基于分户热计量表和Excel表的小区供热管网水力和热力分析系统

王彦秋 邓琳

(华电青岛热力有限公司 山东青岛 266034)

1 概述

《国家节约能源法》第三十八条规定：“新建建筑或者对既有建筑进行节能改造，应当按照规定安装用热计量装置、室内温度调控装置和供热系统调控装置。”随着国家和地方配套法律、法规和技术标准的逐步完善，各地集中供热系统中分户热计量表安装越来越普及。分户热计量表的主要用处是计量热用户的用热量，以适应按热量收费政策，鼓励用户自主节能。

《供热计量技术规程（JGJ 173-2009）》第2.0.6条中规定了以下几种分户热量表的计量方式：以住宅的户（套）为单位，以热量直接计量或热量分摊计量方式计量每户的供热量。热量直接计量方式是采用户用热量表直接结算的方法，对各独立核算用户计量热量。热量分摊计量方式是在楼栋热力入口处（或热力站）安装热量表计量总热量，再通过设置在住宅户内的测量记录装置，确定每个独立核算用户的用热量占总热量的比例，进而计算出用户的分摊热量，实现分户热计量。用户热分摊方法主要有散热器热分配法、流量温度法、通断时间面积法和户用热量表法。该文所讨论的“户用热计量表”是指“以热量直接计量”的使用超声波流量计的热量表，以下所称“热计量表”也是此意。

在大量安装热计量表的小区，热计量表的数据也可以用于分析小区水力工况和热力工况。因此，热计量表远传系统配套厂家，在远传和监控系统中，不仅设置了热计量表定点集抄、费用计算等功能，还提供了水力工况分析和热力工况分析的功能。供热公司往往无法自主修改这些功能，各个小区的实际情况千差万别，供热公司经常仅能用来进行初步分析，系统对其更加详细地分析往往无能为力，甚至在一些供热公司中，这些带有水力和热力分析功能的分户热计量表远传和监控系统仅仅用于记录用户的用热数据，分户热计量表仅仅成为与用户进行结算的工具。

实际上，分户热计量表一般均能记录热用户的流量、温度和热量数据，一般来说，与分户热计量表配套的远传系统均能做到每天抄表1 次，有的甚至可以一天抄表几次，也可以人工发起集抄，将数据送往远传系统服务器。也就是说，分户热计量表会产生大量数据。比如：一个小区有1 000户居民，安装了1 000户热计量表，每天抄表1 次，每次每块表均可上传供水温度、回水温度、瞬时流量和瞬时热量等4个数据，那么每天会产生4 000 条数据，假设一个采暖季有120 天，那么这个小区在一个采暖季内，分户热计量表将会产生48万个数据[1-2]。

这些数据代表了每家每户的用热实际情况，深入挖掘、分析这些数据，完全可以用来判断小区的水力工况、热力工况，从而帮助运行服务人员进行管网平衡调整，为更好地服务用户、节能降耗提供工作依据。

因此，笔者试着将小区分户热计量表数据导入Excel 表格，对这些数据加以整理、加工，形成了可调整、可拓展的分析表格，以帮助运行调节人员更加清晰地了解小区水力和热力工况，使用户服务和节能降耗更加具有针对性，提高工作效率和工作质量。

2 分户热计量表和远传系统结构

分户热计量表往往与远传系统配套。分户热计量表用于记录热用户的用热参数，如供水温度、回水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量；集抄系统用于发起抄表动作，收集热计量表的数据并上传至远传系统的数据采集器并发往远传系统的服务器，在上位监控系统中展现出来。图1给出了分户热计量表和远传系统的一般结构。

图1 分户热计量表和远传系统结构

3 用户服务、管网平衡调整关心的指标

在用户服务和管网平衡调节中，供热公司最关心的是水力平衡和热力平衡。

水力平衡一般关心单位面积循环流量，往往以万平米循环流量的形式出现，其单位是t/（h/万m2），当然也有的供热公司习惯用每平方米循环流量，其单位是kg/（h/m2）。这两个指标实际上是一个概念，只是单位不同而已。循环流量差别较大时，会导致热用户用热不均衡，为了使单位面积循环流量较低的用户达到满意的室内温度，需要换热站增加供出流量，使得单位面积循环流量较高的用户接受热量过多，令用户开窗散热，引起不必要的能量损耗。该文采用万平米循环流量作为分析指标。计算公式为

式（1）中：g为万平米循环流量，单位：t/（h/万m2）；G为户循环流量，单位：kg/h；A为用户建筑面积，单位：m2。

热力平衡调节一般关心回水温度，单位是℃。一个小区的一个热力系统中，从换热站出口到热用户入口的供水温度都是一样的。一个小区内的建筑外围护基本相同、室内采暖设施设置基本相似，在管网水力工况较为平衡时，各相似位置单元的回水温度应大体一致。但是由于管网流量不够平衡等因素，各热用户回水温度差别可能较大，也能够反映出热用户的水力工况和热力工况。一个热用户的回水温度比平均回水温度高，往往意味着该户流量过大、室内温度较高、相应的热量损失较大；反之如果一个热用户的回水温度比平均回水温度低，往往意味着该户流量过小、室内温度较低、室内舒适程度较差[3-4]。

热指标是供热公司关心的参数。单位是W/m2。这个参数代表了热用户的用热强度。供热公司希望在室内温度达标的前提下，热指标越小越好，代表用能越少。热指标的计算公式为

式（2）中：q为热指标，单位：W/m2；Q为瞬时热量单位：kW；A为用户建筑面积，单位：m2。

当然，供热公司和用户最终都关心室内温度。该文所讨论的热计量表是指包括超声波流量计、供回水温度传感器和计算仪组成的分户热计量表，这种热计量表不包含室内温度测点，上传的数据里面也不包括室内温度，所以该文所讨论的热力分析系统也不包括室内温度分析。

4 基于户用热计量表和Excel表的小区供热管网水力和热力分析系统基本结构

为便于介绍和理解，笔者以某小区（命名为AA院）为例，介绍分析系统的结构和计算方法。该小区包括两条路，分别命名为XX路和YY路。该小区共有1 504 个住户、1 504 块热量表，分高区和低区，总建筑面积14.7万m2，正常用热建筑面积13.24万m2。XX路有楼座13个，YY路有楼座3个。

4.1 数据采集

数据采集是该文所探讨的“基于分户热计量表和EXCEL 表的小区供热管网水力和热力分析系统”（以下简称“分析系统”）的第一步——获取分户计量表的原始数据。

一般来说，远传系统都具备将某一时刻点一个小区的数据全部导出的功能。导出的数据格式和结构一般都包括地址（包括路号、楼号、单元号、户号）、供暖状态（开通、停热等）、抄表时间、供水温度、回水温度、瞬时流量、瞬时热量、累计流量、累计热量、建筑面积等参数。

该分析系统需要的原始数据至少要有地址（包括路号、楼号、单元号、户号）、供暖状态（开通、停热等）、抄表时间、供水温度、回水温度、瞬时流量、建筑面积、分区（如高层建筑一般分高区和低区，超高层建筑甚至分4个区）。

4.2 分户热计量表数据整理

第二步是整理原始数据，目的是筛选正常热计量表，整理、计算每户正常热计量表用于显示的平均循环量、回水温度、热指标。

数据整理不要在原始数据表格中进行，而应该另建一个工作表，用Excel 表格提供的“=”函数将原始数据转移过来，再进行处理，以隔离原始数据，防止误操作，并方便原始数据更改。

筛选出正常供热用户的正常热计量表，并计算分户万平米循环量、热指标。

分户热计量表数量多，管理维护往往不能及时到位；甚至有的热计量表受到外部人为破坏，不可避免会有无效表存在。该分析系统将热计量表的状态分为5类，判别条件如下。

（1）停热：远传系统里标注停热状态，且热计量表显示流量为零。（2）停热有流量：远传系统里标注停热状态，且热计量表显示流量大于零。（3）温差错误：远传系统里标注正常用热状态，但回水温度高于供水温度。（4）用热无流量：远传系统里标注正常用热状态，但热计量表显示流量为零。（5）正常：除以上情况以外的其他正常运行的热计量表。

以上分类是笔者根据自己的经验分类的，实际应用的时候，使用者可能会遇到其他情况，使用者应根据实际情况调整分类和判别方法。判别的函数，笔者是用嵌套的IF语句实现的。

根据以上条件，在数据整理表中设置“表状态”列，判断热计量表的运行状态。用式（1）计算万平米循环量，回水温度无需处理，用式（2）计算热指标。

经过整理后的表格，可命名为“数据整理表”。

4.3 数据分析

数据分析的目的是利用分户热计量表的大量数据，按照分区、单元、楼栋归集汇总各计量表数据，并由此推算出分区的单元、楼栋的循环流量、单位面积循环流量、回水温度和热指标，以方便下一步图表化显示。

有的小区楼层较高，供热系统分为2 各甚至更多分区，这些分区实际上是各自独立的供热系统，应分开统计计算。

万平米循环流量计算方法为

式（3）中：g为万平米循环流量，单位：t/h/万m2；G为各户循环流量，单位：kg/h；Ai为用户建筑面积，单位：m2；n为计算范围内正常用热、热计量表正常的表数。

回水平均温度是回水温度用每户循环流量加权求和，再用总循环流量平均后得到，计算方法：

式（4）中：th为加权平均回水温度，单位：℃；Gi为各户循环流量，单位：kg/h；thi为各户回水温度，单位：℃；Ai为用户建筑面积，单位：m2；n为计算范围内正常用热、热计量表正常的表数。

热指标计算方法：

式（5）中：q为热指标，单位：W/m2；Qi为各户瞬时热量，单位：kW）；Ai为用户建筑面积，单位：m2；n为计算范围内正常用热、热计量表正常的表数。

另建一个工作表，用式（3）、式（4）、式（5）计算出分区各单元、楼栋的万平米循环量、回水温度和热指标。还可以用分户热计量表的数据汇总出其他数据。为方便下文叙述方便，此表命名为“分析表”。具体见图2。

图2 分析表示例图

这个表格可以看到小区供热用户概况、热计量表概况、万平米循环流量、平均供水温度、平均回水温度、热指标，根据万平米平均循环流量和平均热指标估算小区总流量和总热负荷。

该研究的表格主要用到Excel提供的“COUNTIFS”“SUMIFS”“AVERAGEIFS”函数，分区汇总单元、楼栋、总区域的各项数据。

为了方便图表显示，再将上面的分析表整理一下，形成另一个工作表，此表命名为“分解分析表”，表格示例具体见图3。

图3 分解分析表示例图

图3 中万平米循环量、平均供温（指平均供水温度）、平均回温（指平均回水温度）、热指标均取自图2示例中的数据，图3 中的流量偏离度、回温偏离、热指标偏离均为计算所得。

（1）流量偏离度是指相应区域偏离总区域平均万平米流量的比例，公式如下。

式（6）中：dg为流量偏离度，单位：%；g为万平米循环流量，单位：t/h/万m2；gp为平均万平米循环流量，单位：t/h/万m2。

例如：1号楼1单元低区的流量偏离度为

（2）回温偏离是指相应区域总平均回水温度与总回水温度的差值，公式如下。

式（7）中：δth为回温偏离，单位：℃；th为回水温度，单位：℃；thp为总平均回水温度，单位：℃。

例如，1号楼1单元低区回温偏离为

（3）热指标偏离是指相应区域热指标与总热指标的差值，公式如下。

式（8）中：δq为热指标偏离，单位：W/m2；q为热指标，单位：W/m2；qp为总热指标，单位：W/m2。

例如：1号楼1单元低区热指标偏离为

4.4 数据图形化

根据“分解分析表”，利用Excel 表格的柱状图功能，就可以做出直观的、便于比较的各指标柱状图了。因为篇幅所限，仅将万平米循环柱状图示例如图4所示。

图4 万平米循环量柱状图

还可以生成“供水温度柱状图”“回水温度柱状图”“热指标柱状图”“流量偏离柱状图”“回水温度偏离柱状图”“热指标偏离柱状图”等图表。

根据“数据整理表”和“分析表”整理出分户指标图。另外，为了用图表等比较直观的方法显示。笔者利用Excel表格中的VLOOLUP函数将整理后的分户数据在图5中显示，以万平米循环流量分户显示为例。

图5模拟楼座、单元和用户的分布设计，主要利用Excel表格中的VLOOLUP函数将“数据整理表”中经过整理后的分户数据显示其中。纵向粉色格里面的数字代表楼层数，横向“0x”代表户号。例如：1 号楼1 单元301 户的万平米循环流量为32.7 t/h/万m2。数据的提取是用“VLOOKUP”函数从“数据整理表”中实现的。

图5 万平米循环流量分户显示示例

图5 模拟的时万平米循环量，还可以类似模拟分户回水温度数据和热指标数据。

使用者可以用颜色表示指标的大小。例如：可以用绿色表示在正常范围内，深蓝色表示指标或参数偏高，浅蓝色表示指标或参数偏低，灰色代表停热户，黄色表示温差错误（热计量表回水温度大于供水温度）或用热无流量，橘黄色表示停热有流量。数值正常或过大、过小，用图中的“设定值”和“偏差”判断。万平米循环量的偏差用百分比表示。在“设定值”正负“偏差”范围内判断为正常，大于设定值上偏差即判断为偏大，小于设定值下偏差判断为偏小。“设定值”和“偏差”均可以修改，表格内的颜色根据“设定值”和“偏差”自动计算和显示颜色。使用者可以根据实际需要，修改这两个值，以帮助了解分户用热指标或参数的分布情况。图中可见6 号楼1 单元除停热户外全部显示“温差错误”，这是由于计量表整单元上传失败导致。

4.5 图表应用

以上说明和示例中，图4是柱状图，可以用来分析分区的单元和楼座的水力、热力平衡工况，两个不同时间点的柱状图，可以比较期间管网平衡调节的效果，主要用于单元间或楼座间平衡调节。

图5都是分户数据图，可以用来分析户间平衡，两个不同时间点的图，可以分析期间户间调节的效果，确定其后户间调整策略。

张雯提出目前供热行业普遍在热源处基本实现了调控运行，但供热管网的运行经常处于失控状态，造成热源供给侧与建筑内使用侧的不匹配，导致系统能耗偏高[5-6]。该分析系统就是为了解决由于管网水力和热力不平衡导致的高耗能，为管网侧和建筑侧节能降耗提供工具。而这些图表的应用可以很灵活，使用者可以根据自己的经验对比使用。

5 结语

Excel表格具有强大的数据处理功能，它又是常用的办公软件，Microsoft Office 和WPS 均支持使用，具有普遍的适用性。用Excel表处理、分析分户热计量表数据，在普通电脑上即可运行。

该文介绍的分析原理和方法，是笔者在实际工作中总结出来的，具有一定的实用性，不仅供热行业的从业者可以参考、使用，热计量表及远传系统的生产厂家也可以参考优化他们的远传系统中的数据分析功能。但笔者相信，供热行业的从业者若也采用Excel 表整理、分析分户计量表的数据，一定还会有更多、更好的方法来挖掘、提炼这些数据，更好地服务用户、节能降耗。