住宅区采暖方式的选择

李先瑞　韩有朋　赵振农

一、背景和目的

　　北京某住宅区是新建住宅小区，位于四环路外，该地区已有一燃煤集中供热锅炉房，但容量不能满足新建住宅的需要。根据有关规定，新建锅炉房一律不允许烧煤，只能燃气。
　　当前有多种采暖方式，主要特点如下：

表1　采暖方式及特点

采暖方式 采暖设备 特　　点
集中供热 大型锅炉、管网、热力站、用户设备 节能，分户调节、按户计量比较困难
分散采暖 每栋楼或几栋楼设燃气锅炉，用户设备 热效率高，设计时应考虑分户调节，按户计量问题
分户采暖 燃气两用炉 管理方便，室温可调，实现了分户计量
电采暖 热泵 具有调节控制方便等优点，运行费较高
　　本文通过优化计算，从以上几种采暖方式中，选择一种技术上先进，经济上合理，便于管理，适用于住宅的采暖方式。研究对象是某住宅小区的能源模式，即能源的选择。目标值：
　　1.经济性，包括投资、成本、热价和总费用年值法。
　　2.环境保护。
　　3.节能性，比较一次能源的消耗量，确定节能效益。通过经济性分析，节能性分析、环境效益分析后，给出方案的各项指标。由于角度不同，结论是不同的。因此，最后必须进行综合性分析，根据综合评价指标，提出报荐方案。

二、住宅区概况

　　住宅分 Ⅰ、Ⅱ二区， Ⅰ区由 A、 B、 C、 D、 E、F六区组成；Ⅱ区由 A、 B、 C、 D、E五区组成。Ⅰ、Ⅱ区住宅设计按面积分为高、中、低三个档；设计以高层为主，辅以多层住宅；多层住宅以北京“九五”住宅标准为依据，采用了“新四合院”式，可达到较高的容积率和较好的环境，空间过渡符合人的心理需要。高层住宅以单塔式为主，辅以联塔。设计标准略高于“九五”住宅标准。主要技术经济指标见表2。

表2　Ⅰ、Ⅱ区主要技术经济指标

分　　类 Ⅰ Ⅱ
新建总建筑面积(m2) 471660 280000
住宅建筑面积(m2) 428360 251340
总居住户数(户) 3610 2361
平均每户面积(m2/户) 118.6 118.6
三、采暖方式的比较

　　1.比较方案
　　(1)方案1：集中供热，在已建供热厂新建一台40t/h燃气锅炉，热水从锅炉房经过一次管网送至位于住宅区内的热力站。换热后，通过二次管网送至户内散热器。
　　(2)方案2：分散供热，分别在 Ⅰ区的 A、 B、C、 D、 E、 F六区内新建七座燃气锅炉房，在 Ⅱ区的 A、 B、 C、 D、 E五区内新建五座燃气锅炉房，通过管网将热水送至户内散热器。
　　(3)方案3：分散供热，分别在 Ⅰ区的35栋楼内，Ⅱ区的26栋楼内新建54座燃气锅炉房，直接将热水送至户内散热器。
　　(4)方案4：分户供热，在 Ⅰ区的3610户和 Ⅱ区的2361户内共安装燃气两用炉5971台，并在 Ⅰ区的 A10、 A11、 B1、 E4～E8、 F3和 Ⅱ区的 A4、 B5、 C4新建 13座燃气锅炉房，直接供用户采暖。
　　(5)方案5：集中供热，热源、管网、热力站与方案1相同，不同之处，新建一台燃煤炉。
　　(6)方案6：电采暖，分别在 Ⅰ区的35栋楼内，Ⅱ区的26栋楼内新建61个水源热泵供热系统，通过每户热泵机组将热(冷)风送至各房间内。
　　2.初投资比较(见表3)

表3　初投资比较

　 锅炉房投资
万元		 一次网投资
万元		 热力站投资
万元		 二次网投资
万元		 户内系统投资
万元		 天然气增容费
万元		 单位建筑面积投资
元/m2		 合　计
万元
方案1 1108 2029.2 750 750 5250 450 137.8 10337.2
方案2 1429.24 　 　 188.76 5250 450 97.57 7318
方案3 1639 　 　 　 5250 450 91.8 7339
方案4 4702.65 　 　 　 2400 450 100.3 7552.65
方案5 587.6 2029.2 750 750 5250 　 124.9 9366.8
方案6 　 　 　 　 　 　 250.0 18750
　　计算时的几点说明：
　　(1)方案1锅炉房初投资。由于在已建供热厂内新建一台40t／h燃气锅炉，有些设备、厂地可以利用。只需增加一台锅炉、部分仪表、土建及工程费。合计投资约为1108万元。
　　(2)方案2、方案3锅炉类型选择原则： Ⅰ、Ⅱ区属高层住宅区，故首先是安全性，即应选择结构紧凑、体积小、可置于地下室或楼顶及各层的高效锅炉。其次是环保性，要求排放值、噪音均应符合国家规定。
　　通过调研，我们认为热水机组能满足上述要求。为了解决热水机组承受高层建筑水位压力的问题，拟采用外置板式换热器的间接加热方式，板式换热器可承受1.6MPa的压力，可拆卸、清洗、增减、更换。
　　(3)天然气增容费，北京市规定，增容费为1200元／Nm3。故Ⅰ、 Ⅱ区总计450万元。
　　(4)分户燃气两用炉：
　　目前进口、国产燃气炉型号只有18kW、23kW和29kW三种， Ⅰ、 Ⅱ区每户需要的约为 14kW，故存在容量偏大的问题。燃气两用炉具有采暖、供生活热水的功能。在方案比较时，应扣除生活热水部分的投资。
　　5971户×0.75万元／台=4478.25万元。
　　3.运行费用比较
　　(1)年需热量的计算(kWh)
　　Q=24.Z.qH=24×125×39.9=119．7
　　(2)与计算运行费用相关的数据：
　　燃煤锅炉 η=0.75，燃气锅炉 η=0．85，燃气两用炉 η=0．85，煤价为300元／吨标准煤，天然气家用为1.4元／Nm3，锅炉房为1．8元／Nm3，电价为0.5元／kWh。
　　(3)计算结果(见表4)

表4　运行费的比较　　　元/m2.a

　 耗能量 燃料费 维修费 人工费 合计
方案1 14.42Nm3 25.96 3.29 1 30.25
方案2 14.42Nm3 25.96 2.42 0.5 28.88
方案3 14.42Nm3 25.96 2.67 0.7 29.33
方案4 14.42Nm3 20.18 2.45 / 22.63
方案5 19.61kg 5.9 3.12 1 10.02
方案6 39.9kWh 19.95 2.5 / 22.45
　　4.节能性比较(见表5)

表5　节能性比较

方案 耗能量 一次能耗量(标准煤)
方案1～4 14.42Nm3 17.3
方案5 19.61kg 19.61
方案6 39.9kWh 16.39
　　5.环境效益的比较
　　(1)各种燃料燃烧时产生的污染物(见表6)

表6　各种燃料燃烧时产生的污染物

　 二氧化氮 二氧化硫 烟　　尘
煤　kg/t 9 17s 8A(1-η)
油　kg/kL 2.86 4.2s 0.29(1-η)
天然气　kg/万m3 6.3 1.0 2.4
煤　kg/Mkcal 1.44 2.74s 1.22A(1-η)
油　kg/Mkcal 1.24 1.89s 0.13
天然气　kg/Mkcal 0.67 0.011 0.025
　　注：s—含硫量，以%计；A—灰分，以%计；η—燃烧效率，以小数点计。
　　从表6可知，燃煤时产生的 NOx、SO2、烟尘远远高于燃气、燃油，北京年用煤量达3000万吨，是世界上烧煤最多的首都。进入采暖期，空气呈现为典型的煤烟型污染的特征，二氧化硫浓度从非采暖期的30～40微克／m3，猛增至标准的3．5倍，采暖期总悬浮颗粒物2/3来源于烟尘， 1／3来源于地面扬尘。这说明燃煤的污染是恶化城市环境的主要原因。
　　(2)燃烧天然气的特点
　　气体燃料特点(见表7)。

表7　天然气的构成

　 CH4 C2H6 C3H8 CO2 N2 H2S CO H2 O2 低发热值
kcal/Nm3
北京焦炉煤气 25.2 2.0 　 2.0 6.8 　 8.6 59.2 1.2 4074
华北油田天然气 80.843 9.7326 5.7538 0.9288 0.32 　 　 　 　 10473.5
陕甘宁天然气 95.95 0.9675 0.1367 3.0 　 0.0002 　 　 　 8397.88
　　①天然气中不含尘和 SO2，只含微量H2S，是洁净能源。燃烧天然气，可减少大气中 SO2含量，减少酸雨的发生，降低粉尘浓度。
　　②天然气中绝大部分为碳氢化合物，以甲烷占绝大多数。甲烷属非稳定性气体，略为加热即易分解，而且燃烧着的甲烷发光火焰其辐射强度约为一氧化碳火焰的2倍，是氢火焰的5倍。
　　从上述分析可知，燃烧天然气具有提高燃烧设备效率，保障安全运行和改善环境的功能。
　　(3)燃烧天然气时产生的污染物(见表8)

表8　天然气燃烧时产生的污染物　　kg/Mm3

有害物质名称 设备类型
电厂 工业锅炉 民用采暖设备
颗粒物 80～240 80～240 80～240
硫氧化物① 9.6 9.6 9.6
一氧化碳 272 272 320
碳氢化合物(以CH4计) 16 48 128
氮氧化物(以NO2计) 11200 1920～3680 1280～1290②
　　①天然气平均含硫量以4.6kg/Mm3计。
　　②家用取暖设备1280，民用取暖设备取1290。
　　(4)燃煤时产生的污染物(见表9)

表9　燃烧1吨煤炭排放的污染物量(kg/t)①

污染物 炉　　型
电站锅炉 工业锅炉 采暖炉及家用炉
一氧化碳(CO) 0.23 1.36 22.7
碳氢化合物(CnHm) 0.091 0.45 4.5
氮氧化物(以NO2) 9.08 9.08 3.62
二氧化硫(SO2) 16.0S②
　　①资料来源于美国。
　　②S煤的含硫量，以%计。
　　(5)污染物排放量比较(见表10)。

表10　污染物排放量(g/m2.a)的比较

方案 NOx SO2 CO CmHn 烟尘
方案1 27.68 0.14 3.92 0.78 1.44
方案2 27.68 0.14 3.92 0.69 1.44
方案3 27.68 0.14 3.92 0.69 1.44
方案4 18.45 0.14 4.61 1.85 1.44
方案5 178.1 314 26.6 8.8 29.4
　　注：煤含硫量为1%。
　　天然气含硫量为4.6kg/Mm3计
　　发电厂所处位置会产生污染物
　　*烟尘排放量=B×A×dfh×(1-η)锅炉房A=30%,dfh=0.2,η=0.75。

　　(6)燃气两用炉布置在每户，燃烧时产生的NO2排至户外，户与户之间相互有影响，分散燃气锅炉房将污染源集中处理，对小区环境特别是邻居关系的影响较小。
　　6.各方案的综合比较(见表11和表12)

表11　综合比较

方案 初投资 运行费 耗能量 环境效益 综合比较
元/m2 排名 元/m2 排名 kg标煤/m2.a 排名 总分 排名
方案1 137.8 5 30.25 4 17.3 2 2 13 4
方案2 97.57 1 28.88 3 17.3 2 2 8 1
方案3 91.8 2 29.33 3 17.3 2 2 9 2
方案4 100.3 3 22.63 2 17.3 2 3 10 3
方案5 124.9 4 10.02 1 19.61 3 6 14 5
方案6 250.0 6 22.45 2 16.39 1 1 10 3

表12　综合性比较

方案 初投资
元/m2		 排名 综合比较
总分 排名
方案1 93.8 4 12 4
方案2 59.6 1 8 1
方案3 59.9 2 9 2
方案4 100.7 5 12 4
方案5 86.88 3 13 5
方案6 250.00 6 10 3
　　表11中，方案1、2、3和5，指的是每户都安装热量计，每组散热器都安装恒温调节阀，具有分户调节、按户计量功能时的投资。方案4、6为分户燃气两用炉和热泵机组，具有调节和计量功能。
　　表12指的是方案1、2、3和5的户内系统不设恒温调节阀和每户入口处不安装热量计，但为了今后适应计量的需要，户内系统为双管系统时的投资。从表12可知，分散燃气锅炉房采暖方式的投资最好。
　　从表11、12的综合比较排名可知，方案2分散燃气锅炉采暖方式最优，方案1、5最差。

四、结论

　　方案2为此次研究报告的推荐方案。
　　1.方案2为最优的原因：
　　(1)随着技术的进步，分散燃气锅炉的热效率达到了85％以上，具有方案1、方案5集中锅炉房供热节能的优点。
　　(2)从表8不同容量锅炉单位容量造价比中可知，随着单台容量的增加， 单位容量价格降低，故方案2的初投资低于方案3。
　　(3)方案2的初投资主要是分散锅炉房的投资，二次管网的投资很少，而方案1、方案5的初投资分别由锅炉、一次网、热力站、二次网及户内设备组成，其投资比方案2大得多。
　　(4)方案2适应性好，与小区建设配合得好，而方案1一次投入大，见效慢。
　　2.方案4具有热效率高，调节简单，运行方便等特点，但以下原因使该方案居于第二位。
　　(1)目前进口、合资两用炉的规格为 18kW、23kW、29kW，且 18kW性能不够稳定，大部分用户采用23kW，供热能力大于需求，这种型号的单价，国产约为8000元/台，进口约为10000～11000元/台。从而使方案4的投资增大。
　　(2)每户安装两用炉，使用方便，但烟气中的污染物对邻居的环境有些影响。
　　(3)对于豪华住宅，冬天有些住宅长期无人居住。此时，燃气两用炉本身和户内给排水设备是否安全；也是物业管理关心的问题之一。
　　3.方案6除投资较高外，运行费、节能性、环保性均较好。从 K6、 K7的实际情况来看，此次不推荐该方案。

作者单位：李先瑞 中国建筑科学研究院空调所
　　　　　韩有朋 赵振农 北京城市开发集团有限责任公司

 

 

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