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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    入住率對北方住宅供暖能耗的影響

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2019-12-31

    清華大學 羅 奧  夏建軍

           【摘  要】北方地區集中供暖能耗是我國建筑能耗的重要組成部分之一。集中供暖能耗的影響因素眾多。由于工程及其他原因,一棟樓中部分用戶未供暖的情況非常常見。供暖用戶與非供暖用戶之間存在戶間傳熱。結合北方集中供暖區域系統連續運行的特點,如果存在不供暖的用戶,將會導致原來熱用戶的供暖能耗大大增加。這也是供熱計量在我國系統形式下難以取得成效的重要原因之一。本文利用建筑熱環境模擬工具DeST就入住率這一因素對住宅供暖能耗的影響進行模擬分析。同時探究了常見的幾種供暖系統調節運行方式下,對于這一現狀的改善作用有多大,為實現清潔供暖目標提供一定的研究基礎。

           【關鍵詞】清潔供暖 入住率 供暖能耗 戶間傳熱 運行方式

    Abstract:Energy consumption of district heating in Northern China is one of the most important part of building energy consumption in China. There are many factors affecting the heating energy use intensity (EUI). Due to engineering and other reasons, part of the users in one building without heating is very common. Heat transfer exists between heating users and non-heating users, Combined with continuous operation typical district heating system, if there is non-heating users, and the heating EUI of neighboring heat users will greatly increase. This is also one of the significant cause for the difficulty of heating metering policy in China. In this paper, the influence of occupancy rate on residential heating energy consumption is simulated and analyzed by the building energy simulation tool DeST. At the same time, the effect of several common regulating measures for heating system in response to the current situation is discussed, which provides research foundation for the realization of the clean heating target.

           北方城鎮采暖能耗占我國建筑商品總能耗約四分之一[1],是我國能源終端消費的重要形式之一。2016年底,習近平總書記在中央財經領導小組第十四次會議上強調:“要按照企業為主、政府推動、居民可承受的方針,宜氣則氣,宜電則電,盡可能利用清潔能源,加快提高清潔供暖比重”[2]。 國家能源局發布的2017-2020年北方地區冬季清潔取暖規劃中提到,目前我國北方地區供暖平均綜合能耗約為22kgce/m2,并提出目標:到2019年為將供暖系統平均綜合能耗降低至15 kgce/m2以下[3]。“清潔供暖”意義重大,因此對于供暖系統能耗的深入了解和研究十分重要。

           我國北方城鎮主要以集中供暖系統的形式為主。常規集中供暖系統包括熱源、供熱管網、建筑末端三個環節,“清潔供暖”不僅僅指高效清潔化的熱源,還包括高效運行的輸配管網,以及圍護結構保溫措施良好、耗熱量較低的建筑末端。

           建筑末端的耗熱量高將會導致整個系統運行能耗偏高。對于一棟住宅建筑而言,部分用戶用暖,部分用戶不用暖的情況非常常見。造成此類現象的原因主要包括新建房屋未售出、售出未入住或入住未用暖三類。由于住宅小區入住未用暖對集中系統而言相對其他兩種比較少見,本文將這三類原因統一歸為入住率較低。

           鑒于我國的供暖系統通常是以一個小區或一片區域為單位進行供暖,很難做到各用戶按需取暖,分戶調節。當部分用戶不用暖時,與用暖用戶就會發生戶間傳熱,戶間傳熱的比例隨建筑結構不同而存在差異[4]。由于入住率較低導致的戶間傳熱,無疑會大大增加實際供暖面積的系統能耗。除了增加供暖能耗之外,戶間傳熱的存在嚴重影響了各個用戶之間用暖的公平性。且由于戶間傳熱的定量分析非常困難[5],戶間傳熱也成為我國供熱計量工作難以推進的重要原因[6]。除此之外,空間分布差異與熱力不平衡導致的戶間傳熱幾乎在每個小區都存在。

           入住率低的問題在北方城市,尤其是人口密度較低的小城鎮非常常見。隨著建筑規模的持續增加,不同住宅小區入住率存在較大差異[7]。部分寒冷地區的沿海城市,多為度假旅游型城市,被稱為“候鳥型城市”,在敷設了供暖管網的區域夏季度假者多,冬季實際用暖需求較低[8]。入住率低導致的供暖能耗的增加,以及不同運行方式下對于這一耗熱量增量影響的探究就非常有必要。這不僅能夠幫助我們對入住率的影響有進一步了解,同時對如何改善這一高能耗的現狀也能提供相應指導。

    1 建筑供暖能耗調研與分析

           本文首先以河北省某縣城的實際能耗數據為例,進行入住率以及建筑供暖能耗調研分析。該縣城供暖期為4個月,供暖期平均溫度約為-7℃。其中供暖能耗數據來源于該縣城2015年~2016年采暖季88個熱力站計量數據(包括庭院管網損失),總供暖面積364萬m2。入住率根據該縣城熱力公司對于不同小區的收費率進行統計。除個別情況外,收費率基本與用戶入住率吻合。

           圖1為該縣城不同類型建筑于調研采暖季的建筑供暖能耗分布。根據是否有保溫材料可以將建筑分為節能建筑與非節能建筑,根據建筑功能可以分為居住建筑與非居住建筑。從圖中可以看到,即使是同一類型的建筑,不同小區的建筑供暖能耗之間差異也非常大。從平均值來看,節能建筑較非節能建筑略低,由此體現建筑圍護結構保溫的重要性。根據是否為居住建筑將二者進一步分類,可以發現,對于居住建筑而言,其最大值均與上四分位數差別較大,即容易出現高能耗樣本,初步認為是受居住建筑的入住率影響。

    圖1 北方某縣城不同類型建筑供暖能耗的分布

           對圖1數據進一步分析,得到節能建筑與非節能建筑兩類小區的建筑供暖耗熱量強度與入住率之間的關系,如圖2,其中散點為各小區對應的入住率。從散點的分布可以直觀發現節能建筑的入住率明顯低于非節能建筑,這是由于節能建筑多為新建建筑,大部分尚未住滿,而非節能建筑通常為老舊建筑,建成年代久遠,入住率普遍較高。其中節能建筑中有21個小區入住率不足60%,占總節能建筑總數40%;36個非節能建筑小區中僅有1個小區入住率不足60%。從節能建筑的建筑供暖能耗也可以看到,能耗較高的建筑普遍存在入住率不足的問題。其中能耗最高的達到了0.75GJ/(m2·a),比該地相關節能標準建筑耗熱量所示的0.23 GJ/(m2·a)的三倍還高[9-10]。

    圖2 節能建筑與非節能建筑實際耗熱量與入住率之間的關系

           從以上調研結果可以明顯看到,通常節能建筑的入住率較低;入住率較低的建筑供暖耗熱量普遍較高;即使建筑圍護結構按照節能標準建造,在入住率較低的情況下,其供暖能耗會遠超標準值,甚至高于同地區非節能建筑。

    本文主要探究對入住率低的住宅小區,戶間傳熱問題存在時,不同外溫對供暖能耗的影響。實際工程中,為了節能考慮,部分供暖系統采用間歇供暖,甚至部分小區可實現用戶自主調節?;诖?,在入住率較低的情況下,需要探究不同運行方式下的供暖能耗,判斷低入住率時,通過調節方式能否改善高能耗的現狀。

    2 參數與工況設定

           2.1 建筑模型及主要參數

           DeST是常用的建筑環境、負荷與能耗模擬軟件,由清華大學建筑節能研究中心開發設計。通過模擬的方法研究入住率對于北方地區建筑供暖能耗,其目的并不在于確定其能耗定量數值究竟是多少,而是可以借助軟件直觀了解到這一問題的主要矛盾,以及可能的解決方案。

    選取該縣城某小區一個單元的用戶搭建模型,如圖3和表1所示,該單元共有5層,其中1層為車庫,2~5層為住戶。車庫為非供暖區域。每層分為左右兩個用戶,面積分別為122.3m2和118m2。左右用戶的布局大致相同,其中廚房為非空調區域,面積約為12m2。用戶之外的走廊區域同樣設為非空調區域。

    圖3 模擬建筑分區圖、平面圖及建筑模型

           為研究入住率對建筑供暖能耗的影響,分別選擇哈爾濱和北京作為嚴寒地區與寒冷地區代表,兩個地區的供暖時長分別為6個月和4個月。具體的圍護結構選取與其傳熱系數如表2所示。其中所有的圍護結構參數設置除樓板外都是按照對應地區的三步節能標準選取[11]。因為一層用戶與地下車庫同樣存在戶間傳熱,將樓板K值設為0.471W/(m2·K),均低于兩地的標準限值。在模擬的工況中,考慮的均是保溫工作做得很好,完全符合節能建筑設計標準的供暖住宅而言,低入住率對供暖能耗的影響。

    表 2 兩種工況下下圍護結構熱工參數統計

           該單元共有8個用戶,為了模擬入住率較低的工況,選擇3個用戶沒有人入住,將其設置為非空調區域,此時的入住率為63%,如圖4所示。

    圖 4 模擬用戶熱流示意圖

           2.2 運行方式確定

           實際工程中通常采用兩種調節手段,一種是供暖用戶的通斷調節,另一種是換熱站內的水溫調節。首先需要定義兩種調節方式的設置如圖5和圖6所示。

    圖 5 作息通斷示意圖

           作息通斷調節的原理主要是人在的時候供暖,人不在的時候斷開。因此設置為周一到周五9:00~17:00不供暖,周末選擇全天供暖。每周停供時間為40h。

    圖 6 外溫通斷示意圖

           另外一種調節方式時熱力站內部根據室外天氣來進行調節,外溫較高時就降低流量或者調節二次網供水溫度。Dest軟件沒有水溫調節的設置方法,通過選擇在每天溫度最高,負荷最低的時候停止供暖,考慮到建筑的熱慣性,每天停供5h,一周總停供時間為35h。

           2.3 工況小結

           本模擬共設置了6種工況。工況1256用來說明入住率低時對于建筑供暖能耗的影響,以及在不同的外溫條件下,供暖能耗增加的程度比較。

           工況1234用來說明比較集中常用的調節方式對于當入住率較低時建筑供暖能耗的影響 。模擬工況如表3所示:

    表 3 模擬工況入住率與空調運行模式設定

    3 模擬結果對比分析

           3.1 外溫參數比較

           兩地供暖期典型年室外溫度如下圖7所示。哈爾濱典型年供暖期最低溫度為-22.7℃,平均溫度為-8.9℃;北京典型年供暖期最低溫度為-10.0℃,平均溫度為0.2℃。

    圖 7 北京和哈爾濱供典型年供暖期室外溫度變化

           3.2 入住率對負荷的影響

    圖 8 不同工況下建筑的熱負荷曲線

           截取采暖期室外溫度較低兩周的負荷曲線進行分析如圖8所示,考慮到實際供暖系統連續運行的方式以及建筑的熱慣性,最冷天氣下的平均熱負荷可視為尖峰熱負荷。從負荷曲線可以看到,在入住率降為63%之后,負荷曲線都有了明顯的上升。對于不同氣候條件來看,哈爾濱負荷上升的幅度較大。這段時間內100%入住率的情況下,哈爾濱的熱負荷約為43.9W/m2,北京的熱負荷約為20.6 W/m2,均為合理水平,說明建筑的保溫效果較好。而當入住率下降到63%之后,哈爾濱的熱負荷上升到約為59.3 W/m2,北京的熱負荷上升到約為28.7 W/m2,分別增加了35%和39%。

           3.3 戶間傳熱分析

    圖 9 房間主次臥室示意圖

           再具體研究戶間傳熱對各用戶的影響。選擇每層左右兩邊的主次臥室進行分析,得到表4中各層各個臥室的熱指標情況。從表中可以看到,即使在100%入住的情況下,各層同一位置的熱指標差異也很大,最低的4層用戶主臥室熱負荷僅為26 W/m2,最高的5層用戶主臥室熱負荷達到了49 W/m2,這也體現了為何分戶計量難以進行。當入住率降低為63%時,5層右戶、4層左戶、3層右戶熱指標大幅度上升,熱負荷均提高60%以上,嚴重影響了這幾戶的供暖。而之前熱負荷較高的左側2、3層用戶反而受影響較少,說明沒有入住的用戶對于隔層的用戶影響較小。

    表 4 不同層各臥室的熱指標

           3.4 不同運行方式影響

           前文說明了當入住率降低時,不僅大大增加了實際的供暖負荷,同時也影響了相鄰用戶的用熱效果,嚴重破壞了供熱計量的公平性。實際中,有不少小區進行了改造,可以實現一定的調節,為了進一步分析當入住率時這些調節運行方式能否改善高能耗的情況,以能耗相對較高的哈爾濱作為案例進一步探究。模擬結果如圖10和表5所示。

    圖 10 不同調節方式下建筑熱負荷與全采暖季耗熱量  表 5 不同調節方式下建筑熱負荷與全采暖季耗熱量

           從計算得到的采暖累計熱負荷指標換算得到全采暖季耗熱量,從而比較幾種調節方式的效果。首先可以看到,入住率降低之后,整個采暖季能耗從0.50GJ/m2增加到0.67GJ/m2,大大增加了供暖能耗。而通過兩種調節方式,能耗下降的都較少,作息調節下降為0.644 GJ/m2,外溫調節下降為0.636 GJ/m2,這樣看來根據外溫調節的效果稍微好于作息調節,即使其停供時間相對較少。但低入住率的情況下,無論哪種調節方式,對于整個供暖季的能耗改善效果都較小。

    4 結論

           4.1 供暖季耗熱量小結

    表 6 各個工況建筑熱負荷與全采暖季耗熱量

           根據模擬計算的結果將幾種工況下的熱負荷指標以及全供暖季耗熱量進行比較如表6。不同外溫條件下,造成的耗熱量增加不同,哈爾濱供暖季耗熱量增加了0.17GJ/m2,約35%,北京供暖季耗熱量增加了0.07 GJ/m2,約39%。在低入住率的情況下,常見的幾種運行調節方式,也并不能改善這一高能耗現狀,僅降低了約0.03 GJ/m2的熱量。

           4.2 研究意義及啟示

           本文根據實際調研以及DeST軟件的模擬分析,探究了入住率對于建筑供暖能耗的影響??梢钥偨Y得到以下結論:

           1)無論是從實際調研的結果,還是模擬的對比結果,都可以明顯看到在低入住率的情形下,即使建筑圍護結構良好,由于戶間傳熱的影響,導致建筑單位面積耗熱量大大增加,造成了巨大的能源浪費。而且隨著外溫氣候條件降低,造成浪費的熱量也就越多。因此解決入住率低的問題,對實現北方清潔供暖的目標而言不可忽視。

           2)幾種常見的供暖運行模式,如通斷控制和水溫調節,都不能很好的改善由于低入住率導致的能耗增加。根據本文的調研與模擬結果認為,能夠較好改善這一問題的方法,可能只有通過一系列措施或激勵政策,提高住宅入住率,保證集中供暖系統的使用率,從而提高系統的利用效率。

           3)根據文中對戶間傳熱的初步探究分析,可以認為分戶計量的公平性極難權衡,尤其是在一棟樓有用戶不用暖的情況,這一問題會更加嚴重。而且在現實中,由于各個用戶之間熱力失調現象,會增大用戶間的負荷差異,加劇戶間傳熱。

           4)在實際的城市集中供暖系統中,無論是舊城改造還是新區規劃,入住率的問題都不可避免,尤其是對新建小區而言。因此,城市入住率對于供暖能耗的影響,以及如何改善這一問題的政策和機制研究,都值得更多的研究與討論。

    參考文獻

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           [2] 新華社. 中央財經領導小組第十四次會議召開 [EB/OL]. http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/21/content_5151201.htm.
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           [4] 孟長再,解曉明.分戶供暖系統戶間傳熱問題的探討 [J]. 建筑熱能通風空調.2008. 5(27): 58-59.
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           [8] 朱義成,趙振華,艾旭. 寒冷地區沿海城市供暖熱負荷研究 [J].暖通空調. 2013 (s1) :31-32
           [9] 夏建軍, 江億. 民用建筑能耗標準中供暖指標值的確定方法 [J]. 建設科技.2015. (14): 51-55.
           [10] GB/T 51161 - 2015 民用建筑能耗標準 [S].
           [11] JGJ 26 - 2010 嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準 [S].

           備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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