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1 电供暖的使用情况 我国燃煤电厂的发电效率一般按34％计，生产1 kW·h的电消耗360 g标准煤，与传统集中供热系统的热效率70％相差较大，因此包括GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》在内的国家建筑节能技术法规用强制性条款都对电供暖方式禁止使用。但实际工程使用情况究竟如何？ 为了全面掌握电供暖投入使用后的实际效果，新疆电力科学研究院连续多年对电供暖示范工程进行了包括间歇供暖的室温变化、用电量等情况的跟踪监测，并于2012年发布了《电采暖相关技术研究科技项目验收材料》报告，依据该报告整理出电供暖能耗量。 建筑的耗电量换算成冬季电供暖运行费约为13.7～23.7元/（m2·a），平均值低于当地集中热水供热系统的实际收费标准（22元/（m2·a））（乌鲁木齐燃气集中供热对燃气公司和供热公司政府都有大量财政补贴）。乌鲁木齐办公类公共建筑集中供热的冬季实际能耗跟踪监测值大致为95～150 kW·h/（m2·a）；即使与当地节能居住建筑的实际能耗（约85 kW·h/（m2·a））相比，电供暖能耗也要少。 以下是分散式电供暖与大型集中供热系统的各自特点及其能效分析。 2 大型城市集中供热系统的能效 长期以来，我国供热企业的节能控制主要是依据室外气温变化调节供热的热水温度，也称质调节。由于供热系统规模大，供热管网普遍存在水力失调，供热企业都以大流量小温差运行作为弥补应对措施。集中供热系统普遍没有按照热计量收费，原因之一就是现行的大型集中供热系统无法依靠调流量为主的办法来控制系统节能，如采用以量调节或变流量为主的管理方式，因管网水力失调会导致一些热用户不热。 2011年，笔者参观德国海德堡市锅炉房时注意到，在室外温度约15 ℃时，锅炉房的热水供水温度为90 ℃，同样气候条件下，国内的供热水温度约为40 ℃。可见德国的量调节供热是以高温热媒为条件的。 大型城市集中供热系统从锅炉燃烧一次管网输配系统→换热设备→二次管网输配系统→室内供热系统→用户，要经历多个环节，每一环节都存在一定的热损耗，供热系统的实际运行效率η0为 式中η1为锅炉的运行效率；η2为一次管网输配效率；η3为换热站效率；η4为二次管网输配效率；η5为室内供暖系统效率。 我国城市供热由于没有管网平衡调试的专项定额资金、时间和第三方验收，实际工程普遍水力不平衡，为保证最不利用户室温达到设计要求，其他用户的室温则会相应升高。大型集中供热系统的各环节在运行时总存在一定热损失，考虑到系统的设备、安装调试和运行管理等质量控制良莠不齐，现有的集中供热系统一次能源实际总消耗比建筑物供暖能源需求量大很多。 3 建筑物供暖的能量平衡 室内热平衡方程为 式中q0为建筑物围护结构传热和通风产生的热量损失，kW·h/（m2·a）；q1为为维持室内一定热舒适温度，向室内补充的热量，这部分由供暖系统提供的热量称为建筑能源需求量，kW·h/（m2·a）；q2和q3分别为室内得热量（由照明、设备、人体等产生）和太阳辐射得热量，kW·h/（m2·a）；q2＋q3为自由热。 随着节能建筑标准不断提高，建筑热负荷越来越小，自由热所占比例则越来越大。我国居住建筑的室内得热量为3.8 W/（m2·a），公共建筑室内得热量依据文献［3］附录B，q2＝4.39 qm，其中4.39为依据当地供暖期得到的换算系数；k为工作时间与供暖期时间的比值；qm为照明、设备功率密度和人体散热密度。 太阳辐射得热量按下式计算： 式中Sz为遮阳系数；Ks为综合传热系数；Jf为太阳辐照度。 以严寒地区某工程项目的实际能耗计算为例，在50％，65％和75％节能标准建筑中，自由热分别占建筑物热损失能耗的25％，33％，43％。由图1可知，节能建筑中，自由热的有效利用可大幅减少对供热系统的能源需求。 图1 自由热在不同标准节能建筑中的能耗占比 有效利用建筑内的自由热节能意义重大，欧盟推行的近零能耗建筑供暖就是最大限度利用这部分热量。室内温控器若能有效感应到室内温度变化，并依次调节室内热量输入，这一免费能源才能被利用。散热器等末端上的恒温控制阀或温控器都是有效装置，直接电供暖的用户为节省用电，会调节室温高低；但不按照热计量收费的集中供热系统，用户则不会控制室温；靠供热企业控制节能的管理者对用户的室温变化并不完全掌握，大量的自由热未有效利用。 4 行为节能的供暖节能量 供暖按照面积收费，热用户将不会像用水、用电一样节省用热，而是不断要求供热企业提高室内供热温度，无论人员是否在室内生活均保持20 ℃，就会造成能源浪费。若人们有强烈节能意识，非工作时段自觉调低室内温度至14 ℃，工作时段再调高温度至20 ℃，一周的室内平均温度tn1＝［（10 h×20 ℃＋14 h×14 ℃）×5 d÷24 h＋2 d×14 ℃］÷7 d＝15.8 ℃，假设冬季供暖期的室外平均温度tW＝－2.5 ℃，此部分的节能率η可按下式计算： 式中K为传热系数；F为传热面积；tn为室内温度。 经计算，节能率为18.7％，考虑到元旦、春节假期时间，室内平均温度还可降低。综上所述，行为节能潜力巨大，有寒假的学校节能率可达30％以上。对于居住类建筑，用户可根据室温需求缴纳相应的费用，离开房间时调小或关断恒温控制阀。用市场价格来促使人们自觉节能。 实现行为节能的前提是：1）具备用户便于调节室温的装置；2）有经济激励措施。由于采取行为节能后建筑物实际是间歇供暖，室内的散热末端供热变化能力较低温地面辐射供暖系统强，故对于不经常连续使用的室内房间，不宜采用地面辐射供暖系统。 5 电供暖与大型集中热水供热系统的能效对比 使用电供暖很容易利用建筑物的自由热，用户用电多就多交电费，人们的行为节能落实后，能源使用量会大幅减少。供热企业和用户之间的关系是卖方与买方的关系，热用户用何种供热方式，怎么用本应是用户的事情，热用户是主角；但传统的计划经济使得集中供热系统或者节能工作仅让供热企业成为绝对主角，一个管理者要面对众多热用户自然问题多多；事实上，只有热用户真正参与节能工作才会更有效。 综上所述，供热系统受建筑物内热平衡和使用特性、热源与输配效率等各要素影响。 省电就是省钱，用户容易控制室温和用电开关，自由热利用和行为节能效果显著，是直接电供暖的一次能源消耗量小于城市集中供热实际能耗的根本原因。 6 国外建筑节能法规对电供暖的规定 美国ASHRAE的建筑节能设计标准90.1-2010对供热热源和系统的要求中，未对电供热方式有任何限制，只对暖通空调系统进行节能运行控制和相关设备的能效方面有限制。德国的建筑节能法规对规模超过5栋公寓、供热期超过4个月、室温超过19 ℃、建筑面积超过500 m2的商业建筑，限制使用储热式电热水锅炉供热，锅炉供热系统的整体效率偏低；但建筑热负荷小于20 W/m2的居住、办公等低能耗建筑则不受上述限制；对分散式电供暖，如散热器、发热电缆等方式则没有任何限制性规定。德国法规特别强调供热系统应随用户使用要求自动开关和调节供热量。 目前，在德国、英国、日本、北美等发达国家以分散式供暖方式为主，仅少部分采用热电联产大型集中供暖。 7 结语 一般供配电系统往往无法满足分散式电供暖电负荷需求，必须新增室外电网与变电设备，仅此部分的工程费用就占系统投资的50％～70％，电供暖的总造价一般达250～300元/m2。 自由热及行为节能量在不节能建筑能耗中占比不大，加上电价较高，在此类建筑中不建议推广使用分散式电供暖。 目前，部分电供暖项目拟采用大型电热水锅炉供热，然而由于电供暖热水锅炉产品尚无国家产品质量标准和能效标准，低效的电锅炉与大型集中热水供热系统相结合的方式无法避免集中供热的缺陷，因此，供热系统的能效会更低。这一方式只是方便了供热企业的商业运作要求。 大型传统的集中供热锅炉在城市中心排放污染物，同时排烟余热会加剧城市热岛效应并导致空气环境的自净能力变差。发电厂远离城市中心，排放污染物对城市的大气环境影响较小。因此，在建筑节能标准越来越高的新形势下，在电力资源充沛的地区，恰当地利用电供暖方式对社会节能减排和城市环保都是较好的选择。 本文刊登于《暖通空调》2016年第7期 作者： |
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