连续供水式房间供热控温与热计量装置及方法与流程

本发明涉及建筑采暖的热计量领域，具体涉及一种连续供水式房间供热控温与热计量装置及方法。

背景技术：

目前建筑采暖领域采用的热计量方法以通断时间面积法的应用最为广泛。通断时间面积法中分户热量计量的基础是室内温度必须达标以及热水流量的计量必须准确，而现有的热计量方法通常基于楼栋或者单户房间(如热量表法)进行计量，由于楼栋的各个房间的方位不同，以及单户房间之间的散热量差别较大，因此现有的热计量方法在热计量的同时，很难保证单户内的每个采暖空间均能正好达到规范要求的室内温度，如经常出现室内温度达不到或者超过规范要求的情形。换言之，目前建筑采暖领域普遍存在分户热计量误差大、分户温度控制难度大的缺陷，会直接影响用户的采暖体验。

此外，目前建筑采暖领域用于热计量的计量表类型多且计量表的结构复杂程度不确定，而且计量表普遍存在计量精度低、设备易损坏、成本高以及适用性不强等方面的缺点，使得单户实际采暖收费的方式大多还是停留在按照房间建筑面积进行均摊收费的方式，即按照目前的计量表以及热计量方式很难实现收费公平。

技术实现要素：

技术问题

有鉴于此，本发明提供一种连续供水式房间供热控温与热计量装置及方法，旨在对热水源的压力能进行回收的同时，实现对单户采暖房间的耗热量的高精度计量。

技术方案

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种连续供水式房间供热控温与热计量装置，该装置包括：

水流转换系统，其用于将热水源所携带的热量释放至单户房间的室内空间以实现用户采暖；

温控计量系统，其用于在用户采暖的过程中，基于所述水流转换系统的运行参数获取热量消耗参数和工作状态参数；以及

监控端，其用于接收所述水流转换系统传输的数据，以及用于向所述水流转换系统发送读取数据的请求。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述温控计量系统包括控制器、供水阀门、传感器组、速度调控模块和通讯单元，

其中，所述传感器组用于采集所述水流转换系统的运行参数；

其中，所述控制器用于：

根据所述传感器组采集的运行参数得出所述工作状态参数，并根据所述状态工作参数控制所述供水阀门的开/闭状态；以及

根据所述传感器组采集的运行参数得出所述热量消耗参数，并将所述运行参数、所述热量消耗参数和所述工作状态参数中的全部或者一部分通过所述通讯单元传输至所述监控端。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述水流转换系统主要包括螺杆式膨胀机、发电机和散热器，所述螺杆式膨胀机的进水口与连接至热水源的供水支管连接，所述螺杆式膨胀机的出水口与散热器的第一端相连接，所述散热器的第二端与连接至热水源的回水支管连接，所述螺杆式膨胀机还通过联轴器与发电机连接。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述发电机还通过整流器连接有蓄电池，所述蓄电池通过电力电缆与控制器与通讯单元分别相连。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述发电机为非励磁发电机，所述速度调控模块为能够调整直接或者间接地调整所述螺杆式膨胀机的转速的制动器。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述发电机为励磁发电机，所述速度调控模块为励磁模块，所述控制器通过所述励磁模块调整所述励磁发电机的转速，进而间接地调整所述螺杆式膨胀机的转速。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，其中的传感器组包括第一温度传感器、转速传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，

其中，所述供水阀门和所述第一温度传感器均设置于所述螺杆式膨胀机的进水口的上游，所述转速传感器设置于能够获取所述螺杆式膨胀机和/或所述发电机的位置，所述第二温度传感器设置于单户房间的室内空间，所述第三温度传感器设置于所述散热器下游的回水支路。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量装置，在一种可能的实施方式中，所述第二温度传感器在室内空间设置为不靠近散热器和单户房间的窗户。

为了解决上述技术问题，本发明另一方面还提供了一种连续供水式房间供热控温与热计量方法，该方法包括如下步骤：

s100、温控计量系统基于水流转换系统的运行参数得出工作状态参数，根据所述工作状态参数进一步判断控温与热计量装置是否存在故障，并且

在控温与热计量装置存在故障的情形下，使供水阀门关闭，以及将控温与热计量装置存在故障的信息传输至监控端；

s200、温控计量系统基于水流转换系统的运行参数得出热量消耗参数，并将所述运行参数和所述热量消耗参数中的全部或者一部分传输至监控端；

其中，所述水流转换系统的运行参数包括螺杆式膨胀机进水口上游的传热介质的温度、单户房间的室内空间的温度、螺杆式膨胀机的转速以及散热器下游的传热介质的温度。

对于上述连续供水式房间供热控温与热计量方法，在一种可能的实施方式中，所述热量消耗参数为第i个温度段累计的水流累计量vi，该水流累计量vi由以下的公式(1)计算：

vi＝2msvs(1+m)ni(1)

上述公式(1)中，ni为温度段i内累计的螺杆式膨胀机的转数，ms为螺杆式膨胀机的螺槽数，vs为单个螺槽的容积，m为泄漏百分数，

其中，温度段的个数i以及每个温度段对应的温度范围均是由控制器基于单户房间的室内温度预先划分得出。

有益效果

本发明的连续供水式房间供热控温与热计量装置及方法利用螺杆式膨胀机(以下简称膨胀机)的螺槽定容输送供水和水在膨胀机内膨胀做功的原理将水流量精确地转换为膨胀机的转动，实现供水的高精度计量，实现每一房间温度的准确、低波动，或者每栋楼中相同方位、面积房间的统一温度控制和计量，同时将供水压力能转化为机械能，为装置本身提供电能，既能满足高精度采暖计量、室内温度稳定的需求，降低建筑采暖销售商与用户双方的经济损失，也能利用自身压力能为装置本身供电，能实现流量数据及装置工作状态的远程输送与监控，以及装置运行独立于用户。

此外，本发明的热计量装置结构简单、紧凑，测量精度高，噪音低，使用方便，制造成本低，可用于大、中、小型液体计量场所，尤其适用于中小型高精度供热计量的场所。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出本发明一个实施例的连续供水式房间供热控温与热计量装置的结构示意图1(普通发电机)；

图2示出本发明另一个实施例的连续供水式房间供热控温与热计量装置的结构示意图2(励磁发电机)；以及

图3示出将本发明的连续供水式房间供热控温与热计量装置在用于一整栋楼房采暖时的整体结构示意图。

附图标记列表：

10、控制器；11、供水阀门；12、第一温度传感器；13、转速传感器；14、制动器；15、第二温度传感器；16、通讯单元；20、膨胀机；21、散热器；22、供水子阀门；23、发电机；25、第三温度传感器。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

如图1示出本发明的第一种实施例的连续供水式房间供热控温与热计量装置。如图1所示，该装置主要包括水流转换系统和温控计量系统。水流转换系统主要用于将供水支管中的水所携带的热量通过散热器释放至室内环境，即单户房间的室内空间以实现用户采暖，而温控计量系统则主要用于在用户采暖的过程中，采集相关的运行参数、基于获取运行参数计算出与单户房间的室内空间的耗热量相关的参数(热量消耗参数)以及表征工作状态的参数(工作状态参数)以及将参数中的全部或者一部分传送至监控端。显然，本实施例是以水作为传热介质进行说明的，当然，根据实际情形可以将水替换为其他传热介质，如在水中加入其他添加剂性质的物质，或者整体替换为其他具有等同或者更优效果的液态物质。

继续参照图1，水流转换系统主要包括作为螺杆机构的膨胀机20、发电机23和散热器21，膨胀机20的进水口与连接至热水源(显然，热水源应当能够持续为供水水管提供温度达标的热水)的供水支管连接，膨胀机20的出水口与散热器21的上游端相连接，散热器21的下游端与回水支管连接，膨胀机20还通过联轴器与发电机23连接。热水源经供水支管进入膨胀机20推动膨胀机20旋转，从而将热水源的压力能转换为机械能；膨胀机20带动发电机23转动发电产生电能，进而将机械能转换为电能。

仍然参照图1，温控计量系统主要包括控制器10、供水阀门11、传感器组、制动器14和通讯单元16，其中的传感器组包括第一温度传感器12、转速传感器13、第二温度传感器15和第三温度传感器25。其中，供水阀门11设置于供水支管和膨胀机20之间，第一温度传感器12设置于供水阀门11与膨胀机20之间，转速传感器13和制动器14均设置于膨胀机20的输出轴上，第二温度传感器15设置于单户房间的室内空间，且在室内空间的具体安装位置应当距离散热器21和房间的窗户均较远，以便第二温度传感器15测出的温度能够较为准确地反映室内空间的普遍真实温度，第三温度传感器25则设置于散热器下游的回水支路，用于检测采暖结束后的水温。

作为一种优选，发电机23的电力输出端通过电力电缆与控制器10连接，可以为控制器10提供电能。控制器10则进一步为供水阀门11、第一温度传感器12、转速传感器13、制动器14、第二温度传感器15、通讯单元16以及第三温度传感器25等部件供电。以控制器和前述各部件的供电方式均为直流为例，如控制器10配置有蓄电池或者在发电机和控制器之间设置有蓄电池，发电机23产生的电能(交流电)经整流器整流之后存储至蓄电池，蓄电池进一步实现对控制器和前述各部件的电力供应。

作为一种优选，膨胀机20选用单螺杆膨胀机，发电机23选普通发电机(非励磁发电机)，(第一、第二、第三)温度传感器均为热电偶或者热敏电阻，热敏电阻的热敏元件优选为铂电阻，供水阀门11选用电磁阀，转速传感器13选用非接触式传感器(如转速传感器13安装在位置相对固定的支架(如固定于发电机或者膨胀机壳体上的支架)，且转速传感器13垂直对准到能够检测膨胀机的转速的位置)，制动器14选用电子制动器。

供水支管流出的热水依次通过供水阀门11、膨胀机20和散热器21后，返回回水支管。如回水水管中的水优选仍被收集作为水源，加热之后作为仍然进入供水支管。即形成了加热-放热-冷却-再加热的水路循环。(第一、第三)温度传感器分别用于检测水路循环中的水在进入单户房间的室内空间(前、后)的温度，第二温度传感器15用于检测单户房间的室内空间的温度。膨胀机20在水流的压力能冲击作用下旋转，进而带动发电机23旋转进而产生电能，如前所述，产生的电能可以实现对温控计量系统自身的电力供应。此外，还可以为就近的照明、加热等提供电能，之后才将多余的电能输送到电网中。发电机的设置回收了水流中的压力能，提高了能量利用率。而且这样的配电方案省略了装置以及装置所处的应用场景的配电设施，降低了由于电能输送产生的能耗，在优化压力能回收的基础上提高了电能的利用率。

控制器10实时或者每隔一定时间周期性地检测供水阀门11和制动器14的状态，以及接收并存储第一温度传感器12、第二温度传感器15、第三温度传感器25和转速传感器13采集并传输的温度和转速信号。根据第二温度传感器15检测的室内空间的温度，按照以下方法对通入膨胀机20内的水流量进行控制：

11)当第二温度传感器15检测的室内空间的温度小于控制器10设定的室内温度水平时，控制器10向制动器14发送降低制动力度的信号，发电机23的转速以一定的方式升高，如发电机23的转速缓慢升高进而带动膨胀机20的转速也随之缓慢升高，即可实现通入膨胀机20内的水流量缓慢升高的目的；

12)而第二温度传感器15检测的室内空间的温度大于等于控制器10设定的室内温度水平时，控制器10向制动器14发送提高制动力度的信号，发电机23的转速以一定的方式降低，如发电机23的转速缓慢降低进而带动膨胀机20的降低也随之缓慢降低，即可实现通入膨胀机20内的水流量缓慢降低的目的；

重复上述步骤1)和2)，直至第二温度传感器15检测的室内空间的温度等于控制器10设定的室内温度水平，控制器10不向制动器14发送改变制动力度的信号，即使制动器14保持当前的制动力度不变。

在控制器通过改变制动器14的制动力度以调整室内空间的温度的过程中，针对控制器基于第二温度传感器15安装处对应的单户房间的室内温度划分得出的每一个温度段i，每一个温度段i对应有一个水流累计量vi(体积流量)，水流累计量vi由以下的公式(1)计算：

vi＝2msvs(1+m)ni(1)

上述公式(1)中，ni为温度段i内累计的膨胀机20的转数，ms为膨胀机的螺槽数，vs为单个螺槽的容积，m为泄漏百分数，泄露百分数m主要与膨胀机的加工精度有关，如在产品出厂之前可以通过试验标定等方法确定。具体而言，泄露百分数随着加工精度的提高而降低，对于同一膨胀机而言，在其进出口压力一定的情形下，泄漏百分数基本保持不变。如在本实施方式中，热水源的出水压力和回水压力基本保持一定(实际出水压力和回水压力是不一样的，但压力对水的比焓的影响可以忽略)，因此可以认为泄漏百分数m基本为定值。如在一种具体的实施方式中，泄漏百分数m取0.5％。如在一种具体的实施方式中，控制器10内将室内空间的温度t分为t≥18℃、18℃＞t≥14℃以及t<14℃等三个温度段(即i＝1,2,3)，根据公式(1)计算出每个温度段的水流累计量，即t≥18℃温度段的水流累计量为v1、18℃>t≥14℃温度段的水流累计量为v2以及t<14℃温度段的水流累计量为v3。仍以上述三个温度段为例，对三种温度段的水流累计量进行累计、存储，并按照以下方法进行处理：

控制器10实时或者每隔一定时间周期性地接收第二温度传感器15和转速传感器13采集并传输的温度和转速信号。根据第二温度传感器15和转速传感器13检测的室内空间的温度和膨胀机20的转速，按照以下方法对水流累计量进行统计：

21)第二温度传感器15检测的室内空间的温度处于第三个温度段，即t<14℃的温度段时，控制器10累计膨胀机20的转数，将累计的转数按照上述的公式(1)转换为水流累计量，并将该水流累计量累积到水流累积量v3；

22)第二温度传感器15检测的室内空间的温度处于第二个温度段，即18℃>t≥14℃的温度段时，控制器10累计膨胀机20的转数，将累计的转数按照上述的公式(1)转换为水流累计量，并将该水流累计量累积到水流累积量v2；

23)当第二温度传感器15检测的室内空间的温度处于第一个温度段，即t≥18℃的温度段时，控制器10累计膨胀机20的转数，将累计的转数按照上述的公式(1)转换为水流累计量，并将该水流累计量累积到水流累积量v1。

这样一来，根据划分出的每个温度段i以及该温度段累计的水流累计量vi即可计算出室内空间的热量消耗。结合采暖销售商制定的热量价格，即可较为准确地给出热量消耗的评价。如采暖销售商的热量价格仅针对室内温度而确定，对于任一温度段i而言，根据该温度段的水流累计量v1流量以及(第一、第三)温度传感器检测的温度即可得出真实的热量消耗。

可以看出，上述的三个温度段只是作为一种示例，显然，温度段划分越细，则关于单户房间的室内空间的热量计量越准确。事实上，温度段划分足够小的时候，总热量消耗的真实值就等同于水流量对温度求积分的结果；或者首先将室内温度划分为几个比较大的温度段(如前述的三个)，然后总热量消耗真实值就等同于水流量对温度分段求积分的结果。更为准确地，对温度求积分的温度(即自变量)应该指的是任一点的室内温度(第二温度传感器的检测值)对应的供水回水温度的差值(即(第一、第二)温度传感器的检测值只差)。因此，从理论上讲，通过本发明的热计量方法可以精确地评价出单户房间的室内空间的真实的热量消耗。作为一种具体的实施例，采暖销售商为了简化热量价格的计算，也可以只通过每个温度区间的流量直接计算，即针对每个温度段的单位水流量直接定价。仍以前面的温度段(t<14℃、18℃>t≥14℃、t≥18℃)及其相应的水流累积量(v1、v2、v3)为例，基于同一个温度段的单位水流量对应统一的热量消耗单价的假设，控制器10可以实时或者每隔一定时间定期地将水流累计量v1、v2和v3(或者对应于(v1、v2和v3)的热量消耗总价格)通过通讯单元16发送到监控端，以防止由于系统故障等原因造成数据的丢失。监控端通过对前述的v1、v2和v3(或者对应于(v1、v2和v3)的热量消耗总价格)进行集中地接收、显示和处理，在装置正常运行的状态下即可即可获取和/或显示准确的水流累计量信息。

当出现如转速传感器13检测到膨胀机20的转速出现剧烈振荡/跳动、制动器14检测的制动力度与转速传感器13检测的转速不成规律变化和/或检测到发电机输出电压跳动或大幅波动等不正常信号(如在发电机的电能输出端配置相应的电压传感器)时，控制器10根据接收到的信号判断装置是否存在故障以及在存在故障的情形下进一步确定出具体的故障类型，并将故障类型和/或相应的提示信号(如声和/或光形式的报警)通过通讯单元16发送至监控端，同时向供水阀门11发送使供水阀门11关闭的信号，直至装置恢复正常状态后，重新开启供水阀门11。或者监控端在接收到故障信息之后，通过通讯单元16向控制器10发送关闭供水阀门11的信号。由于监控端能够及时获知故障信息并针对故障采取相应的排障策略，使装置得到了及时的维修，因此提高了装置的运行可靠性，避免了由于装置在故障状态下仍然运行导致的水流量计量不准确以及安全事故等。在故障消除之后，监控端通过通讯单元16向控制器10发送相应的反馈信息。基于该反馈信息，控制器10使供水阀门11打开，气体处理系统即可恢复至正常的工作状态。

如监控端可以是物理服务器或者云端服务器，物理服务器可以是就近的或者远程的监控中心，通讯单元16在能够保证监控端与控制器10实现通讯的前提下，可以采用有线或者无线通讯的方式。通过监控端的灵活设置以及监控端对装置运行状态及其运行参数的及时获知，以及结合前述的蓄电池13可以对控制器10、通讯单元16等部件提供电力的设置，提高了装置对应用场景的适用性，在一定程度上实现了装置独立于用户运行的目的。如可用于大、中、小型的热计量场所，尤其适用于中小型具有高精度要求的热计量场所。

实施例2

图2示出本发明的另一种实施例的连续供水式房间供热控温与热计量装置的结构示意图。如图2所示，实施例2与实施例的1的区别在于，装置中的发电机23由普通的发电机替换为励磁发电机，相应地，实施例2中也省略了制动器14，这是因为：控制器是通过向励磁发电机的励磁模块发送改变励磁电流的信号来实现对发电机的转速调整，通过发电机的转速调整来改变膨胀机的转速。具体而言，在最高允许转速的范围内，发电机的转速随着励磁电流的增大而升高，膨胀机的转速随之升高；随励磁电流的减小而降低，膨胀机的转速随之降低。

装置的其他部分与实施例类似，装置的调压方法也与实施例1基本相同，在此不再赘述。

需要说明的是，实施例2目前的方案是：转速传感器采集的是发电机的转速，控制器基于发电机的转速通过调整励磁电流来改变发电机的转速，进而间接地改变膨胀机的转速。实施例1目前的方案是：转速传感器采集膨胀机的转速，控制器基于膨胀机的转速通过调整制动器的制动力度来直接改变膨胀机的转速。但是，由于发电机与膨胀机是通过联轴器连接的，即二者是刚性连接的，因此此处采集的发电机与膨胀机的转速应当相等，因此在实施例1和实施例2中，无论转速传感器采集的是发电机还是膨胀机的转速，无论控制器是通过励磁电流间接调整膨胀机的转速还是通过制动器直接(如实施例1，制动器设置于膨胀机)或者间接调整(实施例1的替换形式，制动器设置于发电机)膨胀机的转速，均属于等同的技术手段。

图3是将实施例2对应的连续供水式房间供热控温与热计量装置应用到一整栋楼房采暖时的整体结构示意图。如图3所示，供水干管和回水干管均设置于楼底，如在楼底设置有集中加热的锅炉房作为热水源，回水干管通至锅炉房，锅炉房引出供水干管。温度调控方案为对楼栋内方位、朝向大致相同的多个房间划分为同一房间组，并对其进行统一的温度调控和热计量(按面积平摊)。具体而言，对每个房间组配置有与供水干管和回水干管分别连通的供水立管和回水立管(相当于图2中的供水支管和回水支管)，供水立管和回水立管之间设置有图2所示的装置。不过，为了使得本发明的装置能够适应具体的应用场景，需要对供热控温与热计量装置略作改造，具体地，对同一房间组的每个单户房间均配置有散热器21和供水子阀门22，即每个装置包括一组((第一、第二、第三)温度传感器、供水阀门11)以及与单户房间数对应的多个散热器21和供水子阀门22，供水立管中的热水经供水阀门11和供水子阀门22进入相应的单户房间后通过散热器21向该单户房间的室内散热，之后各个单户房间的散热器21的出水口分别汇集至该房间组对应的房间组的回水立管。而第二温度传感器15则只检测其中一个单户房间的室内空间的温度(如就近原则)即通过对多个耗热量相近的房间进行统一温度控制和热计量，提高了热计量的精度，也全面地改善了单户室内供暖的温度舒适度。

显然，根据实际情况，也可以将上述图3中的装置替换为实施例1对应的连续供水式房间供热控温与热计量装置，或者将实施例1和实施例2交叉混合使用构成图3中的应用场景。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案。但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。