Наша статья это результат многолетних размышлений и анализа опыта, накопленного в течение более, чем двадцатилетней работы по установке, наладке, сдаче на коммерческий учёт и обслуживанию узлов учёта  в Москве и Московской области. Причем, узлов учёта, выполненных на теплосчётчиках практически всех производителей, представленных в России, в том числе и зарубежных. Узлов учета, принадлежащих всему спектру потребителей самым разнообразным поставщикам тепловой энергии. Это и жилой сектор, где наши специалисты многие годы, до появления в Москве ЕИРЦ, обслуживали более 25 тысяч узлов, это более тысячи узлов у других потребителей (школы, детские сады, помещения социального сектора, спортивного, производственного и прочего назначения). Это значительная часть узлов учёта на ЦТП Мостеплоэнерго и Мосгортепло и, впоследствии, МОЭКа. Это практически все котельные и РТС Мостеплоэнерго, а также ряд ТЭЦ Мосэнерго. Поэтому по всем проблемам коммерческого теплоучёта, как на стороне потребителей тепловой энергии, так и на стороне ее поставщиков, у нас сформировано статистически обоснованное мнение.

Следует подчеркнуть, что являясь одновременно разработчиками и изготовителями электромагнитных теплосчётчиков и расходомеров-счётчиков семейства ВИС.Т, снискавшего своими параметрами, надежностью и качеством заслуженное уважение потребителей, мы нисколько не пытаемся рекламировать свою продукцию, а, наоборот, отмечаем у нас наличие тех же недостатков (большую постоянную времени обработки, большую длительность периода опроса и др.), влияние которых на метрологические характеристики и анализируется в этой статье. Информативность накопленного опыта во многом определяется распечатками, поэтому мы не могли не упомянуть о заслугах в их отработке ведущего инспектора теплосетей Мосэнерго Якова Гершковича Фудима. Творческие заслуги этого человека в становлении надежного, адекватного теплоучёта, способного противостоять возможным, специально организованным способам искажения результатов измерений, заслуживают отдельной статьи.

Первая проблема, обозначенная в статье, это небалансы между суммой показаний потребленной горячей и холодной воды поквартирных водосчетчиков и показаниями общедомовых приборов учёта тех же ресурсов. Так, регулярно во всех регионах страны управляющие компании в ЖКХ вынуждены решать проблемы небалансов потребленной жильцами горячей и холодной воды по показаниям квартирных счетчиков воды и общедомовых приборов учёта.

Ещё в журнале «Мир измерений» №5 (159), от 2014 г. в статье В.К. Берсенева "Погрешности измерений объема воды российскими приборами учета" автором в результате имитации реально возникающих резкоменяющихся расходов поквартирного потребления на конкретных образцах водосчётчиков и теплосчётчиков с электромагнитными каналами измерения расхода были зафиксированы недопустимые отклонения результатов измерений от истинных значений.

Эта проблема неустойчивости метрологических характеристик турбинных и крыльчатых водосчётчиков на быстроменяющихся расходах европейским изготовителям известна давно. Поэтому для ее устранения там зачастую используют установку накопительных баков после водосчётчиков, фиксирующих потребляемую воду. Кроме нормализации и «выглаживания» расхода через водосчётчик, этот бак с пусковым механизмом заполнения позволяет исключить бесконтрольное потребление воды на малых расходах ниже уровней «страгивания». Такие же проблемы наблюдаются в процессе эксплуатации теплосчётчиков с расходомерными каналами всех используемых в настоящее время в теплоучёте типов.

Стараясь не отпугнуть читателя обилием математических выкладок, особенно при анализе спектра функции потребления теплоносителя во времени, мы уменьшили их до нескольких интегралов, на уровне учащегося первого курса технических вузов, переведя доказательную базу на вербальный уровень. Далее авторами этой статьи подробно и аргументировано анализируются причины формирования быстропеременных расходов при потреблении жилыми домами горячей, холодной, а также отопительной воды. В связи с этим вторая проблема, затронутая  в статье, приобретает насущный характер. А это определение максимально допустимой для обеспечения требуемых метрологических характеристик продолжительности тактов суммирования. Кстати, для обеспечения корректности «Правил коммерческого учёта…» и других документов, регламентирующих коммерческий теплоучёт, необходимо заменить операции интегрирования на конечное суммирование. Цель этой статьи, ещё и ещё раз обострить внимание на проблемы теплоучёта.

Вот уже более 25 лет в нашей стране идет непрерывный процесс установки, обслуживания и замены уже отслуживших и отказавших узлов учёта тепловой энергии. За это время накоплен гигантский опыт, как по эксплуатационной, так и метрологической надежности теплосчётчиков почти всех типов и самых разных производителей. Общая наработка расходомерных и температурных каналов теплосчётчиков, установленных на трубопроводах систем отопления превышает миллионы приборо-лет.

Этот опыт игнорировать неразумно. Только бережное отношение к этому опыту позволит достоверно отранжировать как значимость рекламируемых, объявляемых и скрытых параметров теплосчётчиков разных изготовителей, так и установить их реальную эксплуатационную и метрологическую надежность. И здесь нельзя не отметить, что за все это мы должны благодарить Якова Гершковича Фудима, который в течение многих лет своей работы ведущим инспектором теплосетей Мосэнерго предлагал и отстаивал важнейшие требования, как к узлам учёта, так и к их основе - теплосчетчикам. Сколько было попыток, под предлогом снижения затрат на установку узлов учёта, исключить из "Правил коммерческого учёта тепловой энергии…" требование об обязательном измерении расхода в подающем и обратном трубопроводах систем отопления. Но, благодаря стойкой принципиальности и убедительной аргументации Якова Гершковича это требование было сохранено. И дело здесь не только в необходимости контроля за возможными утечками и подмесами у потребителей, которые встречаются нередко. Зачастую гидравлическую плотность систем отопления проверить без контроля за расходами в прямом и обратном трубопроводах не всегда легко, но возможно, а вот убедиться на месте в соответствии и стабильности метрологических характеристик каналов измерения расхода теплосчетчика в одноканальном исполнении нельзя. Внеочередная поверка не дает представления о развитии метрологического отказа, а его причины зачастую маскируются воздействиями при демонтаже и доставке теплосчетчика к месту поверки. Опираясь на показания о расходе в прямом и обратном трубопроводах отопления, Яков Гершкович отработал методику приемки узлов учёта, позволившую исключить возможность умышленного искажения результатов измерений, а также оценить соответствие метрологических характеристик теплосчётчика установленным требованиям в заявленном диапазоне расходов. Но особо хочется отметить творческие заслуги Якова Гершковича в отработке формы, содержания и информативности суточных и месячных отчётов-распечаток с узлов учёта, обеспечивших простую оценку качества их работы и адекватность тепловычислений. Именно это и позволило накопить вышеупомянутый гигантский объём важнейшей информации о результатах реальной работы самых разных типов теплосчётчиков практически всех производителей.

Однако, как известно, опыт учит только тех, кто всегда желает учиться. Поэтому, только в длительно успешно работающих ЖКХ и других организациях, по настоящему заинтересованных в реальной экономии своих затрат, объективно оценивают качество и  значимость параметров эксплуатируемых приборов. Так, регулярно во всех регионах страны управляющие компании в ЖКХ вынуждены решать проблемы небалансов потребленной жильцами горячей и холодной воды по показаниям квартирных счётчиков воды и общедомовых приборов учёта.

Хотя уже давно известно, что одной из основных причин этого являются грубые отклонения метрологических характеристик счётчиков воды и расходомеров в теплосчётчиках при измерении ими переменных расходов. Среднестатистически современное квартирное потребление горячей и холодной воды носит ярко выраженный клиппированный (импульсный) характер при минимальной продолжительности импульса потребления до единиц секунд, фронтах нарастаний и спада в десятые доли секунды и широком разбросе амплитудных значений расхода.

Опять же, давно установлено, что никакими относительно простыми доработками счётчиков воды и прочими мерами, эту проблему устранить не удается. И только установка между потребителем и его квартирным счётчиком воды накопительного бака позволяет реализовать условия работы счётчика воды практически аналогичные условиям его калибровки и поверки. Так, бак обеспечивает редкие продолжительные периоды его заполнения при падении уровня в нем до минимального. При этом расход воды через счётчик воды во время заполнения практически не изменяется и устанавливается близким оптимальному для счетчика. Какую же роль здесь играет накопительный бак с точки зрения процесса потребления?  По сути, он выполняет роль сглаживающего интегрирующего фильтра, сужающего широчайший диапазон возможных расходов потребления, как по амплитуде от уровня утечек до максимального, превращая его в почти постоянный и оптимальный по уровню для счётчика воды, так и по продолжительности, от почти секундных, к длительностям, обусловленным временами заполнения и опорожнения бака. При этом общая продолжительность интервалов времени с изменяющимся расходом в моменты закрытия и открытия клапана незначительна по отношению к временам заполнения и, тем более, опорожнения бака.

Не нагружая читателя анализом причин неустойчивости метрологических характеристик турбинных и крыльчатых счётчиков воды на переменных расходах, подчеркнем, что гидродинамика потоков, особенно в зоне перехода с ламинарного на турбулентное течение, неустойчива и носит случайный, непредсказуемый характер. Интенсивность возникновения вихревых структур в быстроменяющемся потоке существенно возрастает, а у турбинных и крыльчатых счётчиков воды отмечается повышенная чувствительность к вихревым образованиям, плоскость которых параллельна плоскости вращения «турбины» или «крыльчатки».
Подробно остановимся на причинах влияния переменных расходов на метрологические характеристики ультразвуковых и электромагнитных расходомеров, получивших самое широкое распространение на узлах учёта в жилых домах и других потребителей, а также на источниках водо- и теплоснабжения. Практически все ультразвуковые и большинство электромагнитных расходомеров измеряют расход прошедшей воды не непрерывно, а периодически. Либо раз в секунду, или несколько секунд, а то и минут, особенно у ультразвуковых, измеряя разность времен задержек распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока. Или, как у электромагнитных, периодически, в аналогичные интервалы времени с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), опрос-измерение амплитудного значения электрического напряжения, индуцируемого на электродах потоком воды, протекающим через магнитное поле первичного преобразователя расхода (ППР). Частота формирования ультразвуковых импульсов  в целях снижения энергопотребления обычно не превышает десятых долей Герц, а частота опроса напряжения с электродов у электромагнитных приборов аналого-цифровым преобразователем, учитывая, что его обычно используют для поочередного измерения от десяти и более различных параметров, также находится на уровне долей Герц.

Фурье-спектр поквартирного потребления, как уже ранее нами отмечалось, из-за его импульсного характера с короткими фронтами и минимальными длительностями открытого состояния крана в единицы секунд, простирается выше нескольких десятков Герц. Поэтому для адекватного описания и, соответственно, выполнения измерений таких расходов с заданной погрешностью  в соответствии с теоремой Котельникова об отсчётах, необходимо, чтобы частота опроса АЦП сигнала о расходе у расходомеров-счетчиков и теплосчетчиков, должна быть не ниже 40-60 Гц. Следует подчеркнуть, что общее потребление ГВС и ХВС жилых домов носит столь же неравномерный характер, в нем обычно выделяются три максимума: утренний, обеденный и вечерний, отношение амплитуд которых к среднему потреблению нередко превышает порядок (более чем в 10 раз), и в значительной степени определяется видами трудовой деятельности жильцов, а также близостью их к месту работы. И, если лет 15-20 назад ещё можно было обособить требования к приборам учёта для систем отопления из-за специфики почти постоянных расходов и плавно меняющихся температур теплоносителя (не более 3-5˚С в час), то в настоящее время в борьбе за реальную экономию теплопотребления в большинстве регионов страны повсеместно внедряются системы погодного регулирования, наладка которых оставляет желать лучшего, так как их работа носит клиппированный характер. Не намного лучше ситуация с обеспечением отладки систем автоматического регулирования в ЦТП и ИТП. Поэтому в настоящее время и, тем более, в будущем нам необходимы только теплосчётчики, способные измерять такие быстропеременные расходы с неопределённостью не более 2%. А это возможно обеспечить у теплосчётчиков только тогда, когда их расходомерные каналы производят опрос-измерение расхода с частотой, не менее, чем в два раза выше максимальной в Фурье-спектре функции изменения расхода во времени. Пропуская анализ влияния особенностей Фурье-спектра на неопределенность измерений, отметим, что при измерении расхода нас в большей степени интересует общий объём (масса) теплоносителя, прошедшего через измерительное сечение. Пользуясь терминологией математического анализа, нас интересует не производная - расход, а его определенный интеграл на заданном участке времени. Значение этого определенного интеграла  и есть объём (масса)  прошедшего через измерительное сечение теплоносителя. Верифицировать расход проблематично, а вот массу теплоносителя, обеспечив непроницаемость стенок трубопроводов, баков и др., при реализации соответствующей конструкции, измерять можно многократно, так как в замкнутых системах действует закон сохранения массы.

Аналогично актуальная неизменность характеристик электромагнитных взаимодействий в твердом веществе делает его твердым, способным сохранять свою форму в известном диапазоне возможных воздействий и позволяет не только многократно измерять линейные размеры детали, выполненной из этого вещества, но даже в известных пределах использовать их как меру. Да простит нам читатель философское отступление, но именно актуальная стабильность во времени всех фундаментальных типов взаимодействий и, их следствие, законы сохранения, обеспечивают измеримость множества свойств мира и указывают на  их единую природу. Заметим, что когда мы измеряем, то всегда имеем дело со средними величинами, пусть за очень короткий промежуток времени, но всегда конечной продолжительности. Так как любое измерение требует затрат и преобразования энергии, усиления сигналов устройствами с ограниченной полосой частот.

Нами уже отмечалось, что у многих, используемых в настоящее время расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков, частота измерения сигнала о расходе значительно ниже, более, чем в 30 раз, верхней частоты спектра Фурье этого сигнала, что и является основной причиной недопустимых отклонений от  реальных значений при измерении быстропеременных расходов потребления ГВС и ХВС. Даже если пренебречь всеми возможными квазисинхронными случаями, между гармониками спектра и частотой опроса, как редкими, среднестатистически наиболее вероятными, будут отклонения показаний у таких счётчиков от фактически потреблённых значений, равные отношению весов всех гармоник спектра Фурье выше половины частоты опроса (от 0,1-0,3 Гц до 40-60 Гц), к весу гармоник ниже этой частоты, (от 0 Гц до 0,1-0,3 Гц).

Не меньшее значение в обеспечении требуемых метрологических характеристик у расходомеров-счётчиков, и теплосчётчиков имеет их внутренний алгоритм вычисления потребленной воды или тепловой энергии.

В «Правилах коммерческого учёта тепловой энергии…» и соответствующих нормативных документах потребленные объём (масса) воды и тепловая энергия определяются, как определенные интегралы объемного (массового) расхода воды и тепловой мощности на заданном отрезке времени. Однако у всех счётчиков воды и теплосчётчиков эти интегралы вычисляются пошагово, приближением их конечной суммой, где количество её слагаемых определяется числом временных отрезков-шагов(тактов), покрывающих отрезок времени интегрирования. При этом потребленная в каждом таком интервале объём (масса), или тепловая энергия, вычисляются у большинства расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков методом ступенчатой аппроксимации. То есть расход, температура или давление на этом интервале принимаются постоянными и равными значению, полученному в результате опроса в пределах этого интервала. Длительность этих интервалов практически у всех существующих расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков находится в пределах от 0,5 секунды до нескольких десятков секунд. Поэтому резко меняющиеся во времени параметры, такие, как давление, расход и даже температура, в течение такого продолжительного интервала могут иметь несколько локальных максимумов и минимумов, что и является причиной непредсказуемых отклонений при вычислении результата. Не может устранить эти отклонения использование метода кусочно-ломаной аппроксимации, или других методов осреднения данных опроса. Только уменьшение продолжительности шага-такта, или множественный опрос значений параметра в течение него, что равнозначно, позволяет устранить возможные грубые отклонения результатов измерений. Вот поэтому, когда мы устанавливаем накопительный бак без утечек и других потерь, между источником ресурса и резковариабельным его потребителем, то выполняется предварительная интегрирующая фильтрация, или «разглаживание» функции расхода во времени. Но, при этом, сохраняется неизменным первый член разложения ее в ряд Фурье - , который и определяет средний расход на отрезке разложения . Отсюда, когда фильтрация сигнала о параметре выполняется перед его опросом с помощью АЦП, либо другим дискретным способом получения его локальных значений, то возможно определение среднего значения этого параметра с предсказуемой неопределенностью. Однако при этом надо иметь в виду, что результат этих вычислений будет формироваться с запаздыванием на время, определяемое постоянной используемых фильтров.

Еще  большие проблемы с достоверностью вычислений возникают при использовании средних значений переменных величин, зависящих от двух и более параметров. Покажем это на примере вычисления тепловой энергии при переменном расходе , определяемом суммой двух компонент: постоянного во времени расхода значением  и  переменного расхода  с максимальными отклонениями в обе стороны величиной .

Таким образом .

Заметим, что этот пример нисколько не обужает общности нашего анализа, так как любой ограниченный процесс может быть представлен суммой гармоник и постоянной величины. Разность температур и, соответственно, разность энтальпий (энергосодержания)  между подающей и обратной теплофикационной водой ( далее т. водой):

Отсюда, потребленная тепловая энергия  на отрезке времени  , в соответствии с «Правилами коммерческого учёта тепловой энергии…» вычисляется определенным интегралом произведения массового расхода на разность энтальпий на отрезке времени :

где - массовый расход , определяемый произведением объемного расхода  на плотность воды  , зависимость от температуры которой менее 10% , поэтому для упрощения преобразований можно пренебречь этой зависимостью, приняв ее постоянной, равной 1000 кг/м³.

Преобразуем подынтегральное произведение:

Таким образом, общий интеграл, определяющий потребленную тепловую энергию, разбивается на четыре, его слагающих:

Первый интеграл как раз и определяется средними значениями расхода и разности энтальпий или температур.

Второй и третий интегралы не растут с ростом продолжительности интегрирования и колеблются от плюс-минус  и .

Четвертый интеграл после преобразования произведения  в сумму   превращается в два интеграла:

Где последний, так же, как второй и третий, не растет с ростом временного отрезка интегрирования и колеблется от плюс-минус , а вот интеграл 4.1, так как ; ; ;  и  - постоянные величины, в сумме с интегралом 1, определяет величину реально потребленной тепловой энергии. Поэтому использование в вычислениях тепловой энергии или других ресурсов, определяемых двумя и более переменными параметрами  средних значений этих параметров, заведомо приводит к грубым отклонениям полученных результатов. Величина отклонений составляет половину от суммы произведений амплитуд всех синхронных гармоник их спектров. Отсюда, если амплитуды хотя бы одной из синхронных гармоник спектров расхода и температуры более 20% от средних значений этих параметров за отчетный период, то относительное отклонение результатов вычисления тепловой энергии от истинного ее значения превысит 2%. Более того, неидеальное осреднение или фильтрация переменных параметров и, соответственно, непредсказуемые фазовые сдвиги гармоник, определяющие значение и знак  (см. интеграл 4.1), будут приводить к дополнительной неопределенности результатов вычислений. Опять же, не утомляя читателя анализом причин появления синхронных гармоник в спектрах отметим, что изменение расхода в отопительной системе обязательно приводит к изменению энергосодержания (энтальпии) т. воды и, соответственно, ее температуры, так как именно она является носителем тепловой энергии, расходуемой на обогрев. Это и формирует синхронные изменения расхода и температуры со сдвигами, определяемыми характеристиками отопительной системы. Аналогичные процессы теплообмена в котлах и теплообменниках на источниках тепловой энергии, а также в теплосетях формируют переменные расходы с синхронным изменением температуры. Именно поэтому для обеспечения измерений переменных расходов воды, а также производимой, распределяемой и потребляемой тепловой энергии с требуемой неопределенностью, расходомерные и температурные каналы теплосчётчиков при использовании дискретных способов обработки сигналов должны иметь тактовую частоту опроса не ниже 60-80 Гц.

Частотно-фазовые характеристики их трактов не должны оказывать заметного влияния, (не более 0,2 от уровня допустимой неопределенности измерений) на амплитуды и фазы возможных верхних гармоник процессов производства, передачи и распределения тепловой энергии. Максимальная длительность такто-шага квазиинтегрирования в вычислителях таких теплосчётчиков не должна превышать 10-15 мс.

Обращаясь к читателям этой статьи, мы пытаемся привлечь их к соавторству в необходимой, на наш взгляд, работе по совершенствованию требований в существующих весьма объемных «Правилах коммерческого учёта тепловой энергии…» и других, связанных с ними и регламентирующих теплоучёт документах, которые так и не решили многих проблем не формального, а реального теплоучёта.

Конечно, разработка необходимых и достаточных критериев допуска измерительных средств, обеспечивающих достоверные измерения и исключающих небалансы, превышающие допустимые пределы между продавцом и покупателем в условиях настоящего и будущего теплопотребления, это фундаментальная работа, требующая тщательного анализа накопленного фактического материала в теплоучёте. Более того, вновь предлагаемые границы соответствия внешних и ВНУТРЕННИХ параметров допускаемых в эксплуатацию измерительных средств, должны быть доказательно обоснованы в неотъемлемом приложении к документу, узаконивающему эти изменения, а не должны быть волюнтаристски принятыми, пускай и многочисленной группой заинтересованных лиц.