乐福能IC采暖计费控制阀———中国暖通改革的新出路
摘要：IC采暖计费控制阀是具有中国特色的暖通节能、计量预付费装置。可广泛的应用在旧有住宅暖通系统改造、新建住宅暖通节能与计量、地板采暖恒温控制、空调末端恒温控制。
关键字：IC采暖计费控制阀 、暖通、节能、预付费
北京乐福能节能技术公司是一家专注于供热节能的专业公司，公司在成立之初就一直在思考：如何开发出一种适合于中国特色的暖通节能产品，即不改变既有国情下制定的供热收费政策，又能达到计量、节能、可管理（预付费管理）。也即能否提供一套完整的解决方案引起人们供热节能行为的积极性，使得供热商品化成为可能，从而引导政策性的法律法规，把供热领域的技术节能、政策节能、行为节能统一起来，真正实现像水、电收费一样的模式。一句话，反观中国的供热改革的过去十多年历史，下一步我们应怎么去做？！
一、我国的能源状况和建筑节能的必要性
我国人口众多，资源相对不足，人均资源占有量不到世界人均占有水平的一半，人均能源可消耗量仅为世界平均水平的55%。同时，温室气体排放量已是世界第二位。而我国单位建筑面积能耗是发达国家的2-3倍。节约能源，减少环境污染，已经成为我国国民经济可持续发展的关键。我国政府提出了“建立资源节约型国民经济体系和资源节约型社会”的号 召，并将列入国家“国民经济和社会发展十一五计划”，成为我国今后国民经济发展的重 要内容。节约能源，保护环境是我们的使命。
二、我国现有住宅现状和供热体制改革的需要
我国城镇现有住宅约４００亿平米，其中1996年《民用建筑节能设计标注（采暖居住建筑部分）》颁布以前竣工入住的约占50%。以北京市为列：截至2004年底，北京市共有住房建筑面2.4亿平方米，1996年以前的住房建筑面积为１．８亿平方米 。这部分旧有住宅按照我国采暖区划为二类地区，即每平方建筑能耗为18kg标准煤设计的，而我国实行建筑节能建筑标准后，执行的标准为每平方12.５kg标准煤，2005年起，国家建筑节能设计标准为“每平方建筑能耗8.75kgG标准煤”，显而易见，旧有住宅无论是在现有建筑面积中所占的比例，还是在耗能标准上都是我国建筑能耗的主要结症，也是建筑节能改造的重中之重。
随着市场经济的深入，我国的供热体制已经逐步从福利供热向商品化发展，将热能变为商品，由消费者按需消费，是我国供热改革的大势所驱。按需消费也是促使热能消费者主动节能的有效方式。同时，供热管理部门也急需一种在新形式下的有效的管理手段。如何依靠先进的科学技术，研制开发出适合我国国情和热改需要的新产品是我们暖通工作者应该担负的责任和使命。
三、IC卡采暖计费控制阀的立项目标
立项目标，也就是开发研制所要解决的问题。从我国供热行业的环境角度看，热改面临三个主要问题：政策节能、技术节能、行为节能。因此，我们在产品研制中，首先就要考虑到我国采暖收费正在转轨过程中，政府如何制定一个切实可行的收费政策，并为这种政策提供相应的技术手段 。同时，这种技术手段又便于业主选择性消费。解决上述问题，就是我们的立项目标。
需要研究突破的有以下方面：
第一，既符合国情又科学合理的计费单 位；
第二，最大限度的减小阀门阻力和降低功耗；
第三，旧有供热系统的水质与阀门所采用的材料；
第四，与现有的管理方式和技术相通的产品管理模式。
四、技 术 背 景
（一）、遵循国家有关标准和规范，符合我国国情。
a、IC卡采暖 计费控制阀采用的安装位置和改造方式符合国家《既有采暖居住建筑节能改造技术规程》 JGJ129-2000和《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（ＪＧＪ２６）。
b、控制程序和管理软件是按照《建设事业IC卡应用技术》CJ/T166-2002 开发的,非接触IC卡也称射频卡，符合ISO14443A国际标准，可以与采用相同技术标准的智能化产品实现一卡通。
（二）、采用通用、成熟技术和材料进行应用开发，性能稳定，便于普及。
a、 IC卡采暖 计费控制阀采用的微处理器、时钟芯片、读卡芯片、射频卡，是PHILIPS公司的技术和产品，性能稳定，普及率高，国内各地均有供应商，方便各地营销服务机构掌握维修技术和配件采购。
b、管理软件以WINDOWS XP/2000为平台，可以正常运行于国内通行的PC机。管理界面清晰简单，一般操作人员梢加培训或通过软件使用说明书就可以掌握操作。
(三)、用精英打造精品，主要研发人员的技术水准决定了产品的品质
路 凯：暖通高级工程师 中科泰联科技发展研究院暖通技术研究所 所长
李芙英：高级工程师 清华大学机电工程系 教 授
王志双：计算机高级工程师 中科泰联科技发展研究院电子所 总工程师
五、 IC卡采暖计费控制阀简介
1、基本结构
采暖计费控制阀由五部分组成：
（1）.主控制板（2）.变速传动装置（3）.弹性密封阀体（4）.非接触式射频卡（5）.管理软件
a、阀 体
采暖计费控制阀所使用的阀体外壳为国家标准建筑黄铜，球阀的球体采用高分子材料，加四氟衬和弹性密封圈。这种材料和结构，有效地降了球与阀体的摩擦，使阀的执行器扭矩2Nm即可正常开闭，启动电流500微安，运行电流50毫安，运行时间10秒，实现了真正的超低功耗。同时由于阀球和密封采用了高分子材料，使阀身：“永不结垢、永不生锈、永不堵塞。”解决了旧供热系统水质差的困扰。
阀体采用100%通径设计，这样在系统中可以完全忽略其阻力系数，这在业内是唯一的。
b、mifare射频卡 采暖计费控制阀采用先进的、专为户用仪表设计的、符合ISO14443A标准的非接触IC技术，存储容量大，密码设置方便灵活，抗攻击能力强，性能稳定可靠，并可实现水、电、气、热收费“一卡通”，以及银行代收充值，和医院住院统一计算管理。
我们将一卡通的理念成功地应用到产品中，实现了一户一卡，一卡多阀。使用一张射频卡管理同一户内的不同IC卡阀，因为有识别码，不会发生充值管理错误。
采暖计费控制阀，阀身带一个按键和一个开关，分别有如下使用功能：
A、按键:1、充值功能，用户将购回一定值的射频卡放到阀的上部，按此键就可将购回的值充入控制程序。2、显示开关状态和查看余额。用户短触一下按键，就可以通过液晶显示查看到剩 余的使用时间。
B、开关：1、当用户认为室内温度已经达到了舒适要求后，可以自己关闭阀门。关闭状态下，控制程序不再削减用户的使用时间。2、此开关的内部连接线，可以连接专用的房间温控器，由温控器按用户要求自动控制房间温度，当房间达到用户设定的温度时，阀门关闭，反之则开启。实现真正意义上的智能节能。
２、核心技术与技术特点
采暖计费阀是采用成熟的高科技硬件集成,经过技术创新发明的智能型节能产品。主要技术核心包括以下七项：
a、采用四氟衬弹性密封微功耗电动球阀（公司发明专利）：使之适应于旧供热系统较差的水质环境。不结垢、不锈蚀，产品理论寿命可达30年以上。
b、一卡多阀：实现了使用一张射频卡管理同一户内多个阀门的功能，避免一卡一阀的烦琐，便于物业管理和业主操作，同时可实现银行售热代收采暖费。
c、在国内首次也是独家“按户内不同房间面积，采用平方/小时的计量方式，”使传统的按面积收费方式更精确、更科学。
d、阀体设置的业主管理开关，为用户选择性消费热能提供了控制手段。业主可根据需要自己开启或关闭阀门，关闭状态下，不再减少充入的使用时间值。
e、汉字液晶显示，独有的“片组数”显示，有效防止用户私自增加暖气片组数，便于管理。
f、控制程序和管理软件
３、主要技术参数
|
型 号 |
PV-DN15 |
PV-DN20 |
PV-DN25 |
|
公称流量 |
1.5m³/h |
2.5 m³/h |
3.5 m³/h |
|
计量单位 |
M².h |
M².h |
M².h |
|
计量精度 |
±10-5 h |
±10-5 h |
±10-5 h |
|
工作压力 |
1.0Mpa |
1.0Mpa |
1.0Mpa |
|
工作温度 |
5～95 ºＣ |
5～95 ºＣ |
5～95 ºＣ |
|
工作环境 |
-20～55 |
-20～55 |
-20～55 |
|
电池寿命 |
开闭10000次 |
开闭10000次 |
开闭10000次 |
|
阀门特性 |
微功耗电动球阀 / 防腐蚀 / 防结垢 / 防堵塞 |
|
IC卡类型 |
非接触式加密射频卡 |
|
通讯接口 |
I/O口脉冲数据传输、模拟I2C通讯、TTL信号电平串行口通信 |
对比表二：
|
乐福能IC卡暖通控制阀 |
普通IC卡暖通控制阀 |
|
采用领先的mifare 非接触式IC卡，有1K个字节，共16分区，每个区64个字节（即一卡可管理122只阀），安全性强可双层加密，其容量为硬件的应用提供了良好的扩展性。在超低电压（3.5V）仍可保持良好的运行状态。
采用国际ISO14443A标准，在智能化小区管理中，可实现广泛的兼容性。 |
Temic卡的容量只有32个字节，分四个区，其中只有24个字节可用由于容量有限，只能单层加密安全性较差。低电压（3.5V）情况下就不能正常工作。
由于非国际标准，在与其他硬件的扩充和延展性上没有空间 。 |
|
采用特殊高分子材料球阀加四氟衬和弹性密封圈，不结垢，不锈蚀 |
钢制、陶瓷或PPO材质易结垢、锈蚀 |
|
100%通径设计，系统阻力为零 |
阀芯部分变径设计，即20口径的阀，15口径的阀芯，增加了系统阻力 |
|
微功耗设计，静态电流≤10微安，待机时间超30年 |
多是贴牌产品，没有自助研发能力，一般2-3年后，产品处于瘫痪状态 |
|
单独的业主管理开关按键，可随时开关阀门，“人走热停”为业主节能提供手段 |
无此功能 |
|
汉字液晶显示，独有的“片组数”显示，有效防止用户私自增加暖气片组数，便于管理 |
英文显示 |
|
专有三通阀体，安装方便 |
仅有两通阀 |
|
阀体可增加防冻功能 |
难以具备此功能 |
|
电池过流保护、自锁功能，有效节能 |
无此功能 |
|
具有数据回传功能可有效配合楼栋热表进行热计量改造，使得管理人性化、和谐化 |
无此功能 |
|
与温控器联合使用，可恒温控制，把节能与热计量有效统一，使得人们行为节能成为可能 |
无此功能 |
|
管理软件可应对各种收费环境，可升级为集团用户的服务器版本、银行代收费的金融版本等 |
简单的单机管理软件，没有升级性 |
4、IC采暖计费控制阀具体应用如下：
(1)、在立式单管顺流式系统改造中的应用，是迄今投资最少的改造方法，并且使管理、节能具有可操作性，大大方便了物业管理。
a、立式单管顺流式系统改造系统图
b、在旧系统改造中的特殊情况处理
(2)、在立式双管系统改造中的应用
(3)、在水平变流量供暖系统、 地板采暖的恒温控制
应用在双管系统里或者地板采暖方面（与温控器配合使用），可以达到恒温的控制（目前尚无可行的控制手段）。这样的应用不仅给用户带来热量的可管理、可控制性，从而大大提高舒适性，也可以给供热单位节约了能源。
（4）、与热量表组合的应用，可以组成预付费管理系统，大大方便了管理。
（5）、在中央空调预付费系统中的应用，响应政府的节能号召，具有温度锁死功能，使得政府办公楼的节能具有可操作性。
5、IC卡采暖计费控制阀收费管理与应用
I C卡采暖计费控制阀是以“平方米.小时”为计算单位的。 同一户内，不同房间的面积不同，每小时采暖的费用也不同。装在不同房间的IC卡阀所计算的单位是具体房间的“平方小时”。
业主户内各个房间的面积在初次领取业主卡时管理人员将有关信息录入管理软件的数据库。今后业主在购买各个房间的使用时间的时候，由管理软件根据当年度每平方小时的单价X房间面积X业主要求购买的使用时间。分别写入用户卡的不同位置。业主将购回使用时间的IC卡分别对阀门充值。由于识别程序的严格限制，不会发生错充或以少充多，以小面积充大面积的现象。
为了适应未来的发展趋势和解决热改资金的来源问题，我们开发了IC卡采暖计费阀金融版的硬件管理程序及软件，开发过程是参照《建设事业IC卡产品技术标准》讨论稿，该系统由银行服务器、打印机、收费终端组成。在热改经费紧张的地区，可由银行贷款进行旧楼改造，银行从未来代收的费用中分年度逐步扣除利息和还贷。
在实际应用中，如果通过银行代缴代收采暖费，采用物业版对房间分别充值的方法显然是难以操作的。因此，我们开发了用户管理控制器（右图），用户一次性从银行购买一定金额的热量，将所购金额一次性读入用户管理控制器，然后通过控制器将所购热量按自已意愿分配到不同房间的IC卡阀中。
用户管理控制器具有I/O口脉冲数据传输、模拟I2C通讯、TTL信号电平串行口通信，为远程实时监控和未来数字家庭留下升级空间。
我们关注暖通，看到供热的节能，尤其是单管顺流的旧有住宅的节能是难中之难，我们就选择了这个课题。其实在应用上，我们不是开拓者，类似的阀门已经跟热量表几乎同龄的历史了，但是旧有的阀门存在诸多问题：1、产品芯片落后，容量小，只能做到一卡一阀（近来有的厂家做到了一卡四阀，但是用尽了芯片的内存，没有加密的空间，存在很大的安全隐患）2、阀体的锈死问题不能解决，一般一年以后就不能使用，极大地浪费。
为什么造成了这些个问题？首先没有行业标准。其次厂家多急功近利，没有核心技术人员。三是暖通高级人才的缺失。
这个产品是暖通、控制、软件、电子、材料等多个行业的技术的融合。我们做到了技术的领先、成本的领先、应用的领先。
新产品目前已经在湖北、宁夏、黑龙江等地得到了应用，期待与各暖通产品生产厂家的合作。
六、IC卡采暖计费控制阀与其他计量收费方式比较
1、与计量表的比较：
关于IC卡采暖计费控制阀热计量结果的与热计量表的合理性比较，前边的章节已经讨论过，这里不在赘述。我们从另外
6.1.1：节能方式。热计量表只是计量工具，不具备用户端节能操作功能，需要和散热器温控阀配合使用，才能产生节能效果。IC卡采暖计费控制阀自身带有用户开关，用户完全可以根据自己的需要通过开启或关闭实现选择性消费，达到节能效果。
6.1.2：管理功能。热计量表只显示计量结果，不具备收费和限制使用功能。IC卡采暖计费控制阀采用的是预付费方式，用户只有购买了相应地使用权限才能进行采暖和控制操作。当用户购买的使用权限消费为0时，程序将自动关闭阀门，实现了收费和消费权限的管理。热能提供部门通过安装在管理部门的专用软件，给用户收费充值同时完成对采暖用户的管理和统计查询。
6.1.3：对供热系统的适应性。热计量表对采暖水杂质有苛刻要求，特别是水系统中的杂质易造成在流量计腔体内的淤积是热量表无法工作。IC卡采暖计费控制阀对系统水质无严格要求，其中采用特弗龙阀球的IC卡阀永不结垢生锈，运行安全稳定。
6.1.4：：维护使用成本。热计量的电池寿命按国家规定6年更换一次。且需要每两年拆下效验一次。IC卡采暖计费控制阀开/关一次的耗电小于50MA，按四个月的采暖时间计算，每天开关四次，一个30AH的电池可用15年。时钟误差±10-5在使用寿命中无须效验。
2、与热分配器的比较：
热分配器的收费计算非常复杂，需要专业的热能管理公司管理；产品本身不具备用户端消费管理手段，需要另装阀门。特别是在新建水平式采暖系统上作为热计量方式，成本远远高于其他热计量方式。IC卡采暖计费控制阀不需要专业热能管理公司管理，供热收费部门可以直接管理，也可以由银行代收费。在新建水平单管系统中如果采用温控型IC卡阀，还可以实现智能节能。
3、与装楼栋表，入户安装热水表比较：
采用这种方式，有下列问题仍然没有得到解决。
A、热水水表地机械理论寿命问题；
B、采暖水的杂质在表体内淤积问题依然没有得到解决；<
