清華大學(xué) 羅 奧  夏建軍

       【摘  要】北方地區(qū)集中供暖能耗是我國(guó)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(jiàn)。供暖用戶與非供暖用戶之間存在戶間傳熱。結(jié)合北方集中供暖區(qū)域系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)，如果存在不供暖的用戶，將會(huì)導(dǎo)致原來(lái)熱用戶的供暖能耗大大增加。這也是供熱計(jì)量在我國(guó)系統(tǒng)形式下難以取得成效的重要原因之一。本文利用建筑熱環(huán)境模擬工具DeST就入住率這一因素對(duì)住宅供暖能耗的影響進(jìn)行模擬分析。同時(shí)探究了常見(jiàn)的幾種供暖系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式下，對(duì)于這一現(xiàn)狀的改善作用有多大，為實(shí)現(xiàn)清潔供暖目標(biāo)提供一定的研究基礎(chǔ)。

       【關(guān)鍵詞】清潔供暖 入住率 供暖能耗 戶間傳熱 運(yùn)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(zhèn)采暖能耗占我國(guó)建筑商品總能耗約四分之一^[1]，是我國(guó)能源終端消費(fèi)的重要形式之一。2016年底，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議上強(qiáng)調(diào)：“要按照企業(yè)為主、政府推動(dòng)、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(guó)家能源局發(fā)布的2017-2020年北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃中提到，目前我國(guó)北方地區(qū)供暖平均綜合能耗約為22kgce/m²，并提出目標(biāo)：到2019年為將供暖系統(tǒng)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(duì)于供暖系統(tǒng)能耗的深入了解和研究十分重要。

       我國(guó)北方城鎮(zhèn)主要以集中供暖系統(tǒng)的形式為主。常規(guī)集中供暖系統(tǒng)包括熱源、供熱管網(wǎng)、建筑末端三個(gè)環(huán)節(jié)，“清潔供暖”不僅僅指高效清潔化的熱源，還包括高效運(yùn)行的輸配管網(wǎng)，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行能耗偏高。對(duì)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(jiàn)。造成此類現(xiàn)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(qū)入住未用暖對(duì)集中系統(tǒng)而言相對(duì)其他兩種比較少見(jiàn)，本文將這三類原因統(tǒng)一歸為入住率較低。

       鑒于我國(guó)的供暖系統(tǒng)通常是以一個(gè)小區(qū)或一片區(qū)域?yàn)閱挝贿M(jìn)行供暖，很難做到各用戶按需取暖，分戶調(diào)節(jié)。當(dāng)部分用戶不用暖時(shí)，與用暖用戶就會(huì)發(fā)生戶間傳熱，戶間傳熱的比例隨建筑結(jié)構(gòu)不同而存在差異^[4]。由于入住率較低導(dǎo)致的戶間傳熱，無(wú)疑會(huì)大大增加實(shí)際供暖面積的系統(tǒng)能耗。除了增加供暖能耗之外，戶間傳熱的存在嚴(yán)重影響了各個(gè)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(guó)供熱計(jì)量工作難以推進(jìn)的重要原因^[6]。除此之外，空間分布差異與熱力不平衡導(dǎo)致的戶間傳熱幾乎在每個(gè)小區(qū)都存在。

       入住率低的問(wèn)題在北方城市，尤其是人口密度較低的小城鎮(zhèn)非常常見(jiàn)。隨著建筑規(guī)模的持續(xù)增加，不同住宅小區(qū)入住率存在較大差異^[7]。部分寒冷地區(qū)的沿海城市，多為度假旅游型城市，被稱為“候鳥(niǎo)型城市”，在敷設(shè)了供暖管網(wǎng)的區(qū)域夏季度假者多，冬季實(shí)際用暖需求較低^[8]。入住率低導(dǎo)致的供暖能耗的增加，以及不同運(yùn)行方式下對(duì)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(duì)入住率的影響有進(jìn)一步了解，同時(shí)對(duì)如何改善這一高能耗的現(xiàn)狀也能提供相應(yīng)指導(dǎo)。

1 建筑供暖能耗調(diào)研與分析

       本文首先以河北省某縣城的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行入住率以及建筑供暖能耗調(diào)研分析。該縣城供暖期為4個(gè)月，供暖期平均溫度約為-7℃。其中供暖能耗數(shù)據(jù)來(lái)源于該縣城2015年~2016年采暖季88個(gè)熱力站計(jì)量數(shù)據(jù)（包括庭院管網(wǎng)損失），總供暖面積364萬(wàn)m²。入住率根據(jù)該縣城熱力公司對(duì)于不同小區(qū)的收費(fèi)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。除個(gè)別情況外，收費(fèi)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(diào)研采暖季的建筑供暖能耗分布。根據(jù)是否有保溫材料可以將建筑分為節(jié)能建筑與非節(jié)能建筑，根據(jù)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(qū)的建筑供暖能耗之間差異也非常大。從平均值來(lái)看，節(jié)能建筑較非節(jié)能建筑略低，由此體現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的重要性。根據(jù)是否為居住建筑將二者進(jìn)一步分類，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于居住建筑而言，其最大值均與上四分位數(shù)差別較大，即容易出現(xiàn)高能耗樣本，初步認(rèn)為是受居住建筑的入住率影響。

       對(duì)圖1數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到節(jié)能建筑與非節(jié)能建筑兩類小區(qū)的建筑供暖耗熱量強(qiáng)度與入住率之間的關(guān)系，如圖2，其中散點(diǎn)為各小區(qū)對(duì)應(yīng)的入住率。從散點(diǎn)的分布可以直觀發(fā)現(xiàn)節(jié)能建筑的入住率明顯低于非節(jié)能建筑，這是由于節(jié)能建筑多為新建建筑，大部分尚未住滿，而非節(jié)能建筑通常為老舊建筑，建成年代久遠(yuǎn)，入住率普遍較高。其中節(jié)能建筑中有21個(gè)小區(qū)入住率不足60%，占總節(jié)能建筑總數(shù)40%；36個(gè)非節(jié)能建筑小區(qū)中僅有1個(gè)小區(qū)入住率不足60%。從節(jié)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(wèn)題。其中能耗最高的達(dá)到了0.75GJ/(m²·a)，比該地相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑耗熱量所示的0.23 GJ/(m²·a)的三倍還高^[9-10]。

圖2 節(jié)能建筑與非節(jié)能建筑實(shí)際耗熱量與入住率之間的關(guān)系

       從以上調(diào)研結(jié)果可以明顯看到，通常節(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建造，在入住率較低的情況下，其供暖能耗會(huì)遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值，甚至高于同地區(qū)非節(jié)能建筑。

本文主要探究對(duì)入住率低的住宅小區(qū)，戶間傳熱問(wèn)題存在時(shí)，不同外溫對(duì)供暖能耗的影響。實(shí)際工程中,為了節(jié)能考慮，部分供暖系統(tǒng)采用間歇供暖，甚至部分小區(qū)可實(shí)現(xiàn)用戶自主調(diào)節(jié)。基于此，在入住率較低的情況下，需要探究不同運(yùn)行方式下的供暖能耗，判斷低入住率時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)方式能否改善高能耗的現(xiàn)狀。

2 參數(shù)與工況設(shè)定

       2.1 建筑模型及主要參數(shù)

       DeST是常用的建筑環(huán)境、負(fù)荷與能耗模擬軟件，由清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬的方法研究入住率對(duì)于北方地區(qū)建筑供暖能耗，其目的并不在于確定其能耗定量數(shù)值究竟是多少，而是可以借助軟件直觀了解到這一問(wèn)題的主要矛盾，以及可能的解決方案。

選取該縣城某小區(qū)一個(gè)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(kù)，2~5層為住戶。車庫(kù)為非供暖區(qū)域。每層分為左右兩個(gè)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(diào)區(qū)域，面積約為12m²。用戶之外的走廊區(qū)域同樣設(shè)為非空調(diào)區(qū)域。

       為研究入住率對(duì)建筑供暖能耗的影響，分別選擇哈爾濱和北京作為嚴(yán)寒地區(qū)與寒冷地區(qū)代表，兩個(gè)地區(qū)的供暖時(shí)長(zhǎng)分別為6個(gè)月和4個(gè)月。具體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)選取與其傳熱系數(shù)如表2所示。其中所有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置除樓板外都是按照對(duì)應(yīng)地區(qū)的三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選取^[11]。因?yàn)橐粚佑脩襞c地下車庫(kù)同樣存在戶間傳熱，將樓板K值設(shè)為0.471W/(m²·K)，均低于兩地的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的供暖住宅而言，低入住率對(duì)供暖能耗的影響。

       該單元共有8個(gè)用戶，為了模擬入住率較低的工況，選擇3個(gè)用戶沒(méi)有人入住，將其設(shè)置為非空調(diào)區(qū)域，此時(shí)的入住率為63%，如圖4所示。

       2.2 運(yùn)行方式確定

       實(shí)際工程中通常采用兩種調(diào)節(jié)手段，一種是供暖用戶的通斷調(diào)節(jié)，另一種是換熱站內(nèi)的水溫調(diào)節(jié)。首先需要定義兩種調(diào)節(jié)方式的設(shè)置如圖5和圖6所示。

       作息通斷調(diào)節(jié)的原理主要是人在的時(shí)候供暖，人不在的時(shí)候斷開(kāi)。因此設(shè)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(shí)間為40h。

       另外一種調(diào)節(jié)方式時(shí)熱力站內(nèi)部根據(jù)室外天氣來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，外溫較高時(shí)就降低流量或者調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度。Dest軟件沒(méi)有水溫調(diào)節(jié)的設(shè)置方法，通過(guò)選擇在每天溫度最高，負(fù)荷最低的時(shí)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(shí)間為35h。

       2.3 工況小結(jié)

       本模擬共設(shè)置了6種工況。工況1256用來(lái)說(shuō)明入住率低時(shí)對(duì)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(lái)說(shuō)明比較集中常用的調(diào)節(jié)方式對(duì)于當(dāng)入住率較低時(shí)建筑供暖能耗的影響 。模擬工況如表3所示：

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

       3.1 外溫參數(shù)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℃。

       3.2 入住率對(duì)負(fù)荷的影響

圖 8 不同工況下建筑的熱負(fù)荷曲線

       截取采暖期室外溫度較低兩周的負(fù)荷曲線進(jìn)行分析如圖8所示，考慮到實(shí)際供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的方式以及建筑的熱慣性，最冷天氣下的平均熱負(fù)荷可視為尖峰熱負(fù)荷。從負(fù)荷曲線可以看到，在入住率降為63%之后，負(fù)荷曲線都有了明顯的上升。對(duì)于不同氣候條件來(lái)看，哈爾濱負(fù)荷上升的幅度較大。這段時(shí)間內(nèi)100%入住率的情況下，哈爾濱的熱負(fù)荷約為43.9W/m²，北京的熱負(fù)荷約為20.6 W/m²，均為合理水平，說(shuō)明建筑的保溫效果較好。而當(dāng)入住率下降到63%之后，哈爾濱的熱負(fù)荷上升到約為59.3 W/m²，北京的熱負(fù)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

       再具體研究戶間傳熱對(duì)各用戶的影響。選擇每層左右兩邊的主次臥室進(jìn)行分析，得到表4中各層各個(gè)臥室的熱指標(biāo)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(biāo)差異也很大，最低的4層用戶主臥室熱負(fù)荷僅為26 W/m²，最高的5層用戶主臥室熱負(fù)荷達(dá)到了49 W/m²，這也體現(xiàn)了為何分戶計(jì)量難以進(jìn)行。當(dāng)入住率降低為63%時(shí)，5層右戶、4層左戶、3層右戶熱指標(biāo)大幅度上升，熱負(fù)荷均提高60%以上，嚴(yán)重影響了這幾戶的供暖。而之前熱負(fù)荷較高的左側(cè)2、3層用戶反而受影響較少，說(shuō)明沒(méi)有入住的用戶對(duì)于隔層的用戶影響較小。

       3.4 不同運(yùn)行方式影響

       前文說(shuō)明了當(dāng)入住率降低時(shí)，不僅大大增加了實(shí)際的供暖負(fù)荷，同時(shí)也影響了相鄰用戶的用熱效果，嚴(yán)重破壞了供熱計(jì)量的公平性。實(shí)際中，有不少小區(qū)進(jìn)行了改造，可以實(shí)現(xiàn)一定的調(diào)節(jié)，為了進(jìn)一步分析當(dāng)入住率時(shí)這些調(diào)節(jié)運(yùn)行方式能否改善高能耗的情況，以能耗相對(duì)較高的哈爾濱作為案例進(jìn)一步探究。模擬結(jié)果如圖10和表5所示。

       從計(jì)算得到的采暖累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)換算得到全采暖季耗熱量，從而比較幾種調(diào)節(jié)方式的效果。首先可以看到，入住率降低之后，整個(gè)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(guò)兩種調(diào)節(jié)方式，能耗下降的都較少，作息調(diào)節(jié)下降為0.644 GJ/m²，外溫調(diào)節(jié)下降為0.636 GJ/m²，這樣看來(lái)根據(jù)外溫調(diào)節(jié)的效果稍微好于作息調(diào)節(jié)，即使其停供時(shí)間相對(duì)較少。但低入住率的情況下，無(wú)論哪種調(diào)節(jié)方式，對(duì)于整個(gè)供暖季的能耗改善效果都較小。

4 結(jié)論

       4.1 供暖季耗熱量小結(jié)

       根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果將幾種工況下的熱負(fù)荷指標(biāo)以及全供暖季耗熱量進(jìn)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(jiàn)的幾種運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，也并不能改善這一高能耗現(xiàn)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(jù)實(shí)際調(diào)研以及DeST軟件的模擬分析，探究了入住率對(duì)于建筑供暖能耗的影響。可以總結(jié)得到以下結(jié)論：

       1）無(wú)論是從實(shí)際調(diào)研的結(jié)果，還是模擬的對(duì)比結(jié)果，都可以明顯看到在低入住率的情形下，即使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好，由于戶間傳熱的影響，導(dǎo)致建筑單位面積耗熱量大大增加，造成了巨大的能源浪費(fèi)。而且隨著外溫氣候條件降低，造成浪費(fèi)的熱量也就越多。因此解決入住率低的問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)北方清潔供暖的目標(biāo)而言不可忽視。

       2）幾種常見(jiàn)的供暖運(yùn)行模式，如通斷控制和水溫調(diào)節(jié)，都不能很好的改善由于低入住率導(dǎo)致的能耗增加。根據(jù)本文的調(diào)研與模擬結(jié)果認(rèn)為，能夠較好改善這一問(wèn)題的方法，可能只有通過(guò)一系列措施或激勵(lì)政策，提高住宅入住率，保證集中供暖系統(tǒng)的使用率，從而提高系統(tǒng)的利用效率。

       3）根據(jù)文中對(duì)戶間傳熱的初步探究分析，可以認(rèn)為分戶計(jì)量的公平性極難權(quán)衡，尤其是在一棟樓有用戶不用暖的情況，這一問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。而且在現(xiàn)實(shí)中，由于各個(gè)用戶之間熱力失調(diào)現(xiàn)象，會(huì)增大用戶間的負(fù)荷差異，加劇戶間傳熱。

       4）在實(shí)際的城市集中供暖系統(tǒng)中，無(wú)論是舊城改造還是新區(qū)規(guī)劃，入住率的問(wèn)題都不可避免，尤其是對(duì)新建小區(qū)而言。因此，城市入住率對(duì)于供暖能耗的影響，以及如何改善這一問(wèn)題的政策和機(jī)制研究，都值得更多的研究與討論。

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國(guó)·三門(mén)峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。