摘要：采暖建筑热计量是重大的节能环保措施。本文分析了现有电磁式、超声波式和机械式热能表在采暖建筑热计量领域的应用前景，以及机械式热能表本身具有突出的经济性而应作为主流热能表加以推广。调研和分析了现有机械式热能表存在着堵塞问题、磨损问题、丢信号问题和结垢问题，这些问题严重制约着它的实际应用。分析和研究了两种流量计防堵塞的差异，进而引出了防堵塞原理，并提出了机械式流量计的防堵塞结构特征。为克服现有机械式热能表的技术缺陷，提出了全新概念的SST设计理念，并成功研制出了性能卓越的SST技术的新型机械式热能表。
关键词：采暖热计量、热能表、堵塞、磨损、SST技术
引言
在我国，城市采暖建筑热计量与温控是重大的节能环保措施，实现采暖建筑热计量的仪表称为热能表。热能表主要有三种，分别为电磁式热能表、超声波式热能表和机械式热能表。这三种热能表的技术特点以及存在的问题如何？哪种热能表更适合作为我国采暖建筑热计量的主流热能表？以及如何才能使主流热能表长期、稳定和可靠地工作？这些问题的研究解决，对我国实现城市采暖建筑热计量的节能环保措施，有着积极的促进作用，本文将分析和解决这些问题。
1 三种热能表的技术特点以及主流热能表
热计量所采用的仪表称为热能表，用于计量给用户的采暖供热量。热能表由流量计、采暖供水与回水温度计和积算器组成。根据流量计的测量原理，现有热能表分为三种，分别为电磁式、超声波式和机械式热能表[1]。这三种热能表在测温方面是相同的，区别仅在于流量计的测量原理不同而已，现分析它们之间的性能差异。
1.1 电磁式热能表
电磁式流量计根据法拉第定律，具有导电性的水流通过电磁场时，会产生感应电动势。水流的速度越高，产生的感应电动势就越大。通过测量感应电动势的大小就可以得出管道内的水流速度，然后再由水的密度和管径就可确定管道内的水流量。
电磁式流量计的优点表现为，因无转动部件(即无磨损部件)而使用寿命长，且测量精度高，但也存在着缺点，它不仅对水流的导电率有要求，而且水温的变化引起水流的导电率变化，水流的导电率变化又影响着对水流流速的测量精度。另外，电磁式流量计耗电量大，需要220 V的交流供电，并对环境的电磁干扰敏感。
1.2 超声波式热能表
超声波流量计，利用超声波在管道内顺水流和逆水流的传播速度不同这一原理，来测量管道内水流的速度。水流的速度越高，超声波在管道内顺水流和逆水流的传播速度相差就越大，在相同的长度内，测量管道顺水流和逆水流超声波的传播时间差，就可以得出管道内的水流速度。
超声波与电磁式流量计的优点相同，表现为无转动部件、使用寿命长，测量精度高。但它也存在着缺点，超声波发射器、超声波接收器以及处在这两者之间的测量腔体，易被水中污垢粘附或结垢，这对其测量精度有很大影响。
1.3 机械式热能表
机械式流量计，利用水流流经流量计的叶轮时能推动叶轮旋转，水流的速度越大，叶轮的转速就越高，通过测量叶轮的转速就可以得出水流的速度。
机械式流量计与电磁式流量计和超声波流量计相比，因有转动部件即流量计的叶轮，其使用寿命和测量精度如果设计不当的话，就会低于电磁式流量计和超声波流量计，但机械式流量计的优点却避免了电磁式流量计的缺点即计量耗电量大并对水流导电率有要求、避免了超声波流量计的的缺点即测量腔体的污垢或结垢对测量精度影响大，特别是机械式热能表的造价远低于电磁式热能表和超声波式热能表，所以机械式热能表在经济性方面的突出优势，就展现出它在建筑热计
量领域里更具有广泛的应用前景，更适合作为我国采暖建筑热计量的主流热能表。
1.4 作为主流热能表存在的问题
合理设计的机械式热能表的使用寿命和测量精度并不比电磁式热能表和超声波热能表低，而且它的使用寿命能达到国际或国内热能表的标准，即使用寿命完全可以超过6年、最大计量误差小于2％或3％。若机械式热能表发挥其优势，消除其劣势，理当成为我国采暖建筑热计量领域中的主流热能表。然而，现有机械式热能表，受流量计本身结构所限，特别是在我国受采暖水质所限，存在着严重的技术缺陷，表现为流量计堵塞问题、磨损问题、流量信号丢失问题和结垢问题等[2－12]。只有克服了现有机械式热能表的这些技术缺陷，才能使机械式热能表在我国得到广泛的应用，以下本文将对机械式热能表存在的技术缺陷进行细致分析研究，并提出改进的方向和途径。
2 现有机械式热能表存在的问题和技术缺陷
2.1 热能表的堵塞问题
我国的采暖水质洁净度明显低于国外，采暖水的净化处理程度也远低于国外。采暖水质洁净度低，这是我国与国外在采暖建筑热计量上的重大差别。正因为如此，就对于在我国使用的热能表提出了更苛刻的使用条件、更高的技术要求。
我国采暖水质洁净度不高，表现为水中含有较多的杂质。水中杂质的来源有两个方面：一是我国室外采暖管网大多采用钢管，室内的采暖管道和散热器许多也是钢制的，钢管和钢制散热器会因为氧化而产生锈蚀。另外我国的采暖系统也不像欧洲那样系统中的水被常年保留。在我国，当采暖期过后，就将采暖系统中的水排掉，这样就加速了采暖系统的氧化和锈蚀。采暖系统的氧化和锈蚀，便不断产生铁锈颗粒和铁锈屑，这是水中杂质的持续来源；二是采暖系统施工后的残
留物，如泥沙、铁屑、焊渣、纤维等物体，有时还有更大的物体，如螺丝、木头、石头块、水泥块、钢筋等，这些残留物会因施工清扫不善或者管理不善等原因被遗留在采暖管道中。
采暖系统中的大尺寸杂质不仅可能堵塞采暖管道，还能撞击、破坏和堵塞热能表。当然，在安装热能表前，先冲洗采暖管道以及在热能表前加装过滤器，可以消除采暖系统中的大部分以及大尺寸的杂质。 在采取采暖管道冲洗和加装过滤器的措施后，采暖系统仍会有少量的杂质，这些杂质比较细小，不会堵塞采暖管道，但也无法被过滤器过滤掉，属于采暖系统难于处理的杂质。正是这些细小的杂质，却对热能表的稳定性、测量精度和使用寿命造成了重大的不利影响。机械式热能表有转动部件，当含有杂质的采暖水通过时，水中杂质会对叶轮的旋转产生影响。通过对大量的热能表使用状况的调研，以及对热能表的运行状况的分析，发现含有杂质的采暖水对热能表的影响表现为如下四种情况：一是，细小的颗粒，如泥沙、铁锈屑等直径小于0.1mm的杂质，会淤积在流量计叶轮的轴孔内（现有机械式热能表轴孔间隙大于0.5mm），增加叶轮转动阻力并引起热能表堵塞；二是，直径大于1mm的杂质颗粒会卡在叶轮与流量计的腔体之间，造成叶轮转动困难或卡死叶轮，导致热能表堵塞；三是，水中纤维状的杂质，如麻丝、生胶带等杂质，会缠绕在叶轮的上下轴上，造成叶轮转动困难或无法转动，导致热能表堵塞；四是，水中的铁锈颗粒和铁锈屑会吸附在用干簧管或者霍尔或者韦根元件作为流量传感器的磁铁上，造成叶轮转动困难，并可能卡死叶轮转动，导致热能表堵塞[2]。
由上所述可知，因为我国采暖水质洁净度不高，采暖水中含有杂质，尤其是那些采暖系统难于排出的细小杂质，会堵塞机械式热能表，或者使热能表的测量精度迅速下降。因此，具有防堵塞功能，适应含有细小杂质的采暖水，采用无磁流量传感器，是对我国机械式热能表的最重要也是最基本的技术要求。
2.2 热能表的磨损问题
现有机械式热能表的流量计，实际上是借鉴国外水表而来的，其本质是把以追求较小的计量启动流量（如10L/h以下，而热能表的启动流量为50L/h）、间歇方式工作在冷水中的流量计，移植到采暖热水中使用。由于机械式热能表的叶轮，需连续和长期处在500转/分的高转速，介于75－95之间且含杂质的高温水中的工作，其工作一个月所通过的水量，相当于普通水表工作三年，这不可避免地会对机械式热能表的叶轮产生很大的磨损。 C0现有机械式热能表的流量计，主要为单流束和多流束两种。无论是单流束的还是多流束流量计，其叶轮都采用了两段式立轴结构，见图1。该立轴结构，由下部支撑轴和上部支撑轴组成的轴系。下部支撑轴的下端固定在叶轮腔的底座上，其上端嵌套于叶轮下部的轴碗中；上部支撑轴的主体固定在叶轮上，其支撑轴的上端嵌套于叶轮腔上盖的轴碗中。为了使支撑轴与轴碗之间转动轻便，支撑轴与轴碗之间在横向和纵向都留有0.5mm左右的间隙。
现有机械式热能表流量计的两段式立轴结构，其优点表现为：因为轴与轴碗是点接触，接触点小，所以摩擦力小，转动灵敏度高，流量计的启动流量较小，10升/小时的小流量就可以推动流量计的叶轮转动，很适宜作为需要启动流量小、流量变化频率高、洁净程度高的流体计量，如作为自来水表使用。但是，当这种两段式立轴结构的流量计用于热能表时，就显现出了它的严重缺陷，因为在制造上，两段式立轴，上下部分粗细不等，直径分别为0.12、2.7mm，需要有较
高的强度、韧性和特有的锥形，所以这样的两段式立轴当前全都采用防锈耐磨的金属制造。在采暖期内，高水温、较高的水压和连续的大流量，使得叶轮长期高速地旋转，尤其是采暖热水中含有细小的杂质，加速了立轴各端部的磨损，进一步扩大了轴与轴碗间横向与纵向的间隙，加大了叶轮的摆动幅度，这就会引起叶轮的转动失衡，导致设计的流量曲线变化，计量精度迅速下降。对于单流束的流量计，其立轴还会受到侧面水流的压力从而产生更为严重的侧向磨损。
在我国的热能表生产和检验标准中，为了检验热能表的耐久性，采取了大流量加速磨损的检验方法，例如对于20mm管径的户用热能表，须在最大流量5000升/小时下连续工作300小时仍能保持原有的测量精度，才为合格的热能表。这种大流量加速磨损的检验方法，使得不少生产厂家的机械式热能表，因为叶轮磨损、导致流量计测量精度下降而难于通过合格性检验。另外根据我国多家采暖建筑热计量的试点结果来看，现有机械式热能表的磨损现象十分严重，经过一年的
采暖计量后，有20％的热能表因为流量计的磨损，计量误差已超过了15％，而不能再继续使用了。由此可见，现有机械式热能表的流量计结构、由耐磨金属轴与玛瑙轴碗组成的两段式立轴结构，不适宜我国的采暖建筑热计量，所以，研制具有抗磨损的新型流量计，是对我国机械式热能表的重要技术要求。
图1 现有机械式热能表的多流束流量计结构
2.3 热能表的流量信号检测失灵问题
由于水中的铁锈颗粒和铁锈屑会吸附在用干簧管或者霍尔或者韦根元件作为流量传感器的磁铁上，造成叶轮转动困难，导致热能表堵塞。为克服这一弊病，现在国内外大部分机械式热能表的流量计，都采用了无磁流量传感器来检测叶轮的转速。无磁流量传感器是通过一种LC振荡阻尼电路，以非接触的方式，来探测附在叶轮上的无磁金属片的转动，实现了无磁性元件的检测[13]。为了提高检测精度和电路集成度，美国TI公司专门为无磁流量传感器成功开发了专用芯片MSP430系列。但是在实践中发现，无磁流量传感器对无磁金属片和感应探头的间距要求很严格，该间距的变化和不稳定，常常使叶轮转数信号检测失灵，即出现热能表部分流量信号丢失的现象。
热能表部分流量信号丢失现象的原因在于，现有机械式热能表的单流束或多流束流量计，其叶轮都采用了两段式立轴结构，支撑轴与轴碗之间点接触的方式使得叶轮在工作时，在正常情况下，其横向和纵向设计的间隙都大于0.5mm，都会产生上下串动和水平摆动，上下串动和水平摆动，当该流量计发生磨损即支撑轴与轴碗之间的磨损，或者流量计的堵塞，都会加剧叶轮上下串动和水平摆动的幅度，从而引起热能表部分流量信号丢失的现象发生，这必然导致测量的流量小
于真实流量，使得热能表的测量精度和可信度下降。
由此可见，现有机械式热能表的两段式立轴结构，会随着热能表的磨损与堵塞程度加剧，出现流量信号丢失的现象，造成热能表的测量精度下降，因此改进机械式热能表的叶轮结构，提高热能表的抗磨损性，是对我国机械式热能表稳定性和耐久性的重要技术要求。
2.4 热能表的结垢问题
采暖水中含有化学物质，结垢在热水比在冷水中更容易发生，在采暖热能表中完全避免结垢是很困难的，所以对热能表中的结垢问题应给予重视，因为当结垢现象不严重时仅仅使流量计流水不畅，压力损失大，但当结垢严重时就能阻塞热能表。
由采暖热计量试点工程的调研以及热能表运行实验可知，在热能表流量计中，转动的固体表面以及与速度高的水流相平行的固体表面，结垢现象不很明显，水垢更易发生在缓水、积水和扭曲滞流的固体表面。
由于多流束热能表比单流束热能表，其流道弯曲复杂，存在着多处阻水结构，这些阻水处表面常为流体的缓流和滞流区，所以多流束热能表比单流束热能表更容易结垢。
由于现有机械式热能表的流量计，大多都是多流束流量计，更容易形生水垢，而水垢的发生和发展是热能表堵塞的一个方面，所以改进机械式热能表的流量计的结构，使其具有防结垢的能力，是对我国机械式热能表稳定性和耐久性的另一项重要技术要求。
3 防堵塞原理以及新型热能表的SST技术思想
3.1 机械式热能表的防堵塞原理
在现有机械式热能表中，相同管径的多流束流量计与单流束流量计相比，具有启动流量小、量程宽、测量精度高、压力损失稍大的特点，一段时间我国机械式热能表大多都选用了多流束流量计。但对大量的机械式热能表的使用调查，发现了这样一个普遍现象：即单流束流量计的热能表，其防堵塞性远远高于多流束流量计的热能表。问题是为什么有这样的结果呢？它们之间在结构上有什么差别呢？下面将分析和回答这个问题。
多流束流量计，其结构特点是水流进入流量计壳体后，先通过扭曲的水道，由叶轮盒将水流分成多束流，再将各束流引导至沿叶轮外缘均匀分布的各叶片喷口处，形成了多束流同时喷射叶片。这种多流束流量计的结构，能充分和有效地利用水流动力，因而它具有启动流量小、量程宽、测量精度高的优点，但在获得此优点的同时也带来了严重的弊病，即由于使水流方向改变大，流道弯曲复杂，因而也造成了水流的压力损失大，尤其是流道在叶轮盒的间隙小、叶轮与叶轮腔
的间隙小、多流束流道狭窄，从而导致了多流束流量计在含有细小杂质的水中工作时，很容易结垢而被堵塞。调查结果显示，在我国含有杂质的采暖热水中，短者3、4个月，长者两个采暖期，大部分多流束机械式热能表就被堵塞而不能正常工作了。
单流束流量计，其结构特点是水流进入流量计壳体后，不进行分流，引导单束流流至叶轮侧向的叶轮喷口，以固定的方向从叶轮一侧喷射叶片。这种单流束流量计的结构，对流体不分流，流体方向改变小、流道简单，从而具有流体压力损失小，尤其是叶轮与叶轮腔的间隙大，它具有了在含有细小杂质的水中工作时、不容易被堵塞的突出优点。但是，它未能充分和有效地利用水流动力，因而它的启动流量稍大、测量精度也稍差。 理论和采暖计量实践中都揭示了单流束机械式热能表，在防堵塞性方面远远优于多流束机械式热能表。由单流束机械式热能表的结构，可从中得出机械式流量计的防堵塞原理：流量计的流体通道应有足够的尺寸，使含有杂质的流体顺畅通过。为此机械式流量计的防堵塞结构应具有这样的特征：流量计对流体不分流、使流道简单、保持叶轮与叶轮腔之间有较大的间隙。
3.2 新型机械式热能表的SST技术思想
为了解决现有机械式热能表的堵塞问题、磨损问题、流量信号丢失问题和结垢问题，依据上述机械式流量计的防堵塞原理，以机械式流量计防堵塞结构特征为指导方向，从机械式流量计的结构、部件和系统配置上进行全面分析与改进。以消除热能表堵塞问题为关键，以解决热能表磨损问题为重点，形成了机械式热能表的全新设计理念——SST技术的设计理念，SST技术的设计理念主要表现为以下三项技术特征[14－21]，关于对SST技术以及由该技术研制的新型机械式热
能表的分析论述详见文献[22]：
(1) 对称设计（S —— Symmetry Design）
对称设计，就是流量计内外部结构的对称性。由此，热能表具有了这样的优点：在保持相同的测量精度下，热能表不受进出口方向的安装限制，更适合于各种复杂多变的安装现场，使安装的操作性和可靠性得以极大地提高。
(2) 直通式进出水管路（S —— Straight Routeway Tube）
直通式进出水管路，就是流量计的进出水管路与计量腔体形成直接的流畅通路。由此，热能表具有了这样的优点：可使流体通畅流动，具有抗结垢、低压损的特性。
(3) 独立横轴叶轮系统(T —— Transverse Axle Impeller Set)
独立横轴叶轮系统，就是将单根叶轮轴、叶片组、定位器、发讯感应片组成横向优化配置。横轴叶轮系统是由一根固定横轴贯穿转动的叶轮，轴与嵌入叶轮中部的轴套，轴与轴套采用两种不同的非金属碳氮化合物材料，相互配合组成，形成了高耐磨和防止摆动的稳定系统。独立横轴叶轮系统是机械式流量计防堵塞的关键，它与直通式进出水管路配合，实现了计量与排污同体完成。由此，热能表具有了这样的优点：具有防堵塞、抗磨损、稳定性高、可使热能表水平或垂直
或倾斜角度随意安装的特点。
经过四年来的研究和实验，已成功研制出了SST技术的机械式热能表，并获得国家级计量监督局的认证。经过一年多的实验室验证、一个采暖期的住宅采暖计量使用，实践表明：与现有国内外机械式热能表相比，SST技术的机械式热能表具有：防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高和多方位灵活安装的卓越性能。
3 结论
（1）电磁式、超声波式和机械式热能表都可用于采暖建筑的热计量，但机械式热能表在经济上具有突出的优势，更适合作为我国采暖建筑热计量的主流热能表。
（2）现有机械式热能表，无论单流束还是多流束热能表，都存在着堵塞问题、磨损问题、流量信号丢失问题和结垢问题，这些技术缺陷严重制约着它在我国采暖计量的实际应用。
（3）机械式流量计的防堵塞原理，就是使流量计的流体通道应有足够的尺寸，使含有杂质的流体顺畅通过。
（4）SST技术的新型机械式热能表能克服现有机械式热能表所存在的四大技术缺陷。
（5）与现有国内外机械式热能表相比，实践验证了，SST技术的热能表具有：
防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高和灵活安装的卓越性能。
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[22] 李世武，SST技术的新型机械式热能表，于本文同时同一刊物投稿。 联系作者和第一作者简介：
李世武(1957年-)，博导，教授,西北工业大学动力与能源学院，西安市友谊西路127号，710072，电话029－88492746，传真029－88495911，shiwuli@nwpu.edu.cn
李世武(1957年-)，男，四川省开江县，教授,博士，从事供热工程与节能方面的研究。029－88492746，shiwuli@nwpu.edu.cn
