超声波能量表在中央空调分户计量中的应用

前言

随着我国南方地区生活水平的提高，人们对居住的品质要求也越来越高，因此集中空调系统的应用也更加普遍。伴随着北方地区供热体制改革的不断深入和扩大，分户计量、一户一表和节能这些理念亦日渐深入人心。因此，体现和宣扬“公平，公正，公开”的能量表就成为实施城市空调系统计费的关键设备。

能量表是通过温度和流量两种传感器分别测得的热载体－水的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值的。目前，在户用型的能量表方面，主要有三大类型，为机械式、电磁式和超声波式，它们的主要区别在于流量传感器的原理和构造的不同。电磁式由于成本和功耗的原因主要应用在大口径能量表方面。

本文将首先从技术的角度对机械式和超声波式两大类的产品进行一个全面的分析和比较，然后从经济投资的角度来进行使用周期成本的分析，从而为我国的供热改革、分户计量选择一种可持续发展的解决方案。
机械式能量表及IC卡能量表的现状

机械式能量表是通过叶轮的转速来测量热水或冷水的流量，户用型的机械式能量表按流量传感器内部结构又主要分为单流束式和多流束式，按照其计数器是否与热水接触又分为干式和湿式。干式传感器的叶轮转速通常是通过磁藕合的方式传递给计数器的，而目前进口的机械式能量表部分采用了感应传导的方式，即无磁的方式，可以降低热水中铁锈对表的影响。

由于技术和价格等原因，我国目前绝大多数国产能量表为机械式能量表，这其中，普遍采用小口径机械式热水表（即单流束湿式）作为能量表的流量传感器，。但近几年使用和研究实践表明，直接采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，存在一系列需要解决的问题，如量程窄且启动流量太大问题，冷热水流量系数差异问题，磁传方式存在的磁干扰问题，高温失步问题，以及对我国供暖系统水质的适应性差问题。天津供热办2003年的试验结果表明，同样工况条件下，进口超声波能量表和进口的机械式能量表在运行一个供暖季节（5个月）之后，相差了大约30%的数值，这正是机械式能量表由于小流量时不计数，以及受杂质影响越转越慢所导致的结果。

而且，我国目前空调系统对能量表也提出了比欧洲国家更苛刻的要求，如循环水的水质很差；多方面的原因造成水中不仅含有大量的有害化学物质，还有各种对流量传感器具有破坏性的小颗粒杂质。这些问题，还将在很长一段时间内存在。因此，对于机械式能量表而言，由于其结构和原理方面固有的局限性，能否在一个检定周期（五年）内正常、准确的运行，都是一个非常严峻的挑战。

IC卡能量表从物理结构上，与机电结合式预付费电表、水表、气表相同，但电、水、气表是以机械方式作为计量基础仪表的，电子部分只用来作为收费控制，出现人为干扰后，即使收费部分出现问题，计量基表部分仍照常工作，计量数据并不丢失。但是，IC卡表虽然也使用机械式水表计量流量，但能量的计量则完全依赖于电子设备来完成的,因此电子电路的抗干扰能力直接关系到能量表的安全，一旦遭到人为干扰，能量计量数据将丢失怠尽，失去能量表应用的基本意义。另外由于微功耗的电磁阀不仅需要额外的供电回路，而且容易受水质的影响而失效，因此常常导致无法自动关断，因此必需安装两个普通阀门用于检修，从而增大投资。事实上，欧洲所有的能量表生产商都不生产IC卡式能量表，不仅是因为在IC卡能量表欧洲没有市场，而且由于风险太大，预期投诉会很高，会损害品牌的美誉。
超声波技术在户用能量表的应用

目前欧洲的热力公司使用的大口径能量表50%以上采用的是超声波式的，因为无论是使用周期成本，还是可靠性和准确性，超声波式能量表均优于电磁式和机械式能量表。2000年以前，由于价格的原因，在户用型能量表方面，还是机械式能量表占有统治地位。但随着小口径超声波能量表的成本逐渐与机械式能量表接近，欧洲许多国家，尤其在德国和丹麦，能源服务公司开始大规模采购超声波能量表来轮换到期的机械式能量表。

超声波式能量表是通过测量超声波在热水中传播的时间差（声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间）。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速从而推导出流量。由于其测量腔体内部没有任何可动部件，所以对介质的成份或杂质含量没有严格的要求。

另外，较低的压力损耗也有利于解决今后大规模使用户用能量表而产生的水力平衡问题，这也是所有热力公司非常关注的。





机械式能量表和超声波能量表的技术对比

影响因素 机械式能量表 超声波能量表
流量范围 流量超过标称流量会出现机械损伤的危险；小流量时（温控阀调节和换季时）不走字；测量范围较窄 大流量不存在机械损伤问题，可在最大流量下正常工作；最低启动流量为1.2升/小时
小颗粒杂质的影响 日积月累会出现机械损伤，严重时会发生堵塞，影响供暖 不敏感，不易堵塞
安装要求 10－20倍口径的直管段，必须严格水平安装 无直管段要求，可以水平或垂直或倾斜安装。
整体结构 积算仪和流量管不可分离，电子元件受高温影响易故障 积算仪和流量管可分离，不受高温影响，易读数
气泡 影响非常大 有一定影响
铁锈水 不仅会引起测量误差，而且会导致堵塞；无磁式的相对较好 无影响
污染 测量误差的大小取决于污染程度 无影响
压损 较大 较小，一般小于200 mbar
热水温度 大部分国产表未进行温度范围的验证 无影响
电磁干扰 影响。 流量管无磁部件，不受影响。

注：此表中是以兰吉尔2WR5户用型超声波能量表作为比较的，因为不同厂家的超声波能量表在安装要求、启动流量以及稳定性、精度方面会略有差别。



超声波能量表选型指南

　　系统流量是能量表选型的最重要参数之一。通常,管径与管内流量是相互对应的。对于一个设计合理的系统而言,其管道直径与能量表的口径可能非常接近或相同。但二者并不一定等同。一些设计人员习惯于按系统管径来选用能量表,这是错误的。因为,选用能量表的主要参数是系统流量而不是系统管径,应该按照流量大小来确定能量表的型号。　　

　　能量表的流量参数包括额定流量及最大、最小流量。一般最大流量为额定流量的2倍,最小流量为额定流量的1/50或1/100。为了保证能量表的正常工作及测量精度,必须使能量表的额定流量与系统管道中最可能的运行流量相近,同时还应注意使能量表的最小流量小于系统管道的最小流量、能量表的最大流量大于系统管道的最大流量。 　　

　　鉴于工程设计中通常计算的是最大负荷状态下的流量,而在实际运行中多数情况下的流量都远远小于这个流量,所以,有时按照最大设计流量的80%来确定能量表的额定流量往往更符合实际运行要求。 国内以往设计时采用的系统管内流速较低,管径偏大,所以按流量方式选择的能量表的口径往往会比系统管道口径小。在这种情况下,建议采用变径措施。因为如果采用与管径相同的大口径能量表,热媒通过流量计量装置的流速过低,有可能影响到计量精度。此外,能量表口径越大,价格越高,有时能量表口径大一号,其售价会高很多,所以应尽量避免不必要地增大能量表口径。 　　

　　超声波能量表由于流量计内部无任何活动的部件，因此可以长期稳定、可靠的在最大流量下运行，因此，采用超声波能量表的时候，其标称流量完全可参照系统的最大流量来选型，从而节省即可靠准确，又经济实用的目的。