多种供热方式的比较——系统分析和评价模型

蓄热
风 机 盘 管
qS
电 间接 污染 电热膜 电热缆 电暖器 末 端 供 热
图1
供热方式分类流程图
间接 污染
电
相变蓄能电暖器 末端热源
由于分类的侧重点不同，不同分类方法下的供热方式是不具有可比性的，例如集中供 热和电采暖，一个从系统规模出发，一个强调燃料。如果将二者比较，其结果很难说明问 题。所以不同供热方式进行相互比较时，应是在同种分类方法下，对某类指标进行评价， 如集中供热和户内供热比较时，应在相同的燃料及转化方式下，考察分散和集中对供热系 统的影响。当燃煤供热和燃气供热比较时，应在相同供热规模下，比较由于燃料的不同而 造成的评价指标的差别。如散热器与热水辐射地板比较时，是在比较不同的末端散热设备。 重要的是，供热方式应是一个完整的系统概念，对某种供热方式的完整描述应包括系 统规模，燃料和转换方式以及末端形式。系统规模定义了供热方式应包含的供热环节，当 系统规模确定了，热量输配环节也随之确定，例如区域供热一定包含室外、室内管网。集 中供热、燃气采暖、地板辐射采暖等说法，仅是供热分类，均不是供热方式的完整定义。 完整严格且相互具有可比性的供热方式的定义应包括系统规模，燃料和转换方式和末端形 式，例如：燃煤热电联产城市集中供热（散热器） ，燃煤锅炉房区域供热（散热器） ，水源 热泵楼宇式供热（风机盘管） ，燃气炉户内供热（热水辐射地板） ，空气源热泵户内供热（风 机盘管） ，等等。末端供热时热源即是末端，电暖气、电热膜等是完整的供热方式的定义。 2 热指标和能耗分析 建筑物的能耗水平是进行供热系统比较的最基础数据，不同的建筑能耗水平决定了系 统的规模和运行能耗，同时影响初投资和运行费用，也极大的影响供热系统的污染物排放。 建筑物耗热量指标 qH (W/m2)：在采暖期室外平均温度条件下，为保持室内计算温度， 单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内采暖设备供给的热量；是指采暖期内建筑物 的平均耗热量，主要用于供热系统能耗分析，与供热系统运行费用相关。
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间断供热修正系数δ(δ≤1)： 末端散热设备由于间断供热工况下的能耗与计算工况下 的建筑物能耗的比值。对于末端供热和户内供热，由于散热设备可根据需要，调整供热工 况，间断供热修正系数δ＜1。一般δ为 0.7 至 0.9。间断供热是不同于间歇采暖的，对于 城市集中供热和区域供热，由于系统规模庞大，运行调节惯性大，设备启停不便，很难根 据房间使用情况，进行间断供热调节，δ一般为 1。 需要指出的是，不均匀热损失和间断供热修正，相对于特定的供热系统是不会同时存 的。不均匀热损失是供热系统的调节性能差造成的热损失，而间断供热修正是供热系统的 调节性能强的节能效果。二者均反映供热系统的可调节性能，系统不可调，则不均匀热损 失使末端散热设备实际耗热量指标 qS 高于建筑物耗热量指标 qH； 系统可调， 则不存在不均 匀热损失，甚至可使末端散热设备实际耗热量指标 qS 低于建筑物耗热量指标 qH。 综合考虑不均匀热损失和间断供热修正， 末端散热设备实际耗热量指标可由下式计算， q S q H q B q H q H (1) δ、β的取值只能是以下三种情况：当供热系统接近计算工况时，δ＝1，β＝0；当 供热系统存在不均匀热损失时：δ＝1，β＞0；当供热系统可间断供热时：δ＜1，β＝0。 热源供热指标 q(W/m2)：在采暖期室外平均温度条件下，实际运行工况下，单位建筑面 积单位时间由供热系统的热源供给的热量；是指采暖期内供热系统的实际平均耗热量。不 同供热规模的管网热损失和末端散热设备实际能耗不同， 热源供热指标可由下列公式求得： 末 端 供 热 方 式 的 末 端 热 源 和 分 户 供 热 方 式 的 分 户 热 源 ： q q S q H (2) 楼 宇 式 供 热 方 式 的 楼 宇 热 源 ： (3) 区域供热方式的区域热源：q q S q1 q 2 q H q H q1 q 2 集中热源：q q S q1 q 2 q3 q H q H q1 q 2 q 3 (4) (5)
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将上述五种供热方式的各个环节根据能量传递的流程，画出供热方式分类流程。图 1 较为 全面的描述了供热方式的各个环节在供热系统中的位置及相互关系，从供热规模的角度将 多种供热方式包含在图中。水平方向，可得到为不同供热方式的系统构成。垂直方向，反 映同规模供热方式的不同形式。现行的各种供热方式均可根据能量传递的流程，通过图中 不同供热环节的组合来描述。
蓄热
室 外 管 网
室 内 管 网
燃气锅炉 燃油锅炉 楼 宇 式 供 热 电热锅炉 水源热泵 燃气炉 空气源热泵 BCHP 楼宇热源 燃料 直接 污染 电 间接 污染 水
蓄热 蓄热
末 端 散 热 设 备
热 水 地 板 辐 射
qH
带 调 温 阀 散 热 器
燃煤炉灶
水
户 内 供 热
电热炉 水源热泵 空气源热泵 土壤源热泵 分户热源 燃料 直接 污染
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应注意的是，建筑物耗热量指标不应于采暖设计热负荷指标相混淆，简单的说前者是 平均耗热量，后者是最大耗热量。采暖设计热负荷指标主要用于确定系统规模，设计和选 择供热系统热源设备，与供热系统初投资相关。例如，北京地区不节能居住建筑的建筑物 耗热量指标为 31.7W/m2，采暖设计热负荷指标为 45W/m2。 建筑物的保温水平极大的影响建筑物耗热量指标和采暖设计热负荷指标。近年来，随 着我国国民经济的迅速发展，国家对建筑节能越来越重视，制定了相应的规范法规，使建 筑保温水平逐步提高。新旧建筑的能耗水平差别很大，例如，北京地区第二阶段节能达标 的居住建筑的建筑物耗热量指标（4）为 20.6W/m2；而采暖设计热负荷指标为 29.3W/m2。 建筑物耗热量指标是在计算工况（或理想工况）下的建筑能耗，即不同于实际情况下 的建筑能耗，更有别与供热系统的能耗。由图 1 可知，实际供热系统的能耗应为热量输配 系统的热损失和末端散热设备实际能耗组成。 热量输配系统的热损失一般指管网热损失，包括保温热损失和漏水损失两部分。在不 同的供热规模下，不同的供热方式的热量输配系统不同，所以其输配系统的热损失也就不 同。从图 1 可清楚看出每种供热方式包含的输配系统热损失。例如：城市集中供热的输配 系统热损失包括室内管网热损失 q1(W/m2)、室外管网热损失 q2(W/m2)和城市热力管网热损失 三部分 q3(W/m2)；区域供热的输配系统热损失则包括室内管网热损失 q1 和室外管网热损失 两部分 q2；楼宇式供热的输配系统热损失仅为室内管网热损失 q1；末端供热和户内供热不 存在管网，也就没有输配系统热损失。 建筑物的实际能耗既是末端散热设备的实际能耗。热量通过末端设备进入室内，加热 室内空气温度，最终该热量通过围护结构传热和通风换气散失进入室外。实际工况下，室 内空气温度往往不同于设计温度，所以建筑物得实际能耗往往不同于建筑物耗热量指标。 末端散热设备实际耗热量指标 qS(W/m2)：在采暖期室外平均温度条件下，实际运行工 况下，单位建筑面积在单位时间由末端散热设备供给的热量。末端散热设备实际耗热量指 标是采暖期内建筑物的实际平均耗热量。一般来说，末端散热设备实际耗热量指标 qS 不同 于建筑物耗热量指标 qH。这主要是由于以下两个原因，一、供热系统的不均匀性，使 qS ≥qH。二、间断供热，使室内温度波动，又可使 qS≤qH。 一方面，由于设计计算、设备管道选型、运行调节等因素，现有供热系统的供热不均 匀性普遍存在，而末端设备无有效的调节手段和激励调节的机制，流量大的用户为防止室 内过热，只能开窗调节，导致供热系统耗热量增大。实测表明，末端不均匀损失可为建筑 实际所需要热量的 30％～50％（2），这是为什么实测的耗热量往往大于根据建筑物保温状况 的计算值的主要原因。这部分供热量虽经过管网输送到达了住户室内，但属于多余的无效 供热量，相当于直接加热了室外冷空气，实际上是一种变相的热损失。为了定量地表征这 种热损失量的大小，本文定义了末端散热设备不均匀热损失指标 qB 和不均匀热损失系数 β。 末端散热设备不均匀热损失指标 qB(W/m2)：由于供热系统的不均匀性，整个供热系统 平均的末端散热设备实际耗热量多于计算工况下的建筑物耗热量的部分。 不均匀热损失系数β(β≥0)： 末端散热设备不均匀热损失指标与建筑物耗热量指标的 比值。即：qB＝βqH。β值越大说明供热系统的不均匀热损失越大，能量浪费现象越严重。 β值接近 0，表示系统热均匀性越好。供热规模越小，调节控制容易，β值越小；供热规 模越大，调节控制困难，β值越大。供热系统的自控水平越高，β值越小，甚至为 0。 另一方面，一个采暖季的采暖能耗不仅取决于单位供热量采暖系统的一次能耗，还取 决于采暖系统的运行时间。对于家用采暖装置，如燃气炉，家用和电暖器等，由于系统调 节灵活，启停方便，可在房间有人时供热，而在无人时采暖设备停止运行，从而减小最大 采暖负荷时间数，降低单位采暖面积的供热能耗。本文引入间断供热修正系数δ。
多种供热方式的比较 ——系统分析和评价模型
清华大学建筑技术科学系 韩伟国 江亿 刘烨
摘要：本文在对各种采暖供热方式按能量流程进行分类的基础上， 对供热系统的 能耗进行了分析， 指出不均匀热损失和间断供热修正对供热系统能耗分析的重要 性，并按火 用 分析的方法建立了供热系统能源利用的评价模型；同时简要分析了 供热系统的其它评价指标。 关键词：供热方式 比较 评价模型 能源转换效率 为满足环境保护、建筑节能和采暖收费制度改革等方面的要求，城市能源供应结构日 趋多元化，采暖供热方式日益多样化。面对如此众多，特点不一的供热方式时，如何客观 全面进行评价比较，并根据具体情况选择确定适宜的供热方式，就成为亟待解决的问题。 1 供热方式分类 由于供热方式的多样性和复杂性，从不同的角度，对其可以有不同的分类。根据燃料 种类的不同，供热方式可分为：燃煤供热、燃气供热、燃油供热、电力供热。根据末端散 热设备，主要有散热器、带调温阀散热器 （与采暖计量调节相适应） 、围护结构辐射面（热 水辐射地板、电热膜、电热缆） 、风机盘管（热风采暖，往往与空调结合） 、电暖气等几种。 一般的，供热系统是由热媒制备（热源） 、热媒输配、热媒利用（散热设备）三个主要 环节组成的整体。不同的供热方式三者的相互位置和组合形式是不同的，根据供热系统规 模和热源位置的不同，把现在比较普遍的供热方式分为如下五类： 1、城市集中供热，其供热规模巨大，以城市为供热对象，存在大型集中热源和两级热 力管网。其主要的供热环节有集中热源、城市高温热力管网、换热站、室外管网、室内管 网和末端散热设备。末端散热设备主要为散热器和热水辐射地板。 2、区域供热，具有一定的供热规模，以小区为供热对象，存在室外区域热源和室外管 网。当研究的对象仅限于城市集中供热中某个热力站之后的供热区域时，也属于此类供热 方式，此时换热站为区域热源。其主要的供热环节有区域热源、室外管网、室内管网和末 端散热设备。末端散热设备主要为散热器和热水辐射地板，为满足热计量的要求，新建系 统可采用带调温阀散热器。 3、楼宇式供热，以建筑物为供热对象，热源位于建筑物内，没有室外管网，只有建筑 物内的室内管网。当仅从一栋楼的角度分析各种供热方式时，室外管网的热力入口也可视 为楼宇热源。其主要的供热环节有楼宇热源、室内管网和末端散热设备。楼宇式供热的主 要特点是。末端散热设备主要为散热器、热水辐射地板、带调温阀散热器和风机盘管。 4、户内供热，以住户为供热对象，热源位于住户家中，虽然可能存在室内管道，但该 管道的散热均进入室内，可将其也视作散热设备，所以认为户内供热不存在室内管网。其 主要的供热环节有户内热源和末端散热设备。末端散热设备主要为散热器、热水辐射地板、 带调温阀散热器和风机盘管。 5、末端供热，主要指热源就直接在室内，热源就是末端散热设备的供热方式。末端热 源主要包括电热膜、电热缆、电暖器和相变蓄能电暖器。其供热环节简单，热源既是末端。 末端供热的主要特点是供热规模限于室内，能源一般是电力。 供热系统是由不同的供热环节组成的，不同的供热方式由不同的供热环节组合。供热 系统一般由三个主要环节构成，热源、管网、末端。供热方式的规模越大，组成环节越多。
室外 室内
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燃煤热电联产 城 市 集 中 供 热 燃气热电联产 大型燃煤锅炉房 大型燃气锅炉房 大型燃油锅炉房 集中热源 燃料 直接 污染 电 间接 污染 水 区 域 供 热
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户内
qS
城 市 热 力 管 网
换热站
散 热 器
燃煤锅炉房 燃气锅炉房 燃油锅炉房 电热锅炉房 水源热泵 CCHP 区域热源 燃料 直接 污染 电 间接 污染