[弹指神通]：住宅供暖技术的发展及其前景

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北京市建筑设计标准化办公室  张锡虎

1 发展的主要动向
1.1供暖技术的多元化
住宅供暖技术的多元化发展，使开发建设单位、政府的政策导向行为、消费者即住宅的购买者、设计单位和有关产品的生产厂商, 都面临着较多选择又难以选择的处境。
要较清晰地表达多元化供暖技术，可按下列层次加以归纳：
(1)采用能源种类：煤、油、燃气、电、 水、空气、土壤和太阳能等。
(2)热源形式：热电联产、大集中、小集中和分户。
(3)具体供暖方式：传统的散热器对流供暖方式、辐射供暖方式或完全的空气
   对流供暖方式。
1.2 供热制度改革和集中供暖的热计量势在必行
(1)分户热计量是建筑节能深化和供暖收费制度改革的需要。积极而稳妥地逐步实施，将会使居住者更为关心和挑剔住宅的能耗状况，墙体和窗户的保温性能需要大幅度提高，建筑节能将会提高到“动真格”的程度。
(2)将会涉及到建筑设计布局、供暖系统型式和供暖运行管理模式等多方面的变化。对供热部门的供热质量、运行和经营水平, 会有更高的要求，弄得不好，供热部门的经济效益会有下降。
(3)分户热计量的实施难度和需投入均较大，应从建筑热工和热环境的现实状况出发, 正确处理“投入” 和“产出”的关系，纠正分户热计量就是“分户热表加温控阀”的片面认识和做法。
1.3 单一供暖功能向供暖供冷兼用发展和住宅供暖供冷方式的个性化要求
(1)北京地区夏季大气环境的炎热化趋势。
(2)提高生活质量的重要内容之一，是不断改善居住空间全年热环境质量和热
   舒适度。
(3)分体空调机的夏季空调方式，对城市景观的不利影响。
(4)高效节能的户式空调设备大量涌现。

2 不同角度对供暖技术的选择
    任何一种供暖技术都有其优点，同时也都有其局限性和弊病。不存在“最好的”，只有“比较适合”的。
开发建设单位的主要关注点, 是投资及其效益: 建设费用、建设程序、物业管理, 形成的“卖点”等。政府政策导向的主要关注点, 是环保、节能、能源政策、公共安全和供暖费用的改革等。消费者即住宅的购买者的主要关注点, 则是供暖的热舒适度、安全和可靠性、装饰效果和供暖费用的可承受度等。
    上述不同角度的综合作用, 将最终决定多种供暖方式的发展前景。
  设计单位应关注各种供暖技术对建筑设计、暖通设计和相关专业设计的
影响等。但更为重要的应该是尽可能深入掌握各种供暖技术的原理和技术特性，尽可能全面了解其优点和弊病，通过精心的设计充分发挥其优点和减少其弊病，由于自身技术的滞后而不介入是不对的。

3 北京地区采用各种能源和供暖方式的供暖价格比
3.1 供暖价格的关键因素是建筑能耗水平
  无论采用何种供暖技术，关键是住户对供暖费用能否接受。因为迟早要实行供暖收费制度改革，业主在购房时会对供暖费用的高低十分挑剔。而供暖费用高低的决定因素，是建筑的能耗水平。按相同的标准衡量，一些建筑热工条件较好国家住宅供暖和供冷的能耗量，只有我国普通住宅的三分之一。
  因此，评价多元化供暖技术的适应性，不应脱离其所需担负的负荷量。
例如：不节能的高能耗住宅，只能适应按面积收取供暖费、福利供暖、燃煤锅炉房或热电联产的集中供暖。其它多种供暖方式包括分户热计量的集中供暖，居住者都会对直接负担的供暖费高低十分敏感。
3.2 供暖价格的比较要用同一标准
  同一标准就是《民用建筑设计节能标准》。根据北京地区节能要求, 普通
住宅的耗热量指标不应大于20.6W/ m2, 按采暖期125天、每天24小时计算，全采暖期总耗热量为61.8kWh/ m2。无论采用何种能源和供暖方式，都必须为建筑提供按同一标准计算的总热量。
3.3 供暖价格的比较
能源的价格比较, 是用户能否接受的至关重要的因素，也是选择供暖方式的重要因素。现将北京地区得到每10000kcal(41.9MJ)有效热量和单位建筑面积，各种能源和供暖方式的能源费和供暖费，作如下比较: (单位为元)

        按能源热值值计的价格        考虑转换效后按燃料热值计的价格        单位建筑面积的燃料价        供暖费          备            注
燃煤锅炉房          0.75           1.07         5．69        20        每吨300元, 热效率取0.7
热电联产供热            1.13           1.26         6.68        24        按27元/GJ, 热效率取0.9
户用天然气              2.03               2.53        13.45                 每m31.7元, 热效率取0.80
天然气锅炉房             2.14           2.38        12.65        30        每m31.8元, 热效率取0.90
燃油锅炉房             2.70               3.00        15.94        30        每吨3000元, 热效率取0.9
直接电热供暖          5.12           5.12        27.18                每度0.44元, 热效率取 1
热泵供暖          5.12           2.56        13.59                每度0.44元, 热效率取 2

注: 1.天然气热值按8400kcal(35MJ)/m3计。
2.“单位供暖建筑面积的燃料价”,系按节能住宅建筑耗热量指标不超过
  20.6W/m2 计算所得。

4 对供暖技术和相关设备材料的评价
4.1 集中供暖   
    集中供暖应定义为: 由集中热源提供的热媒, 通过管道系统向各幢建筑或住宅各户供给热量的供暖方式。目前, 主要有热电联产的城市热网、燃煤改燃气的集中锅炉房或地区供热厂、燃油或燃气的小型集中锅炉房(包括设置于地下室或屋顶机房的“楼栋锅炉房”)、带有蓄热装置的小型电热集中锅炉房和水源热泵冷热源系统。
    从能源总效率、供暖质量、环境保护、防火和安全保障、卫生条件、建筑造价和采暖费用等诸多因素, 集中供暖具有很大优势。其中以热电联产的城市热网热源的优势, 体现得最为充分。但是, 集中供暖的优势并未得到充分发挥。相反, 其原有的弊病和缺陷, 由于面临着其它热源形式的比较和挑战, 暴露得淋漓尽致。主要有：
(1)热电联产的热网热源投资费用过高，北京某40万m2开发小区热力公司报出的投资费用估算, 包括管线和热交换站需1600万元, 约折合400元/m2。
(2)热价虽低, 但供暖费并不低。2001年调价后北京热电厂的热价由12元/GJ提高为27元/GJ,折为每kWh约0.097元,按实施建筑节能后的住宅耗热量指标(20.6W/m2)计算, 住宅每平方米建筑面积的年耗热量约为61.8kWh, 考虑热网输送效率后热电厂热价仅需6.67元/m2，附加热力公司的运行成本后, 成为24元/ m2。而燃煤集中锅炉房改为燃用天然气后, 住宅的供暖费由18元/ m2,提高为28元/ m2, 现又提高为30元/ m2。据闻还是“负债经营”。
(3)过大的供暖规模, 使输送能耗增大, 十分不利于管网的水力平衡和调节。
(4)低标准的供暖期和供暖温度、系统失调、冷热不均、不能自主控制室温等低水平供暖状况。
(5)由于设备、材料、施工质量和运行维修水平等因素, 系统漏水致使住宅家装损坏的事故, 时有发生。
(6)分户热计量和收费问题已进入具体实施阶段。分户热计量的实施难度和需   投入均较大。弄得不好，不但未达到节能和提高供暖质量的目的，反而由于投入过高导致高成本和过高的供暖费。
政府的指导方针仍然是：继续发展和完善以集中供暖为主导、多种方式相结合的城镇供暖体系。能否得以贯彻﹖需接受实践的检验。只有逐步克服上述弊病和缺陷, 集中供暖才能取得发展空间。
集中供热的可行方式: 电热冷三联供；热电联产的城市热网;燃煤改燃气的集中锅炉房;燃油或燃气的小型集中锅炉房; 有蓄热装置的小型电热集中锅炉房; 水源热泵冷热源系统。当采用热电联产热网或地区供热厂为热源时，热交换站的供热规模宜趋向于小型化。燃用天然气或电热锅炉房的供热规模也应加以控制。例如：高层居住区不超过 50000 m2, 非高层居住区不超过 30000 m2。

4.2  燃气分户热源供暖
    能源结构的多元化，使得集中供暖已非必须。分户供暖的出现、存在和发展，有其相对合理性。采用燃气分户供暖, 首先改变了集中供暖的一统天下, 此种方式被许多开发建设单位所看好, 形成“热潮”, 至今仍有强劲的势头。使用燃气的分户热源供暖, 有以下几种方式:
(1)燃气热水炉。燃气热水炉可用于散热器或低温热水地板辐射供暖，还可兼供生活热水。投资费用虽在某些条件下较其他热源方式高, 但不需设置集中热源和区域管网, 可以减少用地, 简化建设程序, 对开发建设单位总体是有利的。分户供暖自然解决了分户热计量和拖欠供暖费等问题, 可避免集中系统因室温冷热不均而需进行的频繁调节，对物业管理也是有利的。对用户, 除可自主延长供暖期和提高供暖温度外, 较低的供暖费用, 也有一定吸引力。符合节能设计标准的北京地区普通住宅，采用户式燃气热水炉采暖, 按比较实际的燃烧效率, 全供暖季的天然气费用和小水泵电费, 约可控制在15元/ m2左右, 加上壁挂炉十年左右寿命的折旧费和维修费, 总费用也仅为25元/ m2左右, 经试点工程实测, 基本相符。虽有“将供暖负担转嫁给用户”的非议,还是能得到用户的认可。
(2)燃气热风炉供暖。除户式燃气热水炉外，但还可采用系统较简化、投资费用较低的户式燃气热风炉，配以送、回风管系。兼职面积120 m2  左右的套型每户连风管在内的成套设备价格约8000元。据北京某试点工程测试, 全采暖季的天然气和电费与燃气热水炉基本持平。此种方式虽风管要占用一定空间, 热舒适度也相对稍差, 但可提供有组织新风，且能为住户保留较好的功能扩展条件, 例如: 可在送风管系上配置户式空调机组的蒸发冷却器, 利用同一风系统实现冬季供暖和夏季供冷的结合。
(3)燃气红外线辐射供暖。燃气红外线辐射供暖是另一种分户供暖方式。燃气在燃烧室燃烧后, 燃烧产物和被加热后的空气, 流经在风机负压端的散热管后排出室外, 散热管结合室内装饰敷设于房间上部, 产生红外线传递热量。如处理得当, 其热舒适度节能效果和安全性, 以及系统和设施的简单配置, 可能会优于燃气热水炉或燃气热风炉, 但在北京尚未有住宅试点工程。
     燃气分户供暖也有其弊病。以燃气热水炉为例，应重点解决好以下问题:
(1)燃气比燃煤虽然是相对清洁的燃料, 但是如将热源分散到多层特别是高层住宅的每家每户, 其燃烧产物对于区域空气环境质量的影响不可低估。应按照《住宅设计规范》的规定，设置烟囱引至高于屋顶排放，以减少燃烧产物对于区域空气环境质量的影响。
(2)防火和安全保障问题。在多层特别是高层住宅中, 燃气采暖炉一般置于空间不大的厨房或阳台, 紧临居住空间, 由于多种原因, 发生爆炸的事故时有发生。应尽快制定技术标准加以规范, 并严格选择有较高安全保障的产品。
(3)要选择有较好维修服务保障的产品，妥善解决好运行调试、未入住或不常住户的防冻保护和维修服务问题。
(4)由于住宅套型的多样化, 各套的面积可能会有较大差异, 不论套型面积大,
均采同一型号炉型, 偏大的热容量必然配置偏大的循环水泵, 不仅热效率降低和增加电耗, 在热容量远大于采暖负荷的情况下也不能正常运行。应根据不同套型面积，选择与采暖负荷相适应、有适当裕量、在不同负荷率时均有较高效率和较低排烟温度的不同热容量炉型，并根据户内系统的配置，核实匹配循环水泵的流量和炉外余压。
(5)要考虑住宅附建公共用房(如需采暖的地下室和裙房等)的采暖热源, 并解决好设置于住宅套外公共空间内的管道防冻问题。

4.3  电热直接供暖
    近年以来, 全国许多地区电力供应充足, 电力部门大力推行鼓励用电的举措。北京地区以及其它许多地区的一些住宅小区, 已开始推行电热供暖，而且主要是电热直接供暖。我国的电力供应主要依靠火力发电, 火力发电的平均热电转换效率约为33％, 再加上输配效率约为90％, 采用电热直接供暖, 能源综合效率只有约30％， 远低于燃煤、燃油或燃气锅炉供暖的能源综合效率, 更低于热电联产供暖的能源综合效率。对大气环境的污染是燃煤锅炉的一倍， 只不过是污染地的转移。此外, 虽住宅的冬季热负荷可能与夏季冷负荷相近, 但当采用电热直接供暖时,冬季供暖用电负荷约是夏季空调用电负荷的3倍左右, 因此, 还应对电力供应的宏观发展前景进行全面评估。
    但从和平衡季节性电力局部过剩出发, 并由于投资费用、运行费用、可改善局部环境和安全性等方面的综合优势, 能够在新建住宅分户供暖中占领一席之地。关键是供暖费用。同样根据节能住宅的建筑耗热量指标计算, 电能直接供暖耗电量为61.8kWh/ m2 , 按IC卡电价0.44元/kWh, 电费为27.18元/ m2。略高于集中燃煤锅房20元/ m2 和城市集中供热24元/ m2的热价, 但低于集中燃气锅炉房30元/ m2 的热价。而且, 电热供暖具备节约运行费用的有利条件, 例如: 由于调节的灵活性, 有可能实行适合于使用要求的间歇供暖方式，在保证使用时间内热舒适度的前提下, 适当降低全供暖期平均室温。如采用辐射供暖方式, 辐射供暖形成的较合理的室内温度场分布和等效热舒适度,还可节约热能约10％。由于这样, 据北京某试点工程采用电热膜供暖测试, 全供暖季的电费仅为18.5元/m2。
电热直接供暖除早已作为集中供暖的自备辅助供暖设施进入住宅的普通电散热器、电热辐射供暖器和电暖风机外, 主要有:
(1)顶棚电热膜辐射供暖。单位建筑面积造价(含装饰材料和安装费), 可控制在100元/m2以下。顶棚电热膜辐射供暖的优点, 虽不应过于夸张,但确实是可供选用的一种供暖方式, 当然也可用于住宅供暖,尤其是建设标准较低的节能住宅。因住宅具有层高较低、人员长时间停留、居住人群对供暖热舒适度的要求较高和更需注重供暖费用等的特点, 因此应用顶棚电热膜辐射供暖, 需要深入解决好几个关键问题，例如：合理的辐射体表面温度限制和分室温度调节控制手段等。
(2)用发热电缆作为地板辐射供暖。近来价格已降低到与电热膜相近水平，其供暖热舒适度和热惰性, 可能均较顶棚电热膜辐射供暖为佳, 但应深入解决好地面施和家具覆盖后的安全问题, 以及设计方面的一些深层次问题。
(3)电热水炉。也是一种电热分户供暖方式, 投资费用和燃气热水炉相近, 可用作散热器或低温热水地板辐射供暖热源, 但为节能, 最好配用低温热水地板辐射供暖。
(4)更为可行的电热直接供暖，可能是利用电网低谷时段因而可获得优惠电价的蓄热方式，包括有蓄热装置的集中电热锅炉或可蓄热的电散热器等。
有蓄热装置的集中电热锅炉, 如采用常温水蓄热，每万m2住宅约需80 m3的水箱，如采用相变介质蓄热，容积可减少三分之一。
可蓄热的电散热器，实际上是固体蓄热，类似于电熨斗。水的热容量(比热)比一般物质都大，但水在常压下的加热温度极限为100℃，其它物质如Fe2 O3 , 热容量(比热)虽仅为水的1/4.3, 但其加热温度可高达800℃，且其密度较大(约相当于水的四倍)，和水相同的体积可具有5—6倍于水的蓄热量。
电热直接供暖应有较好的建筑热工和合理的建筑总体热环境条件，并与 优惠的电价相配合。供暖耗热量较大的不节能或入住率较低的住宅, 因使用价格相对昂贵的电力, 而使用户经济上不堪重负。

4.4 电动热泵供暖和供暖供冷相结合的“户式空调”
    节约用电的较好方式是采用热泵供热, 可使制热系数达到1:2.5或1:3, 即使部分采用, 也能使相同供热量的耗电量有较大幅度的降低。
    采用电动热泵，则为“户式空调”提供了能源利用效率较高的冷源和热源。电动热泵主要有空气热泵、水环热泵和地源热泵三大类。地源热泵又可分为地表水、地下水和土壤热泵几种方式。
    空气热泵型空调机或空气热泵型冷热水机组解决供暖,在严寒和寒冷地区，冬季低温条件下的供暖能力有限, 且周期性的融霜过程使供热中断不仅降低供暖能力, 也因周期性的吹出冷风造成不适感，应选择具有自动除融霜功能的机组,并按冬季最不利条件下的供暖能力, 确定机组容量或设置辅助热源。清华索兰公司开发的利用太阳能提高和改善空气热泵型冷热水机组供暖能力的尝试，效果甚佳。此外, 不论是单冷型还是热泵型的户式空调机组, 对机组性能的选择和设置位置, 都应妥善解决好室外机的噪声和热对环境的影响。
在年平均气温为10--20℃的地区，利用地源热泵作为冷源和热源，有广阔的发展前景。有热泵机组集中设置或分散设置两种系统型式。对于住宅，可能采用热泵机组分散设置的型式，更便于能耗的分户计量，更有利于减少能量的无效损失。
土壤源（埋管）热泵仅适合于建筑容积率极低的别墅类居住区。
地下水和地表水源热泵主要取决于要具备可靠的水源条件，并应符合当地的水文地质管理规定。建筑容积率大于1的建筑区盲目采用是不可靠的。
空气源热泵和水环热泵的耦合，可能是寒冷地区、又缺乏水源条件时采用热泵供暖的一种出路。哈尔滨工业大学和湖南大学正在立项进行研究开发。经试验：空气源热泵可在—15℃的条件下，取得13℃以上的水温，而用13℃以上的水通过水环热泵，制取50℃以上的水供暖，则是很成熟的技术。(学习资料与大家共享)