武漢市居住建筑天然氣供暖用氣量變化研究

李釔鋅， 林亞娜， 楊 飛， 董建鍇

(1.哈爾濱工業(yè)大學， 黑龍江 哈爾濱 150090； 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150090； 3.海南富力房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 海南 ?？?570105； 4.深圳市燃氣工程設(shè)計有限公司， 廣東 深圳 518000)

1 概述

近年來，南方供暖的呼聲越來越高，需求日益迫切[1]。南方地區(qū)主要的供暖形式有空氣源熱泵、天然氣供暖和電供暖等[2]。天然氣作為清潔能源，具有綠色、無污染的特點，在氣源充足的地區(qū)是重要的供暖能源。

目前，一些學者對南方供暖的必要性及供暖方式進行了研究。渠義杭等人[3]從生理、氣候和民眾需求3個方面對南方供暖的必要性進行了闡述。金文[4]對上海、蘇州、武漢地區(qū)開展調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果顯示南方城鎮(zhèn)居民使用較多的供暖方式為空氣源熱泵、燃氣供暖熱水爐和電熱供暖。

部分學者研究了天然氣供暖的可行性，郭非等人[5]對北京市兩個住宅小區(qū)98個分戶燃氣供暖熱水爐進行了供暖期的數(shù)據(jù)收集，從舒適性、安全性、噪聲和分散排煙對環(huán)境的影響等方面對該供暖方式進行了評價，提出了“宜小不宜大、宜分散不宜集中”的天然氣供暖原則。楊通[6]從能源轉(zhuǎn)換效率、運行管理、經(jīng)濟性能等多角度總結(jié)了北京市發(fā)展分戶式燃氣供暖熱水爐供暖存在的問題，即無法保障熱用戶的供熱品質(zhì)，相關(guān)部門應對供熱管理體系加以完善，從而促進分戶式燃氣供暖熱水爐在北京地區(qū)的推廣應用。Su D等人[7]運用市場模擬方法，在滿足供熱企業(yè)、終端用戶和政府需求多方利益的基礎(chǔ)上，對市場機制以及能源商品屬性等方面進行了探討，驗證了天然氣供暖的經(jīng)濟可行性。

另外，部分學者研究了天然氣供暖的用氣量變化，田貫三等人[8]以天津市為例，對實際數(shù)據(jù)進行燃氣供暖負荷的月不均勻系數(shù)、日不均勻系數(shù)及小時不均勻系數(shù)計算，并給出年平均燃氣供暖熱指標為71.06～81.29 kJ/(m2·h)，年燃氣供暖耗熱量為(2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)。汪穎[9]比較了家用燃氣供暖熱水爐用氣量的兩種計算方法，結(jié)果顯示采用燃具同時工作系數(shù)法計算出的用氣量明顯偏大，采用供暖熱指標法計算出的用氣量為前者的50%，更適用于實際工程計算。針對燃氣供暖熱水爐供暖的經(jīng)濟效益問題，韓剛等人[10]以鄭州地區(qū)供熱面積約為300 m2的燃氣供暖熱水爐為例，利用熱經(jīng)濟學方法對燃氣供暖熱水爐的供暖和生活熱水系統(tǒng)進行了分析，結(jié)果表明在天然氣價格為1.6元/m3，電價為0.56元/(kW·h)時，燃氣供暖熱水爐具有經(jīng)濟可行性。

部分學者對天然氣負荷預測進行了研究。鄒文波[11]以北京首都機場2012—2013年供暖期燃氣日負荷和大氣溫度作為樣本，建立了基于日最高溫和最低溫的燃氣日負荷的一元線性回歸預測模型。通過模型分析與驗證，認為以日最高溫為自變量的預測模型可以較為精確地預測首都機場的燃氣日負荷。王富平等人[12]以烏魯木齊為例對城市天然氣供暖進行價值評估，結(jié)果表明天然氣供暖的環(huán)境價值較高，但烏魯木齊市天然氣現(xiàn)行價格未能體現(xiàn)天然氣供暖利用價值，并認為提升熱力企業(yè)的天然氣價格承受力是理順天然氣供暖產(chǎn)業(yè)鏈價格水平，確保天然氣供暖市場健康發(fā)展的關(guān)鍵。此外，Zeng Q等人[13]以最大限度利用可再生能源的同時，盡量減少綜合系統(tǒng)的運營成本為目標，建立綜合模型對電力、燃氣和區(qū)域供熱系統(tǒng)的聯(lián)合運行進行優(yōu)化設(shè)計。

綜上，目前有關(guān)南方供暖的現(xiàn)狀及技術(shù)方面的探討頗為廣泛，同時對于天然氣供暖的可行性、燃氣負荷及利用率等方面也有一定的探索。然而對于南方居住建筑供暖天然氣負荷變化的研究較少。南方供暖對天然氣負荷變化有著重要影響，同時對天然氣管網(wǎng)的運行調(diào)節(jié)具有重要意義。因此，本文針對南方供暖代表性城市武漢的居住建筑供暖對天然氣負荷變化的影響進行了模擬研究。首先，建立DeST居住建筑模型；其次，模擬不同供熱間歇運行模式下的供熱量面積指標，分析天然氣供暖能耗；最后，計算天然氣供暖負荷。本文研究工作將有助于明確南方供暖對燃氣負荷變化的影響，從而為相應對策制定提供理論支持。

2 居住建筑模型的建立

2.1 典型居住建筑介紹

本研究采用DeST軟件對居住建筑建模，并對該模型進行能耗模擬分析。據(jù)武漢市統(tǒng)計局統(tǒng)計，武漢市2017年城鎮(zhèn)居民人均住房面積為32.47 m2/人，以此作為參考，選取武漢市某居民樓為研究對象，該樓人均住房面積約為30 m2/人，共6層，每層6戶(戶型均相同，見圖1)，層高3.6 m，體形系數(shù)0.30，總建筑面積為2 845 m2，南北窗墻比0.24。

圖1 建筑每戶的戶型

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

① 建筑內(nèi)擾

根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標準》及參考DeST數(shù)據(jù)，以及房間功能，設(shè)置建筑內(nèi)擾，包括人員內(nèi)擾、照明內(nèi)擾及設(shè)備內(nèi)擾，具體設(shè)置見表1～3，表中沒載明的時間段概率為0，表1中的百分數(shù)表示滿員人數(shù)出現(xiàn)在某房間的概率。

② 圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置

參考GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，武漢地區(qū)建筑供暖房間主臥、次臥、客廳的室內(nèi)供暖設(shè)計溫度取18 ℃。

圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置參考JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》以及武漢市實際建筑，并根據(jù)建筑體形系數(shù)、窗墻比對應的圍護結(jié)構(gòu)限值，設(shè)置居住建筑模型的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)?？紤]到武漢市實際居住建筑供暖的多樣性，分別對3種不同間歇運行模式下的天然氣供暖進行模擬，模擬的時間段為11月1日至次年4月1日。建筑模型圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表4。外窗傳熱系數(shù)為2.40 W/(m2·K)，遮陽系數(shù)為0.56，可見光透射比為58%。

表1 各功能房間人員分布

表2 各功能房間照明分布

表3 各功能房間設(shè)備功率分布

表4 建筑模型圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

在DeST軟件中輸入上述條件，并結(jié)合軟件自帶武漢市氣象參數(shù)，模擬得到供熱量指標，進而計算得到天然氣耗氣量。

2.3 間歇運行模式

根據(jù)居民一般生活習慣及作息情況，設(shè)置3種供暖系統(tǒng)間歇運行模式：

模式Ⅰ：0:00—4:00，7:00—11:00，13:00—17:00停止運行，其他時間系統(tǒng)運行；

模式Ⅱ：0:00—4:00，7:00—15:00停止運行，其他時間系統(tǒng)運行；

模式Ⅲ：7:00—17:00停止運行，其他時間系統(tǒng)運行。

3 模擬結(jié)果分析

對武漢市居住建筑模型上述3種間歇運行模式進行能耗模擬，得到供熱量指標，見表5。

表5 3種運行模式的供熱量指標

由表5可知，在3種運行模式中，模式Ⅱ全年累計供熱量單位面積指標最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。考慮建筑節(jié)能的不斷推進，結(jié)合武漢市實際建筑，本文選擇運行模式I的結(jié)果作為分析對象。

3.1 供熱量分析

以模式Ⅰ為分析對象，選取室外氣溫較低的1月份供熱量進行分析。該居住建筑1月份供熱量變化見圖2。

圖2 模式Ⅰ1月份逐日供熱量與日均室外溫度的關(guān)系

由圖2可以看出，逐日供熱量變化趨勢與日均室外溫度變化趨勢相反，日均室外溫度出現(xiàn)低谷時，逐日供熱量出現(xiàn)高峰。居住建筑的逐日供熱量在1月23日達到最大，為1 198 kW。

圖3 歷月日均供熱量

圖3給出了歷月日均供熱量分布。天然氣供暖主要集中在11月到次年4月，從11月到次年1月，日均供熱量呈現(xiàn)上升趨勢；從1月到4月，日均供熱量逐漸下降，整體與季節(jié)相關(guān)，符合實際情況。1月日均供熱量最大，為744.7 kW。1月武漢室外溫度較低，因此該供熱量與室外溫度變化相契合。由此也可得到全年各月份日均天然氣供暖用氣量的變化情況，其變化趨勢與日均供熱量變化一致。

該居住建筑全年的供熱量變化見圖4。全年的平均供熱量為46 kW。全年的供熱量集中在冬季，供熱量最高接近200 kW，最低不足10 kW。整體上，室外溫度低，相應的供熱量也較高。

圖4 居住建筑全年供熱量變化

3.2 天然氣負荷分析

夏熱冬冷地區(qū)天然氣供暖多采用供暖熱水爐，供暖熱水爐供暖的天然氣耗量可由式(1)計算：

(1)

式中V——天然氣耗量，m3

Q——供應的熱量，kJ

Ql——天然氣的低熱值，kJ/m3

ηb——供暖熱水爐熱效率，取85%

ηs——系統(tǒng)熱效率，取90%

武漢市天然氣的低熱值為33.49 MJ/m3。根據(jù)公式(1)結(jié)合模型I的供熱量模擬結(jié)果，可計算得到居住建筑用供暖熱水爐進行供暖的天然氣供應參數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 模型I供暖熱水爐供暖的天然氣供應參數(shù)

結(jié)合公式(1)與表5，對運行模式Ⅱ、模式Ⅲ下的全年累計天然氣負荷進行計算，結(jié)果見表7。

表7 不同模式下的全年累計天然氣負荷

由表7可以看出，采用運行模式Ⅱ全年累計天然氣負荷最小，較為節(jié)能，經(jīng)濟效益較好，運行模式Ⅲ全年累計天然氣負荷最大，運行模式Ⅰ居中。

文獻[8]對天津地區(qū)城市供暖用氣的研究結(jié)果表明，年平均燃氣供暖耗熱指標為71.06～81.26 kJ/(m2·h)，折合年供暖耗熱量(2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)，其全年累計天然氣負荷單位面積指標為5.7～6.5 m3/(m2·a)。與運行模式Ⅰ下全年累計天然氣負荷單位面積指標3.73 m3/(m2·a)相比，武漢地區(qū)供暖燃氣耗量較低，符合實際情況。

4 結(jié)論

通過DeST軟件建模進行武漢市某居住建筑供暖能耗模擬，通過設(shè)置建筑內(nèi)擾和圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合DeST軟件自帶的武漢市氣象參數(shù)，模擬得到3種供暖系統(tǒng)間歇運行模式下該居住建筑的供熱量。根據(jù)武漢市天然氣參數(shù)，計算得到該建筑供暖對應的天然氣用氣量，其結(jié)果可作為天然氣負荷預測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明：

① 在3種間歇運行模式中，模式Ⅱ全年累計供熱量單位面積指標最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。

② 以間歇運行模式Ⅰ為分析對象，模擬得到1月份逐日供熱量與日均室外溫度的關(guān)系曲線、1月份供熱量最大日的逐時供熱量、歷月日均供熱量以及全年供熱量。

③ 在間歇運行模式Ⅰ下，該居住建筑的逐日供熱量在1月23日達到最大，為1 198 kW。天然氣供暖主要集中在11月到次年4月，從11月到次年1月，日均供熱量呈現(xiàn)上升趨勢；1月到4月，日均供熱量逐漸下降，整體與季節(jié)相關(guān)，符合實際情況。1月日均供熱量最大，為744.7 kW。該居住建筑全年平均供熱量為46 kW。該居住建筑全年累計供熱量單位面積指標及戶均指標分別為26.6 kW·h/m2及2 099.5 kW·h/戶。

④ 全年累計天然氣負荷單位面積指標為3.73 m3/m2，全年累計天然氣負荷戶均指標為295 m3/戶。