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摘要：使用冷量表的中央空调计费方式或能耗监测因具有公平合理的特性越来越受到重视，但也存在因选型不当而导致的问题。从冷量表的基本要求、结构要求、最小温差、流量计选择、通讯要求等方面分析了选型中需要注意的问题。
关键词：中央空调计量 能耗监测 公平合理 冷量表 选型
中央空调计费或能耗监测作为行为节能的重要措施之一，得到了大多数业内人士的认同。使用冷量表的计量方式因具有公平合理的特性越来越受到重视，但在实际应用中也遇到一些问题，笔者从众多实际项目中发现，很多问题来源于计量仪表的选型。本文主要阐述如何在实际应用中选择计量仪表。
１ 冷量表的基本要求
中央空调计费或能耗监测冷量表是热量表的一种。国家标准GB/T32224—2015《热量表》标准定义冷量表就是用于计量冷量的热量表（适用于流体温度２～３０ ℃，温差不大于２０Ｋ 的场合）。
热量表作为《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录的工作计量器具明细目录》中９种国家重点管理计量器具之一，必须满足相关的型式批准要求，才能合法生产该类产品。所以在空调计费或能耗监测产品选型中，只能选择具有相关资质的企业生产的冷量表，并且选型过程中要检查型式是否符合要求。
２ 冷量表结构要求
中央空调系统的工作环境和普通的热量计量系统有所区别，在低温环境下，管道系统可能产生大量冷凝水，这对冷量表的结构提出了更高的要求。大量的应用结果表明，空调计量用冷量表必须具有良好的防护等级和结构设计才能满足安装环境的特殊性，ＩＰ６５甚至更高的防护等级才能适应存在冷凝水的环境，避免冷凝水对仪表电子电路造成破坏。特别是一体式产品，更要注意产品的防护等级。在结构设计中，一些厂家采用流量计和计算器分体安装的方式，较好地解决了冷量表的环境适应问题。
分体式设计中，流量计仍然采用全封闭式结构。由于流量计传感器初始信号一般都比较弱，直接传送抗干扰性差，需要转换为４～２０ｍＡ 的电流信号或者脉冲信号才能远传，因此流量计电路应该采用硅凝胶、环氧树脂等材料进行灌封处理，或者在设计上采用热阻断、电路尽量远离可能产生冷凝水的位置等措施，避免冷凝水对流量传感器的腐蚀和破坏，确保产品的可靠运行。图１给出了冷热量
图１ 冷量表一体式设计和分体式设计的结构示意
表一体式设计和分体式设计的结构示意。
３ 冷量表最小温差
由于系统设计或者实际负荷的变化，中央空调系统经常运行在大流量、小温差状态下，供回水温差保持在５℃以下，甚至部分空调系统长时间运行在２～３℃的温差下，由热量表配对温度传感器准确度公式【见式（１）】可知，温差引起的误差随着温差的变小而逐渐增加。受温差传感器配对特性的影响，３℃最小温差的配对温度传感器的精度只能保证０．１℃的配对要求，在该配对要求下，如果实际温差低于３℃，误差绝对值将大于３．５％［１-２］。
Eｔ ＝±（０．５＋３Δtｍｉｎ/Δt）
（１）式中 Eｔ 为相对误差限，％；Δtｍｉｎ为最小温差，℃；
Δt为使用范围内的温差，℃。
由式（１）可求得最小温差分别为２，３℃时的误差限，如表１所示。
由表１可以看出，冷量表设计最小温差为３
℃、运行温差低于２ ℃时误差绝对值将大于５％；如果运行温差为１ ℃，误差绝对值将大于９．５％。因此，在空调计量或能耗监测应用中，冷量表选型对温差的要求明显比普通应用更高。GB/T32224—2015强调：冷量表的最小温差不应大于２Ｋ［１］。在中央空调计费或能耗监测中，冷量表的最小温差一定要小于２℃，才能保证测量精度要求，才能减小系统误差。
４ 流量计选型
4.1 流量计基本要求
流量计的选用取决于工艺条件、系统调节范围和流体性质，应考虑计量管路流量大小、变化波动情况、腐蚀、洁净、操作和经济合理等因素。
4.2 流量计的水质适应性
冷量表的流量计主要有机械叶轮式流量计、超声波流量计两种。近年来，常用在工业中的电磁式流量计在中央空调计费中也有应用。机械叶轮式流量计从机械特点来分，可分为多流束水平旋翼、垂直螺翼式、单流束水平旋翼、径向叶轮流量计；从电路方式来分，可分为无磁和有磁流量计。受施工和管路选材的影响，以及循环水本身特点的影响，国内的中央空调系统或能耗监测系统普遍具有水质差、铁屑杂质多的特点。一般的机械式叶轮流量计用于水表时，由于饮用水水质较好，无大量铁屑和杂质，即使采用有磁表，也不会因为吸附铁屑而造成流量计量失败，叶轮也不会被杂质卡住。但在空调水系统中，大量的铁屑和杂质很容易造成叶轮吸附铁屑甚至卡死，最终造成计量的失败，给该类流量计在空调系统中的应用带来很大的困难。径向叶轮流量计具有防卡、无磁、低压损特点，能较好地在空调系统中应用，但随着近几年技术的革新。电磁式表和超声波表逐步替代了叶轮式的，尤其是超声波表在空调系统中运用更加能突出其优势，电磁表和超声波表都具有无活动部件、寿命长的特点，也都能比较好地适应水质，特别是，为检验超声波表的寿命，国家计量部门针对其寿命连续两年做过耐久性试验，通过试验结果来看最少能满足八年寿命。
4.3 流量计的量程特性
空调系统还有一个特点就是水系统流量受季节影响大，在夏季和冬季（空调供暖）流量较大，在春秋季流量非常小，商业楼还具有白天流量较大，夜晚流量小等特点，这对冷量表中流量计的量程比（最小流量／常用流量），特别是总表或者楼层表的流量计的量程比提出了更高的要求。流量计在低流速时的性能直接影响其测量范围。一般的机械表可以达到１∶５０左右的量程比。在国内，较小口径的超声波表可以做到１∶５０的量程比，口径在ＤＮ５０以上时，只有极少数厂家能做到１∶５０以上的量程比。电磁表在低流速时的性能差于超声波表，超声波表的高量程比流量特性使其很容易达到GB/T32224—2015标准中的流量要求，有些超声波表甚至能达到１∶２５０的量程比，为小负荷的精确测量提供了技术基础。表２为超声波表和电磁表的流量特性对比。
表２ 超声波表和电磁表的流量特性对比
从表3和《民用建筑空调设计》标准的8.2.1中各口径推荐的流速可以得出超声波表更适合空调系统计量或能耗监控系统中，流量精准度更高。
在选择流量计时，应选择具有良好量程范围的流量计，并且一定要考虑计量用户流量可能的变化范围，这样才不会给以后的计费或能耗监测带来问题。
4.4 流量计安装条件
流量计在使用中应注意安装条件的适应性和要求，主要从下面几方面考虑，比如流量计的安装方向、流体的流动方向、上、下游管道的配置、阀门位置、防护性配件、脉动流影响、振动，电气干扰和流量计的维护等。
4.4.1 现场管道布线
在现场管道布线时应注意流量计的安装方向，由于流量计的安装方向一般分为垂直安装方式和水平安装方式，对于这两种安装方式在流量测量性能上是有差别的。比如，流体垂直向下流动会使流量计传感器带来额外力而影响流量计的性能，使流量计的线性度、重复性下降。流量计的安装方向还取决于流体的物性，如水平管道可能沉淀固体颗粒，因此测量具有这种状态的流量计最好安装于垂直管道。
4.4.2 流体的流动方向
这个问题与流量计的安装方向比较相似，由于有的流量计规定只能在一个方向工作，反向流动会损坏流量计。使用类似流量计时还要考虑当发生无操作时可能会产生反向流动，这样就需要采取措施，如安装止回阀以保护流量计。即使能双向使用的流量计，其正向和反向之间的测量性能可能也会有些差异，应该按照制造厂规定的要求使用。
4.4.3 流量计上游和下游直管段
由于流量计会受到管路进口流动状态的影响，管道配件也会引入流动扰动，流动扰动一般有旋涡和流速分布剖面畸变，旋涡存在普遍是由于有两个或两个以上空间（立体）弯管所引起的。流速剖面畸变通常是由管路配件局部阻碍（如阀门）或弯管所组成。这些影响需要以适当长度的上游直管段或安装流动调整器进行改善。除了考虑流量计连接配件的影响外，可能还要考虑上游管道配件组合的影响，因为它们可能产生不同的扰动源，所以一定要尽可能拉开各扰动源之间的距离以减少其影响。比如像在单弯管后面紧接着部分开启的阀。
流量计的下游也需要有一段直管段以减小下游流动影响。
对于容积式流量计和科里奥利质量流量计是不大会受不对称流动剖面影响；涡轮流量计使用时应尽量降低旋涡；电磁流量计和差压式流量计则应限制旋涡在很小的范围内。
气穴和凝结是由于管道布置不合理造成的，避免管道直径上和方向上的急剧改变。管道布置不良也会产生脉动。
多声道流量计对上下游直管段的要求更低，甚至可以忽略此要求。
4.4.4 管径和管道振动
有些类型的流量计管径范围并不很宽，因此过大或过小会限制流量计品种的选择。测量低流速或高流速的流量，可选择与管径尺寸不同的流量计管径，可以使用异径管连接，使流量计运行在规定的范围内。流量超过范围，流速过低流量计误差增加会无法工作，流速过高流量计误差也可能增加，同时还会使流量传感器超速或压力降过大而损坏流量计的使用。
有些流量计如压电检测件的涡街流量计和科里奥利质量流量计敏感于机械振动，容易受管道振动干扰，应注意在流量计前后管道上作支撑设计。对于脉动影响的消除采用脉动消除器以外，还注意将所有被安装的流量计应远离振动或脉动源。
4.4.5 阀门的安装位置
在安装流量计的管道都装有控制阀和隔离阀，为避免由于阀引起一些流速分布扰动和气穴而影响流量计测量，一般控制阀应安装在流量计的下游，控制阀安装在流量计的下游还可以增加流量计背压，便于减小流量计内部产生气穴的可能性。
隔离阀安装的目的是为了使流量计与管线的流体隔离以便于维修。上游阀应离流量计足够距离，当流量计运行时，上游阀应全开以避免流速分布畸变等扰动。
4.4.6 电器连接和电磁干扰
目前大部分流量测量系统，不管是流量计本身还是其附件连接等都有电子设备，因此采用的电源要与流量计相配套。当流量计输出电平较低，应使用与环境想适应的前置放大器。有些类型的流量计的输出信号容易受大功率开关装置的干扰，使流量计输出脉冲波动而影响流量计的性能，像信号电缆应尽可能远离电力电缆和电力源，以降低电磁干扰和射频干扰影响。
4.4.7 脉动流和非定常流
前面已经讲过对于脉动流的影响除采用脉动消除器以外，还应注意将所有被安装的流量计远离脉动源。最常见的产生脉动源有定排量泵、往复式压缩机、振荡着的阀或调节器、涡列等水利学振荡。一般像差压式流量计具有脉动流误差，涡轮流量计和涡街流量计一样也会产生脉动流误差。非定常流是指随时间而变的流动而缓慢脉动是非定常流的一个特例。比如因尺寸过大的控制阀运行所产生的缓慢脉动。
流量计可分别处理流量传感器和二次显示仪表所受脉动影响。将流量传感器安装在远离脉动源的地方，也可在管道系统中安装冲气式缓冲器（用于液体）或阻流器（用于气体）等低通滤波器以减低脉动程度。二次显示仪表则可选用响应特性好的流量计（如电磁流量计、超声流量计）增加阻尼，测定脉动参数用以估计脉动的附加误差。
4.5 流量计的其他特性
在已有的管段上增加流量测试功能时，部分项目采用插入式电磁流量计或外夹式超声波表。由于插入式电磁流量计和外夹式超声波表误差受安装质量影响比较大，需要在现场用更精确的流量仪表进行校正才能达到真正的精度要求。而现场校正在实际工程中又基本上不太可能。因此选择管段式流量计才能确保空调计费或能耗监测的准确性。
由表4可见，中央空调系统冷量表的流量计选型需要充分考虑系统的流量特点，还应考虑各种流量计本身的特点。在选择测量点时需要充分考虑适宜性。在选择分表时，应充分考虑空调末端的特点；选择总表和楼层表时应充分考虑空调系统的整个流量特性、表的寿命和流量范围，最小流量应小于单个末端的流量，最大流量应大于所有末端的最大流量总和。
表4为各种流量计的应用特性对比。
５ 通讯要求
由于中央空调计费仪表的安装位置多在较难查看的地方，难以抄表，因此在选型时，宜选用具有通讯接口的仪表。有关通讯协议，应满足GB/T32224—2015中的相关要求。
６ 结语
冷量计量是冷量表一个新的应用，要用好，一定要了解表的应用特点。冷量计量应充分考虑表的特点和应用环境的各种特殊性，综合考虑，综合选择，而不能仅仅从一个方面去选择。现有的中央空调系统往往留有扩容余地，存在管道过大的现象，如果不充分考虑计量特性，不充分考虑流量特性，很可能造成计量不准确的后果。选择中央空调计费或能耗监测冷量表时应选用合格厂家提供的具有较好结构适应性和温差测量特性，具有通讯接口、高量程比、水质适应性好的冷量表。与此同时，在施工时，应考虑仪表的计量特性，全面考虑流量计应用的要求和温度传感器的安装要求，这样才能达到准确计量或监测的目的。
参考文献
［１］ 城市建设研究院．GB/T32224—2015热量表［Ｓ］．北京：中国标准出版社，2015
［２］ 中国计量科学研究院．ＪＧ２２５—２００１ 热能表［Ｓ］．北京：中国计量出版社，２００１
［4］《民用建筑空调设计》［Ｓ］ 化学工业出版社，2010
论文作者:谭文胜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/10/9
标签：流量计论文; 温差论文; 流量论文; 量表论文; 流速论文; 量程论文; 误差论文; 《建筑学研究前沿》2019年12期论文;