務(wù)器。也就是說(shuō),分戶熱計(jì)量表會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。比如:一個(gè)小區(qū)有1 000戶居民,安裝了1 000戶熱計(jì)量表,每天抄表1 次,每次每塊表均可上傳供水溫度、回水溫度、瞬時(shí)流量和瞬時(shí)熱量等4個(gè)數(shù)據(jù),那么每天會(huì)產(chǎn)生4 000 條數(shù)據(jù),假設(shè)一個(gè)采暖季有120 天,那么這個(gè)小區(qū)在一個(gè)采暖季內(nèi),分戶熱計(jì)量表將會(huì)產(chǎn)生48萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)[1-2]。
這些數(shù)據(jù)代表了每家每戶的用熱實(shí)際情況,深入挖掘、分析這些數(shù)據(jù),完全可以用來(lái)判斷小區(qū)的水力工況、熱力工況,從而幫助運(yùn)行服務(wù)人員進(jìn)行管網(wǎng)平衡調(diào)整,為更好地服務(wù)用戶、節(jié)能降耗提供工作依據(jù)。
因此,筆者試著將小區(qū)分戶熱計(jì)量表數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 表格,對(duì)這些數(shù)據(jù)加以整理、加工,形成了可調(diào)整、可拓展的分析表格,以幫助運(yùn)行調(diào)節(jié)人員更加清晰地了解小區(qū)水力和熱力工況,使用戶服務(wù)和節(jié)能降耗更加具有針對(duì)性,提高工作效率和工作質(zhì)量。
分戶熱計(jì)量表往往與遠(yuǎn)傳系統(tǒng)配套。分戶熱計(jì)量表用于記錄熱用戶的用熱參數(shù),如供水溫度、回水溫度、瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱量、累積流量、累積熱量;集抄系統(tǒng)用于發(fā)起抄表動(dòng)作,收集熱計(jì)量表的數(shù)據(jù)并上傳至遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器并發(fā)往遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的服務(wù)器,在上位監(jiān)控系統(tǒng)中展現(xiàn)出來(lái)。圖1給出了分戶熱計(jì)量表和遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。
圖1 分戶熱計(jì)量表和遠(yuǎn)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在用戶服務(wù)和管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)中,供熱公司最關(guān)心的是水力平衡和熱力平衡。
水力平衡一般關(guān)心單位面積循環(huán)流量,往往以萬(wàn)平米循環(huán)流量的形式出現(xiàn),其單位是t/(h/萬(wàn)m2),當(dāng)然也有的供熱公司習(xí)慣用每平方米循環(huán)流量,其單位是kg/(h/m2)。這兩個(gè)指標(biāo)實(shí)際上是一個(gè)概念,只是單位不同而已。循環(huán)流量差別較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致熱用戶用熱不均衡,為了使單位面積循環(huán)流量較低的用戶達(dá)到滿意的室內(nèi)溫度,需要換熱站增加供出流量,使得單位面積循環(huán)流量較高的用戶接受熱量過(guò)多,令用戶開(kāi)窗散熱,引起不必要的能量損耗。該文采用萬(wàn)平米循環(huán)流量作為分析指標(biāo)。計(jì)算公式為
式(1)中:g為萬(wàn)平米循環(huán)流量,單位:t/(h/萬(wàn)m2);G為戶循環(huán)流量,單位:kg/h;A為用戶建筑面積,單位:m2。
熱力平衡調(diào)節(jié)一般關(guān)心回水溫度,單位是℃。一個(gè)小區(qū)的一個(gè)熱力系統(tǒng)中,從換熱站出口到熱用戶入口的供水溫度都是一樣的。一個(gè)小區(qū)內(nèi)的建筑外圍護(hù)基本相同、室內(nèi)采暖設(shè)施設(shè)置基本相似,在管網(wǎng)水力工況較為平衡時(shí),各相似位置單元的回水溫度應(yīng)大體一致。但是由于管網(wǎng)流量不夠平衡等因素,各熱用戶回水溫度差別可能較大,也能夠反映出熱用戶的水力工況和熱力工況。一個(gè)熱用戶的回水溫度比平均回水溫度高,往往意味著該戶流量過(guò)大、室內(nèi)溫度較高、相應(yīng)的熱量損失較大;反之如果一個(gè)熱用戶的回水溫度比平均回水溫度低,往往意味著該戶流量過(guò)小、室內(nèi)溫度較低、室內(nèi)舒適程度較差[3-4]。
熱指標(biāo)是供熱公司關(guān)心的參數(shù)。單位是W/m2。這個(gè)參數(shù)代表了熱用戶的用熱強(qiáng)度。供熱公司希望在室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)的前提下,熱指標(biāo)越小越好,代表用能越少。熱指標(biāo)的計(jì)算公式為
式(2)中:q為熱指標(biāo),單位:W/m2;Q為瞬時(shí)熱量單位:kW;A為用戶建筑面積,單位:m2。
當(dāng)然,供熱公司和用戶最終都關(guān)心室內(nèi)溫度。該文所討論的熱計(jì)量表是指包括超聲波流量計(jì)、供回水溫度傳感器和計(jì)算儀組成的分戶熱計(jì)量表,這種熱計(jì)量表不包含室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn),上傳的數(shù)據(jù)里面也不包括室內(nèi)溫度,所以該文所討論的熱力分析系統(tǒng)也不包括室內(nèi)溫度分析。
為便于介紹和理解,筆者以某小區(qū)(命名為AA院)為例,介紹分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法。該小區(qū)包括兩條路,分別命名為XX路和YY路。該小區(qū)共有1 504 個(gè)住戶、1 504 塊熱量表,分高區(qū)和低區(qū),總建筑面積14.7萬(wàn)m2,正常用熱建筑面積13.24萬(wàn)m2。XX路有樓座13個(gè),YY路有樓座3個(gè)。
數(shù)據(jù)采集是該文所探討的“基于分戶熱計(jì)量表和EXCEL 表的小區(qū)供熱管網(wǎng)水力和熱力分析系統(tǒng)”(以下簡(jiǎn)稱“分析系統(tǒng)”)的第一步——獲取分戶計(jì)量表的原始數(shù)據(jù)。
一般來(lái)說(shuō),遠(yuǎn)傳系統(tǒng)都具備將某一時(shí)刻點(diǎn)一個(gè)小區(qū)的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)出的功能。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)一般都包括地址(包括路號(hào)、樓號(hào)、單元號(hào)、戶號(hào))、供暖狀態(tài)(開(kāi)通、停熱等)、抄表時(shí)間、供水溫度、回水溫度、瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱量、累計(jì)流量、累計(jì)熱量、建筑面積等參數(shù)。
該分析系統(tǒng)需要的原始數(shù)據(jù)至少要有地址(包括路號(hào)、樓號(hào)、單元號(hào)、戶號(hào))、供暖狀態(tài)(開(kāi)通、停熱等)、抄表時(shí)間、供水溫度、回水溫度、瞬時(shí)流量、建筑面積、分區(qū)(如高層建筑一般分高區(qū)和低區(qū),超高層建筑甚至分4個(gè)區(qū))。
第二步是整理原始數(shù)據(jù),目的是篩選正常熱計(jì)量表,整理、計(jì)算每戶正常熱計(jì)量表用于顯示的平均循環(huán)量、回水溫度、熱指標(biāo)。
數(shù)據(jù)整理不要在原始數(shù)據(jù)表格中進(jìn)行,而應(yīng)該另建一個(gè)工作表,用Excel 表格提供的“=”函數(shù)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái),再進(jìn)行處理,以隔離原始數(shù)據(jù),防止誤操作,并方便原始數(shù)據(jù)更改。
篩選出正常供熱用戶的正常熱計(jì)量表,并計(jì)算分戶萬(wàn)平米循環(huán)量、熱指標(biāo)。
分戶熱計(jì)量表數(shù)量多,管理維護(hù)往往不能及時(shí)到位;甚至有的熱計(jì)量表受到外部人為破壞,不可避免會(huì)有無(wú)效表存在。該分析系統(tǒng)將熱計(jì)量表的狀態(tài)分為5類,判別條件如下。
(1)停熱:遠(yuǎn)傳系統(tǒng)里標(biāo)注停熱狀態(tài),且熱計(jì)量表顯示流量為零。(2)停熱有流量:遠(yuǎn)傳系統(tǒng)里標(biāo)注停熱狀態(tài),且熱計(jì)量表顯示流量大于零。(3)溫差錯(cuò)誤:遠(yuǎn)傳系統(tǒng)里標(biāo)注正常用熱狀態(tài),但回水溫度高于供水溫度。(4)用熱無(wú)流量:遠(yuǎn)傳系統(tǒng)里標(biāo)注正常用熱狀態(tài),但熱計(jì)量表顯示流量為零。(5)正常:除以上情況以外的其他正常運(yùn)行的熱計(jì)量表。
以上分類是筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)分類的,實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候,使用者可能會(huì)遇到其他情況,使用者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整分類和判別方法。判別的函數(shù),筆者是用嵌套的IF語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)以上條件,在數(shù)據(jù)整理表中設(shè)置“表狀態(tài)”列,判斷熱計(jì)量表的運(yùn)行狀態(tài)。用式(1)計(jì)算萬(wàn)平米循環(huán)量,回水溫度無(wú)需處理,用式(2)計(jì)算熱指標(biāo)。
經(jīng)過(guò)整理后的表格,可命名為“數(shù)據(jù)整理表”。
數(shù)據(jù)分析的目的是利用分戶熱計(jì)量表的大量數(shù)據(jù),按照分區(qū)、單元、樓棟歸集匯總各計(jì)量表數(shù)據(jù),并由此推算出分區(qū)的單元、樓棟的循環(huán)流量、單位面積循環(huán)流量、回水溫度和熱指標(biāo),以方便下一步圖表化顯示。
有的小區(qū)樓層較高,供熱系統(tǒng)分為2 各甚至更多分區(qū),這些分區(qū)實(shí)際上是各自獨(dú)立的供熱系統(tǒng),應(yīng)分開(kāi)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
萬(wàn)平米循環(huán)流量計(jì)算方法為
式(3)中:g為萬(wàn)平米循環(huán)流量,單位:t/h/萬(wàn)m2;G為各戶循環(huán)流量,單位:kg/h;Ai為用戶建筑面積,單位:m2;n為計(jì)算范圍內(nèi)正常用熱、熱計(jì)量表正常的表數(shù)。
回水平均溫度是回水溫度用每戶循環(huán)流量加權(quán)求和,再用總循環(huán)流量平均后得到,計(jì)算方法:
式(4)中:th為加權(quán)平均回水溫度,單位:℃;Gi為各戶循環(huán)流量,單位:kg/h;thi為各戶回水溫度,單位:℃;Ai為用戶建筑面積,單位:m2;n為計(jì)算范圍內(nèi)正常用熱、熱計(jì)量表正常的表數(shù)。
熱指標(biāo)計(jì)算方法:
式(5)中:q為熱指標(biāo),單位:W/m2;Qi為各戶瞬時(shí)熱量,單位:kW);Ai為用戶建筑面積,單位:m2;n為計(jì)算范圍內(nèi)正常用熱、熱計(jì)量表正常的表數(shù)。
另建一個(gè)工作表,用式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算出分區(qū)各單元、樓棟的萬(wàn)平米循環(huán)量、回水溫度和熱指標(biāo)。還可以用分戶熱計(jì)量表的數(shù)據(jù)匯總出其他數(shù)據(jù)。為方便下文敘述方便,此表命名為“分析表”。具體見(jiàn)圖2。
圖2 分析表示例圖
這個(gè)表格可以看到小區(qū)供熱用戶概況、熱計(jì)量表概況、萬(wàn)平米循環(huán)流量、平均供水溫度、平均回水溫度、熱指標(biāo),根據(jù)萬(wàn)平米平均循環(huán)流量和平均熱指標(biāo)估算小區(qū)總流量和總熱負(fù)荷。
該研究的表格主要用到Excel提供的“COUNTIFS”“SUMIFS”“AVERAGEIFS”函數(shù),分區(qū)匯總單元、樓棟、總區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。
為了方便圖表顯示,再將上面的分析表整理一下,形成另一個(gè)工作表,此表命名為“分解分析表”,表格示例具體見(jiàn)圖3。
圖3 分解分析表示例圖
圖3 中萬(wàn)平米循環(huán)量、平均供溫(指平均供水溫度)、平均回溫(指平均回水溫度)、熱指標(biāo)均取自圖2示例中的數(shù)據(jù),圖3 中的流量偏離度、回溫偏離、熱指標(biāo)偏離均為計(jì)算所得。
(1)流量偏離度是指相應(yīng)區(qū)域偏離總區(qū)域平均萬(wàn)平米流量的比例,公式如下。
式(6)中:dg為流量偏離度,單位:%;g為萬(wàn)平米循環(huán)流量,單位:t/h/萬(wàn)m2;gp為平均萬(wàn)平米循環(huán)流量,單位:t/h/萬(wàn)m2。
例如:1號(hào)樓1單元低區(qū)的流量偏離度為
(2)回溫偏離是指相應(yīng)區(qū)域總平均回水溫度與總回水溫度的差值,公式如下。
式(7)中:δth為回溫偏離,單位:℃;th為回水溫度,單位:℃;thp為總平均回水溫度,單位:℃。
例如,1號(hào)樓1單元低區(qū)回溫偏離為
(3)熱指標(biāo)偏離是指相應(yīng)區(qū)域熱指標(biāo)與總熱指標(biāo)的差值,公式如下。
式(8)中:δq為熱指標(biāo)偏離,單位:W/m2;q為熱指標(biāo),單位:W/m2;qp為總熱指標(biāo),單位:W/m2。
例如:1號(hào)樓1單元低區(qū)熱指標(biāo)偏離為
根據(jù)“分解分析表”,利用Excel 表格的柱狀圖功能,就可以做出直觀的、便于比較的各指標(biāo)柱狀圖了。因?yàn)槠蓿瑑H將萬(wàn)平米循環(huán)柱狀圖示例如圖4所示。
圖4 萬(wàn)平米循環(huán)量柱狀圖
還可以生成“供水溫度柱狀圖”“回水溫度柱狀圖”“熱指標(biāo)柱狀圖”“流量偏離柱狀圖”“回水溫度偏離柱狀圖”“熱指標(biāo)偏離柱狀圖”等圖表。
根據(jù)“數(shù)據(jù)整理表”和“分析表”整理出分戶指標(biāo)圖。另外,為了用圖表等比較直觀的方法顯示。筆者利用Excel表格中的VLOOLUP函數(shù)將整理后的分戶數(shù)據(jù)在圖5中顯示,以萬(wàn)平米循環(huán)流量分戶顯示為例。
圖5模擬樓座、單元和用戶的分布設(shè)計(jì),主要利用Excel表格中的VLOOLUP函數(shù)將“數(shù)據(jù)整理表”中經(jīng)過(guò)整理后的分戶數(shù)據(jù)顯示其中??v向粉色格里面的數(shù)字代表樓層數(shù),橫向“0x”代表戶號(hào)。例如:1 號(hào)樓1 單元301 戶的萬(wàn)平米循環(huán)流量為32.7 t/h/萬(wàn)m2。數(shù)據(jù)的提取是用“VLOOKUP”函數(shù)從“數(shù)據(jù)整理表”中實(shí)現(xiàn)的。
圖5 萬(wàn)平米循環(huán)流量分戶顯示示例
圖5 模擬的時(shí)萬(wàn)平米循環(huán)量,還可以類似模擬分戶回水溫度數(shù)據(jù)和熱指標(biāo)數(shù)據(jù)。
使用者可以用顏色表示指標(biāo)的大小。例如:可以用綠色表示在正常范圍內(nèi),深藍(lán)色表示指標(biāo)或參數(shù)偏高,淺藍(lán)色表示指標(biāo)或參數(shù)偏低,灰色代表停熱戶,黃色表示溫差錯(cuò)誤(熱計(jì)量表回水溫度大于供水溫度)或用熱無(wú)流量,橘黃色表示停熱有流量。數(shù)值正?;蜻^(guò)大、過(guò)小,用圖中的“設(shè)定值”和“偏差”判斷。萬(wàn)平米循環(huán)量的偏差用百分比表示。在“設(shè)定值”正負(fù)“偏差”范圍內(nèi)判斷為正常,大于設(shè)定值上偏差即判斷為偏大,小于設(shè)定值下偏差判斷為偏小?!霸O(shè)定值”和“偏差”均可以修改,表格內(nèi)的顏色根據(jù)“設(shè)定值”和“偏差”自動(dòng)計(jì)算和顯示顏色。使用者可以根據(jù)實(shí)際需要,修改這兩個(gè)值,以幫助了解分戶用熱指標(biāo)或參數(shù)的分布情況。圖中可見(jiàn)6 號(hào)樓1 單元除停熱戶外全部顯示“溫差錯(cuò)誤”,這是由于計(jì)量表整單元上傳失敗導(dǎo)致。
以上說(shuō)明和示例中,圖4是柱狀圖,可以用來(lái)分析分區(qū)的單元和樓座的水力、熱力平衡工況,兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的柱狀圖,可以比較期間管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的效果,主要用于單元間或樓座間平衡調(diào)節(jié)。
圖5都是分戶數(shù)據(jù)圖,可以用來(lái)分析戶間平衡,兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的圖,可以分析期間戶間調(diào)節(jié)的效果,確定其后戶間調(diào)整策略。
張?chǎng)┨岢瞿壳肮嵝袠I(yè)普遍在熱源處基本實(shí)現(xiàn)了調(diào)控運(yùn)行,但供熱管網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)常處于失控狀態(tài),造成熱源供給側(cè)與建筑內(nèi)使用側(cè)的不匹配,導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高[5-6]。該分析系統(tǒng)就是為了解決由于管網(wǎng)水力和熱力不平衡導(dǎo)致的高耗能,為管網(wǎng)側(cè)和建筑側(cè)節(jié)能降耗提供工具。而這些圖表的應(yīng)用可以很靈活,使用者可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)比使用。
Excel表格具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,它又是常用的辦公軟件,Microsoft Office 和WPS 均支持使用,具有普遍的適用性。用Excel表處理、分析分戶熱計(jì)量表數(shù)據(jù),在普通電腦上即可運(yùn)行。
該文介紹的分析原理和方法,是筆者在實(shí)際工作中總結(jié)出來(lái)的,具有一定的實(shí)用性,不僅供熱行業(yè)的從業(yè)者可以參考、使用,熱計(jì)量表及遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家也可以參考優(yōu)化他們的遠(yuǎn)傳系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析功能。但筆者相信,供熱行業(yè)的從業(yè)者若也采用Excel 表整理、分析分戶計(jì)量表的數(shù)據(jù),一定還會(huì)有更多、更好的方法來(lái)挖掘、提煉這些數(shù)據(jù),更好地服務(wù)用戶、節(jié)能降耗。