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华北地区大中型城市建筑采暖方式分析论文
摘要： 调整能源结构，减少燃煤造成的污染，同时满足电力供大于需的矛盾，是华北地区大中型城市环境治理面临的一个重大问题。建筑采暖能源约占此地区能源消耗的四分之一以上，重新研究建筑采暖策略是这些地区能源结构的调整重点，对目前飞速发展的住宅建设也有重要的指导意义。本文在分析采暖现状的基础上，列出面临的各种问题，介绍了可能的各种采暖方式，并从一次能源利用、运行成本、初投资、适用性等方面进行评价，最后提出不同现状下新旧建筑采暖方式的建议。
关键词： 华北地区 建筑采暖 热电联产 电热锅炉 热水炉 直接电热 电蓄热 水源热泵
调整能源结构，减少燃煤造成的污染，同时满足电力供大于需的矛盾，是华北地区大中型城市环境治理面临的一个重大问题。建筑采暖能源约占此地区能源消耗的四分之一以上，重新研究建筑采暖策略是这些地区能源结构的调整重点，对目前飞速发展的住宅建设也有重要的指导意义。本文在分析采暖现状的基础上，列出面临的各种问题，介绍了可能的各种采暖方式，并从一次能源利用、运行成本、初投资、适用性等方面进行评价，最后提出不同现状下新旧建筑采暖方式的建议。
一．现状
1．热电联产、集中供热，目前华北各大中型城市均有一个或几个热电厂为热源的热网，北京市随着高碑店热电厂的并网和城区管网的进一步扩建和改造，供热面积可进一步发展到六千万平米。其它各城市热电联产为热源的集中供热系统也陆续建成和投入运行。
2．区域锅炉房为热源的集中供热，这是该地区最主要的供热方式，燃料主要为煤，目前部分改为天然气或燃油。
3．家庭燃煤炉，仍占较大比例，是冬季空气的主要污染源之一。
以上三种方式为此地区85％以上建筑的采暖方式，此外还有利用地热热水为热源的集中供热系统，新建小区利用电热膜方式的电采暖、一家一户燃气小锅炉采暖、空气热泵和水源热泵采暖等。
二．目前问题
1．集中供热系统末端无计量和调节手段。统一按照供热面积收费。当室内过热时，用户开窗散热而不是关暖气。由于无调节手段，办公室、教室夜间和假期照常供热，住宅有人无人照常供热。根据测算，末端增加调节手段并通过改变计量方式使此调节手段被真正利用，可使供热能耗降低35～40％，并可以实实在在地改善需要采暖的用户的采暖状况，满足不同水平的需求。然而采暖收费方式的改革涉及大量技术、资金和政策问题。将是一个长期的任务。
2．家庭小煤炉采暖和大量的小型燃煤锅炉区域采暖是冬季空气的主要污染源之一。应作为环保改造的重点。
3．华北电网峰谷差达到1：4.5，尽管总的用电负荷低于供电能力，但峰时供电仍紧张，削峰填谷和发展低负荷时段的电力负荷是能源结构调整所面临的重要课题。
三．几种可行的采暖方式及分析评价
1．热电联产方式 热电联产是利用燃料的高品位热能发电后，将其低品位热能供热的综合利用能源的技术。目前我国大型火力电厂的平均发电效率为33％，而热电厂供热时发电效率可达20％，剩下的80％热量中的70％以上可用于供热。一万千焦热量的燃料，采用热电联产方式，可产生2000千焦电力和7000千焦热量。而采用普通火力发电厂发电，此2000千焦电力需消耗6000千焦燃料。因此，将热电联产方式产出的电力按照普通电厂的发电效率扣除其燃料消耗，剩余的4000千焦燃料可产生7000千焦热量。从这个意义上讲,则热电厂供热的效率为170％，约为中小型锅炉房供热效率的2倍。同时热电厂可采用先进的脱硫装置和消烟除尘设备，同样产热量造成的空气污染远小于中小型锅炉房。因此在条件允许时，应优先发展热电联产的采暖方式。热电联产的问题是：①长距离输送，管网初投资高，输送水泵电耗为所输送热量的2～4％，维护、管理费用也高， ②由于末端无计量方式和调节手段，导致30～40％的热量浪费。按照前苏联的大规模实验结果，供热末端增加调节手段，并采用按热量计量收费后,可节省热量30％以上。[2]
2．中小型区域锅炉房集中供热 其区域锅炉房可以是燃煤、燃气、燃油或电锅炉方式，但都需要通过区域管网经过热水循环向建筑物内供热。于是与热电联产方式一样，由于末端无计量和调节手段，导致30～40％的热量浪费。热量输送距离短，水泵电耗为输送热量的1～1.5％，但其热源效率却远低于热电联产方式。区域燃煤锅炉房的设置是以煤为主要燃料的解决分散到各户设燃煤炉导致的煤和煤渣的运输与污染，煤炉的管理等一系列问题。为此牺牲了末端调节能力，导致30～40％的末端热量浪费增加了1～1.5％的输送电耗，并降低了供热水平，但如果以电或天然气为燃料，它们的输送都比热量容易，输送成本也低，电热或天然气锅炉很容易实现自动管理。为什么还要搞燃气或电的区域锅炉房呢？按照目前的燃料价格，使用天然气为燃煤的4倍，电热为燃煤的11倍，使用这些清洁燃料除换来环境效益外，应尽量利用其便于输送，便于调节的特点，通过节能尽可能地减少运行费的增加。
3．家用小型燃气热水炉 一家一户自成系统，同时解决采暖和热水供应问题。这一方式在欧、美已有几十年历史，目前为这些地区的主要采暖方式，我国之所以没有广泛应用，是由于燃煤为主的历史形成必须集中供热的传统观念，以往居住面积狭小也限制了这种方式的采用。长期依赖住房分配制，集中供热设备的投资，包含在市政和建筑中，而家庭燃气锅炉却要个人出资则为另一原因。目前随住房改革和燃料结构改变，这三个原因都不再存在，因此在新建住宅区当不存在热电联产集中供热的条件，准备使用天然气为采暖燃料时，家用燃气小锅炉应为首选方案。近几年曾出现过几起燃气小锅炉爆炸的事故，这属于初期试用中的问题。引进国外成熟技术，安全问题应较容易和可靠的解决。小区燃气锅炉房集中供热工程中，锅炉房、外网和建筑物内主管网的投资至少要30～50元/m2，与家庭燃气锅炉房投资相同。而使用家庭燃气锅炉时还可省去热水器投资。采暖是连续负荷，瞬态负荷不高于目前家用热水器负荷，因此不会给燃气管网带来问题。而末端的灵活调节却能与集中燃气锅炉相比，平均节省30～40％的燃气，从而降低运行成本。因此，与燃气集中锅炉房形式相比，这一方式优越性十分明显。
4．直接电热 在室内采用各种电暖气、电热膜等方式，尽管末端装置热利用率为100％，并且调节灵活，但使用高品位电能直接转换为热，是很大的能源浪费。目前我国大型火力发电厂的平均热电转换效率为33％，在加上输送损失，电热采暖的效率仅为30％，远低于热电联产的170％，也低于燃煤或燃气采暖的85～90％。法国、瑞士等国采用部分电热采暖是由于它们丰富的水利资源，发电以水电和核电为主。我国还是以火电为主，采用电热方式，实际上要比锅炉房直接供热增加2倍的污染物排放量。仅从环境保护的角度看，电热直接采暖的方式也不可取。
5．电蓄热方式 为了解决电力负荷的峰谷差，减缓大型火电与调峰的困难，设法利用夜间低谷期电力供热，从电力系统运行的综合平衡看，尚有一定的道理。目前有这样几种电蓄热方式：①大型常压热水箱。每一万平米采暖面积约需85立方米水箱，占地成本高，蓄热损失也较大 ②高压蓄热水箱，可使蓄热温度提高到19℃，从而可使蓄热水箱容积减少至三分之一。但所占空间仍大，并且在居住区增加这样的高压容器总有一些安全问题。这两种方式最终还是以集中供热方式向末端供热，因此保留了集中供热调节不灵活，供热效率低等一系列问题。 ③采用电热膜方式，利用建筑物本身热湿性蓄热。由于采暖最大负荷发生在晚间而电力负荷低谷发生在后半夜，因此这种蓄热方式效果很差，并且为了蓄热导致夜间室内温度过高，热损失增加。 ④相变蓄热电暖气[1]。采用硅铝合金作为相变材料，体积与通常的铸铁暖气相同却可在五小时内蓄存一天的供热量，真正实现削峰填谷，其放热量又可随时人为控制，不需要采暖时可随时关闭，应该是末端电蓄热采暖的最佳解决方案。目前的问题是设备投资高，约150元/m2，电力峰谷价格差别小。只有由电力部门对这种采暖设备适当补贴，并且使谷间电价降至0.20元/度以下，这种方式才能与个人燃气锅炉竞争。
6．电动空气热泵 使用电采暖的最好方式是热泵方式。空气热泵是使空气侧温度降低，将其热量转送至另一侧的空气或水中，使其温度升至采暖所要求的温度。由于此时电用来实现热量从低温向高温的提升，因此当外温为0℃时，一度电可产生约3.5 度的热量，效率为350％，考虑发电的热电效率为33％，空气热泵的总体效率约为110％，高于直接燃煤或燃气的效率。实际上现在的窗式和分体式空调器中相当一部分都已具有热泵功能，因此属很成熟的技术。具有热泵功能的房间空调器与单冷型房间空调器价格差异并不大，因此考虑到空调器的普及，采用热泵并不增加投资。这种方式的问题是：①热泵性能随室外温度降低而降低，当外温降至－5℃以下时，一般就需要辅助采暖设备。此时用电热作为辅助手段，也远比整个冬季全部电热效率高，模拟分析的结果表明使用辅助电采暖后，北京地区热泵采暖电耗约为直接电热方式的一半。 ②房间空调器的末端是热风而不是一般的采暖散热器，许多人感觉不舒适，这可以通过一些措施来改进。例如采用户式中央空调与地板采暖结合等，但初投资要增加。
7．电动水源热泵 解决空气热泵外温低时效率下降的最好方案就是采用深井回灌方式的水源热泵。冬季将地下水从深井抽出，经换热器降温后，再回灌到另一口深井中。换热器得到的热量经热泵提升温度后成为采暖热源。夏季则将地下水从深井中取出经换热器升温后再回灌到另一口深井中，换热器另一侧则为空调冷却水。这种方式实际上是在夏天将建筑物中产生的热量存入地下，供冬季采暖使用。冬季将建筑物产生的冷量存于地下，供夏天空调用。华北地区民用建筑冬夏冷热负荷大致相当，因此采用此方式可保持地下的热平衡。由于地下水抽出后经过换热器后又回灌至地下，属全封闭方式，因此不使用任何水资源也不会污染地下水源。这一方式在西欧各国广泛使用，属环保方式。我国在70年代就有多处采用冬季深井回灌，以在夏季提供空调冷水的工程经验，因此属成熟技术；水??水热泵的投资及技术复杂性都低于风??水热泵或风??风热泵，应无技术难度。由于地下水温常年稳定，采用这种方式整个冬季气候条件都可实现一度电产生3.5度以上的热量，运行成本低于燃煤锅炉房供热，夏季还可使空调效率提高，降低30～40％的制冷电耗。同时此方式冬季可产生45℃热水，因此仍可使用目前的采暖散热器。采用这种方式需要的深井和泵房投资折合约60元/m2，可以每座建筑安装集中的热泵站，向各室提供冷水或热水，但更好的方式是在各户自行安装小型水冷热泵，解决冬季采暖和夏季空调的要求，增加的投资约为150元/m2，如果考虑空调设备投资的话，这种方式与小区燃煤锅炉房＋各户房间空调器投资相同，但全部为电驱动，小区无污染。夏季空调热量全部排入地下，小区无热污染，一次能源效率还高于直接燃煤，因此应该是解决华北地区城市建筑采暖空调的最佳方案。
下表给出上述北京市采用不同采暖方式一次能源、运行费、投资等各参数的比较： 不同的采暖方式折合一次能源GJ/m2.年运 行 费初 投 资分户可调局部条件运行能耗元/m2.年管理费元/m2.年公共部分元/m2建筑内部分元/m2热电联产集中供热****0.3210.626050难与热网相连燃煤锅炉房集中供热0.6310.125050难 天然气锅炉房集中供热0.6027.314550难燃气管网电锅炉房集中供热(不蓄热)1.7163*14550难 电锅炉集中供热、蓄热1.8035**1.58050难 家庭燃气小型锅炉0.4518.700110易燃气管网家庭电热膜或电暖气1.2043.30电网扩容40易 家庭蓄热式电暖气1.2022.3**0电网扩容150易 电动小型空气热泵(带辅助电热)0.6623.8*00150***易 电动水源热泵(各家独立)0.4016.5*160150***易可深井回灌电动水源热泵(集中式)0.5720.6*1.511080***难可深井回灌
* 电费按0.39元/度计算
** 低谷电按0.20元/度计算
*** 已包括夏季空调初投资
**** 热电联产初投资仅为外网及换热站，不包括电厂，运行费按16元/GJ，燃煤从电厂购热价计算
注：1. 运行能源包括输送管网水泵电耗，管理费为运行管理人工费
2．燃气价格按1.4元/m3，36MJ/m3燃值计算
从表中折合一次能源消耗量和燃料种类可看出各种方式COx排放量及对大气的污染程度。可以看出，如果电均为燃煤电厂供给的话，热电联产方式对大气污染最低而电热锅炉排放量最高。运行费也是热电联产方式最低，因此只要条件具备，就应大力发展热电联产集中供热方式，同时改革供热计量收费方式，增加末端调节手段，从而进一步降低集中供热单位能耗，增大现有的热电联产热源可能供热的面积。
四．结论
1．大力发展热电联产集中供热方式，这是写入我国二十一世纪白皮书中的基本国策，应从各方面支持和保证。只要有可能接入热电联产集中供热网的，就应要求接入，而不允许采用其它方式。
2．不同的燃料对应于不同的最佳供热方式。燃煤对应的最佳方式为热电联产和集中供热，燃气、直接用电时集中供热方式就不再适宜，而应发展与新的燃料对应的新方式。
3．对小区锅炉煤改天然气工程一定要慎重。有条件接入热电联产集中供热网的应尽可能接入。有条件取消集中供热，改为家庭独立的燃气锅炉的应尽可能争取。对于住户经济条件普遍较好，空调安装率较高的小区，甚至还可打深井，安装集中换热器利用原有供暖管网实现水的循环，在各家各户安装分散式水源热泵。
4．远离热电联产热网的新建小区不应该再建集中供热系统，而应采用家庭小型燃气锅炉或建深井回灌系统统一提供循环水，各家各户安装小型水源热泵。
5．应从政策上支持深井回灌式水源热泵系统。有条件地区的新建小区和商业建筑应尽可能优先考虑此种方式，这对保护大气环境，保护小区环境，扩大用电负荷都非常适宜。将空调设备投资一同考虑的话，这种方式初投资并不高，而运行费用最低。
6．对于城区燃煤炉采暖的用户，可以推广带有辅助热源的空气热泵方式和蓄热式电暖气方式。由于蓄热式电暖气方式具有最佳的对电力负荷削峰填谷效果。因此除电价上的优惠政策外，电力部门还应对蓄热式电暖气设备给予补贴。
7．严格禁止各种电热锅炉集中供热方式。对电热膜、电暖气等方式也应尽量控制使用。绝不能为了目前扩大用电负荷就推广直接电采暖。我国电力系统最大问题是峰谷差，直接电采暖不会为减缓峰谷差有何帮助。大力发展热泵技术，实现高效率供热或发展相变蓄热电暖气解决峰谷差问题，才应是扩大用电负荷的合理途径。各种热泵系统虽然初投资略高，但都已包括了空调设备。几种热泵系统的投资都低于单独的采暖系统加上单独的空调系统，近年来我国房间空调器的拥有量一直以20％的速度递增，目前北京市每百户拥有空调器超过60台。从这一背景出发全面考虑采暖和空调的要求，热泵系统反而成为更经济的了。
参考文献：
[1]. 专利公报：一种相变蓄热电取暖器，公报号：99214838.3，授权日： 2000.1.14
[2]. Eric Martinot, investments to improve the energy efficiency of evisting residential buildings in countries of the former soviet union.世界银行出版物。
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