空调系统冷热量计量方式的分析与比较
长沙市规划设计院有限责任公司 欧阳焱
长沙有色冶金设计研究院 刘光大
摘要：针对目前常见的两类计量方式--能量计量表和计时计量装置，本文分别介绍了其原理和特点，并结合其在实际工程的应用进行了综合分析与比较，提出了使用建议与看法。 关键词：空调 能量计量 计时计量
根据国家《节约能源法》及有关节能法规的要求，生活用热必须按计量向用户收费。按使用量收费是市场经济的必然要求，也是建筑节能的重要措施之一。
集中空调是生活用热（冷）的主要用户，目前常用的计量方式有两类，一类是能量计量表，另外一类是计时计量装置。能量计量表具有严谨的计量理论和完善的计量体系，由于空调水系统的某些特点和目前其较高的价格，在一定程度上影响了能量计量表的使用，因此，出现了计时计量方法。本文针对风机盘管系统采用的这两种计量装置进行了综合分析与比较。
1. 能量计量法
1.1能量计量法的计量原理
集中空调冷热量计量装置由流量计、测温传感器和冷热量积分计算显示器三部分组成，冷热量按下式计算：
Q=∫τ0τiG ·C ·（Tc-Tj ）·Δτ （1）
式中， Q--计量冷热量（kJ ）
G--流经计量装置的流量（kg/s）
C--比热（kJ/kg.℃）
Tc ，Tj--出水、进水温度（℃）
τ--时间（s ）
根据国家标准规定，热量表精度分为3级，采用相对误差E 来划分。
1.2常用的流量计
流量计主要有机械流速式、超声波式和电磁式。
机械流速式流量计是利用叶轮转动速度与流量的线性关系来进行计量的，一般以脉冲信号方式向积分仪提供流量信息。
超声波式流量计是利用测量高频声波在水中穿行时间、声波的速度与水流速度的影响关系来测定水流量的。
电磁式流量计是利用导体在磁场中运动时，在导体两端产生可测量的电信号原理来测量流量的，水的流速是测量端口间电压、磁场强度和测量端口间距离的函数。
几种流量计的比较见下表：
类型
特点
使用条件
精度
价格
维护
径向涡轮流量计（机械式）
干式磁传结构，较难修正，铁锈可吸附在传动杆的磁钢上
适用于大流量，长时间工作，水质无严格要求
一般
较低
较好
水平/垂直螺翼式流量计（机械式）
同上
水平式易受水中杂质影响
对水质悬浮物有严格要求，适用于间歇性的工作环境
一般
低
较差
超声波流量计（电子式）
超声波膜片振荡测速，膜片寿命受水的影响，水流压力损失小
对水中的悬浮物没有严格要求
较高
高
较好
旋翼式流量计（机械式）
采用干式磁传结构较难修正，容易吸附铁锈，易受水中杂质影响
对水中的悬浮物有较严格要求
一般
较高
好
涡旋流量计
根据漩涡脱离漩涡发生器的频率与流量间的关系测量流量
漩涡分离稳定性受流速分布影响较大
较高
高
较好
1.3温度传感器
温度传感器的形式主要有铂电阻和热敏电阻两种。
铂电阻温度传感器利用金属材料的电阻与温度之间的关系原理来测定温度的，常用的金属材料有铂、铜、镍等，其中铂电阻温度传感器的性能比较稳定，也较为常见。
热敏电阻温度传感器是利用半导体材料制做的，由于半导体的电阻与温度系数远大于金属铂，因此测量温度的灵敏度比较高，构造也比较简单，但它的电阻与温度之间的关系接近指数关系，这对测量精度有一定影响。
热量表一般选择铂电阻温度传感器测量温度。
1.4积算仪
根据传感器提供的流量和温度信号，计算出冷量或热量以及其他参数，并显示、记录、输出。常见的记录参数一般包括累计冷热量、流量，瞬时冷热量、流量，供回水温度及温差，累计运行时间。
2. 计时计量法
2.1计时计量原理
计时计量法是根据风机盘管不同风量档位的冷、热量，通过记录三速开关对应各档位下的开启时间来换算风机盘管的供冷、供热量，通常也被称为时间能量法等。其计算式如下： Q=∑qi ·ti
式中， Q 为风机盘管运行中的总供热量或供冷量；
qi 为风机盘管各档位的单位时间供冷、供热量；
ti 为风机盘管各档位的运行时间。
风机盘管在不同风量档位下的供冷供热量，一般是采用产品额定工况下的性能参数。运行时间则利用不同风量档位下电动两通阀开启时间的累计。
2.2计时计量装置存在的问题
2.2.1风机盘管的特性
风机盘管有两个主要的性能指标：即风量和热交换量。风量由风机性能确定，热交换量则与盘管的传热面积、冷（热）媒的温度和流量以及经过盘管的空气温度和流速等因素有关。但是风机盘管在实际运行中，绝大多数时间处于变工况运行，与额定工况有较大的差别，下面列举几项与计量有关的风机盘管性能。
a) 制冷量与空调负荷的关系
风机盘管制冷量包括显热和潜热两部分，用公式表示如下：
Q=G·C·(tj-tc)+(dj-dc) ·γ/1000
式中， G--风量，kg/h；
C--空气比热，kJ/kg；
tj 、tc--风机盘管进风、出风温度，℃；
dj 、dc--风机盘管进风、出风的含湿量，g/kg；
γ--水的汽化潜热，kJ/kg。
空气处理过程在I-D 图上的表示见图1。
图1
风机盘管额定工况下的制冷量Q1=G(I1-Ic)，空气处理过程沿n-c 线变化，热湿比为ε1： ε1=G×(I1-IC)/(d1-dC)
当房间冷负荷热湿比为ε2时，保持室内处于相同温度tn 所需要的风机盘管制冷量为Q2：
Q2=G×(I2-IC)
室内的空气相对湿度从φ1变化到φ2，风机盘管的制冷量将小于额定工况时的制冷量，其差值取决于室内空调负荷的热湿比。
b) 制冷量与供水量的关系
根据产品资料介绍，风机盘管的供水温度一定，制冷量随水量的减少而减少，但减少的幅度要小于水量减少的幅度，由于热量平衡的关系，供回水温差会发生变化。表1是根据某公司FP-85型盘管在供水量变化时的性能参数。
表1 风机盘管制冷量与供水量对应表
供水量(kg/h)
1260
936
720
540
432
324
制冷量(kW)
5.83
5.44
4.97
4.51
4.04
3.53
供回水温差(℃)
4
5
6
7
8
9
表中数据显示，供水量从936kg/h减少到720kg/h时，制冷量减少约9%，而同期供水量减少的幅度为23%。
c) 制冷量与供水温度的关系
根据稳定传热的计算公式，在供水量不变时，供水温度升高，制冷量减少，减少值与水和空气间的对数平均温差成正比。
d) 风机盘管制冷量与室内空气参数的关系
根据某公司产品资料，室内空气湿球温度一定时，室内温度升高1℃时制冷量约增加7%左右（显热负荷）；湿球温度每增加1℃，全热约增加9%。
2.2.2计时计量装置的若干问题
办公和住宅类建筑的空调负荷中，潜热负荷（湿负荷）一般较小，因此风机盘管处理的潜热量也比较小，风机盘管的运行制冷量与产品额定参数也会有较大的差别，也就是说额定制冷量不能作为计量的依据。
由于水系统水力不平衡的原因，各风机盘管的实际供水量与额定要求的供水量不同，即风机盘管的运行制冷量与产品样本提供的额定制冷量不同。
从风机盘管来看，不同规格的风机盘管水阻力不同，而一般各规格风机盘管的接管管径均为DN20，由于供水量不同，引起了水阀（包括电动两通阀）的阻力不同，也导致了水系统的静态不平衡。除此之外，水系统还存在动态不平衡，就是说当系统中部分风机盘管关闭或调节时，管网的压力分布会产生波动，从目前运行情况看，要真正解决水力平衡问题，还是有一定难度的。为了节能运行，空调系统的供水温度和回水温度也可能根据运行情况改变。这些都意味着风机盘管实际运行的产冷量与产品额定制冷量存在较大的差别。
计时计量装置仅适用于采用电动二位二通阀控制的风机盘管，不能用于采用比例调节阀调节的风柜（包括新风柜）。电动二位二通阀是计时计量的依据，要求阀门工作准确可靠。
3. 空调与采暖系统安装能量表的比较
能量计量表用于空调和采暖系统的原理是一样的，但两者使用条件和环境的不同也导致其在安装上有一定的区别，列表说明如下。
比较项目
空调系统
采暖系统
进出水温度
温度较低，冬夏相差较大
温度较高
进出水温差
较小
较大
末端流量
较大
较小
温度测量要求
温度测量偏差对计量精度影响较大
温度测量偏差对计量精度影响相对较小
流量测量要求
风机盘管采用两位控制阀，流量传感器长期在大流量状态下工作
水流量较小，由于采用连续调节负荷要求，传感器在测流量时灵敏度和精度要求较高 积分仪的工作环境
外壳应经过处理，防止低温结露的影响
4. 建议与看法
a) 计时计量法采用风机盘管的额定制冷量作为计量依据，对影响计量的因素考虑不全，方法不严谨，计量结果与实际偏差大，由于其投资少、安装方便，在工程中经常使用，但不应成为空调系统计量计费的发展方向。
b) 超声波热量表的计量精度高，一般可以达到2级表的精度，且没有活动部件，对水质要求不高，但价格较高。机械式热量表的计量精度一般可达到3级，价格也较低，但有活动部件，在水中含有杂质时，容易产生磨损而影响性能，因此对水质要求较高。
c) 空调水系统的杂质不仅影响热量表的选型，同时也直接影响到空调系统主要设备的性能和使用寿命，应从根本上解决水质问题，不应使其成为选择计量装置的先决条件。
空调系统冷热量计量方式的分析与比较
长沙市规划设计院有限责任公司 欧阳焱
长沙有色冶金设计研究院 刘光大
摘要：针对目前常见的两类计量方式--能量计量表和计时计量装置，本文分别介绍了其原理和特点，并结合其在实际工程的应用进行了综合分析与比较，提出了使用建议与看法。 关键词：空调 能量计量 计时计量
根据国家《节约能源法》及有关节能法规的要求，生活用热必须按计量向用户收费。按使用量收费是市场经济的必然要求，也是建筑节能的重要措施之一。
集中空调是生活用热（冷）的主要用户，目前常用的计量方式有两类，一类是能量计量表，另外一类是计时计量装置。能量计量表具有严谨的计量理论和完善的计量体系，由于空调水系统的某些特点和目前其较高的价格，在一定程度上影响了能量计量表的使用，因此，出现了计时计量方法。本文针对风机盘管系统采用的这两种计量装置进行了综合分析与比较。
1. 能量计量法
1.1能量计量法的计量原理
集中空调冷热量计量装置由流量计、测温传感器和冷热量积分计算显示器三部分组成，冷热量按下式计算：
Q=∫τ0τiG ·C ·（Tc-Tj ）·Δτ （1）
式中， Q--计量冷热量（kJ ）
G--流经计量装置的流量（kg/s）
C--比热（kJ/kg.℃）
Tc ，Tj--出水、进水温度（℃）
τ--时间（s ）
根据国家标准规定，热量表精度分为3级，采用相对误差E 来划分。
1.2常用的流量计
流量计主要有机械流速式、超声波式和电磁式。
机械流速式流量计是利用叶轮转动速度与流量的线性关系来进行计量的，一般以脉冲信号方式向积分仪提供流量信息。
超声波式流量计是利用测量高频声波在水中穿行时间、声波的速度与水流速度的影响关系来测定水流量的。
电磁式流量计是利用导体在磁场中运动时，在导体两端产生可测量的电信号原理来测量流量的，水的流速是测量端口间电压、磁场强度和测量端口间距离的函数。
几种流量计的比较见下表：
类型
特点
使用条件
精度
价格
维护
径向涡轮流量计（机械式）
干式磁传结构，较难修正，铁锈可吸附在传动杆的磁钢上
适用于大流量，长时间工作，水质无严格要求
一般
较低
较好
水平/垂直螺翼式流量计（机械式）
同上
水平式易受水中杂质影响
对水质悬浮物有严格要求，适用于间歇性的工作环境
一般
低
较差
超声波流量计（电子式）
超声波膜片振荡测速，膜片寿命受水的影响，水流压力损失小
对水中的悬浮物没有严格要求
较高
高
较好
旋翼式流量计（机械式）
采用干式磁传结构较难修正，容易吸附铁锈，易受水中杂质影响
对水中的悬浮物有较严格要求
一般
较高
好
涡旋流量计
根据漩涡脱离漩涡发生器的频率与流量间的关系测量流量
漩涡分离稳定性受流速分布影响较大
较高
高
较好
1.3温度传感器
温度传感器的形式主要有铂电阻和热敏电阻两种。
铂电阻温度传感器利用金属材料的电阻与温度之间的关系原理来测定温度的，常用的金属材料有铂、铜、镍等，其中铂电阻温度传感器的性能比较稳定，也较为常见。
热敏电阻温度传感器是利用半导体材料制做的，由于半导体的电阻与温度系数远大于金属铂，因此测量温度的灵敏度比较高，构造也比较简单，但它的电阻与温度之间的关系接近指数关系，这对测量精度有一定影响。
热量表一般选择铂电阻温度传感器测量温度。
1.4积算仪
根据传感器提供的流量和温度信号，计算出冷量或热量以及其他参数，并显示、记录、输出。常见的记录参数一般包括累计冷热量、流量，瞬时冷热量、流量，供回水温度及温差，累计运行时间。
2. 计时计量法
2.1计时计量原理
计时计量法是根据风机盘管不同风量档位的冷、热量，通过记录三速开关对应各档位下的开启时间来换算风机盘管的供冷、供热量，通常也被称为时间能量法等。其计算式如下： Q=∑qi ·ti
式中， Q 为风机盘管运行中的总供热量或供冷量；
qi 为风机盘管各档位的单位时间供冷、供热量；
ti 为风机盘管各档位的运行时间。
风机盘管在不同风量档位下的供冷供热量，一般是采用产品额定工况下的性能参数。运行时间则利用不同风量档位下电动两通阀开启时间的累计。
2.2计时计量装置存在的问题
2.2.1风机盘管的特性
风机盘管有两个主要的性能指标：即风量和热交换量。风量由风机性能确定，热交换量则与盘管的传热面积、冷（热）媒的温度和流量以及经过盘管的空气温度和流速等因素有关。但是风机盘管在实际运行中，绝大多数时间处于变工况运行，与额定工况有较大的差别，下面列举几项与计量有关的风机盘管性能。
a) 制冷量与空调负荷的关系
风机盘管制冷量包括显热和潜热两部分，用公式表示如下：
Q=G·C·(tj-tc)+(dj-dc) ·γ/1000
式中， G--风量，kg/h；
C--空气比热，kJ/kg；
tj 、tc--风机盘管进风、出风温度，℃；
dj 、dc--风机盘管进风、出风的含湿量，g/kg；
γ--水的汽化潜热，kJ/kg。
空气处理过程在I-D 图上的表示见图1。
图1
风机盘管额定工况下的制冷量Q1=G(I1-Ic)，空气处理过程沿n-c 线变化，热湿比为ε1： ε1=G×(I1-IC)/(d1-dC)
当房间冷负荷热湿比为ε2时，保持室内处于相同温度tn 所需要的风机盘管制冷量为Q2：
Q2=G×(I2-IC)
室内的空气相对湿度从φ1变化到φ2，风机盘管的制冷量将小于额定工况时的制冷量，其差值取决于室内空调负荷的热湿比。
b) 制冷量与供水量的关系
根据产品资料介绍，风机盘管的供水温度一定，制冷量随水量的减少而减少，但减少的幅度要小于水量减少的幅度，由于热量平衡的关系，供回水温差会发生变化。表1是根据某公司FP-85型盘管在供水量变化时的性能参数。
表1 风机盘管制冷量与供水量对应表
供水量(kg/h)
1260
936
720
540
432
324
制冷量(kW)
5.83
5.44
4.97
4.51
4.04
3.53
供回水温差(℃)
4
5
6
7
8
9
表中数据显示，供水量从936kg/h减少到720kg/h时，制冷量减少约9%，而同期供水量减少的幅度为23%。
c) 制冷量与供水温度的关系
根据稳定传热的计算公式，在供水量不变时，供水温度升高，制冷量减少，减少值与水和空气间的对数平均温差成正比。
d) 风机盘管制冷量与室内空气参数的关系
根据某公司产品资料，室内空气湿球温度一定时，室内温度升高1℃时制冷量约增加7%左右（显热负荷）；湿球温度每增加1℃，全热约增加9%。
2.2.2计时计量装置的若干问题
办公和住宅类建筑的空调负荷中，潜热负荷（湿负荷）一般较小，因此风机盘管处理的潜热量也比较小，风机盘管的运行制冷量与产品额定参数也会有较大的差别，也就是说额定制冷量不能作为计量的依据。
由于水系统水力不平衡的原因，各风机盘管的实际供水量与额定要求的供水量不同，即风机盘管的运行制冷量与产品样本提供的额定制冷量不同。
从风机盘管来看，不同规格的风机盘管水阻力不同，而一般各规格风机盘管的接管管径均为DN20，由于供水量不同，引起了水阀（包括电动两通阀）的阻力不同，也导致了水系统的静态不平衡。除此之外，水系统还存在动态不平衡，就是说当系统中部分风机盘管关闭或调节时，管网的压力分布会产生波动，从目前运行情况看，要真正解决水力平衡问题，还是有一定难度的。为了节能运行，空调系统的供水温度和回水温度也可能根据运行情况改变。这些都意味着风机盘管实际运行的产冷量与产品额定制冷量存在较大的差别。
计时计量装置仅适用于采用电动二位二通阀控制的风机盘管，不能用于采用比例调节阀调节的风柜（包括新风柜）。电动二位二通阀是计时计量的依据，要求阀门工作准确可靠。
3. 空调与采暖系统安装能量表的比较
能量计量表用于空调和采暖系统的原理是一样的，但两者使用条件和环境的不同也导致其在安装上有一定的区别，列表说明如下。
比较项目
空调系统
采暖系统
进出水温度
温度较低，冬夏相差较大
温度较高
进出水温差
较小
较大
末端流量
较大
较小
温度测量要求
温度测量偏差对计量精度影响较大
温度测量偏差对计量精度影响相对较小
流量测量要求
风机盘管采用两位控制阀，流量传感器长期在大流量状态下工作
水流量较小，由于采用连续调节负荷要求，传感器在测流量时灵敏度和精度要求较高 积分仪的工作环境
外壳应经过处理，防止低温结露的影响
4. 建议与看法
a) 计时计量法采用风机盘管的额定制冷量作为计量依据，对影响计量的因素考虑不全，方法不严谨，计量结果与实际偏差大，由于其投资少、安装方便，在工程中经常使用，但不应成为空调系统计量计费的发展方向。
b) 超声波热量表的计量精度高，一般可以达到2级表的精度，且没有活动部件，对水质要求不高，但价格较高。机械式热量表的计量精度一般可达到3级，价格也较低，但有活动部件，在水中含有杂质时，容易产生磨损而影响性能，因此对水质要求较高。
c) 空调水系统的杂质不仅影响热量表的选型，同时也直接影响到空调系统主要设备的性能和使用寿命，应从根本上解决水质问题，不应使其成为选择计量装置的先决条件。