多种供热供暖方式的能耗分析_韩伟国

清华大学　韩伟国　江　亿

北京市建筑设计研究院　郭　非

摘要　根据北京地区调研和测试数据,对多种供暖方式的能耗进行了分析和比较,指出不同的供热供暖方式有不同的供热环节,不同的供热环节涉及不同的能耗。强调在目前管网调控水平下,不均匀热损失不容忽视,并应重视供热系统各个环节的节能。关键词　供热供暖方式　能耗　不均匀热损失　节能

☆

Energyconsumptionanalysisof

severalkindsofheatingsystems

ByHanWeiguo★,JiangYiandGuoFei

Abstract　Analysesandcomparesenergyconsumptionofseveralkindsofheatingsystemsbasedonthe

investigationandmeasurementresultsinBeijing.Pointsoutthatheatingsystemshavedifferentheatingsectionsrelatedtodifferentenergyconsumption.Emphasizesthattheunevenheatlossshouldnotbeunderestimatedunderthepresentcontrollevelofheatingnetworkandmoreattentionshouldbepaidtoenergysavingofeachheatingsection.

Keywords　heatingsystem,energyconsumption,unevenheatloss,energysaving

★TsinghuaUniversity,Beijing,China

　　随着城市环保要求的日益提高,能源供应结构逐渐变化,加之建筑节能和计量收费改革的推进,供热供暖方式日益多样化。目前存在的各种供热方式都有其存在的合理性和适用条件,在选择供热供暖方式时,应综合考虑当地气候条件、环保要求、燃料结构、能源效益和经济承受能力等因素。而在各种评价指标中供热供暖系统的能量消耗是最为重要的,正确进行能耗分析,是进一步进行比较决策的基础。1　各供热环节能耗

供热供暖系统通过能量的转换、输送和分配,最终补偿冬季建筑散热,其能源消耗主要由燃料转换、热量输送和分配过程的损失以及建筑散热构成。

1.1　建筑散热

建筑物散热主要由围护结构传热和通风换气热损失两部分组成。对北京市不同建造年代和采用不同供热供暖方式住宅的测试表明,当实测结果

折算为标准工况时,围护结构的散热和保证室内外基本的通风换气要求的热损失与热工计算出的散热量基本一致,并与建筑保温水平一致。在北京地区,20世纪80年代建造的不节能住宅的供暖期建筑物平均热指标为30W/m左右,达到第一阶段节能标准住宅的平均热指标约为25W/m2,达到第二阶段节能标准住宅的平均热指标接近20W/m。测试表明,近年来兴建的住宅,大部分已达到第一阶段建筑节能标准,其中相当多的新建住宅的能耗水平已经接近第二阶段节能标准。

采用不同的供热供暖方式,建筑物的实际能耗有很大的差异。表1为实测的采用不同供热方式的建筑物的冬季建筑散热量(仅是建筑散热,不包

☆韩伟国,男,1971年3月生,在读博士研究生,工程师100084北京海淀区清华大学建筑技术科学系(010)62777324E-mail:hwg03@mails.tsinghua.edu.cn收稿日期:20041117修回日期:20050329

2

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　　　　　　　　暖通空调HV&AC　2005年第35卷第11期　　　　技术交流 107

括外网损失)。虽然实测建筑物的建造年代不同,保温水平有差别,但在近似的保温水平和扣除管网热损失条件下,集中供热建筑物实际能耗普遍高于

分户可调的供暖方式。

表1　不同供热方式下建筑耗热量测试结果

供热方式分户壁挂炉

建筑类型多层住宅

建造年份2000199919971997

平均耗热量/耗热量范围/(W/m2)(W/m2)

23.323.532.93033

28.3～40.021.8～35.620.6～63.4

图1　两个单元12月20～21日实测的室温逐时值

低温加热电缆多层住宅

　地板辐射城市热网燃煤锅炉房

高层住宅多层住宅

多层住宅20世纪70年代

用,实际的换气次数往往较大,造成大量的热量损失。

不均匀热损失是由于集中供热管网难以调节或没有进行有效的初调节,存在各种失调现象而产生的。为满足不利用户的供热要求,系统加大供热量,同时末端无有效的调节手段和激励调节的机制,部分用户为防止室内过热,只能开窗调节,使得建筑物的实际散热量显著增加。不均匀热损失是由于管网调节不均匀造成的,包括室内管网无法调节,房间之间失调;室外低温管网调节不均,建筑物之间的失调以及高温热力管网调节不均匀,换热站之间失调。对北京3个小区多个建筑单元的测试结果表明,室外管网调节不均匀是导致不均匀热损失的主要原因,这部分损失甚至比管网的直接热损失还要大。大多数集中供热系统现有的调节手段和调节水平很难减少这部分损失,可认为在目前的调节水平下,集中供热的不均匀热损失为建筑实际所需要热量的20%～30%。

不均匀热损失产生的原因是热量分配的不均匀,表现形式是部分房间过热、部分建筑过热、部分区域过热,以及由此导致的用户开窗散热。1.3　管网热损失

包括保温热损失和漏水热损失,其中管网漏水热损失占管网热损失的比例很小。1.3.1　室内管网

管网布置在室内,其散发的热量也用于加热建筑,因此不形成直接的热损失。楼内管网一般与室外管网直连,其由于漏水造成的热损失与室外管网一并考虑。

1.3.2　室外管网

表3为实测的北京几个小区从锅炉房或换热站至建筑热入口之间的热损失。由表3可见,保温热损失是管网热损失的主要部分。同时,不同的管

1.2　不均匀热损失

对于集中供热,另一个普遍存在的问题是供热的不均匀性,也就是失调现象的存在。即使在同一集中供热系统中完全相同的建筑物,相互之间实测供暖能耗也相差巨大。表2为实测的北京某小区9栋完全相同的高层住宅(由城市热网供热),建筑面积均为9954m2,建筑布局、保温水平和散热器安装数量均相同,但实测建筑物能耗差别很大,从28.3W/m2到40.0W/m2不等。平均热损失指标为32.9W/m,说明该供热系统至少有4.6W/2

m的过量供热,占总供热量的14%,是所需供热量的16.3%。

表2　某集中供热系统各用户冬季供暖参数测试结果

楼　　号

1#

流量/(t/h)供水温度/℃回水温度/℃平均室温/℃耗热量/(W/m)

2

2

2#25.852.342.217.730.4

4#36.552.443.818.436.5

6#35.852.444.519.633.1

8#36.052.345.019.630.5

9#36.552.443.018.940.0

15#25.051.941.718.029.8

17#37.552.144.620.433.2

19#39.352.344.819.334.2

27.552.343.518.928.3

　　由表2可见,流量、耗热量均大的9#楼的回水温度和平均室温并不明显高于流量、耗热量均小

的1#楼。笔者认为这是由于9#楼的流量大,房间过热,导致用户开窗通风,降低了室温。9#楼各测试房间的平均室温日波动为2.69℃,大于1#楼的1.48℃。图1为实测的1#和9#楼两个单元室温的逐时值,可看出9#楼A单元的室温波动幅度明显大于1#楼B单元,这可以说明A单元的通风换气量明显大于B单元。实际上当室内外平均温差为20℃时(室内18℃,室外-2℃),1h-1换气造成的平均热损失约为20W/m2,而用户开窗则无法控制换气次数,由于室内外温差的热压作

108 技术交流　　　　暖通空调HV&AC　2005年第35卷第11期　　　　　　　　网热损失差别很大,这与管网敷设方式(直埋/管沟)、建造年代、保温水平、管网规模、供回水温度和维护水平等都有关。一般室外管网热损失为3～5W/m2。

　　　表3　集中供热系统管网损失测试结果

供热系统

A

保温热损失漏水热损失管网热损失合计

2.60.032.63

B3　0.13.1

C4.90.25.1

D4.20.44.6

E4.50.44.9

排烟温度/℃过剩空气系数热效率/%

45～1101.5～2.590～96

50～1301.4～3.686～93

表4　天然气锅炉的热效率[1]

锅炉类型

分户壁挂炉家用容积式0.7MW以下0.7MW以上

85～1501.2～2.187～94

90～1801.1～1.387～95

W/m

2

分户壁挂炉也有较高的热效率。2.3　燃煤热电联产

对热电联产的评价有多种方式,为比较方便,仅从供热的角度,将热电联产的好处归于供热,比

较热电联产与热电分产,可得到热电联产的折算供热效率计算式:

ηZ=

ηLg

ηLd

1-ηF

(1)

1.3.3　高温热力管网

与室外管网相比,其长度并不大,但保温水平和管理水平远高于室外管网,因此热损失较小。目

前北京城市热网热源供水温度与大多数热力站处测出的供水温度之差均小于2℃,回水干管温差应更小些,则总损失温差在3℃左右。目前供热高峰期供回水温差约为65℃,因此城市高温热力管网热损失不超过输送热量的5%,约为2W/m2。1.3.4　泵耗

管网除保温热损失和漏水热损失外,还有循环水泵的电耗。根据调研数据,室外管网供暖期的平均耗电量为3.7kWh/m2,范围为2.3～5.0kWh/m。2　热源供热效率2.1　燃煤锅炉

依规模不同,锅炉效率有很大差别。由于煤是固体燃料,以接触式表面燃烧为主,燃烧的完全性受炉膛温度的影响,锅炉容量越小平均炉膛温度越低,燃烧越不完全,因此锅炉效率与锅炉的吨位、燃烧方式和供热介质温度有关,同时锅炉的运行管理水平对锅炉的效率有较大的影响。一般大型锅炉房的管理水平较高,锅炉的热效率相应较高。煤在运输和储藏过程中有一定的损失,因此锅炉房实际供热效率要小于锅炉效率。根据在北京地区的测试统计,燃煤锅炉房供热效率为55%～75%。2.2　天然气锅炉

无论规模大小,锅炉效率一般差别不大,见表4。由于天然气是空间燃烧,锅炉效率主要与受热面大小、供热介质的温度和换热强化等因素有关。由于天然气锅炉不产生灰分,受热面布置不考虑灰堵和清灰问题,可以采用波纹管和旋流片等强化传热方式,所以锅炉的热效率高,热水锅炉一般都在90%左右。由于炉膛燃烧温度低,排烟温度较低,

2

式中　ηZ为折算供热效率;ηLg为联产供热效率;ηLd为联产发电效率;ηF为分产发电效率。大型燃煤锅炉热电联产方式,如果采用抽凝式机组,在设计工况下,当发电效率为25%,供热效率为50%时,与目前全国电厂平均发电效率的33%相比,每发出

1kW电力多消耗1kW燃料,但多产生出约2kW热量,从这个意义上讲,可认为相应的折算供热效率约为200%。2.4　天然气热电联产

天然气热电联产可实现天然气梯级利用,提高天然气利用的经济性,平衡电力供应的峰谷差。对于天然气联合循环热电联产方式,在设计工况下,当发电效率为40%,供热效率为42%时,与目前发电效率55%的联合循环电厂相比,每发出1kW电力,多消耗燃料0.7kW,但多产生热量约1.05kW,从这个意义上讲,相应的折算供热效率约为150%。

天然气热电联产相对于热电分产,一般情况下是节能的,但节能效果不如燃煤热电联产显著。对天然气热电联产效率的评价是与天然气锅炉和天然气发电厂效率相比而言的。而天然气锅炉的效率一般都在90%左右,天然气纯发电的效率也很容易超过50%(燃气蒸汽联合循环),这两种系统的效率都非常高。虽然天然气热电联供实现了能量的梯级利用,但是,对燃气轮机而言,由于过剩空气系数较大,在相同的排烟温度下,其总效率要明显低于天然气锅炉。对于内燃机,虽然过剩空气系数对效率的影响不如天然气轮机那么明显,但是如

　　　　　　　　暖通空调HV&AC　2005年第35卷第11期　　　　技术交流 109 果低温冷却水不能得到利用,总效率也会明显低于锅炉。一般地,天然气热电联产的总效率在80%左右,而在部分负荷情况下,特别是当热电负荷不匹配时,其总效率会更低。鉴于以上原因,天然气热电联产的节能效果应慎重看待。

这与燃煤热电联产不同。燃煤热电联产的节能效果是非常明显的,因为它的比较对象是相对于

天然气系统而言效率较低的燃煤供暖锅炉和燃煤电厂。燃煤供暖锅炉效率一般在75%左右,比天然气锅炉低15%,发电效率最高也只有35%左右,比天然气发电低20%以上。虽然与燃煤相比,天然气热电联供的发电效率较高,但总效率并没有提高,因而燃煤热电联产的节能效果要好于天然气热电联产。

2.5　直接电热

不论是电热膜、电暖气,还是电热锅炉,仅仅从直接电热转换的角度,热效率均接近100%。但直接把高品位的电能转化为低品位的热能,浪费了大量的有用能,是很大的能源浪费。我国主要以火电为主,目前大型火力发电厂的平均发电效率为33%。也就是说即使直接电热的热电转换效率为100%,折合燃煤效率也只有33%。2.6　电动热泵

使用电力供热的最好方式是热泵方式。热泵合理利用了高品位的电能,综合能源效率很高。目前水源热泵在供热技术上已经很成熟,COP可达3～3.5,折合燃煤效率可达99%～115%,但该方式需要适合的水文地质条件。空气源热泵的性能随室外温度变化很大,在寒冷地区往往需要辅助电热,即使这样,在北京地区其COP也在2左右,折合燃煤效率为66%。

3　各种供热方式的能耗和损失

综合上述分析,以北京地区为例,图2给出了

不同的供热方式下各供热环节的热量需求量及损失。图中热源部分参数的单位为GJ/m2。热源以燃煤或天然气作为动力时,直接给出单位供暖面积所耗燃料热值;当以电为动力时,第一个数据为热源消耗电能的热值,括号内为电力折合的燃煤热值。以达到第一阶段节能标准的居住建筑为参照,各项损失的数据是根据在北京的实测结果给出的平均值;区域燃煤锅炉的热效率取60%,大型燃煤锅炉的热效率取75%;天然气锅炉的热效率均取90%;电热供暖热效率为100%,电热锅炉的热效率取98%,水源热泵的COP取3,空气源热泵的COP取2。对于热电联产电厂,按上述方法,好处归供热,与燃煤和天然气的纯发电电厂比较,得到发出同样电量时,多消耗的燃料量作为产生此部分热量所需要的燃料热值,因此折算供热效率都大于100%。

从图2中可看出,供热规模越大,供热环节越多,供热能耗越大。分散供暖的能耗仅以建筑耗热为主,区域集中供热的能耗则由建筑耗热、不均匀热损失和室外管网损失组成,而城市集中供热还包括高温热力管网损失。

对于集中供热,应充分重视不均匀热损失,其占供热能耗的比例很大,当建筑保温性能得到改善后,这部分损失的比例将越来越大。对于城市集中供热,建筑能耗占供热能耗的66%,各项损失占34%。当仅改善建筑保温水平时,虽然建筑耗热降低了,但如果管网保温和调节没有得到相应的改善,各项热损失数值将基本保持不变,所占比例将增大。这样,对于集中供热,怎样减少管网热损失和不均匀热损失变得越来越重要。随着建筑围护结构节能力度的不断加大,对这点就必须充分重视。

虽然输配环节热损失很大,燃煤热电联产依然是各种供热方式中能耗最低的,在环保条件允许的条件下,应坚持燃煤热电联产集中供热。煤的燃烧效率随锅炉的容量增加而增加,而且大型燃煤锅炉房有利于管理和污染处理,因此燃煤锅炉房供热应以大规模集中为宜。天然气锅炉的热效率普遍较高,但天然气的成本很高,应尽量靠近用户布置,避免管网输配环节损失,宜以小规模分散为佳。直接电热供暖消耗高品位的电能,能源利用极不合理,

图2　多种供热供暖方式能耗及损失

特别是电热锅炉集中供热的能耗在各供热方式中

110 技术交流　　　　暖通空调HV&AC　2005年第35卷第11期　　　　　　　　是最大的,应禁止电热锅炉集中供热,并限制分散的直接电热供暖。如由于环境和电力调峰等原因而要求电力供暖时,应利用各种热泵技术供热。需要指出的是,每一种供暖供热方式的存在都有其合理的一面,也都有其适用的条件范围,供暖方式的比较和选择是一项复杂的工作,涉及多方面的因素。不同的供暖方式有各自的特点和适用性,当从不同的角度来评价不同供热方式时,一般来说是不具有可比性的,很难用单一的指标对其进行评价,即不存在所谓的最优的供热供暖方式。4　结语

能耗分析对于供热供暖方式的评价和选择是十分重要的,应考虑各种供热供暖方式所涉及的供热环节和能耗,考虑燃料特点和热源效率,进行综合评价。

不同的供热环节对应不同的能耗,建筑保温对应于建筑散热,热量分配对应于不均匀热损失,热量输送对应于管网热损失,热源对应于热源转换效率。所以,节能途径应包括建筑节能、管网保温与调节,提高热源供热效率。

分散供暖应通过建筑保温来实现节能目标,而对于集中供热,仅仅建筑本身的节能是不够的,还应关注供热系统的节能。

随着建筑节能的不断发展,建筑物本身的能耗逐步降低,使得集中供热的系统节能的重要性日益突出。也就是说,集中供热系统应通过减少输配环

(上接第116页)

表4　燃气热泵系统与其他三种方式经济比较

单位面积初投资/单位面积运行费用/

(元/m2)(元/(m2 a))62726.75

559577.5

7960.2876.39

节的各项热损失,特别是提高调节水平和增加节能的激励机制,减少不均匀热损失,以适应并跟上建筑节能的步伐。

由于篇幅的限制,本文仅从能量消耗的角度对供热供暖方式进行了分析。完整的供热方式评价应从能源消耗、经济性、环境影响等多方面进行,并将每种供热方式的适用性与当地的实际条件相结合,得出每种可能的供热方式的适用条件和各种比较可靠的技术经济及环境指标。由此可以得出不同地区供热方式选择的指导性意见。最终,决策者根据这些指标,结合实际条件的具体情况和决策时考虑的侧重点的不同,并进一步结合整个城市的能源供应结构,给出实际情况下的最为优化与适宜的供暖方式。参考文献

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燃气热泵系统电空调(一拖多)系统电空调+锅炉供暖系统1)直燃机系统2)

846.7

　注:1)供暖建专用锅炉房;2)建专用直燃机房。

3　结论3.1　GHP系统有利于改善能源利用结构,提高能源利用率。

3.2　与其他供冷供暖方式相比,GHP系统调控容易,无需专人值守,运行维护费用低。

3.3　GHP系统无需专门设置机房,一机多用,节省占地。

3.4　目前,GHP系统进口设备价格较高,应引进