专利名称：分户供暖温控计费装置及热费计算方法
技术领域：
本发明涉及一种供暖温控计费装置及热费计算方法，具体的说是适用于双管制的分户供暖温控计费装置及热费计算方法。
背景技术：
目前，欧美国家分户计量热量的方法基本有以下三种用热能表直接测定用户从供热系统中消耗的热量；通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的耗热量；通过测定用户房间的热负荷(温度)来确定用户的耗热量。其中第一种方法能准确反映用户耗热的多少，但是计量精度容易受到水质的影响，稳定性不高，同时不能解决当一户停止用热时对周围邻居的吸热影响，也不能解决由于冷山、顶层等因素造成的相同舒适度热耗增加的问题。第二种方法实施成本较低，且对室内管道分布没有特殊要求，但是测量精度不高，且安装、维护、测试、管理过程比较复杂，难以避免使用过程中的人为损坏，存在用户对蒸发器作弊的可能性。第三种方法按照相同舒适度缴纳相同热费的原则把温度直接变为商品，是老百姓容易接受的方法，同时也限制了不采暖房间对邻居吸热所造成的‘有温度不缴费’的问题，但是无法限制开窗等浪费现象，不利于节能。综上所述，目前采暖计费方法不能够实现公平计费。这些问题是分户计量推广工作在技术方面的主要障碍。
发明内容
本发明为解决现有技术中的不足，其目的在于提供一种能够实现公平计费的分户供暖温控计费装置及热费计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是 本发明装置包括温度采集器及控制器，该温度采集器安装于室内，其输入端接有室内温度传感器；该控制器的输入端接有室外温度传感器、供水温度传感器、回水温度传感器及供回水压差变送器，输出端与电动三通阀相连，控制器中的第2中央处理器中存有现场参数自动标定程序及分户供暖热费计算方法的算法程序，温度采集器与控制器进行通讯连接。
所述温度采集器具有第一中央处理器，其模拟量输入端与室内温度传感器相连；第一中央处理器的数字量输出端接有第一显示器；第一中央处理器的数字量输入端接有第一键盘；第一中央处理器通过第一通讯接口与控制器进行通讯连接；所述控制器具有第二中央处理器，其模拟量输入端与室外温度传感器、供水温度传感器、回水温度传感器及供回水压差变送器相连；第二中央处理器的数字量输出端接至第二显示器；第二中央处理器的数字量输入端接有地址开关、IC卡接口及第二键盘；第二中央处理器通过第二通讯接口与第一中央处理器及抄表相连；第二中央处理器通过并行或串行方式与相邻住户的控制器采暖开关信息进行交换；第二中央处理器的输出端经驱动放大器接有电动三通阀。
本发明分户供暖热费计算方法具有以下步骤 现场标定供暖参数；根据供暖参数计算加权值；计算热当量；计算住户需承担的热费。
所述现场标定供暖参数具体为 1)首先测定住户采暖系统(地热盘管或散热器)等效结构流动阻力系数Cg*L1，并将Cg*L1测定结果存入供暖参数表； 所述测定Cg*L1的方法如下 a．计算住户采暖水系统流量G G＝G11×KD×(ΔP1)0.5 其中 C1为住户采暖系统供水阀门的流量系数； KD为住户采暖系统供水阀门的开度； ΔP1为住户采暖系统供水阀门两端的压差； ρ为水的密度； b．计算Cg*L1， 其中ΔP为住户采暖系统供回水压差； 2)调整电动三通阀开关状态，即关闭住户采暖供水管路，打开旁通管路，调整手动调节阀，使供回水压差在这两种状态保持不变； 3)启动现场参数自动标定程序进行自动标定，生成该住户的供暖参数表；按房间温度范围温度每变化1℃，记录一次供暖参数，所述供暖参数包括供水温度、回水温度、室外温度、房间温度、供回水压差及供水阀门开度； 所述计算加权值K(x·τ)具体为在当前时刻测得房内平均温度为Tn(x·τ)，供水温度为Tg(x·τ)，回水温度为Th(x·τ)，室外温度为Tw(x·τ)，供回水压差ΔP(x·τ)，阀门实际开度为KDs(x·τ)，其中τ为采样周期，x=1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值；查该住户的供暖参数表，得到当房间温度为Tn(x·τ)时，供水温度为Tg，回水温度为Th，室外温度为Tw，供回水压差ΔP，阀门开度为KD。得出如下表达式 其中 G为标定时供水质量流量； G(x·τ)为当前时刻供水质量流量。
所述计算热当量，具体为 其中S(i，j，k)为房间面积，τ为采样周期，K(x·τ)为加权值；Tn(x·τ)为房内平均温度，Tw(x·τ)为室外温度，x＝1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值；当K(x·τ)>1时，控制器查询相邻住户采暖开关信号(S1)如果为关信号，算式(3)中K(x·τ)＝1；否则K(x·τ)将按算式(2)的计算结果参与算式(3)的热当量的计算； 所述采暖关信号产生条件是相邻住户关闭温控器及/或相邻住户将房间温度设为防冻温度； 计算该住户需承担的热费，具体为由该楼热能计费总表得知该楼的总热费Y，用下式计算楼内该住户应该分摊的热费Y(i，j，k) 其中n1为该栋楼的单元总数；n2为该楼i单元的楼层总数；n3为该楼i单元、j楼层的住户数；Q(i，j，k)为该住户的热当量。
本发明具有以下优点及有益效果 1.实现了在温度面前人人平等。由于本发明采用温度加权法计算热费，而加权值的计算充分考虑了相邻住户房间吸收热量的情况、房间所在不同位置的影响及自身开窗等浪费现象，因而能够合理地计算出相同舒适度下住户支出的费用； 2.避免人为公摊费用。没人居住的空房由于吸收相邻住户的热量，也会有温度，用本发明方法计算会得出其需要缴纳的费用，避免了人为规定公摊费用的不合理现象； 3.充分考虑了受相邻不采暖房间影响的住户。按本发明方法计算，如该住户房间温度降低，费用也会减少，如果由于供热量增加(阀门开度加大)温度没有降低，费用也不会增加，因为按本发明的计算方法，该住户加权值为1，增加的热费由不采暖住户承担； 4.有效控制浪费现象的发生。根据本发明计算方法，如果住户开窗散热，而室内温度保持不变，会造成加权值增加，支出的费用也要增加，以此限制浪费，鼓励节能； 5.充分考虑了位于冷山、底层或顶层的住户。由于冷山、底层或顶层房间热负荷大，它们在做温度调节时所需的热量也大。由于本发明在标定过程中确立了不同房间的热负荷基准，加权值的计算正是以自己热负荷基准为标准的，这样可以确保冷山、顶层、底层的住户，在做温度调节时或遇到热负荷扰动时加权值与普通房间相同。
图1A为本发明装置构成框图(一)； 图1B为本发明装置构成框图(二)； 图2A、2B、2C为本发明电气原理图(一)、(二)、(三)； 图3A、3B、3C、3D为本发明电气原理图(四)、(五)、(六)、(七)； 图4为本发明实施例说明图。
具体实施例方式 本发明适用于每个单元管道井里安装供回水立管，且从供回水立管上引出每户的水平支管，水平支管与散热器采用双管并联或单管串联的分户供暖及通过积、分水器与地埋管相联的地热供暖系统的温控计费装置及热费计算方法。
如图4所示，为双管制供暖系统，并由虚线划分出相邻的3个住户单元.在楼热力管道总入口处安装热能计费总表1，也可以由物价管理部门给出总热费，而每个住户设置一套温控计费装置，其功能是对房间的温度进行采集，对温度进行控制，并计算该用户消耗的热当量，进而算出每户热费。本实施例以中间住户为例，该住户有楼上、楼下、左、右四家邻居，经计算，左右两家邻居采暖与否对该住户温度影响很小，可忽略不计。在该住户走廊管井内安装分户供暖温控计费装置，包括控制器2和安装于室内的温度采集器3。如图2A～2C所示，温度采集器3具有第一中央处理器U1，其输入端接有室内温度传感器T1，本实施例最多采用6路温度传感器，安装于不同的房间内，分别采集该住户各房间的温度；而对于温度比较均匀的地热供暖系统，也可以采用1路温度传感器。第一中央处理器U1的数字量输出端接有第一显示器U4，用于显示时间、温度及设置的参数；第一中央处理器U1的数字量输入端接有第一键盘U3，用以设置温度和时间；第一中央处理器U1通过第一通讯接口U2与控制器2进行通讯连接。如图3A～3D所示，该控制器2具有第二中央处理器U7，其模拟量输入端接有室外温度传感器T2、供水温度传感器T3、回水温度传感器T4及供回水压差变送器ΔP，数字量输出端经驱动放大器U10接至电动三通阀5的执行器。第二中央处理器U7的数字量输出端接有第二显示器U11，用于显示热当量或IC卡储存的热费余额；数字量输入端接有第二键盘U14及用于进行地址编码的地址开关U9；第二中央处理器U7通过第二通讯接口U6与第一中央处理器U1进行通讯连接，其第二通讯接口U6还可与抄表U5进行连接，功能是在采暖季节开始时，对热当量存储器进行初始化操作，采暖结束时读取热当量，并上传给计算机计算热费；抄表U5在标定时还有一个作用是用来激活标定程序。第二中央处理器U7的数字量输入管脚与IC卡接口U8相连，在热费量化后可根据IC卡热费储值控制阀门开关；第二中央处理器U7与相临住户控制器采暖开关信息的交换分为两种方式并行方式或串行方式，其中并行方式如图1A所示，U7的数字量输入端与相临住户采暖开关信号S1相连，第二中央处理器U7的数字量出端将本住户采暖开关信号S2接至相邻住户控制器采暖信号输入端，第二中央处理器U7通过信号控制电路U13进行信号传输控制；串行方式如图1B所示，第二通讯接口U6通过多路开关U15与第一中央处理器U1、抄表U5及相临住户控制器进行通讯连接。第二中央处理器U7中存有现场参数自动标定程序及分户供暖热费计算方法的算法程序。
本发明装置的工作过程如下通过设在各个独立生活空间的温度传感器T1采集各个房间的温度并计算其加权平均值，然后通过串口及通讯接口把设定温度和平均温度传输给设于管道井内的控制器2，控制器2自动调节电动三通阀5的开度，使房间的平均温度达到设定值。各个独立房间的温度，用户可根据需要通过手阀7自行调节，如图4所示，6为散热器，12为手动调节阀，其作用是维持采暖水系统压力稳定；控制器2根据标定的该住户供暖参数及接收的温度信号、相邻住户采暖开关信号S1等，计算加权值和热当量；控制器2在热费量化后可根据IC卡热费储值控制阀门开关；控制器2还可通过抄表在采暖季节开始时，对热当量存储器进行初始化操作，在采暖结束时读取热当量，并上传给计费计算机以进行热费计算。
本发明分户供暖热费计算方法包括现场标定供暖参数、根据供暖参数计算加权值、计算热当量及计算住户需承担的热费四个步骤 1.所述现场标定供暖参数具体为 1)首先测定住户采暖系统(地热盘管或散热器)等效结构流动阻力系数Cg*L1，方法如下 a.计算住户采暖水系统流量G G＝C11×KD×(ΔP1)0.5 其中 C1为住户采暖系统供水阀门的流量系数； KD为住户采暖系统供水阀门的开度； ΔP1为住户采暖系统供水阀门两端的压差； ρ为水的密度； b.计算Cg*L1 其中ΔP为住户采暖水系统供回水压差； 将Cg*L1计算结果存入采暖参数。
2)调整住户采暖系统供水阀门(本实施例采用电动三通阀5)的开关状态，即关闭住户采暖供水管路，打开旁通管路，调整手动调节阀12，使供回水压差在这两种状态保持不变。
3)启动现场参数自动标定程序进行自动标定，生成该住户的供暖参数表；按房间温度范围温度每变化1℃，记录一次供暖参数，所述供暖参数包括供水温度、回水温度、室外温度、房间温度、供回水压差及供水阀门开度。
2.计算加权值具体为在当前时刻测得房内平均温度为Tn(x·τ)，供水温度为Tg(x·τ)，回水温度为Th(x·τ)，室外温度为Tw(x·τ)，供回水压差ΔP(x·τ)，阀门实际开度为KDs(x·τ)，其中τ为采样周期，x＝1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值；查该住户的供暖参数表，得到当房间温度为Tn(x·τ)时，供水温度为Tg，回水温度为Th，室外温度为Tw，供回水压差ΔP，阀门开度为KD。此时房间所需的热量为 Rc＝G×CP×(Tg-Th) 其中G为标定时的水的质量流量； CP为水的定压比热； 在当前时刻采暖参数下，房间所需的热量为 如果住户有开窗等负荷干扰，所需热量要发生改变，设此时的实际热量为Rcxs，则 Rcxs＝G(x·τ)×CP(x·τ)×(Tg(x·τ)-Th(x·τ)) 其中G(x·τ)为当前时刻的水的质量流量； CP(x·τ)为当前时刻的水的定压比热，在40℃-70℃范围内，CP(x·τ)与CP相差很小，可以忽略。
加权系数 其中 如果K(x·τ)>1，必然发生如下两种情况之一种一是住户自己开窗、开门或暖气放水引起热量流失；二是邻居不采暖引起热传导，造成热量流失。
3.所述计算热当量，具体为 其中S(i，j，k)为房间面积，T为采样周期，K(x·τ)为加权值；Tn(x·τ)为房内平均温度，Tw(x·τ)为室外温度，x＝1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值； 当K(x·τ)>1时，该住户控制器2查询相邻住户采暖开关信号，如果为关信号，算式(3)中取K(x·τ)＝1；否则K(x·τ)将按算式(2)的计算结果参与算式(3)的热当量的计算； 所述采暖关信号产生条件是相邻住户关闭温控器及/或相邻住户将房间温度设为防冻温度。
4.所述计算住户需承担的热费，具体为由楼热能计费总表给出该楼的总热费Y，用下式计算楼内该住户应该分摊的热费 其中n1为该栋楼的单元总数；n2为该楼i单元的楼层总数；n3为该楼i单元、j楼层的住户数；Q(i，j，k)为该住户的热当量。
该计算方法实现了分户供暖公平计费。
以下为本发明在具体应用中加权值K(x·τ)的实际计算过程 1)现场标定供暖参数 启动现场参数自动标定程序(启动时间由抄表设置)，通过该程序自动标定房间温度在5℃至标定时所能达到的最高温度之间、温度每升高1℃时对应的供水温度、回水温度、室外温度、供回水压差及阀门的开度。设其中一组对应的参数分别为房间温度20℃；供水温度65℃；回水温度55℃；室外温度-18℃；供回水压差25000Pa；阀门开度0.0005米2。
2)根据供暖参数计算加权值 在运行中，某时刻房间温度为20℃；供水温度68℃；回水温度56℃；室外温度-20℃；供回水压差25000Pa阀门的实际开度0.0006米2； 根据参数表计算标定时室温为20℃的流量 其中Cg*L1＝3.1296×1010，KD＝0.0005(米2)，C11＝0.01 代入上式 解得G＝0.0003(立米/秒) 当前时刻室温为20℃的流量 代入数值解得G(x·τ)＝0.0003077(立米/秒) 代入数值得 这个数值说明该用户可能自开窗或相邻用户关闭采暖系统，如为该用户自开窗，即控制器没有收到相邻住户的关采暖信号，则该加权值采用上述计算得出的数值1.169；如相邻用户关闭采暖系统，即控制器收到了相邻住户的关采暖信号，则该加权值为1。
权利要求
1.一种分户供暖温控计费装置，其特征在于包括温度采集器(3)及控制器(2)，该温度采集器(3)安装于室内，其输入端接有室内温度传感器(T1)；该控制器(2)的输入端接有室外温度传感器、供水温度传感器、回水温度传感器(T2～T4)及供回水压差变送器(ΔP)，输出端与电动三通阀(5)相连，控制器(2)中的第2中央处理器(U7)中存有现场参数自动标定程序及分户供暖热费计算方法的算法程序，温度采集器(3)与控制器(2)进行通讯连接。
2.按权利要求1所述分户供暖温控计费装置，其特征在于所述温度采集器(3)具有第一中央处理器(U1)，其模拟量输入端与室内温度传感器(T1)相连；第一中央处理器(U1)的数字量输出端接有第一显示器(U4)；第一中央处理器(U1)的数字量输入端接有第一键盘(U3)；第一中央处理器(U1)通过第一通讯接口(U2)与控制器(2)进行通讯连接；
所述控制器(2)具有第二中央处理器(U7)，其模拟量输入端与室外温度传感器、供水温度传感器、回水温度传感器(T2～T4)及供回水压差变送器(ΔP)相连；第二中央处理器(U7)的数字量输出端接至第二显示器(U11)；第二中央处理器(U7)的数字量输入端接有地址开关(U9)、IC卡接口(U8)及第二键盘(U14)；第二中央处理器(U7)通过第二通讯接口(U6)与第一中央处理器(U1)及抄表(U5)相连；第二中央处理器(U7)通过并行或串行方式与相邻住户的控制器采暖开关信息进行交换；第二中央处理器(U7)的输出端经驱动放大器(U10)接有电动三通阀(5)。
3.一种分户供暖热费计算方法，其特征在于具有以下步骤
现场标定供暖参数；根据供暖参数计算加权值；计算热当量；计算住户需承担的热费。
4.按权利要求3所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于所述现场标定供暖参数具体为
1)首先测定住户采暖系统等效结构流动阻力系数Cg*L1，并将Cg*L1测定结果存入供暖参数表；
所述测定Cg*L1的方法如下
a.计算住户采暖水系统流量G
G＝C11×KD×(ΔP1)0.5
其中
C1为住户采暖系统供水阀门的流量系数；
KD为住户采暖系统供水阀门的开度；
ΔP1为住户采暖系统供水阀门两端的压差；
ρ为水的密度；
b.计算Cg*L1
其中ΔP为住户采暖系统供回水压差；
2)调整电动三通阀开关状态，即关闭住户采暖供水管路，打开旁通管路，调整手动调节阀(12)，使供回水压差在这两种状态保持不变；
3)启动现场参数自动标定程序进行自动标定，生成该住户的供暖参数表；按房间温度范围温度每变化1℃，记录一次供暖参数，所述供暖参数包括供水温度、回水温度、室外温度、房间温度、供回水压差及供水阀门开度。
5.按权利要求3所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于所述计算加权值K(x·τ)具体为在当前时刻测得房内平均温度为Tn(x·τ)，供水温度为Tg(x·τ)，回水温度为Th(x·τ)，室外温度为Tw(x·τ)，供回水压差ΔP(x·τ)，阀门实际开度为KDs(x·τ)，其中τ为采样周期，x＝1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值；查该住户的供暖参数表，得到当房间温度为Tn(x·τ)时，供水温度为Tg，回水温度为Th，室外温度为Tw，供回水压差ΔP，阀门开度为KD，得出如下表达式
其中
G为标定时供水质量流量；
G(x·τ)为当前时刻供水质量流量。
6.按权利要求3所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于所述计算热当量，具体为
其中S(i，j，k)为房间面积，τ为采样周期，K(x·τ)为加权值；Tn(x·τ)为房内平均温度，Tw(x·τ)为室外温度，x＝1......M，M为采暖总时间除以采样周期τ得到的整数值。
7.按权利要求5或6所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于当K(x·τ)＞1时，控制器查询相邻住户采暖开关信号(S1)如果为关信号，算式(3)中K(x·τ)＝1；否则K(x·τ)将按算式(2)的计算结果参与算式(3)的热当量的计算。
8.按权利要求7所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于所述采暖关信号产生条件是相邻住户关闭温控器及/或相邻住户将房间温度设为防冻温度。
9.按权利要求3所述的分户供暖热费计算方法，其特征在于计算该住户需承担的热费，具体为由该楼热能计费总表(1)得知该楼的总热费Y，用下式计算楼内该住户应该分摊的热费Y(i，j，k)
其中n1为该栋楼的单元总数；n2为该楼i单元的楼层总数；n3为该楼i单元、j楼层的住户数；Q(i，j，k)为该住户的热当量。
全文摘要
本发明公开一种分户供暖温控计费装置及热费计算方法，该装置包括温度采集器及控制器，该温度采集器安装于室内，其输入端接有室内温度传感器；该控制器的输入端接有室外温度传感器、供水温度传感器、回水温度传感器及供回水压差变送器，输出端与电动三通阀相连，控制器中的第2中央处理器中存有现场参数自动标定程序及分户供暖热费计算方法的算法程序，温度采集器与控制器进行通讯连接；本发明方法包括以下步骤现场标定供暖参数；根据供暖参数计算加权值；计算热当量；计算住户需承担的热费。本发明达到了在温度面前人人平等的目标，避免人为公摊费用，充分考虑受相邻不采暖房间影响的住户，有效控制浪费现象的发生，实现了分户计量的公平计费。
文档编号G01D4/00GK101144724SQ200710089658
公开日2008年3月19日 申请日期2007年3月17日 优先权日2006年6月23日
发明者帆 张, 张诚实 申请人:张诚实