БИБЛИОТЕКА «ТЕПЛОПУНКТА»

О физической величине, измеряемой теплосчётчиками

Б. М. Беляев, А. И. Лисенков, В. В. Разиков
(ВНИИМС, г. Москва)

Специально для сайта Теплопункт, 2001 год

До сих пор идут споры о том, какую физическую величину измеряют теплосчётчики. Причём часто эти споры мало аргументированы. Вот и сейчас, в связи с утверждением стандарта на теплосчётчики [1], некоторые специалисты [2] считают, что одним из ключевых положений вышедшего стандарта является "чёткое и научно обоснованное определение измеряемой теплосчётчиками физической величины". В [3] также отмечается, что "основным спорным вопросом, решение которого задерживало утверждение стандарта, было установление того параметра, для определения которого предназначен теплосчётчик".

Итак, область применения стандарта [1]: "…стандарт распространяется на теплосчётчики для водяных систем теплоснабжения (далее - теплосчётчики), предназначенные для измерения количества теплоты в водяных системах теплоснабжения…". В разделе 3 (Определения) можно увидеть следующее определение: "3.8 теплосчётчик: Измерительная система (средство измерений), предназначенное для измерения количества теплоты", а также "3.6 количество теплоты (тепловая энергия): Изменение внутренней энергии теплоносителя, происходящее при теплопередаче в теплообменных контурах (без массопереноса и совершения работы)".

По поводу уравнения измерений в [2] сказано, что "...новый ГОСТ не дает формулы для вычисления количества теплоты..., но этого и не требуется, так как очевидно, что основная формула вытекает из данного в стандарте определения теплоты [теплота в стандарте не определяется - Авт.]. Этому определению соответствует единственная известная из школьного курса физики [интересно, из какого именно школьного курса физики? - Авт.] формула:

(1)                Q = G1 (h1 - h2) = G2 (h1 - h2)

где G1, G2 - масса теплоносителя, прошедшего по подающему (G1) или обратному (G2) трубопроводу системы теплоснабжения (теплопотребления) [надо думать, что G1 = G2 - Авт.]; h1, h2 - энтальпия теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах" [имеется в виду удельная энтальпия - Авт.].

И еще одна цитата: "Таким образом, количество теплоты суть произведение массы теплоносителя на входе теплообменного контура на разность энтальпий теплоносителя на входе и выходе этого теплообменного контура" [3].

Итак, измеряемая теплосчётчиком физическая величина - количество теплоты, а из уравнения измерений (1) следует, что эта величина представляет собой разность удельных энтальпий теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, умноженной на массу теплоносителя в подающем или обратном трубопроводах [2], на входе теплообменного контура [3].

Таким образом, изменение внутренней энергии теплоносителя при прохождении через теплообменный контур (количество теплоты) отождествляется с изменением его энтальпии. При этом игнорируется первый закон термодинамики. Из закона, который может быть представлен в виде [4,5]

(2)                dQ = dU + pdV

или

(3)                dQ = dH - Vdp

(где dQ, dU, dH, dV, dp, p, V - количество теплоты, изменение внутренней энергии, изменение энтальпии, изменение объема, изменение давления, давление и объем соответственно) следует, что количество теплоты будет равно изменению внутренней энергии при постоянном объёме или количество теплоты будет равно изменению энтальпии при постоянном давлении. Поскольку в теплообменном контуре всегда имеются потери давления и перепад температур, то и давления, и объёмы теплоносителя на входе и выходе различаются. Последнее означает, что измеряемая теплосчётчиками разность энтальпий отличается от количества теплоты, и измерение внутренней энергии также будет отличаться от количества теплоты. Поэтому даже для закрытых систем "...единственная известная из школьного курса физики формула..." не вытекает из данного в стандарте определения теплоты, поскольку помимо теплопередачи в теплообменном контуре совершается работа.

Понимание этого обстоятельства присутствует в Рекомендации МОЗМ R 75 [6], где уравнение типа (1) в форме "интеграл по времени произведения Qm на "дельта h" (Qm - массовый расход теплоносителя проходящего через теплосчетчик, "дельта h" - разность между удельными энтальпиями при температурах теплоносителя на входе и выходе теплообменного контура) используется для определения условно истинного (!) [conventional true value (of a quantity) - условно истинное значение (величины) - значение, приписанное конкретной величине и принятое, иногда по договоренности, которое содержит неопределённость, приемлемую для данной цели - см.[8]] значения теплоты. Здесь ничего не говорится о давлениях на входе и выходе теплообменного контура и не указываются источники данных по удельным энтальпиям, лишь в примечании отмечается, что действительное значение теплоты может также выражаться через интеграл от объёмного расхода и тепловой коэффициент Д. Штюка, являющийся функцией двух температур и только одного давления. Тем самым различие давлений теплоносителя на входе и выходе теплообменного контура игнорируется, и при этом приведённые уравнения как бы определяют количество теплоты.

Такие же уравнения приведены в европейском стандарте EN 1434-1 [7] в разделе 8 "Формула передачи тепла", причём сообщается, что в теплосчётчиках скорость изменения энтальпии между входом и выходом теплообменного контура интегрируется по времени. Уравнение для этой операции соответствует… и приводится рассмотренное выше из [6]. Что же касается уравнения с тепловым коэффициентом, то значения последнего для случая, когда теплоносителем является вода, предписывается определять по формуле А.1 обязательного приложения А при давлении 16 бар, т.е. различие давлений при определении разности энтальпий на входе и выходе теплообменного контура в [7] также игнорируется.

Из изложенного ясно, что оба международных документа не решают задачу измерения количества теплоты в принятом в физике смысле и соответствующем определению 3.6 [1], а приведённые уравнения измерения количества теплоты являются результатом договоренности. Более того, использование теплового коэффициента и предположение о равенстве давлений на входе и выходе контура приводят к появлению методических погрешностей измерения разности энтальпий, значения которых необходимо оценить. Такие оценки были выполнены в [9] где было установлено, что указанные погрешности в некоторых ситуациях могут достигать 3-5 %. При выполнении оценок использовались стандартные данные по плотностям и энтальпиям воды, приведенные в [10].

Таким образом, даже в закрытых системах теплоснабжения измеряется не количество теплоты, а более полная характеристика теплопотребления (теплоснабжения) - разность энтальпий, поскольку в энтальпию подаваемого потребителю теплоносителя входит энергия, связанная не только с температурой теплоносителя, но и его давлением. Энтальпия теплоносителя существует и может быть измерена на входе в теплообменный контур и на выходе из него (количество же теплоты возникает только в теплообменном контуре, а в точках измерения его нет). Последнее позволяет измерять энтальпию теплоносителя на входе и выходе системы, а к объекту теплоснабжения относиться как к "чёрному ящику". Это возможно, поскольку энтальпия является потенциалом, т.е. ее изменение полностью определяется её начальным и конечным значениями и не зависит от того, каким образом эта величина изменялась от начального к конечному значению (количество же теплоты, в отличие от энтальпии, потенциалом не является, также как и работа, и зависит от пути, по которому изменяется от начального к конечному значению). При этом теплоснабжающую организацию совершенно не интересуют подробности того, что происходит с теплоносителем у потребителя, интерес представляет только разность энтальпий на входе и выходе теплообменного контура и именно за неё производится оплата. Для открытых систем в эту разность войдёт и энтальпия отобранного теплоносителя. По нашему мнению, в теплоснабжении подход должен быть такой же, как при снабжении электрической энергией, когда с помощью счётчика электрической энергии определяется полученная абонентом электрическая энергия, например в квартире, независимо от того во что она превратилась, то ли в "свет", то ли в "холод". Именно эта идеология используется в МИ 2412-97 [11], устанавливающей уравнения измерений тепловой энергии и теплоносителя для водяных систем теплоснабжения, в том числе и для открытых систем (кстати, в число разработчиков МИ 2412-97 входили и представители энергоснабжающих организаций, таких как: РАО "ЕЭС России", РАО "Роскоммунэнерго", Энергонадзор АО "Ленэнерго"). Такой же подход применяется и в МИ 2451-98 [12], устанавливающей уравнения измерений тепловой энергии и теплоносителя для паровых систем теплоснабжения. Например, ТЭЦ-9 в г. Пермь отпускает ООО "Лукойл-пермнефтеоргсинтез" перегретый пар, который используется для отопления и технологических целей, а обратно получает конденсат, да и то только половину по массе. Система учёта измеряет энтальпию пара на семи подающих трубопроводах и энтальпию конденсата на одном обратном, а по их разности производятся взаимные расчёты.

В перечисленных документах [11,12] термин "тепловая энергия" используется исключительно как синоним понятия энтальпии (разности энтальпий). Это установившийся отраслевой термин, который, в отличие от количества теплоты, не занят в физике, широко используется в огромном количестве нормативных документов, в том числе в Гражданском кодексе, Законе "Об энергосбережении", в Правилах учёта тепловой энергии и теплоносителя и других. Стандарт [1], распространяющийся на теплосчётчики, предназначенные для измерения количества теплоты в смысле определения 3.6, выпадает из системы существующих нормативных документов, не говоря уже о том, что таких теплосчётчиков в природе не существует даже для закрытых систем. Последствия этого вполне предсказуемы, начиная с того, что ни один из выпускаемых в России теплосчётчиков не соответствует принятому стандарту, и заканчивая простым игнорированием этого документа теплоснабжающими организациями (ну, принят стандарт на теплосчётчики измеряющие количество теплоты, пусть он на них и распространяется, у нас такие не используются).

Если же принять, что в системах теплоснабжения для учёта необходимо измерять количество теплоты (в классическом смысле), то это невозможно будет реализовать в открытых водяных системах и паровых системах, не говоря уже о том, что такой подход противоречит сложившейся практике. На наш взгляд, только сохранение в качестве измеряемой величины тепловой энергии может быть решена задача учёта энергии в различных системах теплоснабжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 51649-2000. Теплосчётчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия
2. А. С. Вербицкий, О. С. Степанов. ГОСТ на теплосчётчики утвержден, что дальше? Коммерческий учёт энергоносителей (материалы 12-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков - СПб.: Политехника, 2000
3. Э. Г. Звенигородский, С. М. Лебедев. О государственном стандарте на теплосчётчики для водяных систем теплоснабжения. Коммерческий учёт энергоносителей (материалы 12-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков - СПб.: Политехника, 2000
4. М. П. Вукалович, И. И. Новиков. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972
5. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983
6. OIML R 75. Heat meters. 1988
7. European Standard EN 1434-1. Heat meters - Part1 : General requirements. 1996
8. ВИМ:- Международный словарь основных и общих терминов в метрологии, МБМВ, МЭК, ИСО, МОЗМ, МСТПФ, МСТПХ, МФКПХ, 1993 г. (см. русский перевод - М., Изд-во стандартов, 1998)
9. А. И. Лисенков, В. В. Разиков. Методические погрешности измерения тепловой энергии. Коммерческий учёт энергоносителей (материалы 8-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков - СПб.: Политехника, 1998
10. ГСССД 98-86. «Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0…800С и давлениях 0,001…1000 МПа»
11. МИ 2412-97 «ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя». Утверждена ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и ВНИИМС, 1997
12. МИ 2451-98 «ГСИ. Паровые системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя». Утверждена ВНИИМ им.Д. И. Менделеева и ВНИИМС, 1998

К списку статей