北京農村地區供暖方式及技術經濟性分析

摘 要

摘要：對農村地區采用的家用燃煤鍋爐散熱器供暖、地板輻射供暖、吊炕供暖、火炕供暖的供暖效果及應用特點進行了分析對比。以農村典型建筑為例，對不同供暖方式進行了技術經濟性
摘要：對農村地區采用的家用燃煤鍋爐散熱器供暖、地板輻射供暖、吊炕供暖、火炕供暖的供暖效果及應用特點進行了分析對比。以農村典型建筑為例，對不同供暖方式進行了技術經濟性比較。
關鍵詞：農村；供暖方式；家用燃煤鍋爐；地板輻射供暖；吊炕；火炕
Technical and Economic Analysis of Heating Modes in Beijing Rural Areas
WU Yuanyuan
Abstract：The heating effect and application characteristics of domestic coal-fired boiler radiator，floor radiant，suspended Kang and fiery Kang are analyzed and compared.Taking a rural classical house for example，the technical and economic comparison of different heating modes is performed.
Key words：countryside；heating mode；domestic coal-fired boiler；floor radiant heating；suspended Kang；fiery Kang
1 概述
   北京地處寒冷地區，冬季需供暖，過去農村居民一直延續著“燒火做飯、燒炕取暖”的習慣。近年來隨著農村居住條件的改善，以及農村居民對供暖舒適性需求的增強，更多的農村居民開始以床代炕，開始采用家用燃煤鍋爐散熱器供暖(以下簡稱散熱器供暖)。一些農村居民也采用了家用燃煤鍋爐地板輻射供暖(以下簡稱地板輻射供暖)。但有少數農村居民仍然保留著炕，炕分為吊炕、火炕。本文分析北京農村地區不同供暖方式的供暖效果，比較不同供暖方式的技術經濟性。
2 供暖效果與應用特點
2.1 家用燃煤鍋爐供暖
   ① 散熱器供暖
   受經濟條件限制，散熱器供暖一般多采用鑄鐵柱型散熱器，采用上供下回式，靠重力循環進行供暖[1]。
   ② 地板輻射供暖
   地板輻射供暖以家用燃煤鍋爐為熱源，供、回水溫度一般為55、45℃。由于供回水溫差較小，因此重力循環作用較弱，且供暖系統設分集水器，這必然導致系統阻力增加，因此一般要在鍋爐出口增設循環泵。由于農村建筑耗熱量大，為節約燃料，加快散熱，地面宜采用傳熱效果較好的瓷磚。
   ③ 供暖效果
   地板輻射供暖與散熱器供暖相比具有水平溫度分布均勻、室內垂直方向溫度下高上低的特點，有利于室內人員健康，可分室控制，節約能源[2]。對于同一地區結構、熱工特性、供暖面積基本相同的農村住宅建筑，對分別采用散熱器、地板輻射供暖的農村居民室內溫度進行實測。
兩種供暖方式下室內日平均溫度隨室外溫度變化情況見圖1，連續最冷7日室內小時平均溫度隨室外溫度的變化情況見圖2。由圖1可知，對于兩種供暖方式，在測試期間室內日平均溫度可維持在15℃左右，對使用者熱舒適度的調查表明，該室內溫度基本達到了用戶的熱舒適度要求。另外，分別采用兩種供暖形式時，室內日平均溫度受室外溫度的影響較小。由圖2可知，在最冷的7日內，采用散熱器供暖的室內小時平均溫度波動最大為4℃，而采用地板輻射供暖僅為1.7℃。因此，兩種供暖形式均有良好的熱穩定性，地板輻射供暖的熱穩定性和熱舒適性更優。
 

④ 應用特點
這兩種供暖方式應用廣泛，使用靈活。目前，農村用戶一般專設鍋爐間或將鍋爐設置在廚房內，改善了室內衛生條件，防止煙塵危害人體。但也存在一些問題：鍋爐間或廚房的衛生條件較差，在居住密集的地區，煙氣的排放會造成當地大氣污染物濃度偏高。目前對于農村家用燃煤鍋爐的產品質量、熱效率及安裝沒有統一的標準規范，不僅不利于節能，運行中也存在一定的安全隱患。
2.2 炕
    北京地區農村使用的炕主要分為火炕和吊炕。火炕最大特點是炕體下部直接與地面相接，炕體用磚搭砌，砌出炕洞及煙道，炕洞空間用于煙氣流動加熱炕板，炕表面使用磚平鋪，外表面以灰泥抹面，上鋪炕席或人造革。吊炕與傳統的火炕相比，炕體被抬高，在炕底板上放置支柱用于支撐炕板，炕板的材料為石板、混凝土和黏土砂[3]，利用了傳熱學、流體力學原理，提高了熱效率。
    吊炕具有以下特點：在結構上盡量擴大炕板面積，減少支撐點，擴大了煙氣流通面積，有效降低了煙氣流速，延長了煙氣與炕體的換熱時間，增大了煙氣與炕體的換熱面積。炕體抬高，減少了通過地面散失的熱量，形成吊炕在室內的雙面散熱。炕上用混凝土板取代土坯，加快熱量傳遞，提高了炕面及炕面上方空氣溫度。炕體與外墻連接部位采用絕熱材料，減少熱量通過外墻散失。針對灶和煙囪位置的不同，炕體內設置不同的擋板，改變煙氣在炕體內的流道，使煙氣在炕體內充分散熱。通過以上途徑，吊炕的綜合熱效率由普通火炕的45%提高至70%～80%[4]，經檢測，冬季采用吊炕供暖時室內溫度比采用普通火炕提高4～5℃。
   ① 供暖效果
   炕主要通過對流和輻射傳熱加熱房間空氣。在建筑結構、熱工性能、供暖面積、生活習慣相近的條件下，對單獨采用火炕、吊炕進行供暖的農村居民室內溫度進行實測。兩種供暖方式下室內日平均溫度隨室外溫度變化情況見圖3，在連續最冷7日室內小時平均溫度隨室外溫度變化情況見圖4。

    由圖3可知，采用吊炕供暖的室內日平均溫度達到9.4℃，而采用普通火炕僅能使室內日平均溫度維持在5.8℃。由圖4可知，采用炕供暖時，室內溫度波動與人們的生活習慣密切相關，室內小時平均最低溫度出現在人們做早飯之前5：00—7：00，當人們開始做早飯，對炕進行加熱，室內溫度回升，直到20：00—22：00封火后，室內溫度又開始下降。
   吊炕與火炕主要燃用秸稈薪柴進行供暖，在農村中方便獲得，符合當地居民的生活習慣，既可燒火做飯，又可取暖。由于吊炕熱效率較高，可以減少燃料消耗，中國農村能源辦公室調查結果表明，每鋪吊炕與普通火炕相比，每年可節約1210kg柴草或1382kg稻草，并且合理的吊炕設計可以使得炕保持良好的負壓運行，降低室內C0、C02和可吸入固體顆粒濃度，保持室內衛生。
2.3 不同供暖方式的供暖效果
    在北京農村中，對于需要多個房間同時供暖的建筑，一般采用散熱器供暖，少量采用地板輻射供暖，而單獨采用炕供暖只能維持設炕的房間室內平均溫度不到10℃。對于需要多個房間同時供暖的建筑，形成了散熱器+吊炕、散熱器+火炕的供暖方式。在這些供暖方式中，當有炕的房間要達到農村居民可以接受的室內溫度14℃時，通過計算，炕可承擔70%的熱量，散熱器承擔30%的熱量。
    在建筑結構、熱工性能、供暖面積、生活習慣相近的條件下，對分別采用散熱器、地板輻射供暖、散熱器+吊炕、散熱器+火炕供暖方式的室內小時平均溫度進行實測。在連續最冷7日內，采用散熱器供暖、地板輻射供暖的農村居民室內小時平均溫度較高，受室外溫度的影響較小，且地板輻射供暖熱穩定性最好。采用散熱器+吊炕供暖的室內溫度比采用散熱器+火炕供暖的室內小時平均溫度高，但采用這兩種供暖方式的室內小時平均溫度波動性較大。
3 供暖方式的技術經濟性分析
    由于散熱器+吊炕供暖效果明顯優于散熱器+火炕，而且吊炕更節約燃料，造價也低于火炕。根據生活習慣，用戶也可在多個房間設炕，因此這里僅對散熱器供暖、地板輻射供暖、散熱器+吊炕(一鋪炕)、散熱器+吊炕(兩鋪炕)的供暖方式進行技術經濟性比較。
3.1 建筑模型的建立
    以抽樣調查得到的典型建筑為模型，確定建筑模型的建筑面積為66m2，坐北朝南，建筑窗墻比為0.52，體形系數為0.37，建筑模型結構見圖5，圖中數值單位為mm。圍護結構的傳熱系數見表1。按上述建筑結構進行耗熱量計算，室內供暖設計溫度按14℃計算，得到單位建筑面積耗熱量為131W/m2，散熱器供暖系統供、回水溫度取80、60℃，地板輻射供暖系統供、回水溫度取55、45℃。
表1 圍護結構的傳熱系數
名稱
材料
傳熱系數[6～7]/(W·m-2·K-1)
外墻
370mm厚黏土磚+兩側各10mm厚水泥砂漿
1.57
屋頂
平瓦、黏土、高粱秸稈
1.82
外窗
單玻木框
5.82
門
木門
4.65
3.2 經濟性比較
   ① 系統造價
   系統造價包括熱源設備造價、末端散熱設備造價、輔助管材及設備造價、安裝費。熱源設備造價包括燃煤鍋爐、炕造價；末端散熱設備造價包括散熱器、地埋管造價；輔助管材及設備造價包括配套管材、閥門、分集水器、水泵、地板輻射供暖系統防潮層、絕熱層造價。各種供暖方式的系統造價見表2。
表2 各種供暖方式的系統造價
供暖方式
系統造價/元
單位建筑面積系統造價/(元·m-2)
散熱器供暖
4470～5827
68～88
地板輻射供暖
6306～7720
96～117
散熱器+吊炕供暖
一鋪炕
5150～6227
78～94
兩鋪炕
5530～6627
84～100
    ② 年運行費用
    年運行費用包括燃料費用、設備維護費、電費等。燃料費主要指燃煤費用，燃煤鍋爐熱效率取70%，忽略輸送熱損失，煤價按500～600元/t計算，秸稈薪柴自收集，不收費。電價按0.5元/(kW·h)計算。設備維護費按系統造價的2%計算。各供暖方式的年運行費用見表3。
表3 各供暖方式的年運行費用
供暖方式
年運行費用/(元·a-1)
單位建筑面積年
運行費用/(元·m-2·a-1)
散熱器供暖
2256～2706
34～41
地板輻射供暖
2197～2613
33～40
散熱器+吊炕供暖
一鋪炕
1810～2180
27～33
兩鋪炕
1363～1644
21～25
③ 計算結果
    采用費用年值法，對4種供暖系統的經濟性進行比較[8]，設定貸款年利率為8%，設備的壽命周期為20年。各種供暖方式的費用年值計算結果見表4。
表4 各種供暖方式的費用年值計算結果
供暖方式
費用年值/(元·a-1)
散熱器供暖
2713～3301
地板輻射供暖
2841～3400
散熱器+吊炕供暖
一鋪炕
2336～2816
兩鋪炕
1927～2320
   ④ 經濟性評價
   由表4可知，對于相同的建筑模型，最經濟的供暖方式為散熱器+吊炕(兩鋪炕)，其次為散熱器+吊炕(一鋪炕)、散熱器供暖方式，經濟性最差的是地板輻射供暖。
    雖然散熱器+吊炕的供暖方式系統造價較高，但由于占燃料大部分的秸稈薪柴可由農戶自己收集，因此運行費用大大降低，使得這種供暖方式較經濟。地板輻射供暖與散熱器供暖相比，由于系統造價偏高造成經濟性稍差。
4 結論
    ① 農村居民對供暖方式的選擇很大程度上取決于其經濟實力，要綜合考慮各種供暖方式的系統造價、年運行費用，不能單純考慮系統造價。
    ② 散熱器+火炕的供暖方式由于火炕的效率低、耗燃料量大、冬季室內溫度較低且波動較大，建議采用散熱器+吊炕的供暖方式。
    ③ 散熱器+吊炕供暖方式室內熱穩定性雖然不如散熱器供暖和地板輻射供暖，但按照目前農村用戶的熱舒適度標準，只要滿足室內溫度基本要求即可，而且該方式可節約燃料，有較好的經濟性，又符合農村居民的生活習慣。
    ④ 地板輻射供暖可提供良好的熱穩定性和熱舒適性，對室內熱舒適要求較高、經濟條件許可的用戶可以采用，但要注意系統設計的合理性及施工的規范性。
    ⑤ 經濟能力和對熱舒適度要求介于散熱器+吊炕與地板輻射供暖兩者之間的用戶，可采用散熱器供暖。
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(本文作者：吳媛媛 北京市燃氣集團研究院 北京 100011)