幾種分散式采暖方式的特點(diǎn)探討

山東華宇工學(xué)院山東省潔凈空調(diào)工程技術(shù)研發(fā)中心 ■ 趙玉磊 劉春花

0 引言

多年來，我國(guó)長(zhǎng)江以北居民主要依靠燃煤取暖。雖然燃煤取暖成本低，但其帶來的環(huán)保問題卻不容忽視。隨著北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作政策的落實(shí)，在市場(chǎng)上涌現(xiàn)出多種新型采暖設(shè)施，多適用于分散式供暖。區(qū)域供暖也叫集中供暖，具有技術(shù)成熟、系統(tǒng)安全可靠、用戶使用方便且收費(fèi)低的優(yōu)點(diǎn)，但其他存在系統(tǒng)龐大、占地廣、建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高、長(zhǎng)距離運(yùn)輸使管路熱量損耗大等缺點(diǎn)。分散式供暖可為不便于進(jìn)行區(qū)域供暖的用戶解決取暖問題，具有系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便、隨時(shí)啟停的優(yōu)點(diǎn)，其還可以根據(jù)需要單獨(dú)調(diào)節(jié)某個(gè)房間溫度或單獨(dú)啟停，因此，分散式供暖具有廣闊的市場(chǎng)[1]。

本文針對(duì)市場(chǎng)上常見的幾種分散式采暖方式進(jìn)行了介紹，闡述了各種方式的特點(diǎn)，并以山東省濟(jì)南地區(qū)某100 m2的農(nóng)村建筑為例，對(duì)不同采暖方式的設(shè)備(包含管路、散熱設(shè)備、水泵等系統(tǒng)運(yùn)行必需的設(shè)備)成本及采暖期運(yùn)行成本進(jìn)行了測(cè)算。

1 5種分散式采暖方式

山東省濟(jì)南地區(qū)某100 m2農(nóng)村建筑的外墻有厚度為25 mm的聚氨酯保溫層，采用塑鋼門窗，雙層中空玻璃；建筑采暖熱負(fù)荷按60 W/m2估算，整個(gè)建筑平均每天需要的熱量約為1.23×106kcal，采暖期為120天。

目前市場(chǎng)上常見的幾種分散式采暖方式分別為：燃?xì)獗趻鞝t、空氣源熱泵、生物質(zhì)采暖、太陽(yáng)能采暖、電暖器，下文將分別進(jìn)行闡述。

1.1 燃?xì)獗趻鞝t

燃?xì)獗趻鞝t最早起源于歐洲，使用至今已有上百年。燃?xì)獗趻鞝t全稱為“壁掛式燃?xì)獠膳療崴疇t”，隨著政策引領(lǐng)，國(guó)產(chǎn)品牌發(fā)展速度很快。由于此類產(chǎn)品技術(shù)成熟、安全可靠且價(jià)格低，其已成為國(guó)內(nèi)“氣代煤”的依托產(chǎn)品[2]。

1)優(yōu)點(diǎn)：該采暖方式的設(shè)備體積小，安裝方便，隨開隨用，水流量大，水溫恒定，能滿足別墅和多居室的采暖，以及家庭24 h生活熱水的需求。燃?xì)獗趻鞝t的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)獗趻鞝t的系統(tǒng)原理圖

2)缺點(diǎn)：①使用燃?xì)獗趻鞝t的費(fèi)用受天然氣價(jià)格波動(dòng)及供應(yīng)能力的影響；②天然氣燃燒及水泵工作時(shí)會(huì)有噪音；③天然氣燃燒時(shí)會(huì)有氮氧化合物產(chǎn)生，造成空氣污染；④由于使用天然氣及采暖系統(tǒng)帶壓運(yùn)行，在使用前或采暖期結(jié)束后，最好請(qǐng)專業(yè)人員進(jìn)行檢修和維護(hù)。

3)設(shè)備成本：7000～11000元。

4)采暖期運(yùn)行成本：1 m3天然氣的熱值約為8500 kcal，不考慮系統(tǒng)效率，本案例中燃?xì)獗趻鞝t平均每天消耗的天然氣量約為14.47 m3。濟(jì)南市的天然氣價(jià)格為3.3元/m3，在不考慮水泵耗電的情況下，整個(gè)采暖期的運(yùn)行成本為5730元。

1.2 空氣源熱泵

熱泵技術(shù)可以將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)化到高位熱源[3]，其原理是先從自然界的空氣、水或土壤等介質(zhì)中提取低品位熱能，經(jīng)過壓縮機(jī)做功，轉(zhuǎn)化為高品位熱能，從而供人們使用。按熱源種類不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源(地下水、污水、地表的河流、湖泊和海洋)熱泵、土壤源熱泵等。由于熱泵的初始熱能源于空氣、水或土壤中，所以其制熱能效比(COP)均大于1。其中，土壤源熱泵及水源熱泵的熱源溫度全年較為恒定，所以這2種方式的COP可達(dá)3～5。但由于受到土地與水源的限制，因此國(guó)家“電代煤”政策的主要依托產(chǎn)品是空氣源熱泵。

1)優(yōu)點(diǎn)：相比于其他熱泵機(jī)組，空氣源熱泵機(jī)組安裝簡(jiǎn)便，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。除可以采暖外，空氣源熱泵還可以做到制冷、供熱水、采暖三聯(lián)供，一臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)多種功能。

圖2 空氣源熱泵的系統(tǒng)原理圖

2)缺點(diǎn)：①空氣源熱泵的室外機(jī)體積較大，重量較重，因此對(duì)安裝位置的要求較高；②空氣源熱泵一般需要緩沖水箱，會(huì)占用室內(nèi)空間；③隨著室外溫度的下降，空氣提供的熱量減少，COP降低，因此造成“天氣越冷，采暖效果越差”的現(xiàn)象；④設(shè)備運(yùn)行時(shí)，存在一定的噪音。

3)設(shè)備成本：15000～30000元。

4)采暖期運(yùn)行成本：結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，空氣源熱泵的COP取2.8。系統(tǒng)平均每天的耗電量為51.4 kWh，整個(gè)采暖期的總耗電量為6168 kWh。根據(jù)山東省相關(guān)政策規(guī)定，冬季采暖高峰期(08:00～20:00)的電價(jià)為0.5769元/kWh，低谷期(20:00～次日08:00)的電價(jià)為0.3769元/kWh。由于冬季采暖期時(shí)的夜間氣溫比白天低，設(shè)備夜間能耗增加，因此夜間和白天的能耗比按5:3計(jì)算，本案例整個(gè)采暖期的運(yùn)行成本為2787元。

1.3 生物質(zhì)采暖

生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)燃?xì)狻⑸镆后w燃料是目前生物質(zhì)能源商業(yè)化應(yīng)用的4類技術(shù)路線，其中，生物質(zhì)成型燃料是唯一不用經(jīng)過復(fù)雜的二次能源轉(zhuǎn)化，能以較低的能耗和較小投入實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)。根據(jù)原料特點(diǎn)、儲(chǔ)運(yùn)要求和應(yīng)用方式，生物質(zhì)成型燃料主要分為生物質(zhì)顆粒燃料、生物質(zhì)壓塊燃料2類產(chǎn)品，目前市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢(shì)以生物質(zhì)顆粒燃料為主。

生物質(zhì)顆粒燃料是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)作物廢棄物(玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、葵稈、豆秸和棉稈等)，以及林業(yè)撫育、木材加工過程中的樹枝、板皮、木屑和截頭等剩余物為原料，通過壓輥和壓模等設(shè)備擠壓成型[4]。1930年左右，美國(guó)科學(xué)家開始研究生物質(zhì)燃料成型加工技術(shù)及與之相配套的燃燒設(shè)備；1970年后，歐洲一些國(guó)家，如芬蘭、德國(guó)等，也開始了相關(guān)技術(shù)的研究[5]；我國(guó)生物質(zhì)顆粒加工及燃燒鍋爐的研究開始于20世紀(jì)80年代中期，目前也已有很多專門的燃料成型及燃燒設(shè)備生產(chǎn)廠家。

生物質(zhì)顆粒燃料要在專用的爐具中燃燒。分散式采暖中使用的小型生物質(zhì)取暖爐由給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾大部分組成。生物質(zhì)顆粒取暖爐分為熱風(fēng)式和水暖式，熱風(fēng)式是通過鼓風(fēng)機(jī)將生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的熱量送入取暖環(huán)境中，水暖式是指以燃燒生物質(zhì)顆粒來加熱換熱器中的水，然后通過循環(huán)管路將熱量帶到地暖或散熱器中進(jìn)行散熱。2種方式都可以滿足單戶農(nóng)村家庭及城鎮(zhèn)門市的取暖和生活熱水需求。水暖式生物質(zhì)顆粒取暖的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 水暖式生物質(zhì)顆粒取暖的系統(tǒng)示意圖

1)優(yōu)點(diǎn)：生物質(zhì)取暖的操作簡(jiǎn)單、安全可靠、熱效率高、燃燒完全、無煙塵、節(jié)能環(huán)保；系統(tǒng)點(diǎn)火啟動(dòng)僅需幾分鐘，且可以自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)送料，一次加料可運(yùn)行15～30 h。

2)缺點(diǎn)：①設(shè)備體積偏大；②運(yùn)行時(shí)有一定噪音；③每天需要添加生物質(zhì)顆粒燃料并清理灰塵；④生物質(zhì)顆粒燃料的品質(zhì)會(huì)影響采暖系統(tǒng)的使用效果。

3)設(shè)備成本：國(guó)產(chǎn)水暖式取暖爐約為7000～9000元。

4)采暖期運(yùn)行成本：每kg生物質(zhì)雜木顆粒燃料的發(fā)熱量約為4000 kcal，平均每天的消耗量為30.75 kg；考慮到農(nóng)村實(shí)際情況，晚上要封爐子，所以按照平均每天消耗量的80%計(jì)算燃料用量；生物質(zhì)雜木顆粒燃料的市場(chǎng)價(jià)約為1200元/t，整個(gè)采暖期生物質(zhì)顆粒的燃料消耗量為2952 kg，計(jì)為3 t。因此，本案例整個(gè)采暖期的運(yùn)行成本為3600元。

1.4 太陽(yáng)能采暖

太陽(yáng)能采暖是指利用太陽(yáng)能集熱裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，供建筑物冬季采暖的一種方式。太陽(yáng)能可以作為供暖系統(tǒng)的唯一熱源，也可以增加電、燃?xì)獾绕渌o助熱源。將分散的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置是太陽(yáng)能集熱器，其主要包括平板集熱器、真空管集熱器和空氣集熱器3種。其中，太陽(yáng)能空氣集熱器采暖的系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能空氣集熱器采暖的系統(tǒng)原理圖

1)優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能采暖的節(jié)能效果好，完全無污染，可最大效率地利用太陽(yáng)能，節(jié)約能源；而且在滿足采暖需求之余，還能提供大流量的生活熱水。

2)缺點(diǎn)：①需要有足夠的面積來安裝太陽(yáng)能集熱器；②太陽(yáng)能空氣集熱器不能有遮擋；③系統(tǒng)的熱量輸出受天氣變化的直接影響；④要有儲(chǔ)熱水箱及輔助熱源；⑤與非采暖期的得熱量遠(yuǎn)大于生活用熱，會(huì)造成系統(tǒng)過熱，降低產(chǎn)品壽命[6]。

3)設(shè)備成本：在太陽(yáng)能供暖保證率達(dá)到50%的情況下，1 m2的太陽(yáng)能空氣集熱器吸收的熱量可以供5～8 m2建筑面積用熱，因此，100 m2的建筑約需20 m2的太陽(yáng)能空氣集熱器，再加上水箱、循環(huán)水泵、控制系統(tǒng)及輔助能源，整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格為30000～50000元。

4)采暖期運(yùn)行成本：太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的社會(huì)效益高，但因太陽(yáng)能的保證率有限，需其他能源做補(bǔ)充；由于太陽(yáng)能保證率不同，輔助能源的選擇也會(huì)不同，而輔助能源的運(yùn)行成本會(huì)影響太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行成本。因此，由于太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)較為復(fù)雜，投資較高，若地方政府無明確的支持政策，不建議大規(guī)模應(yīng)用。

1.5 電暖器

電采暖是將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能的裝置，主要產(chǎn)品包括分體式電暖器、電壁掛爐、蓄熱式電暖器、電地暖。其中，蓄熱式電暖器可將電網(wǎng)低谷時(shí)段的低價(jià)電能轉(zhuǎn)化為熱能取暖，并將大部分熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，然后在電價(jià)較高時(shí)將儲(chǔ)存的熱量釋放出來，以實(shí)現(xiàn)全天室內(nèi)供暖，儲(chǔ)熱時(shí)間一般約為8 h[7]。蓄熱式電暖器和分體式電暖器是當(dāng)前農(nóng)村使用最多的產(chǎn)品，而電壁掛爐和電地暖由于價(jià)格較高且安裝復(fù)雜，使用較少。

1)優(yōu)點(diǎn)：分體式電暖器價(jià)格低，體積小，可隨意安置及移動(dòng)；蓄熱式電暖器可充分利用谷電，節(jié)約費(fèi)用。

2)缺點(diǎn)：①由于幾種電暖器產(chǎn)品的能耗都較高，電力設(shè)施承受能力會(huì)限制產(chǎn)品的推廣數(shù)量；②蓄熱式電暖器為了保證可全天使用，需提高儲(chǔ)熱能力，導(dǎo)致此類產(chǎn)品體積偏大、重量偏重。

3)設(shè)備成本：分體式電暖器的成本為1000～1500元，蓄熱式電暖器的成本為5000～8000元。

4)采暖期運(yùn)行成本：整個(gè)采暖期的節(jié)電量為17280 kWh。若本案例選擇采用蓄熱式電暖器，按照最優(yōu)的技術(shù)方案，即全部采用谷電的情況，整個(gè)采暖期的運(yùn)行成本為6560元。

2 建議

綜上所述，每種采暖方式都有自己的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)各自的地理位置、氣候狀況、建筑特點(diǎn)、安裝條件、政府政策等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，選擇適合當(dāng)?shù)厥褂玫漠a(chǎn)品。

盡快發(fā)展分散式清潔能源采暖，對(duì)于改善大氣質(zhì)量、提高人民的生活水平具有重要的作用?，F(xiàn)在各級(jí)政府對(duì)于“電代煤”“氣代煤”有較為明確的優(yōu)惠減免補(bǔ)償政策，但對(duì)生物質(zhì)采暖還未有具體的支持政策，希望政府盡快出臺(tái)相關(guān)的支持政策。

建議政府結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況，選擇適合的、可持續(xù)的采暖方式，不可“一刀切”，以免因?yàn)閿鄽?、少電造成設(shè)備不能使用的情況再次發(fā)生。

3 總結(jié)

本文對(duì)5種分散式采暖方式進(jìn)行了分析，每種采暖方式都有各自的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自身所在地的地理位置、氣候狀況、建筑特點(diǎn)、安裝條件、政府政策等多方面因素選擇適合的產(chǎn)品。