摘要：由于我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度較差的緣故，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)沒有可適用于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，因此，能否研制出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，成為了制約我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量的瓶頸問題或關(guān)鍵問題。深入分析了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表存在的堵塞、磨損、測(cè)量不穩(wěn)定、結(jié)垢、壓損較大和安裝受限的問題，得出必須從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，才能根本解決這些問題。提出了解決的途徑，特別是提出了熱量表SST技術(shù)的全新設(shè)計(jì)理念，并應(yīng)用SST技術(shù)成功研制和生產(chǎn)出了SST熱量表。與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，實(shí)踐驗(yàn)證了，SST熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能，它為我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量這一重大節(jié)能環(huán)保措施，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。
關(guān)鍵詞：采暖、熱計(jì)量、節(jié)能環(huán)保、SST熱量表
1 我國(guó)采暖熱計(jì)量的節(jié)能環(huán)保效益和存在的關(guān)鍵問題
2007年我國(guó)城市現(xiàn)有采暖建筑面積超過了80億平方米，實(shí)施采暖熱計(jì)量與溫控措施后，可獲得的節(jié)能收益為[1]：
年城市采暖建筑的供熱節(jié)煤量為： 1.15 億噸
年城市采暖建筑節(jié)煤的經(jīng)濟(jì)收益為： 518 億元
年熱用戶獲得的直接經(jīng)濟(jì)收益為： 1000 元
我國(guó)城市實(shí)施采暖熱計(jì)量后，年節(jié)煤達(dá)1.15億噸，由此相應(yīng)減少二氧化碳排放量達(dá)4.22億噸，這還不包括相應(yīng)減少的大量灰份、硫化物、碳化物、氮化物等對(duì)環(huán)境有害的排放物，這對(duì)環(huán)境質(zhì)量的提高有著重大作用。
對(duì)供熱企業(yè)來說,采暖熱計(jì)量的實(shí)施，在城市供熱價(jià)格管理的具體辦法指導(dǎo)下,建立熱價(jià)的公知聽證制度, 供熱企業(yè)由此形成供熱成本考核與橫向比較的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)機(jī)制,因而，能有效地理順供熱企業(yè)的采暖計(jì)費(fèi)收費(fèi)問題，根本扭轉(zhuǎn)供熱企業(yè)長(zhǎng)期處于虧損或微利的經(jīng)營(yíng)狀況，有效地促進(jìn)供熱企業(yè)節(jié)能環(huán)保的技術(shù)進(jìn)步，提高供熱企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理水平、促進(jìn)供熱企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高和供熱企業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大與發(fā)展。
可見，我國(guó)采暖熱計(jì)量與溫控，是重大的節(jié)能環(huán)保措施，對(duì)國(guó)家、供熱企業(yè)和熱用戶這三方都是很有益的。
但是，由于受到我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度較差以及我國(guó)既有采暖建筑室內(nèi)采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)沒有可適用于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，這就缺少了強(qiáng)有力的對(duì)我國(guó)采暖熱計(jì)量措施的技術(shù)保證，因此，能否研制出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，成為了制約我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量的瓶頸問題或關(guān)鍵問題。解決這一關(guān)鍵問題，需立足于我國(guó)采暖熱計(jì)量的國(guó)情，深入分析和研究國(guó)內(nèi)外熱計(jì)量技術(shù)，深入開展熱計(jì)量技術(shù)的創(chuàng)新，研制和生產(chǎn)出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，否則，我國(guó)就難于全面和有效地實(shí)施采暖熱計(jì)量這一重大的節(jié)能環(huán)保措施。
2 現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表存在的問題與分析
我國(guó)新建的采暖建筑，絕大多數(shù)采用室內(nèi)閉環(huán)管路結(jié)構(gòu)的采暖系統(tǒng)，用于我國(guó)新建采暖建筑的熱計(jì)量表稱為熱量表，熱量表主要有電磁式、超聲波式和機(jī)械式這三類熱量表[15]。機(jī)械式熱量表與電磁式和超聲波式相比，因有轉(zhuǎn)動(dòng)部件即流量計(jì)葉輪，人們認(rèn)為其使用壽命和測(cè)量精度相對(duì)低些。然而，科學(xué)合理設(shè)計(jì)出的機(jī)械式熱量表，它的使用壽命和測(cè)量精度不比電磁式和超聲波式低，甚至比它們的使用壽命和測(cè)量精度還高。況且，機(jī)械式熱量表本身的優(yōu)點(diǎn)避免了電磁式熱量表的缺點(diǎn)即計(jì)量耗電量大和對(duì)水流導(dǎo)電率有要求、避免了超聲波式熱量表的缺點(diǎn)即測(cè)量腔體的污垢或結(jié)垢對(duì)測(cè)量精度影響很大、運(yùn)行造成的壓力損失大，特別是機(jī)械式熱量表的造價(jià)遠(yuǎn)低于電磁式和超聲波式熱量表的這一突出優(yōu)勢(shì)，更適合作為我國(guó)采暖熱計(jì)量的主流熱量表。
然而，通過幾年來對(duì)數(shù)百個(gè)住宅小區(qū)的采暖熱計(jì)量試點(diǎn)，試點(diǎn)中不僅選用了國(guó)內(nèi)也選用了國(guó)外多家性能優(yōu)良的熱量表，但大多數(shù)試點(diǎn)結(jié)果并不理想。試點(diǎn)結(jié)果不理想，其主要問題表現(xiàn)為，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表，不能適應(yīng)于我國(guó)的采暖熱計(jì)量國(guó)情，主要表現(xiàn)為熱量表存在易堵塞、易磨損、測(cè)量不穩(wěn)定、易結(jié)垢、壓損較大、安裝受限等問題[3-13]。堵塞問題是熱量表的致命問題，這個(gè)問題不解決，熱量表就沒有可用性；磨損問題、測(cè)量不穩(wěn)定問題和結(jié)垢問題，關(guān)系著熱量表的可靠性和使用壽命，這個(gè)問題不解決，熱量表就沒有實(shí)用性；壓損較大的問題，關(guān)系著采暖系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和熱量表的耐久性，是熱量表性能的重要方面；安裝受限問題，關(guān)系著熱量表的安裝性和維護(hù)性，是高質(zhì)量產(chǎn)品的重要標(biāo)志。以下將具體分析和解決這些問題。
2.1 堵塞問題
我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，表現(xiàn)為水中含有較多的雜質(zhì)。水中雜質(zhì)的來源主要有兩個(gè)方面：一是我國(guó)室內(nèi)外采暖系統(tǒng)的氧化與銹蝕產(chǎn)生的銹渣，二是采暖系統(tǒng)施工后的殘留雜物。在戶用熱量表前加裝過濾器后，那些細(xì)小雜質(zhì)未能被過濾器過濾掉而進(jìn)入熱量表，細(xì)小雜質(zhì)會(huì)淤積在流量計(jì)葉輪的軸孔內(nèi)，或會(huì)卡在葉輪與流量計(jì)的腔體之間，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，測(cè)量精度迅速下降，并會(huì)堵塞熱量表。
2.2 磨損問題
現(xiàn)有機(jī)械式熱量表的流量計(jì)，主要為單流束和多流束兩種，它們都采用了兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)。立軸底端固定，立軸頭端插入軸碗中，葉輪在水的浮力下使軸與軸碗形成點(diǎn)接觸。這樣的兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)，在高溫水大流量高轉(zhuǎn)速下，點(diǎn)接觸的磨損較大，當(dāng)采暖水中細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入立軸與軸碗的間隙時(shí)，加劇了軸與軸套的磨損。
2.3 測(cè)量不穩(wěn)定問題
隨著軸與軸碗之間的磨損，葉輪的上下串動(dòng)和左右擺動(dòng)的幅度加劇，這樣就使設(shè)置在葉輪上的無磁流量傳感器的感應(yīng)片擺動(dòng)加劇，造成感應(yīng)片與電感探頭的間距變化，很容易導(dǎo)致無磁流量傳感器的部分檢測(cè)信號(hào)丟失，測(cè)量不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，并導(dǎo)致測(cè)量精度下降。
2.4 結(jié)垢問題
經(jīng)對(duì)對(duì)采暖計(jì)量使用過程中的熱量表檢查，發(fā)現(xiàn)采暖水中的化學(xué)物質(zhì)，在高溫水中容易產(chǎn)生水垢。水垢的發(fā)生和發(fā)展，逐漸使熱量表流動(dòng)不暢、壓力損失大、測(cè)量精度下降、甚至阻塞熱量表。因熱量表流量計(jì)內(nèi)流道彎曲復(fù)雜，存在著多處阻水結(jié)構(gòu)，在阻水結(jié)構(gòu)的滯流和緩流表面，更容易形生水垢。因多流束熱量表比單流束熱量表其流道更復(fù)雜些、阻水結(jié)構(gòu)更多些，形生水垢的程度也就更重些。
2.5 壓損較大問題
現(xiàn)有單流束熱量表的側(cè)彎流道，以及多流束熱量表分流的彎曲通道，這些改變流體流動(dòng)矢量的非流暢流道造成了壓力損失較大。壓損大不僅導(dǎo)致了采暖系統(tǒng)動(dòng)力消耗的額外增大，而且也相應(yīng)加大了機(jī)械式熱量表的磨損。
2.6 安裝受限問題
現(xiàn)有熱量表都是單向安裝的，即嚴(yán)格規(guī)定了熱量表的進(jìn)水口，而且大部分熱量表還規(guī)定只能水平方向安裝。由于采暖建筑是多樣的，熱量表的安裝現(xiàn)場(chǎng)也是復(fù)雜多樣的，采暖計(jì)量工程期望熱量表能不受進(jìn)出口限制、能水平、垂直、傾斜、多方位的靈活安裝。
現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱量表，受其設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)的限制，僅在其原結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)，是不能解決上述問題的，所以必須另辟新徑，從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，才能從根本上解決上述問題。
3 解決熱量表存在問題的途徑與SST技術(shù)原理
3.1 解決熱量表堵塞問題的途徑
熱量表存在堵塞問題的原因，在于采暖水中的雜質(zhì)須通過熱量表。解決這一問題的途徑，就是使熱量表能自身適應(yīng)采暖水中的細(xì)小雜質(zhì)，并能自動(dòng)排出這些雜質(zhì)。為此，在熱量表的測(cè)量腔體中同時(shí)設(shè)置排污通道和計(jì)量通道，使熱量表既能排污，也能測(cè)量流體的流量，讓測(cè)量與排污同體完成。測(cè)量與排污的同體結(jié)構(gòu)，是新型機(jī)械式熱量表的防堵塞特征。
3.2 解決熱量表磨損問題的途徑
熱量表存在磨損問題的原因，在于現(xiàn)有機(jī)械式熱量表都采用兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)，這種軸與軸碗的點(diǎn)接觸，雖然可以提高熱量表的靈敏性，但抗磨損性差。解決這一問題的途徑，就是采用單根整體軸及相匹配的自潤(rùn)滑面接觸軸系，這樣就能大大地減小軸與軸套之間的磨損。
3.3 解決熱量表測(cè)量不穩(wěn)定問題的途徑
熱量表存在測(cè)量不穩(wěn)定問題的原因，在于軸與軸碗形成的點(diǎn)接觸很容易磨損，從而造成固定在軸上的葉輪，上下串動(dòng)和左右擺動(dòng)的幅度加劇，導(dǎo)致了測(cè)量不穩(wěn)定和測(cè)量精度下降。解決這一問題的途徑，就是固定軸碗或者軸套的定位、保持軸與軸套之間的微小間隙，這一間隙要小于雜質(zhì)直徑，并保持這一間隙不隨轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間變化。這樣，既能杜絕水中雜質(zhì)侵入軸間中，又能保持轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪平面持久穩(wěn)定，無磁流量傳感器的感應(yīng)片與電感探頭之間的間距維持在可探測(cè)的范圍內(nèi)，使測(cè)定穩(wěn)定。
3.4 解決熱量表結(jié)垢問題的途徑
熱量表存在結(jié)垢問題的原因，在于采暖高溫水中的化學(xué)物質(zhì)，易在流道彎曲復(fù)雜、阻水結(jié)構(gòu)的滯流表面上形生水垢。解決這一問題的途徑，就是減少和消除彎曲流道，減少和消除阻水結(jié)構(gòu)，采取直通式流道，保持計(jì)量流道寬敞，這樣就能使流體在熱量表中通暢流動(dòng)，有效減少和消除熱量表中的結(jié)垢現(xiàn)象。
3.5 解決熱量表壓損較大問題的途徑
熱量表存在壓損較大問題的原因，在于機(jī)械式熱量表中的側(cè)彎流道，或者分流的彎曲通道，這些改變流體流動(dòng)矢量的非流暢流道造成了壓力損失較大。解決這一問題的途徑，就是在能夠保證測(cè)量靈敏度和精度前提下，使熱量表測(cè)量腔體的流道寬敞，并與熱量表進(jìn)出管優(yōu)化配置成暢流通道，這樣就能有效地減小熱量表的壓力損失。
3.6 解決熱量表安裝受限問題的途徑
熱量表存在安裝受限問題的原因，在于機(jī)械式熱量表中的立軸結(jié)構(gòu)，在熱量表內(nèi)只能是垂直定向布置，況且電磁式熱量表、超聲波熱量表以及現(xiàn)有機(jī)械式熱量表，都難于或不能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣就表現(xiàn)為需要區(qū)分熱量表的進(jìn)、出水口，還需水平安裝才能保持測(cè)量精度。解決熱量表安裝受限問題的途徑，就需要取消熱量表的立軸結(jié)構(gòu)，并使流量計(jì)與熱量表進(jìn)出水管組成全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式熱量表存在的問題，提出了改進(jìn)的思路與途徑，這些思路與途徑，就形成了新型機(jī)械式熱量表的設(shè)計(jì)理念和特色。
4 SST技術(shù)熱量表及特征
為了克服現(xiàn)有機(jī)械式熱量表存在的堵塞問題、磨損問題、測(cè)量不穩(wěn)定問題、結(jié)垢問題、壓損較大問題和安裝受限問題，分析了這些問題的成因，由此提出了改進(jìn)的思路與途徑，并形成了新型機(jī)械式熱量表，這一新型機(jī)械式熱量表以SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特征來表征[14－33]。
4.1 SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念
SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，就是以熱量表防堵塞為目標(biāo)，在熱量表的測(cè)量腔體中采取測(cè)量與排污同體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與排污同步完成。
4.2 SST技術(shù)熱量表的特征
在SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，研制了SST熱量表，其特征為：
(1) SST技術(shù)特征之一：對(duì)稱結(jié)構(gòu)
對(duì)稱結(jié)構(gòu)（S—Symmetry Structure），就是使流量計(jì)與熱量表進(jìn)出水管組成全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方案為：不區(qū)分熱量表的進(jìn)水管和出水管，其中一個(gè)進(jìn)水管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況選作進(jìn)水管，而另外一個(gè)進(jìn)水管就自動(dòng)變成了出水管，見圖1。在兩個(gè)進(jìn)水管之間的葉輪腔中安置著葉輪，在進(jìn)水管與葉輪腔之間的過渡段，設(shè)計(jì)為向下的收縮型導(dǎo)水噴管。兩個(gè)進(jìn)水管和兩個(gè)收縮型導(dǎo)水噴管以同樣的形狀和尺寸，對(duì)稱分布在葉輪腔的兩邊。
在對(duì)稱結(jié)構(gòu)下，SST熱量表就具有了多方位靈活安裝的特點(diǎn)。
(2) SST技術(shù)特征之二：直通式進(jìn)出水管
直通式進(jìn)出水管（S — Straight Routeway Tube），就是流量計(jì)的進(jìn)出水管路與葉輪腔體形成直接的流暢通路，其結(jié)構(gòu)見圖1。
在對(duì)稱設(shè)計(jì)與直通式進(jìn)出水管的匹配下，SST熱量表就具有了防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損的特點(diǎn)。
直通式進(jìn)出水管和獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)
(3) SST技術(shù)特征之三：獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)
獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)(T —— Transverse Axle Impeller Set),就是將單根葉輪軸、葉片組、定位環(huán)、發(fā)訊感應(yīng)片組成橫向優(yōu)化配置。由圖1可見，其結(jié)構(gòu)為：葉輪由葉片組、輪轂、軸套、葉輪軸組成，葉片組固定在輪轂上，輪轂固定在軸套上，單根葉輪軸貫穿軸套并與軸套成活動(dòng)連接。發(fā)訊感應(yīng)片鑲嵌在葉片上，葉輪之外的葉輪軸上還安裝著定位環(huán)，葉輪軸的兩端固定在葉輪腔的兩側(cè)壁內(nèi)，與水流成橫向設(shè)置。葉輪與葉輪腔底部之間留有一定的間隙，該間隙與直通式進(jìn)出水管組成防堵塞排污通道。
在獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，SST熱量表就具有了防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高的特點(diǎn)。
4.3 SST熱量表的特點(diǎn)
由SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)、直通式進(jìn)出水管和獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)這三項(xiàng)技術(shù)，并將其有機(jī)地融合起來，已成功研制和生產(chǎn)出了SST熱量表，見圖2和圖3。經(jīng)過國(guó)家級(jí)計(jì)量監(jiān)督局的檢驗(yàn)，已認(rèn)證為高精度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)熱量表(我國(guó)還沒有一級(jí)精度的熱量表，最高精度的熱量表即為二級(jí)熱量表)。經(jīng)過兩年來的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，經(jīng)過大流量高溫水耐久性實(shí)驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)期考驗(yàn)，經(jīng)過兩個(gè)采暖期的住宅采暖計(jì)量使用，這些實(shí)踐表明：與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱量表相比，SST熱量表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
5、結(jié)論
(1) 我國(guó)城市采暖建筑的熱計(jì)量，是重大的節(jié)能環(huán)保措施，對(duì)國(guó)家、供熱企業(yè)和熱用戶這三方都是很有益的。
(2) 由于我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度較差的緣故，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)沒有可適用于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表存在的堵塞、磨損、測(cè)量不穩(wěn)定、結(jié)垢、壓損較大和安裝受限的問題，必須從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，才能根本解決這些問題。
(3) 能否研制出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，是制約我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量的瓶頸問題或關(guān)鍵問題。
(4) 立足于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情，提出了熱量表SST技術(shù)的全新設(shè)計(jì)理念，并應(yīng)用SST技術(shù)成功研制和生產(chǎn)出了SST熱量表，在解決我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量關(guān)鍵問題上獲得了突破。
(5) 與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，實(shí)踐驗(yàn)證了，SST熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能，它為我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量這一重大節(jié)能環(huán)保措施，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。
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關(guān)鍵詞：采暖、熱計(jì)量、節(jié)能環(huán)保、SST熱量表
1 我國(guó)采暖熱計(jì)量的節(jié)能環(huán)保效益和存在的關(guān)鍵問題
2007年我國(guó)城市現(xiàn)有采暖建筑面積超過了80億平方米，實(shí)施采暖熱計(jì)量與溫控措施后，可獲得的節(jié)能收益為[1]：
年城市采暖建筑的供熱節(jié)煤量為： 1.15 億噸
年城市采暖建筑節(jié)煤的經(jīng)濟(jì)收益為： 518 億元
年熱用戶獲得的直接經(jīng)濟(jì)收益為： 1000 元
我國(guó)城市實(shí)施采暖熱計(jì)量后，年節(jié)煤達(dá)1.15億噸，由此相應(yīng)減少二氧化碳排放量達(dá)4.22億噸，這還不包括相應(yīng)減少的大量灰份、硫化物、碳化物、氮化物等對(duì)環(huán)境有害的排放物，這對(duì)環(huán)境質(zhì)量的提高有著重大作用。
對(duì)供熱企業(yè)來說,采暖熱計(jì)量的實(shí)施，在城市供熱價(jià)格管理的具體辦法指導(dǎo)下,建立熱價(jià)的公知聽證制度, 供熱企業(yè)由此形成供熱成本考核與橫向比較的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)機(jī)制,因而，能有效地理順供熱企業(yè)的采暖計(jì)費(fèi)收費(fèi)問題，根本扭轉(zhuǎn)供熱企業(yè)長(zhǎng)期處于虧損或微利的經(jīng)營(yíng)狀況，有效地促進(jìn)供熱企業(yè)節(jié)能環(huán)保的技術(shù)進(jìn)步，提高供熱企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理水平、促進(jìn)供熱企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高和供熱企業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大與發(fā)展。
可見，我國(guó)采暖熱計(jì)量與溫控，是重大的節(jié)能環(huán)保措施，對(duì)國(guó)家、供熱企業(yè)和熱用戶這三方都是很有益的。
但是，由于受到我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度較差以及我國(guó)既有采暖建筑室內(nèi)采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)沒有可適用于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，這就缺少了強(qiáng)有力的對(duì)我國(guó)采暖熱計(jì)量措施的技術(shù)保證，因此，能否研制出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，成為了制約我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量的瓶頸問題或關(guān)鍵問題。解決這一關(guān)鍵問題，需立足于我國(guó)采暖熱計(jì)量的國(guó)情，深入分析和研究國(guó)內(nèi)外熱計(jì)量技術(shù)，深入開展熱計(jì)量技術(shù)的創(chuàng)新，研制和生產(chǎn)出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱計(jì)量表，否則，我國(guó)就難于全面和有效地實(shí)施采暖熱計(jì)量這一重大的節(jié)能環(huán)保措施。
2 現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表存在的問題與分析
我國(guó)新建的采暖建筑，絕大多數(shù)采用室內(nèi)閉環(huán)管路結(jié)構(gòu)的采暖系統(tǒng)，用于我國(guó)新建采暖建筑的熱計(jì)量表稱為熱量表，熱量表主要有電磁式、超聲波式和機(jī)械式這三類熱量表[15]。機(jī)械式熱量表與電磁式和超聲波式相比，因有轉(zhuǎn)動(dòng)部件即流量計(jì)葉輪，人們認(rèn)為其使用壽命和測(cè)量精度相對(duì)低些。然而，科學(xué)合理設(shè)計(jì)出的機(jī)械式熱量表，它的使用壽命和測(cè)量精度不比電磁式和超聲波式低，甚至比它們的使用壽命和測(cè)量精度還高。況且，機(jī)械式熱量表本身的優(yōu)點(diǎn)避免了電磁式熱量表的缺點(diǎn)即計(jì)量耗電量大和對(duì)水流導(dǎo)電率有要求、避免了超聲波式熱量表的缺點(diǎn)即測(cè)量腔體的污垢或結(jié)垢對(duì)測(cè)量精度影響很大、運(yùn)行造成的壓力損失大，特別是機(jī)械式熱量表的造價(jià)遠(yuǎn)低于電磁式和超聲波式熱量表的這一突出優(yōu)勢(shì)，更適合作為我國(guó)采暖熱計(jì)量的主流熱量表。
然而，通過幾年來對(duì)數(shù)百個(gè)住宅小區(qū)的采暖熱計(jì)量試點(diǎn)，試點(diǎn)中不僅選用了國(guó)內(nèi)也選用了國(guó)外多家性能優(yōu)良的熱量表，但大多數(shù)試點(diǎn)結(jié)果并不理想。試點(diǎn)結(jié)果不理想，其主要問題表現(xiàn)為，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表，不能適應(yīng)于我國(guó)的采暖熱計(jì)量國(guó)情，主要表現(xiàn)為熱量表存在易堵塞、易磨損、測(cè)量不穩(wěn)定、易結(jié)垢、壓損較大、安裝受限等問題[3-13]。堵塞問題是熱量表的致命問題，這個(gè)問題不解決，熱量表就沒有可用性；磨損問題、測(cè)量不穩(wěn)定問題和結(jié)垢問題，關(guān)系著熱量表的可靠性和使用壽命，這個(gè)問題不解決，熱量表就沒有實(shí)用性；壓損較大的問題，關(guān)系著采暖系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和熱量表的耐久性，是熱量表性能的重要方面；安裝受限問題，關(guān)系著熱量表的安裝性和維護(hù)性，是高質(zhì)量產(chǎn)品的重要標(biāo)志。以下將具體分析和解決這些問題。
2.1 堵塞問題
我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，表現(xiàn)為水中含有較多的雜質(zhì)。水中雜質(zhì)的來源主要有兩個(gè)方面：一是我國(guó)室內(nèi)外采暖系統(tǒng)的氧化與銹蝕產(chǎn)生的銹渣，二是采暖系統(tǒng)施工后的殘留雜物。在戶用熱量表前加裝過濾器后，那些細(xì)小雜質(zhì)未能被過濾器過濾掉而進(jìn)入熱量表，細(xì)小雜質(zhì)會(huì)淤積在流量計(jì)葉輪的軸孔內(nèi)，或會(huì)卡在葉輪與流量計(jì)的腔體之間，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，測(cè)量精度迅速下降，并會(huì)堵塞熱量表。
2.2 磨損問題
現(xiàn)有機(jī)械式熱量表的流量計(jì)，主要為單流束和多流束兩種，它們都采用了兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)。立軸底端固定，立軸頭端插入軸碗中，葉輪在水的浮力下使軸與軸碗形成點(diǎn)接觸。這樣的兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)，在高溫水大流量高轉(zhuǎn)速下，點(diǎn)接觸的磨損較大，當(dāng)采暖水中細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入立軸與軸碗的間隙時(shí)，加劇了軸與軸套的磨損。
2.3 測(cè)量不穩(wěn)定問題
隨著軸與軸碗之間的磨損，葉輪的上下串動(dòng)和左右擺動(dòng)的幅度加劇，這樣就使設(shè)置在葉輪上的無磁流量傳感器的感應(yīng)片擺動(dòng)加劇，造成感應(yīng)片與電感探頭的間距變化，很容易導(dǎo)致無磁流量傳感器的部分檢測(cè)信號(hào)丟失，測(cè)量不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，并導(dǎo)致測(cè)量精度下降。
2.4 結(jié)垢問題
經(jīng)對(duì)對(duì)采暖計(jì)量使用過程中的熱量表檢查，發(fā)現(xiàn)采暖水中的化學(xué)物質(zhì)，在高溫水中容易產(chǎn)生水垢。水垢的發(fā)生和發(fā)展，逐漸使熱量表流動(dòng)不暢、壓力損失大、測(cè)量精度下降、甚至阻塞熱量表。因熱量表流量計(jì)內(nèi)流道彎曲復(fù)雜，存在著多處阻水結(jié)構(gòu)，在阻水結(jié)構(gòu)的滯流和緩流表面，更容易形生水垢。因多流束熱量表比單流束熱量表其流道更復(fù)雜些、阻水結(jié)構(gòu)更多些，形生水垢的程度也就更重些。
2.5 壓損較大問題
現(xiàn)有單流束熱量表的側(cè)彎流道，以及多流束熱量表分流的彎曲通道，這些改變流體流動(dòng)矢量的非流暢流道造成了壓力損失較大。壓損大不僅導(dǎo)致了采暖系統(tǒng)動(dòng)力消耗的額外增大，而且也相應(yīng)加大了機(jī)械式熱量表的磨損。
2.6 安裝受限問題
現(xiàn)有熱量表都是單向安裝的，即嚴(yán)格規(guī)定了熱量表的進(jìn)水口，而且大部分熱量表還規(guī)定只能水平方向安裝。由于采暖建筑是多樣的，熱量表的安裝現(xiàn)場(chǎng)也是復(fù)雜多樣的，采暖計(jì)量工程期望熱量表能不受進(jìn)出口限制、能水平、垂直、傾斜、多方位的靈活安裝。
現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱量表，受其設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)的限制，僅在其原結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)，是不能解決上述問題的，所以必須另辟新徑，從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，才能從根本上解決上述問題。
3 解決熱量表存在問題的途徑與SST技術(shù)原理
3.1 解決熱量表堵塞問題的途徑
熱量表存在堵塞問題的原因，在于采暖水中的雜質(zhì)須通過熱量表。解決這一問題的途徑，就是使熱量表能自身適應(yīng)采暖水中的細(xì)小雜質(zhì)，并能自動(dòng)排出這些雜質(zhì)。為此，在熱量表的測(cè)量腔體中同時(shí)設(shè)置排污通道和計(jì)量通道，使熱量表既能排污，也能測(cè)量流體的流量，讓測(cè)量與排污同體完成。測(cè)量與排污的同體結(jié)構(gòu)，是新型機(jī)械式熱量表的防堵塞特征。
3.2 解決熱量表磨損問題的途徑
熱量表存在磨損問題的原因，在于現(xiàn)有機(jī)械式熱量表都采用兩段式獨(dú)立的立軸結(jié)構(gòu)，這種軸與軸碗的點(diǎn)接觸，雖然可以提高熱量表的靈敏性，但抗磨損性差。解決這一問題的途徑，就是采用單根整體軸及相匹配的自潤(rùn)滑面接觸軸系，這樣就能大大地減小軸與軸套之間的磨損。
3.3 解決熱量表測(cè)量不穩(wěn)定問題的途徑
熱量表存在測(cè)量不穩(wěn)定問題的原因，在于軸與軸碗形成的點(diǎn)接觸很容易磨損，從而造成固定在軸上的葉輪，上下串動(dòng)和左右擺動(dòng)的幅度加劇，導(dǎo)致了測(cè)量不穩(wěn)定和測(cè)量精度下降。解決這一問題的途徑，就是固定軸碗或者軸套的定位、保持軸與軸套之間的微小間隙，這一間隙要小于雜質(zhì)直徑，并保持這一間隙不隨轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間變化。這樣，既能杜絕水中雜質(zhì)侵入軸間中，又能保持轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪平面持久穩(wěn)定，無磁流量傳感器的感應(yīng)片與電感探頭之間的間距維持在可探測(cè)的范圍內(nèi)，使測(cè)定穩(wěn)定。
3.4 解決熱量表結(jié)垢問題的途徑
熱量表存在結(jié)垢問題的原因，在于采暖高溫水中的化學(xué)物質(zhì)，易在流道彎曲復(fù)雜、阻水結(jié)構(gòu)的滯流表面上形生水垢。解決這一問題的途徑，就是減少和消除彎曲流道，減少和消除阻水結(jié)構(gòu)，采取直通式流道，保持計(jì)量流道寬敞，這樣就能使流體在熱量表中通暢流動(dòng)，有效減少和消除熱量表中的結(jié)垢現(xiàn)象。
3.5 解決熱量表壓損較大問題的途徑
熱量表存在壓損較大問題的原因，在于機(jī)械式熱量表中的側(cè)彎流道，或者分流的彎曲通道，這些改變流體流動(dòng)矢量的非流暢流道造成了壓力損失較大。解決這一問題的途徑，就是在能夠保證測(cè)量靈敏度和精度前提下，使熱量表測(cè)量腔體的流道寬敞，并與熱量表進(jìn)出管優(yōu)化配置成暢流通道，這樣就能有效地減小熱量表的壓力損失。
3.6 解決熱量表安裝受限問題的途徑
熱量表存在安裝受限問題的原因，在于機(jī)械式熱量表中的立軸結(jié)構(gòu)，在熱量表內(nèi)只能是垂直定向布置，況且電磁式熱量表、超聲波熱量表以及現(xiàn)有機(jī)械式熱量表，都難于或不能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣就表現(xiàn)為需要區(qū)分熱量表的進(jìn)、出水口，還需水平安裝才能保持測(cè)量精度。解決熱量表安裝受限問題的途徑，就需要取消熱量表的立軸結(jié)構(gòu)，并使流量計(jì)與熱量表進(jìn)出水管組成全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式熱量表存在的問題，提出了改進(jìn)的思路與途徑，這些思路與途徑，就形成了新型機(jī)械式熱量表的設(shè)計(jì)理念和特色。
4 SST技術(shù)熱量表及特征
為了克服現(xiàn)有機(jī)械式熱量表存在的堵塞問題、磨損問題、測(cè)量不穩(wěn)定問題、結(jié)垢問題、壓損較大問題和安裝受限問題，分析了這些問題的成因，由此提出了改進(jìn)的思路與途徑，并形成了新型機(jī)械式熱量表，這一新型機(jī)械式熱量表以SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特征來表征[14－33]。
4.1 SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念
SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，就是以熱量表防堵塞為目標(biāo)，在熱量表的測(cè)量腔體中采取測(cè)量與排污同體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與排污同步完成。
4.2 SST技術(shù)熱量表的特征
在SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，研制了SST熱量表，其特征為：
(1) SST技術(shù)特征之一：對(duì)稱結(jié)構(gòu)
對(duì)稱結(jié)構(gòu)（S—Symmetry Structure），就是使流量計(jì)與熱量表進(jìn)出水管組成全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方案為：不區(qū)分熱量表的進(jìn)水管和出水管，其中一個(gè)進(jìn)水管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況選作進(jìn)水管，而另外一個(gè)進(jìn)水管就自動(dòng)變成了出水管，見圖1。在兩個(gè)進(jìn)水管之間的葉輪腔中安置著葉輪，在進(jìn)水管與葉輪腔之間的過渡段，設(shè)計(jì)為向下的收縮型導(dǎo)水噴管。兩個(gè)進(jìn)水管和兩個(gè)收縮型導(dǎo)水噴管以同樣的形狀和尺寸，對(duì)稱分布在葉輪腔的兩邊。
在對(duì)稱結(jié)構(gòu)下，SST熱量表就具有了多方位靈活安裝的特點(diǎn)。
(2) SST技術(shù)特征之二：直通式進(jìn)出水管
直通式進(jìn)出水管（S — Straight Routeway Tube），就是流量計(jì)的進(jìn)出水管路與葉輪腔體形成直接的流暢通路，其結(jié)構(gòu)見圖1。
在對(duì)稱設(shè)計(jì)與直通式進(jìn)出水管的匹配下，SST熱量表就具有了防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損的特點(diǎn)。
直通式進(jìn)出水管和獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)
(3) SST技術(shù)特征之三：獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)
獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)(T —— Transverse Axle Impeller Set),就是將單根葉輪軸、葉片組、定位環(huán)、發(fā)訊感應(yīng)片組成橫向優(yōu)化配置。由圖1可見，其結(jié)構(gòu)為：葉輪由葉片組、輪轂、軸套、葉輪軸組成，葉片組固定在輪轂上，輪轂固定在軸套上，單根葉輪軸貫穿軸套并與軸套成活動(dòng)連接。發(fā)訊感應(yīng)片鑲嵌在葉片上，葉輪之外的葉輪軸上還安裝著定位環(huán)，葉輪軸的兩端固定在葉輪腔的兩側(cè)壁內(nèi)，與水流成橫向設(shè)置。葉輪與葉輪腔底部之間留有一定的間隙，該間隙與直通式進(jìn)出水管組成防堵塞排污通道。
在獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，SST熱量表就具有了防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高的特點(diǎn)。
4.3 SST熱量表的特點(diǎn)
由SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)、直通式進(jìn)出水管和獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)這三項(xiàng)技術(shù)，并將其有機(jī)地融合起來，已成功研制和生產(chǎn)出了SST熱量表，見圖2和圖3。經(jīng)過國(guó)家級(jí)計(jì)量監(jiān)督局的檢驗(yàn)，已認(rèn)證為高精度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)熱量表(我國(guó)還沒有一級(jí)精度的熱量表，最高精度的熱量表即為二級(jí)熱量表)。經(jīng)過兩年來的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，經(jīng)過大流量高溫水耐久性實(shí)驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)期考驗(yàn)，經(jīng)過兩個(gè)采暖期的住宅采暖計(jì)量使用，這些實(shí)踐表明：與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱量表相比，SST熱量表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
5、結(jié)論
(1) 我國(guó)城市采暖建筑的熱計(jì)量，是重大的節(jié)能環(huán)保措施，對(duì)國(guó)家、供熱企業(yè)和熱用戶這三方都是很有益的。
(2) 由于我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度較差的緣故，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)沒有可適用于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外熱量表存在的堵塞、磨損、測(cè)量不穩(wěn)定、結(jié)垢、壓損較大和安裝受限的問題，必須從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，才能根本解決這些問題。
(3) 能否研制出適應(yīng)于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情的熱量表，是制約我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量的瓶頸問題或關(guān)鍵問題。
(4) 立足于我國(guó)采暖熱計(jì)量國(guó)情，提出了熱量表SST技術(shù)的全新設(shè)計(jì)理念，并應(yīng)用SST技術(shù)成功研制和生產(chǎn)出了SST熱量表，在解決我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量關(guān)鍵問題上獲得了突破。
(5) 與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，實(shí)踐驗(yàn)證了，SST熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能，它為我國(guó)全面與有效實(shí)施采暖熱計(jì)量這一重大節(jié)能環(huán)保措施，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。
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