基于IC卡的新型供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在我國(guó)北方地區(qū)，隨著冬季供暖由福利化變革為商品化，供暖熱能的商品化屬性越來(lái)越突出，現(xiàn)在人們已經(jīng)普遍承認(rèn)熱能是商品。既然熱能是商品，那么其計(jì)量和購(gòu)銷(xiāo)就應(yīng)該更科學(xué)，更合理，更符合商品交換的規(guī)律。然而在實(shí)際供暖計(jì)費(fèi)中，大多數(shù)地區(qū)仍采用按供暖建筑物的建筑面積計(jì)費(fèi)的方式，這種計(jì)費(fèi)方式的弊端主要表現(xiàn)在：用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的是熱能卻需要按建筑面積計(jì)費(fèi)，二者間換算關(guān)系不夠明確直接。在整個(gè)供暖過(guò)程中，用戶(hù)熱能的消耗不僅與采暖房間溫度的高低有關(guān)，而且受許多其他因素的影響，如環(huán)境溫度、房間保暖性能、單位面積散熱器數(shù)。也就是說(shuō)同等面積的不同建筑物，達(dá)到相同的采暖溫度，所消耗的熱能是不同的。按建筑面積計(jì)費(fèi)，必然造成消耗熱能不同付費(fèi)卻相同，這既不利于計(jì)費(fèi)的公平合理，也不利于節(jié)能減排。因此這里提出一種按熱能消耗量計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 按熱能消耗量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)按熱能消耗量計(jì)費(fèi)，首先需要準(zhǔn)確測(cè)量采暖用戶(hù)的熱能消耗量，根據(jù)物理熱力學(xué)定律，采暖消耗的熱能與流過(guò)散熱器的熱水的流量以及流進(jìn)流出散熱器的熱水的溫度差成正比，設(shè)流進(jìn)散熱器的水量為Mi(m3)，流出散熱器的水量為Mo(m3)，散熱器進(jìn)口溫度為T(mén)i(℃)，散熱器出口溫度為T(mén)o(℃)，比例系數(shù)為C，消耗的熱能為Q。當(dāng)Mi=Mo時(shí)，則有Q=CMo(Ti-To)；當(dāng)Mi>Mo時(shí)，說(shuō)明供熱水在用戶(hù)端有損耗，損耗也應(yīng)計(jì)入熱能消耗，則有Q=CMo(Ti-To)+C(Mi-Mo)Ti；只要準(zhǔn)確測(cè)量出Mi、Mo、Ti、To就可以計(jì)算出用戶(hù)消耗的熱能，再根據(jù)年度單位熱能的定價(jià)計(jì)算出用戶(hù)需要支付的采暖費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)按熱能消耗計(jì)費(fèi)。
根據(jù)上述計(jì)費(fèi)原理，本文給出的預(yù)付費(fèi)式按熱能消耗計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的基本工作過(guò)程是：用戶(hù)在開(kāi)始供暖前，預(yù)存一定金額到IC卡中，將IC卡插入用戶(hù)的計(jì)費(fèi)終端上，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)讀取IC卡中寫(xiě)入的預(yù)存金額和年度熱能單價(jià)，如果預(yù)存金額大于0，則計(jì)費(fèi)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)將流量控制閥打開(kāi)，開(kāi)始供暖；同時(shí)啟動(dòng)流量監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)功能測(cè)量用戶(hù)端流進(jìn)流出的流量以及進(jìn)口出口的溫度，根據(jù)上述測(cè)得的參數(shù)，計(jì)算用戶(hù)的熱能消耗值和應(yīng)付費(fèi)金額，并從預(yù)付金額中扣除，當(dāng)預(yù)付金額扣除到0時(shí)，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉流量控制閥結(jié)束供暖，并用蜂鳴器提醒用戶(hù)充值IC卡。供暖過(guò)程中，用戶(hù)隨時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)提供的4個(gè)鍵控制流量控制閥的開(kāi)啟程度，一旦預(yù)付費(fèi)扣除到0，該功能立即失效，以防止用戶(hù)自行打開(kāi)閥門(mén)供暖。系統(tǒng)預(yù)留用戶(hù)流量調(diào)節(jié)功能，用戶(hù)可以根據(jù)自己的要求調(diào)整截閥開(kāi)啟的程度，調(diào)整房間的溫度，這樣有利于降低用戶(hù)的采暖費(fèi)用，節(jié)約能源減少排放。系統(tǒng)通過(guò)預(yù)置的監(jiān)控程序，檢測(cè)采暖面積內(nèi)供暖系統(tǒng)偷漏水情況，并對(duì)偷漏水情況做出提醒和記錄，從而保護(hù)熱能供應(yīng)方的利益。
因此，需要該系統(tǒng)按一定時(shí)間間隔△t(如1min)實(shí)時(shí)采集如下數(shù)據(jù)：1)供暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量Mi、Mo；2)供暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度Ti、To整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
按熱能消耗量計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。用戶(hù)的預(yù)付費(fèi)金額在年度供暖開(kāi)始前由供暖企業(yè)寫(xiě)入IC卡中，作為本年度提供供暖的條件；溫度測(cè)量模塊完成對(duì)用戶(hù)采暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度的精確測(cè)量；流量測(cè)量模塊完成對(duì)用戶(hù)采暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量的測(cè)量；實(shí)時(shí)日歷模塊用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)鐘，為系統(tǒng)工作以及工作情況的記錄提供時(shí)間依據(jù)；鍵盤(pán)、報(bào)警、顯示模塊為用戶(hù)提供人機(jī)交互手段，用戶(hù)通過(guò)它可以在供
暖開(kāi)始后調(diào)整供熱水的流速，調(diào)整日歷、時(shí)鐘、顯示器用于顯示剩余金額等信息；中央控制單元用于采集IC卡、溫度、流量、鍵盤(pán)按鍵、時(shí)間等信息，通過(guò)對(duì)所有信息的處理，決定步進(jìn)電機(jī)的工作，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

2．1 溫度測(cè)量電路
溫度測(cè)量電路原理圖如圖3所示，該電路用于將代表溫度的模擬電壓數(shù)字化，供中央控制單元讀取使用。Rt1、Rt2為Rt100鉑電阻溫度傳感器，該傳感器穩(wěn)定性和線(xiàn)性都較好，工作溫度范圍為-200～650℃，其電阻與溫度的關(guān)系為R=Ro(1+αT)，其中α＝0．003 851，Ro為100Ω，T為攝氏溫度。在實(shí)際使用時(shí)Rt100常作為不平衡橋中的一個(gè)橋臂，如圖3中的R1、R2、R3、Rt1和R4、R5、R6、Rt2分別組成橋路。其中R1=R2= R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度為O．1％，溫度系數(shù)25 ppm；以2．5 V的參考電源為橋路供電，這樣當(dāng)溫度從0℃變到100℃時(shí)，橋路輸出電壓范圍為0～29．686 mV，溫度每變化0．1℃，輸出電壓近似變化29．5μV。鉑電阻的阻值偏小，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)采用三線(xiàn)接法，以消除接線(xiàn)引入的測(cè)量誤差。R3、R6選取100 Ω，溫度大于0℃時(shí)，橋路輸出電壓大于0，從而滿(mǎn)足后面A／D轉(zhuǎn)換器輸入電壓大于0 V的需要。這里R1、R2、R4、R5的阻值給定3 kΩ，主要是考慮減輕U2的輸出負(fù)擔(dān)，此時(shí)每個(gè)橋路從U2中取的電流小于1．67 mA。