(北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100021)

0 引言

寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑能耗包括兩部分：采暖能耗和除采暖外能耗。在城鎮(zhèn)居住建筑中，供暖方式主要包括：市政熱力集中供暖、鍋爐房集中供暖、分戶采暖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)北方城鎮(zhèn)供暖面積達(dá)126億m2，供暖能耗折合1.84億tce[1]。20世紀(jì)末，北京市開始加快天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、進(jìn)行清潔能源的應(yīng)用推廣，分戶燃?xì)獠膳霈F(xiàn)并逐漸發(fā)展成為城鎮(zhèn)分戶采暖的主要方式，在城鎮(zhèn)供暖中占據(jù)一定地位。而在北京市城鎮(zhèn)分戶燃?xì)獠膳?，熱源設(shè)備以采暖用燃?xì)獗趻鞝t為主，其采暖應(yīng)用效果影響著相當(dāng)部分城鎮(zhèn)居民的日常生活。近些年，陸續(xù)有文獻(xiàn)[2-5]對(duì)燃?xì)獗趻鞝t采暖從不同角度開展研究，促進(jìn)了該領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。但現(xiàn)有文獻(xiàn)中，基本未結(jié)合城鎮(zhèn)居住建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)、未考慮冬季除采暖外天然氣耗量，一定程度影響了燃?xì)獗趻鞝t采暖效果和采暖能耗的研究。本文基于燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖和北京城鎮(zhèn)節(jié)能居住建筑的融合，就典型用戶的冬季天然氣日消耗、室內(nèi)外溫度狀況等進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，并進(jìn)行了分戶采暖耗氣量調(diào)研和燃?xì)獗趻鞝t抽樣實(shí)驗(yàn)室熱效率測(cè)試，研究燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖的應(yīng)用效果，分析分戶天然氣采暖的能耗水平和節(jié)能潛力，促進(jìn)燃?xì)獗趻鞝t采暖及相關(guān)設(shè)施進(jìn)一步向合理、高效、節(jié)能方向發(fā)展。

1 北京城鎮(zhèn)分戶天然氣采暖的應(yīng)用

北京市在大規(guī)模引入天然氣后，分戶燃?xì)獠膳鳛橐环N便捷靈活的采暖方式，有了發(fā)展的空間。2003年，北京市居民住宅清潔能源分戶自采暖補(bǔ)貼辦法實(shí)施，而北京市居住建筑三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]是2004年實(shí)施的，故在北京市城鎮(zhèn)采用大氣式燃?xì)獗趻鞝t采暖的居住建筑中，有一定數(shù)量是按照二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的。另，燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖在北京市的規(guī)?；褂檬窃诙焦?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]發(fā)布之后，故按照二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的居住建筑，是燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖在北京市城鎮(zhèn)規(guī)模化應(yīng)用的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)最低的居住建筑。因此，以二步節(jié)能設(shè)計(jì)的居住建筑作為分戶燃?xì)獠膳难芯繉?duì)象，基本是分析了燃?xì)獗趻鞝t供暖在北京市城鎮(zhèn)分戶天然氣采暖應(yīng)用中環(huán)境最不利的情況。

2 分戶天然氣采暖典型用戶實(shí)測(cè)

選取北京市城鎮(zhèn)普通商品房住宅小區(qū)中占多數(shù)的兩居室作為典型用戶分析對(duì)象，其所屬樓棟是執(zhí)行二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)批量建設(shè)的居住建筑之一，采用大氣式燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖，是極具代表性規(guī)?；瘧?yīng)用的分戶天然氣采暖案例。典型用戶的房屋建筑面積90 m2，采暖用燃?xì)獗趻鞝t額定供暖熱輸出功率18.6 kW，使用年限近10年。測(cè)試和記錄開始于11月15日，結(jié)束于次年3月15日，覆蓋整個(gè)采暖期。

由于通常家庭用戶的使用端只安裝一塊日用天然氣計(jì)量表，在實(shí)測(cè)中使用該計(jì)量表記錄天然氣日消耗就包含了除采暖外耗氣量。為減除它對(duì)采暖天然氣日耗量的影響，在供暖季結(jié)束后的一個(gè)月，繼續(xù)分析了家庭天然氣日耗量。此段時(shí)間，天然氣耗量只是生活熱水和炊事的消耗。由于供暖季剛剛結(jié)束、環(huán)境溫度變化的連續(xù)性，故生活熱水的需求變化趨勢(shì)與供暖季差別不大；另外在北京普通居民家庭中，天然氣耗量與氣溫的變化相關(guān)度不大。因此，通過(guò)這段時(shí)期的天然氣日耗量分析，可得出采暖期間的家庭用戶除采暖外天然氣日耗量。

2.1 分戶天然氣采暖效果

通過(guò)分戶天然氣采暖典型用戶的測(cè)試和記錄，獲得在采暖期室內(nèi)、室外日平均溫度變化，及相應(yīng)天然氣日消耗量的變化，見圖1?？梢姡臼彝猸h(huán)境的日均溫度變化幅度較大，最高15.3℃，最低-4.4℃，溫度差19.7℃；但南向和北向的兩個(gè)臥室室內(nèi)日均溫度變化幅度均不大，在22.8～18.2℃之間，滿足家庭的室內(nèi)環(huán)境溫度的要求[8-9]。為進(jìn)一步研究室外溫度環(huán)境對(duì)分戶天然氣采暖家庭室內(nèi)溫度的影響，選擇本采暖季的最冷日，即室外環(huán)境平均溫度最低日，對(duì)一天內(nèi)的室內(nèi)、外溫度變化進(jìn)行了分析，見圖2可知，最冷日的室外環(huán)境晝夜溫差達(dá)20.7℃，其中白天溫度變化幅度較大，夜間基本在零度以下。但在用戶室內(nèi)，全天室內(nèi)溫度變化幅度不大，保持在17.2～20.2℃之間，南向、北向兩個(gè)臥室的室內(nèi)日均溫度分別為19.4℃、18.2℃，其中南向臥室最冷日室內(nèi)溫度一直處于18℃以上。由此，使用燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)行分戶采暖可以滿足二步節(jié)能居住建筑冬季的室內(nèi)采暖需求。

由圖1可見， 12月3日和4日用戶耗氣量大幅下降，此系燃?xì)獗趻鞝t出現(xiàn)自動(dòng)控制裝置故障，在等待維修期間，用戶進(jìn)行手動(dòng)控制加熱采暖； 12月18日～20日耗氣量下降更多，此系采暖用燃?xì)獗趻鞝t再次出現(xiàn)故障并停止運(yùn)轉(zhuǎn)所致，這個(gè)期間的耗氣主要是炊事用氣，含有低量的生活熱水用氣。雖然燃?xì)獗趻鞝t故障，但可以發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)期間室內(nèi)溫度沒有明顯的大幅度降低，原因一方面是用戶在此期間采取了減少開窗通風(fēng)時(shí)間、輔以電采暖等措施，另一方面得益于戶間內(nèi)墻體的傳熱及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的作用。測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)屋頂某處的溫度保持在32～37℃，經(jīng)分析，是樓上用戶暖氣、熱水地埋管經(jīng)過(guò)的位置。根據(jù)12月18日～20日故障停運(yùn)的測(cè)試，也可看出，對(duì)于采用二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的分戶天然氣采暖居住建筑，在北京地區(qū)采暖季，當(dāng)燃?xì)獗趻鞝t故障停用最多一晝夜后，如要保持室內(nèi)溫度在18℃的水平，就需要輔助采暖。

圖1 日均溫度和天然氣日耗量

圖2 最冷日室內(nèi)外溫度變化

2.2 開窗通風(fēng)對(duì)分戶采暖的影響

選擇供暖季室外環(huán)境平均溫度最高日，對(duì)用戶開窗通風(fēng)過(guò)程的室內(nèi)、外溫度變化進(jìn)行分析，見圖3和圖4。

可見，用戶開窗通風(fēng)時(shí)，冷空氣大量進(jìn)入，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)較快的下降趨勢(shì)；關(guān)閉窗戶后，室內(nèi)溫度得以較快的恢復(fù)。一方面，關(guān)窗后僅存相對(duì)少量的冷風(fēng)滲透；另一方面，此時(shí)室內(nèi)溫度低于開窗前，供暖末端散熱速度增大，供暖系統(tǒng)回水溫度下降加快，而用戶的大氣式燃?xì)獗趻鞝t是根據(jù)供回水溫度來(lái)控制加熱啟停的，因此其熱輸出功率提高，具有一定自適應(yīng)性。此外，從圖3也可見，隨白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的上升，陽(yáng)光房的效果使處于南面向陽(yáng)臥室的室內(nèi)溫度最終超過(guò)了處于北面向陰的臥室。

圖3 開窗通風(fēng)室內(nèi)溫度變化

圖4 開窗通風(fēng)室外環(huán)境溫度變化

2.3 分戶天然氣采暖耗氣量

圖1中，天然氣日耗量包括采暖耗量和除采暖外耗量，供暖期結(jié)束后一個(gè)月用戶的天然氣日耗量見圖5，可見生活熱水、炊事日天然氣耗量在0.94～1.1 m3范圍內(nèi)變化，相對(duì)變化率不超過(guò)8%。將這一個(gè)月的天然氣日耗量做移動(dòng)平均計(jì)算[10]，移動(dòng)時(shí)段長(zhǎng)度取8天，見圖6，可發(fā)現(xiàn)，生活熱水、炊事的日天然氣耗量在這個(gè)月呈逐漸下降的趨勢(shì)，其原因主要是因季節(jié)性氣溫逐漸升高，生活熱水負(fù)荷逐漸下降造成的。

由此，進(jìn)行變化趨勢(shì)前推，并以最冷日為除采暖外天然氣日耗量的峰值點(diǎn)，可得出采暖期生活熱水、炊事的日均天然氣耗量為1.06 m3。

圖5 生活熱水和炊事天然氣日耗量

圖6 生活熱水和炊事天然氣耗量八日移動(dòng)平均值

忽略除采暖外耗量日變化的影響，采暖期間用戶采暖日耗氣量即為采暖期天然氣日總耗量減去日均生活熱水、炊事天然氣耗量。由此，采暖季用戶采暖用天然氣日耗量的變化見圖7。

圖7 采暖用天然氣日耗量

由圖1和圖7可見，總體趨勢(shì)上，日采暖用天然氣消耗量隨著室外氣溫的降低而加大、升高而減少。大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t根據(jù)供回水溫度進(jìn)行加熱控制的方式，可在一定程度上自適應(yīng)調(diào)整輸出功率。室內(nèi)采暖的溫度環(huán)境維持在較為恒定的水平。

3 分戶天然氣采暖能耗分析

由以上典型用戶實(shí)測(cè)得到的采暖用天然氣日耗量可得出，該用戶冬季采暖用天然氣總耗量為681 m3，日均耗量5.36 m3。在供暖期間，用戶的采暖設(shè)備因故障存在非正常停用時(shí)段，如按正常使用進(jìn)行考慮，停用時(shí)段的日天然氣耗量取其前后10日的均值。這樣，用戶的年采暖用天然氣耗量為707 m3，日均耗量5.48 m3，單位面積采暖耗氣量7.8 m3，折合10.37 kgce。

為了解在北京市城鎮(zhèn)二步節(jié)能設(shè)計(jì)的居住建筑中使用大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t的能耗水平分布狀況，本文就大氣式燃?xì)獗趻鞝t分戶采暖家庭進(jìn)行了冬季采暖天然氣耗量調(diào)研，樣本單位面積采暖能耗分布如圖8，平均單位面積采暖耗氣量為8.05 m3，折合10.7 kgce，與前述典型用戶測(cè)試中的采暖能耗相近。并且，樣本中80%以上用戶的單位面積采暖能耗不大于12.4 kgce[7]。

以上的采暖天然氣耗量調(diào)研，由于居住建筑使用維護(hù)狀況不同，節(jié)能性能存在差異，對(duì)熱源供暖的耗氣量會(huì)有一定影響。為此，本文就熱源熱效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，即進(jìn)行在用大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t抽樣替換，將替換下來(lái)的燃?xì)獗趻鞝t作為測(cè)試樣本，這些樣本的使用年限均高于6年。經(jīng)測(cè)試，樣本的熱效率在83%～88%之間，見圖9，基本處于同一水平上，平均熱效率85.94%。

圖8 采暖季各樣本的單位面積采暖能耗

圖9 各樣本的熱效率測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上典型用戶實(shí)測(cè)、分戶采暖耗氣量調(diào)研、燃?xì)獗趻鞝t抽樣實(shí)驗(yàn)室效率測(cè)試，可以得出，目前北京市城鎮(zhèn)使用大氣式燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)行正常分戶天然氣采暖的用戶，大部分采暖能耗可以滿足北京地區(qū)居住建筑二步節(jié)能設(shè)計(jì)采暖耗煤量要求[7]。由于北京地區(qū)居住建筑的三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和四步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，居住建筑的節(jié)能率的提升均通過(guò)建筑本身結(jié)構(gòu)節(jié)能措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，未提升供熱系統(tǒng)的效率要求值，故大部分大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t的采暖能耗也能滿足現(xiàn)行北京市居住建筑四步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[11]的要求。

根據(jù)熱源實(shí)驗(yàn)室熱效率測(cè)試，在用大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t的熱效率基本處于同一水平，故針對(duì)小部分用戶采暖能耗較高的情況，應(yīng)就熱源設(shè)備、房屋節(jié)能性能、生活節(jié)能習(xí)慣等進(jìn)行綜合分析。

4 分戶天然氣采暖節(jié)能效果

在應(yīng)用上，燃?xì)獗趻鞝t采暖系統(tǒng)的供暖管道均布置在居住建筑室內(nèi)，管道散熱也是起到對(duì)房間供暖的作用，就供暖總體效果而言，相當(dāng)于輸送管網(wǎng)不存在熱損失，即輸送效率為1，利于能源的充分有效使用。

隨著燃?xì)忮仩t技術(shù)的發(fā)展，在分戶采暖設(shè)備上，已研發(fā)出全預(yù)混冷凝式采暖用燃?xì)獗趻鞝t，其熱效率最高可達(dá)到109%[4]。本文在熱源熱效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，也對(duì)該種在用燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)行了抽樣測(cè)試，熱效率達(dá)106%。近年，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)熱效率對(duì)燃?xì)獗趻鞝t進(jìn)行了重新分級(jí)，熱效率大于95%的劃為1級(jí)能效水平[12]。按照進(jìn)一步促進(jìn)建筑物節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的《北京市推廣、限制和禁止使用建筑材料目錄(2014年版)》要求，如四步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的分戶采暖居住建筑采用了1級(jí)能效水平的采暖用壁掛爐，就前述典型用戶，單位面積采暖耗氣量至少降低0.74 m3，折合0.98 kgce，這樣住宅單位面積采暖耗煤量將不大于5.32 kgce。對(duì)于建筑面積90 m2的住宅，供暖期每戶可減少天然氣消耗66.6 m3，節(jié)省9%以上的天然氣消耗。

5 結(jié)論

研究了燃?xì)獗趻鞝t在北京城鎮(zhèn)節(jié)能居住建筑采暖中的應(yīng)用及效果，分析了采暖耗氣量和熱效率，論述了燃?xì)獗趻鞝t分戶天然氣采暖的能耗水平和節(jié)能潛力。

大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t可滿足北京市二步節(jié)能設(shè)計(jì)及以上的居住建筑室內(nèi)溫度環(huán)境的采暖需求。

在用大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t的單位面積的采暖能耗大部分滿足北京市居住建筑采暖能耗指標(biāo)的要求。

采用1級(jí)能效水平的采暖用燃?xì)獗趻鞝t可望使四步節(jié)能設(shè)計(jì)的居住建筑單位面積采暖耗煤量不超過(guò)5.32 kgce，比大氣式采暖用燃?xì)獗趻鞝t節(jié)省9%以上的天然氣消耗。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2016[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

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