清华大学 郭 非, 江 亿 ,田贯三 摘要 对北京市两住宅小区的98个采用分户燃气锅炉供暖的住户作了整个供暖季的测试和跟踪调研,获取了大量的实际数据。通过计算分析,从燃气耗量及其影响因素、室内温度设定值与实测值、舒适性、操作方便性、噪声、安全感、分散排烟对环境的影响等方面评价了这种方式,并给出了经济性、节能性方面与其他供暖方式的比较结果。 关键词 燃气锅炉 分户供暖 燃气耗量 经济性分析 主观评价
清华大学 郭 非, 江 亿 ,田贯三
摘要 对北京市两住宅小区的98个采用分户燃气锅炉供暖的住户作了整个供暖季的测试和跟踪调研,获取了大量的实际数据。通过计算分析,从燃气耗量及其影响因素、室内温度设定值与实测值、舒适性、操作方便性、噪声、安全感、分散排烟对环境的影响等方面评价了这种方式,并给出了经济性、节能性方面与其他供暖方式的比较结果。
关键词 燃气锅炉 分户供暖 燃气耗量 经济性分析 主观评价
随着城市环境质量要求的逐步提高,许多城市正在积极进行能源结构调整。分户天然气锅炉供暖由于很方便地实现了分户热计量、住户可以对室温进行控制和调节、使用清洁能源天然气、开发商建设时可以逐步投资等优点,近年来在一些地区发展很快。
为了详细了解这种供暖方式的运行使用情况,笔者在2001-2002年供暖季中对北京市使用该供暖方式的两个小区进行了调研和测试。
1 调研的基本情况分析
所调研的两个居住小区2000年上半年建成。所有楼栋均呈东西向排列,6层砖混结构(个别楼栋5层,顶层为复式结构)。外围护结构采用了内保温,窗户为塑钢单层窗。住户内的供暖系统为水平串联方式,每组散热器设有跨越管和温控阀。管道采用铝塑复合管,敷设在地板中。顶层与一层的住户采用壁挂快速式燃气锅炉,燃烧时为强吸强排方式,排烟筒双层设计,利用排出的烟气预热将进入燃烧器的冷空气。中间层的住户采用落地容积式燃气锅炉,也为强制排气方式。两种锅炉的主要参数见表1。
笔者在两个小区中共选取了98户作为测试调查的对象。调研活动分为三部分进行:第一部分记录住户在供暖季中的室内温度和天然气耗量;第二部分是问卷调查,就笔者设计的一些与该供暖方式有关的问题,询问住户完成;第三部分利用烟气分析仪测试住户燃气锅炉运行时的排烟情况及锅炉运行时的效率。其中温度测量采用RHLOG温度自记仪,设定每1h自动读取一次室内温度,烟气分析仪型号为madurGA 40plus。
2 供暖燃气耗量分析
2.1 供暖平均燃气耗量的计算
笔者在2001年11月17日和2002年3月16日分别记录了用户的燃气表数,其间每月读取一次燃气表数。由于每户一块燃气表,调查时详细询问了住户在非供暖季节每月的燃气耗量,作为住户生活燃气耗量(做饭、洗澡)。在供暖季总耗气量中减去生活耗气量,即为住户的供暖耗气量。对于未回答或不清楚生活耗气量的住户,则按回答了的住户的平均值0.6m3/(户·d)扣除。在总共收回的76个有效样本中,在2001-2002年供暖季中,单位建筑面积供暖平均耗气量为5.85m3/(m2·a),其中43户的耗气量小于平均值,约占总数的57%,有33户的耗气量大于平均值,约占总数的43%。在同时含有测得的室内平均温度的65个有效样本中(其平均耗气量为5.99m3/(m2·a)),测得的室温平均值为18.01℃,这一温度可以看作是住户在供暖季平均达到的室内温度水平。
2.2 结合今年温度特点的修正
2001年11月17日到2002年3月16日的供暖季(共119天)是北京少见的暖冬天气,使得实际测得的平均单位建筑面积供暖燃气耗量5.85m3/(m2·a)比正常年份偏小,需要进行修正。修正时采用室内外平均温差作为修正参数,设计年供暖季室外平均温度北京为-1.6℃;根据收集到的当年气象数据计算得出2001年11月17日到2002年3月16日的供暖季中,室外平均温度为+2.5℃;室内设计温度采用18℃,计算得到燃气耗量温差修正系数为1.2645。据此折合到设计年供暖季,分户燃气锅炉供暖方式单位建筑面积供暖燃气耗量约为7.4m3/(m2·a)。
按陕北天然气低位发热量2006kJ/m3,燃气锅炉效率按两种平均水平92%计算,当年供暖热负荷约为18.4W/m2(折合设计年约为23.3W/m2)。
2.3 供暖燃气耗量的分布规律
对76个有效样本中住户耗气量的分布规律进行了统计,大部分用户的单位面积耗气量位于平均耗气量5.85m3/(m2·a)附近,耗气量低端的用户数要高于耗气量高端的用户数。
3 影响燃气耗热量的各因素分析
影响住户燃气耗量的因素很多,归纳起来主要有:室内设定温度、开窗换气、房间位置(包括楼层、是否边单元)、四邻入住率情况等。为了分别考察以上4个主要因素对分户燃气锅炉供暖方式用户燃气耗量的影响,笔者在保持其它因素不变的情况下,筛选一致样本来考察单一因素的影响作用。
3.1 供暖季平均室内温度的影响
消除开窗、楼层、四邻入住率因素的影响,考察室内平均温度对燃气耗量的影响。筛选后,有效样本为31个,横坐标轴括号内为样本的户数。在其余影响因素相同的情况下,住户室内温度要求的高低明显地影响燃气耗量的大小,特别是在温度高于19℃的情况下,室内温度提高不到2℃,而耗气量提高了将近45%。
3.2 开窗换气的影响
在调查问卷上设计了有关开窗模式的问题,一共设有3个选项:A每天开窗30min以上;B每天开窗10~30min左右;C很少开窗或是偶尔开窗。回答了此项问题的有效样本为82户,选A的占51%,选B的占15%,选C的占34%。从统计中可以看出,即使是实现了热计量收费,也有一半的住户愿意长时间开窗换气,保证室内空气的品质,约有1/3的住户选择偶尔开窗。消除室内温度、楼层、四邻入住率因素的影响,考察开窗换气的影响。筛选样本后,有效样本为28户。
可见,在其他因素差不多相同的情况下,开窗时间的长短明显地影响着燃气耗量。长时间开窗的住户和短时间开窗的住户相比,燃气耗量要高8.6%左右,比几乎不开窗的住户,则要高23%左右;短时间开窗的住户比几乎不开窗的住户,燃气耗量要高13.6%左右。
3.3 楼层的影响
消除室内温度、开窗、四邻入住率因素的影响,考察楼层的影响。筛选样本后,有效样本为28户,由于缺少处于5层的样本,故只列出1~4层与顶层。位于中间层的住户燃气耗量明显低于1层和顶层的住户。计算得到位于1层和顶层的住户平均值为7.27m3/(m2·a),而位于中间层的住户燃气耗量平均值为5.69m3(m2·a),约低22%左右。这一明显差异主要是由于顶、底层相比中间层,有较多的楼板和地面散热引起的。
3.4 四邻入住情况的影响
消除室内温度、开窗、楼层因素的影响,考察四邻入住率的影响。筛选样本后,有效样本为37户,横坐标轴括号内为样本的户数。住户四邻情况对单位面积燃气耗量的影响。
可以看出,四邻的入住情况明显地影响着住户本身的燃气耗量,这主要是因为内围护结构没有保温引起的。可见在施行分户热计量收费时,建筑设计上应该尽量减少户间传热。
2楼
4 住户室内温度情况
调研中在每户内放置了一个温度自记仪,同时也详细询问了住户在不同时段的开启、调节规律,下面对此进行一些分析。
4.1 住户的温度设置偏好
在总共73个有效样本中,调查发现其中有46户设置一个固定温度不变,约占总户数的63%;在白天晚上或是家里有无人时分别设置不同温度的有22户,约占37%。可见,大多数用户主要依靠锅炉具备的自动调节措施来调节室温,较少使用人为调节功能。在使用容积式燃气锅炉(利用设定室温调节锅炉运行)的54户中,分别对家里有人和无人的情况进行了统计,考察住户的室温设定偏好。
可见,家里无人时,将近一半的住户(25户)把室温设在16℃以下;有人时,略超过一半的住户(28户)把室温调在较高的19℃以上。
4.2 住户实测温度的统计规律
温度自记仪记录了住户在供暖季室内温度的变化情况,笔者据此计算得出了每户在供暖季的室温平均值,在总共回收到的63个有效样本中,住户供暖季平均室温的分布情况见表3。
可见,绝大多数用户(约68%)实际的室内温度是在16~20℃之间比较适合的范围之内。
4.3 用户温度设置与实测温度的关系
在始终设定一个温度不变,利用锅炉自动调节,不采用人为调节的住户中,笔者考察了用户设定值与实测室温值之间的关系,
可见除了在较高温度时(>20℃),住户的实际室内温度难以达到设定温度范围外,一般来说,这种供暖方式中住户的实际室内温度是可以达到设定值范围之内的。
4.4 锅炉调节设定模式不同的住户室内温度变化分析
根据自记式温度计记录的住户室内温度,笔者选取在同一典型日,分别考察了供暖调节模式不同的住户A与B的室温变化情况。住户A在工作日白天家里没人,室内温度开关设置在10℃;下午下班后,将室温调节开关设置到25℃加热房间,睡觉前再将温度开关调小到15℃。从住户A的典型日室内温度变化曲线可见,房间白天无人时,温度一般在16.5℃到17℃之间波动;下午由于住户下班回家调高温度开关,使得燃气锅炉启动,室内温度开始升高,大约每2h温度升高1℃;在22:00左右,由于住户调低设定温度,室内温度开始下降,大约4~5h下降1℃。一日内室内温度波动3℃左右,该住户全天室内温度平均为17.4℃。住户B全天均有人在家,房间温度一直设置在19℃左右,不采用人为调节,完全依靠锅炉的自动调节来保证室内温度。从住户B的典型日的室内温度变化曲线可见,由于锅炉根据室内温度的变化,自动补偿启动,使得室内温度波动范围很小,只有1℃左右。该住户全天平均室内温度为19.5℃。
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3楼
5 住户对该种供暖方式的评价
5.1 热舒适性评价
在调查问卷中,给住户4个选项:A很舒适;B比较舒适;C不太舒适;D很不舒适。在调查得到的82个有效样本中,选A的有9户,约占总数的11%;选B的有60户,约占总数的73%;选C的有11户,约占总数的14%;选D的2户,约占总数的2%。在所调查的住户中,认为该种供暖方式由于温度可调,感到舒适和比较舒适的比例高达84%。
5.2 调节方便性评价
在调查问卷中,给住户4个选项:A很方便;B一般;C不太方便;D很不方便。在调查得到的82个有效样本中,选A的有54户,约占总数的66%;选B的有23户,约占总数的28%;选C的有5户,约占总数的6%;没有住户选D。
用于该种供暖方式的燃气锅炉由于自动化程度很高,用户一般只需开关操作和调节温度(或锅炉出水水温)操作,大多数人(约2/3)感到很方便。
5.3 安全感评价
在调查问卷中,共设计了3个选项:A很安全;B一般;C感到不安全。在调查得到的82个有效样本中,选A的有33户,约占总数的40%;选B的有42户,约占总数的51%;选C的有4户,约占总数的5%;另有3户回答感觉说不清楚。可见对其安全性感到担忧的住户只占极少数。实际上,合格的燃气锅炉具有多道气、水、电、压力等自动保护措施,其安全性是可以得到充分保证的。
5.4 噪声问题的评价
所调查的小区中,放置锅炉的小间(容积式燃气锅炉)与厨房之间设置了一道铝合金玻璃门隔声。调查问卷中共设计了3个选项:A没感觉到;B有一点,但无所谓;C有噪声,感觉不舒服。在调查得到的82个有效样本中,选A的有13户,约占总数的16%;选B的有44户,约占总数的54%;选C的有25户,约占总数的30%。可见,在所调查的住户中,仍有不小的比例(约30%)的住户回答感到不舒服。在调查中也发现,除了一些容积式锅炉由于上部铁皮罩固定不紧,启动时振动发声外,噪声的影响还由于多户设备共同工作,引起结构传振,使得有些住户的声音较大而引起住户不满。在施工中,在锅炉管道与结构关联处做好减振措施、确保容积式落地锅炉减振设施安装到位,都可以很好地减小噪声侵扰。
5.5 分散排烟问题的评价
这两个小区的燃气锅炉采用分散排烟方式,每户从玻璃窗上伸出一个烟囱,向外排烟。分户燃气锅炉的排烟问题,常常是大家关注的焦点。设计的问题是:您感觉每户分散向外排烟是否会对小区空气环境或是您家里的空气品质产生影响?一共3个选项:A没有影响;B有一点影响,但无所谓;C有影响,感觉不好。在调查得到的82个有效样本中,选A的有50户,约占总数的61%;选B的有27户,约占总数的33%;选C的有3户,约占总数的4%;另有2户没有回答这个问题。可见大多数用户(约61%)感觉分散排烟没有什么影响,只有极少住户(约4%)对此感觉不好。
为了了解燃烧排烟中各种污染物的排放浓度,笔者选择了一个无风天气,使用烟气分析仪对小区中一些住户(不同锅炉)的排烟情况进行了现场测试,得出了锅炉在不同排烟浓度时的一些污染物排放数据。测试结果见表5和6。
从测试的结果可以看出,壁挂快速式燃气锅炉比落地容积式燃气锅炉的效率约高4%~5%。需要指出的是,上述测出的效率中包含了炉体向室内的散热量,认为是供暖有效得热,所以上述测出的效率,应该看成是锅炉的供暖热效率。
Henderson等人的研究[1]表明,人在CO浓度高于200×10-6时呆2~4h,会出现头疼、恶心等症状;在NOx浓度为80×10-6时,在3~5min内会引起胸痛。从实际测试的结果可见,CO与NOx的排放浓度以10-6计一般小于几十。而由于大气的稀释与扩散作用,小区内空气环境的污染物浓度要远远低于锅炉的排烟口处。北京地区供暖季中多风,风力也较大,更易于污染物的扩散。可见,无论是从对环境还是从对人体健康危害的角度来看,这种分散排烟的供暖方式是完全可以接受的。此外,在以后的设计中,还可以考虑采用单元集中烟囱的方式,使得烟气在较高的位置集中排放,更易于污染物的扩散。
6 运行经济性及与其它供暖方式的比较
6.1 运行费用的测算
在分户燃气炉供暖方式中,供暖运行费用(即住户负担的热价)主要包括燃气费与电费两部分。分户燃气锅炉供暖的电能消耗主要在于燃烧器和水泵。测算得到整个供暖季每户平均消耗电能约227kWh。按北京市现行民用燃气价格1.7元/m3,居民电价0.43元(kWh),计算得出燃气费约为1371元(按设计年供暖季燃气耗量计算),电费约为97.6元。即全年总运行费用中主要部分是燃气费用,约占93%~94%左右。综合之后,折合运行费用约为13.45元/m2。
6.2 与其它供暖方式住户负担费用的比较
北京市规定的区域燃煤锅炉房供暖的费用为间歇供暖19元/m2,区域燃气锅炉房供暖费用为30元/m2。而调查中分户燃气锅炉供暖,居民所负担的热费(含电费,燃气耗量按设计年供暖季)在总共76个有效样本中,有60户低于19元/m2,约占总数的78%;而在总共的76户中,没有费用高于30元/m2的。特别是近几年的供暖季室外温度平均水平一般都远高于设计年,对于使用分户燃气锅炉供暖方式的住户来说,其经济性就更为明显。可见,即使不考虑分户燃气锅炉供暖方式具有用户可调、便于分户计量、可以同时供应生活热水、有利于自主节能等优点,仅就住户负担的热价来说,总体水平也只有区域燃煤锅炉供暖间供方式住户所负担热价的71%左右。
6.3 与区域燃气锅炉房节能性的比较
在笔者同期对北京几处区域燃气锅炉房供暖方式的调研中,得到在2000年到2001年供暖季平均单位面积燃气耗量为9.11m3/(m2·a),按当年外温折合设计年供暖季为10.65m3/(m2·a)。而分户燃气锅炉供暖方式折合设计年只有7.4m3/(m2·a),相比区域燃气锅炉房供暖方式约节能30.5%。考虑到相应建筑物围护结构节能水平的差异,笔者在调查中特别选取了一个也是在2000年新建小区的新建集中燃气锅炉房作为参比对象,其管道为聚氨酯保温直埋敷设,运行管理技术水平较高,应该说是区域燃气锅炉房可以达到的较高节能水平。在2000-2001年的供暖季中,该锅炉房平均供暖燃气耗量为7.389m3/(m2·a),折合设计年供暖季为8.64m3/(m2·a)。也即是说,在同样建筑围护结构节能水平的条件下,相比运行管理水平、保温状况很好的区域燃气锅炉房供暖方式来说,分户燃气锅炉供暖方式的节能比例仍达到14.4%,这一节能比例是由于分户燃气锅炉供暖具有的可调节性、没有管网热损失、无水力失调、热计量使得住户主动节能等因素共同作用的结果。可见,特别是对于管网保温比较差,运行管理水平低下的区域燃气锅炉房来说,如果改为分户燃气锅炉供暖方式(或是楼栋式)的话,供暖的能耗水平和住户平均负担的热费都会显著降低。在进行“煤改气”工程投资时,有条件时如果直接采用分户燃气锅炉供暖方式,由于其同时又实现了分户热计量收费和室温可调,很好地满足了供热改革的要求,不失为一种一步到位的改造方式。当然这需要做好一定的协调工作。
7 结论
通过对以上调研结果的分析,笔者认为分户天然气锅炉的供暖方式很好地满足了城市能源结构调整和供暖体制改革的需要,适合在条件适宜的城市中推广使用。笔者认为天然气在供暖领域应用时,应该采用“宜小不宜大、宜分散不宜集中”的原则。用于供暖时应该优先采用分户利用的方式;其次是采用楼栋(或单元)集中的方式,或是小型的锅炉房集中供热方式。特别不应该提倡建立大型燃气锅炉房集中供热的方式。燃料特性不同,利用方式也应该不同,天然气不应该套用传统的燃煤供暖利用方式。结合我国能源资源的特点,煤在任何一个大中型城市的能源供应结构中都不可能被彻底取代,特别是对于供暖这种低品位的能源需求活动,煤更是能够发挥自己的最大价值。燃煤在供暖领域的应用,与天然气相反,应该采用“宜大宜集中”的原则。只有恰当地结合这两种不同能源的特点,分别以最佳的方式利用起来,才能更好地促进整个城市能源结构的调整和环境质量的改善。在难以利用以燃煤热电厂、大型燃煤集中锅炉房为热源的城市集中大热网的地区,或是当城市的部分地区有较高的环境质量要求时,如有可资利用的天然气资源时,应该优先发展分户燃气锅炉供暖方式[2]。
参考文献
1 胡名操.环境保护实用数据手册.北京:机械工业出版社,19902 江亿.华北地区大中型城市供暖方式分析.
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4楼
真不错,呵呵,田贯三是俺大学的老师啊,很有能力地。。。
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5楼
顶,太好了。学习中:)
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