幾種分散式采暖方式的特點探討

山東華宇工學院山東省潔凈空調工程技術研發(fā)中心 ■ 趙玉磊 劉春花

0 引言

多年來，我國長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)冬季清潔取暖試點工作政策的落實，在市場上涌現出多種新型采暖設施，多適用于分散式供暖。區(qū)域供暖也叫集中供暖，具有技術成熟、系統(tǒng)安全可靠、用戶使用方便且收費低的優(yōu)點，但其他存在系統(tǒng)龐大、占地廣、建設周期長、成本高、長距離運輸使管路熱量損耗大等缺點。分散式供暖可為不便于進行區(qū)域供暖的用戶解決取暖問題，具有系統(tǒng)安裝簡便、隨時啟停的優(yōu)點，其還可以根據需要單獨調節(jié)某個房間溫度或單獨啟停，因此，分散式供暖具有廣闊的市場[1]。

本文針對市場上常見的幾種分散式采暖方式進行了介紹，闡述了各種方式的特點，并以山東省濟南地區(qū)某100 m2的農村建筑為例，對不同采暖方式的設備(包含管路、散熱設備、水泵等系統(tǒng)運行必需的設備)成本及采暖期運行成本進行了測算。

1 5種分散式采暖方式

山東省濟南地區(qū)某100 m2農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；建筑采暖熱負荷按60 W/m2估算，整個建筑平均每天需要的熱量約為1.23×106kcal，采暖期為120天。

目前市場上常見的幾種分散式采暖方式分別為：燃氣壁掛爐、空氣源熱泵、生物質采暖、太陽能采暖、電暖器，下文將分別進行闡述。

1.1 燃氣壁掛爐

燃氣壁掛爐最早起源于歐洲，使用至今已有上百年。燃氣壁掛爐全稱為“壁掛式燃氣采暖熱水爐”，隨著政策引領，國產品牌發(fā)展速度很快。由于此類產品技術成熟、安全可靠且價格低，其已成為國內“氣代煤”的依托產品[2]。

1)優(yōu)點：該采暖方式的設備體積小，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。燃氣壁掛爐的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燃氣壁掛爐的系統(tǒng)原理圖

2)缺點：①使用燃氣壁掛爐的費用受天然氣價格波動及供應能力的影響；②天然氣燃燒及水泵工作時會有噪音；③天然氣燃燒時會有氮氧化合物產生，造成空氣污染；④由于使用天然氣及采暖系統(tǒng)帶壓運行，在使用前或采暖期結束后，最好請專業(yè)人員進行檢修和維護。

3)設備成本：7000～11000元。

4)采暖期運行成本：1 m3天然氣的熱值約為8500 kcal，不考慮系統(tǒng)效率，本案例中燃氣壁掛爐平均每天消耗的天然氣量約為14.47 m3。濟南市的天然氣價格為3.3元/m3，在不考慮水泵耗電的情況下，整個采暖期的運行成本為5730元。

1.2 空氣源熱泵

熱泵技術可以將低位熱源的熱能轉化到高位熱源[3]，其原理是先從自然界的空氣、水或土壤等介質中提取低品位熱能，經過壓縮機做功，轉化為高品位熱能，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3～5。但由于受到土地與水源的限制，因此國家“電代煤”政策的主要依托產品是空氣源熱泵。

1)優(yōu)點：相比于其他熱泵機組，空氣源熱泵機組安裝簡便，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、采暖三聯供，一臺機器實現多種功能。

圖2 空氣源熱泵的系統(tǒng)原理圖

2)缺點：①空氣源熱泵的室外機體積較大，重量較重，因此對安裝位置的要求較高；②空氣源熱泵一般需要緩沖水箱，會占用室內空間；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”的現象；④設備運行時，存在一定的噪音。

3)設備成本：15000～30000元。

4)采暖期運行成本：結合實際工程經驗，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，整個采暖期的總耗電量為6168 kWh。根據山東省相關政策規(guī)定，冬季采暖高峰期(08:00～20:00)的電價為0.5769元/kWh，低谷期(20:00～次日08:00)的電價為0.3769元/kWh。由于冬季采暖期時的夜間氣溫比白天低，設備夜間能耗增加，因此夜間和白天的能耗比按5:3計算，本案例整個采暖期的運行成本為2787元。

1.3 生物質采暖

生物質發(fā)電、生物質成型燃料、生物質燃氣、生物液體燃料是目前生物質能源商業(yè)化應用的4類技術路線，其中，生物質成型燃料是唯一不用經過復雜的二次能源轉化，能以較低的能耗和較小投入實現大規(guī)模商業(yè)化應用的技術。根據原料特點、儲運要求和應用方式，生物質成型燃料主要分為生物質顆粒燃料、生物質壓塊燃料2類產品，目前市場需求和技術趨勢以生物質顆粒燃料為主。

生物質顆粒燃料是以農業(yè)生產過程中的農作物廢棄物(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備擠壓成型[4]。1930年左右，美國科學家開始研究生物質燃料成型加工技術及與之相配套的燃燒設備；1970年后，歐洲一些國家，如芬蘭、德國等，也開始了相關技術的研究[5]；我國生物質顆粒加工及燃燒鍋爐的研究開始于20世紀80年代中期，目前也已有很多專門的燃料成型及燃燒設備生產廠家。

生物質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取暖爐由給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等幾大部分組成。生物質顆粒取暖爐分為熱風式和水暖式，熱風式是通過鼓風機將生物質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行散熱。2種方式都可以滿足單戶農村家庭及城鎮(zhèn)門市的取暖和生活熱水需求。水暖式生物質顆粒取暖的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 水暖式生物質顆粒取暖的系統(tǒng)示意圖

1)優(yōu)點：生物質取暖的操作簡單、安全可靠、熱效率高、燃燒完全、無煙塵、節(jié)能環(huán)保；系統(tǒng)點火啟動僅需幾分鐘，且可以自動點火、自動送料，一次加料可運行15～30 h。

2)缺點：①設備體積偏大；②運行時有一定噪音；③每天需要添加生物質顆粒燃料并清理灰塵；④生物質顆粒燃料的品質會影響采暖系統(tǒng)的使用效果。

3)設備成本：國產水暖式取暖爐約為7000～9000元。

4)采暖期運行成本：每kg生物質雜木顆粒燃料的發(fā)熱量約為4000 kcal，平均每天的消耗量為30.75 kg；考慮到農村實際情況，晚上要封爐子，所以按照平均每天消耗量的80%計算燃料用量；生物質雜木顆粒燃料的市場價約為1200元/t，整個采暖期生物質顆粒的燃料消耗量為2952 kg，計為3 t。因此，本案例整個采暖期的運行成本為3600元。

1.4 太陽能采暖

太陽能采暖是指利用太陽能集熱裝置將太陽能轉換成熱能，供建筑物冬季采暖的一種方式。太陽能可以作為供暖系統(tǒng)的唯一熱源，也可以增加電、燃氣等其他輔助熱源。將分散的太陽能轉化為熱能的裝置是太陽能集熱器，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，太陽能空氣集熱器采暖的系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 太陽能空氣集熱器采暖的系統(tǒng)原理圖

1)優(yōu)點：太陽能采暖的節(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：①需要有足夠的面積來安裝太陽能集熱器；②太陽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要有儲熱水箱及輔助熱源；⑤與非采暖期的得熱量遠大于生活用熱，會造成系統(tǒng)過熱，降低產品壽命[6]。

3)設備成本：在太陽能供暖保證率達到50%的情況下，1 m2的太陽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，整個系統(tǒng)的價格為30000～50000元。

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

1.5 電暖器

電采暖是將電能直接轉化成熱能的裝置，主要產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低谷時段的低價電能轉化為熱能取暖，并將大部分熱能進行儲存，然后在電價較高時將儲存的熱量釋放出來，以實現全天室內供暖，儲熱時間一般約為8 h[7]。蓄熱式電暖器和分體式電暖器是當前農村使用最多的產品，而電壁掛爐和電地暖由于價格較高且安裝復雜，使用較少。

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

2)缺點：①由于幾種電暖器產品的能耗都較高，電力設施承受能力會限制產品的推廣數量；②蓄熱式電暖器為了保證可全天使用，需提高儲熱能力，導致此類產品體積偏大、重量偏重。

3)設備成本：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)采暖期運行成本：整個采暖期的節(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)的技術方案，即全部采用谷電的情況，整個采暖期的運行成本為6560元。

2 建議

綜上所述，每種采暖方式都有自己的特點，用戶可以根據各自的地理位置、氣候狀況、建筑特點、安裝條件、政府政策等多方面因素進行綜合考慮，選擇適合當地使用的產品。

盡快發(fā)展分散式清潔能源采暖，對于改善大氣質量、提高人民的生活水平具有重要的作用。現在各級政府對于“電代煤”“氣代煤”有較為明確的優(yōu)惠減免補償政策，但對生物質采暖還未有具體的支持政策，希望政府盡快出臺相關的支持政策。

建議政府結合當地的具體情況，選擇適合的、可持續(xù)的采暖方式，不可“一刀切”，以免因為斷氣、少電造成設備不能使用的情況再次發(fā)生。

3 總結

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