北京農(nóng)村地區(qū)供暖方式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

摘 要

摘要：對農(nóng)村地區(qū)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(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了分析對比。以農(nóng)村典型建筑為例，對不同供暖方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性
摘要：對農(nóng)村地區(qū)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(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了分析對比。以農(nóng)村典型建筑為例，對不同供暖方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。
關(guān)鍵詞：農(nóng)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(qū)，冬季需供暖，過去農(nóng)村居民一直延續(xù)著“燒火做飯、燒炕取暖”的習(xí)慣。近年來隨著農(nóng)村居住條件的改善，以及農(nóng)村居民對供暖舒適性需求的增強(qiáng)，更多的農(nóng)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(nóng)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(shù)農(nóng)村居民仍然保留著炕，炕分為吊炕、火炕。本文分析北京農(nóng)村地區(qū)不同供暖方式的供暖效果，比較不同供暖方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
2 供暖效果與應(yīng)用特點(diǎn)
2.1 家用燃煤鍋爐供暖
   ① 散熱器供暖
   受經(jīng)濟(jì)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(huán)進(jìn)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(huán)作用較弱，且供暖系統(tǒng)設(shè)分集水器，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加，因此一般要在鍋爐出口增設(shè)循環(huán)泵。由于農(nóng)村建筑耗熱量大，為節(jié)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(nèi)垂直方向溫度下高上低的特點(diǎn)，有利于室內(nèi)人員健康，可分室控制，節(jié)約能源[2]。對于同一地區(qū)結(jié)構(gòu)、熱工特性、供暖面積基本相同的農(nóng)村住宅建筑，對分別采用散熱器、地板輻射供暖的農(nóng)村居民室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)測。
兩種供暖方式下室內(nèi)日平均溫度隨室外溫度變化情況見圖1，連續(xù)最冷7日室內(nèi)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(nèi)日平均溫度可維持在15℃左右，對使用者熱舒適度的調(diào)查表明，該室內(nèi)溫度基本達(dá)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(nèi)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(nèi)，采用散熱器供暖的室內(nèi)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(wěn)定性，地板輻射供暖的熱穩(wěn)定性和熱舒適性更優(yōu)。
 

④ 應(yīng)用特點(diǎn)
這兩種供暖方式應(yīng)用廣泛，使用靈活。目前，農(nóng)村用戶一般專設(shè)鍋爐間或?qū)㈠仩t設(shè)置在廚房內(nèi)，改善了室內(nèi)衛(wèi)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(wèi)生條件較差，在居住密集的地區(qū)，煙氣的排放會造成當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚餄舛绕?。目前對于農(nóng)村家用燃煤鍋爐的產(chǎn)品質(zhì)量、熱效率及安裝沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不僅不利于節(jié)能，運(yùn)行中也存在一定的安全隱患。
2.2 炕
    北京地區(qū)農(nóng)村使用的炕主要分為火炕和吊炕?；鹂蛔畲筇攸c(diǎn)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(tǒng)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(xué)、流體力學(xué)原理，提高了熱效率。
    吊炕具有以下特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上盡量擴(kuò)大炕板面積，減少支撐點(diǎn)，擴(kuò)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?？惑w抬高，減少了通過地面散失的熱量，形成吊炕在室內(nèi)的雙面散熱?？簧嫌没炷涟迦〈僚鳎涌鞜崃總鬟f，提高了炕面及炕面上方空氣溫度?？惑w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(nèi)設(shè)置不同的擋板，改變煙氣在炕體內(nèi)的流道，使煙氣在炕體內(nèi)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(jīng)檢測，冬季采用吊炕供暖時室內(nèi)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(jié)構(gòu)、熱工性能、供暖面積、生活習(xí)慣相近的條件下，對單獨(dú)采用火炕、吊炕進(jìn)行供暖的農(nóng)村居民室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)測。兩種供暖方式下室內(nèi)日平均溫度隨室外溫度變化情況見圖3，在連續(xù)最冷7日室內(nèi)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(nèi)日平均溫度達(dá)到9.4℃，而采用普通火炕僅能使室內(nèi)日平均溫度維持在5.8℃。由圖4可知，采用炕供暖時，室內(nèi)溫度波動與人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)，室內(nèi)小時平均最低溫度出現(xiàn)在人們做早飯之前5：00—7：00，當(dāng)人們開始做早飯，對炕進(jìn)行加熱，室內(nèi)溫度回升，直到20：00—22：00封火后，室內(nèi)溫度又開始下降。
   吊炕與火炕主要燃用秸稈薪柴進(jìn)行供暖，在農(nóng)村中方便獲得，符合當(dāng)?shù)鼐用竦纳盍?xí)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(nóng)村能源辦公室調(diào)查結(jié)果表明，每鋪吊炕與普通火炕相比，每年可節(jié)約1210kg柴草或1382kg稻草，并且合理的吊炕設(shè)計可以使得炕保持良好的負(fù)壓運(yùn)行，降低室內(nèi)C0、C02和可吸入固體顆粒濃度，保持室內(nèi)衛(wèi)生。
2.3 不同供暖方式的供暖效果
    在北京農(nóng)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(dú)采用炕供暖只能維持設(shè)炕的房間室內(nèi)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(dāng)有炕的房間要達(dá)到農(nóng)村居民可以接受的室內(nèi)溫度14℃時，通過計算，炕可承擔(dān)70%的熱量，散熱器承擔(dān)30%的熱量。
    在建筑結(jié)構(gòu)、熱工性能、供暖面積、生活習(xí)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(nèi)小時平均溫度進(jìn)行實(shí)測。在連續(xù)最冷7日內(nèi)，采用散熱器供暖、地板輻射供暖的農(nóng)村居民室內(nèi)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(wěn)定性最好。采用散熱器+吊炕供暖的室內(nèi)溫度比采用散熱器+火炕供暖的室內(nèi)小時平均溫度高，但采用這兩種供暖方式的室內(nèi)小時平均溫度波動性較大。
3 供暖方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
    由于散熱器+吊炕供暖效果明顯優(yōu)于散熱器+火炕，而且吊炕更節(jié)約燃料，造價也低于火炕。根據(jù)生活習(xí)慣，用戶也可在多個房間設(shè)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(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。
3.1 建筑模型的建立
    以抽樣調(diào)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(shù)為0.37，建筑模型結(jié)構(gòu)見圖5，圖中數(shù)值單位為mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)見表1。按上述建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行耗熱量計算，室內(nèi)供暖設(shè)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(tǒng)供、回水溫度取80、60℃，地板輻射供暖系統(tǒng)供、回水溫度取55、45℃。
表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)
名稱
材料
傳熱系數(shù)[6～7]/(W·m-2·K-1)
外墻
370mm厚黏土磚+兩側(cè)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(jīng)濟(jì)性比較
   ① 系統(tǒng)造價
   系統(tǒng)造價包括熱源設(shè)備造價、末端散熱設(shè)備造價、輔助管材及設(shè)備造價、安裝費(fèi)。熱源設(shè)備造價包括燃煤鍋爐、炕造價；末端散熱設(shè)備造價包括散熱器、地埋管造價；輔助管材及設(shè)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(tǒng)防潮層、絕熱層造價。各種供暖方式的系統(tǒng)造價見表2。
表2 各種供暖方式的系統(tǒng)造價
供暖方式
系統(tǒng)造價/元
單位建筑面積系統(tǒng)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(yùn)行費(fèi)用
    年運(yùn)行費(fèi)用包括燃料費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)、電費(fèi)等。燃料費(fèi)主要指燃煤費(fèi)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(fèi)。電價按0.5元/(kW·h)計算。設(shè)備維護(hù)費(fèi)按系統(tǒng)造價的2%計算。各供暖方式的年運(yùn)行費(fèi)用見表3。
表3 各供暖方式的年運(yùn)行費(fèi)用
供暖方式
年運(yùn)行費(fèi)用/(元·a-1)
單位建筑面積年
運(yùn)行費(fèi)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(jié)果
    采用費(fèi)用年值法，對4種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較[8]，設(shè)定貸款年利率為8%，設(shè)備的壽命周期為20年。各種供暖方式的費(fèi)用年值計算結(jié)果見表4。
表4 各種供暖方式的費(fèi)用年值計算結(jié)果
供暖方式
費(fèi)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(jīng)濟(jì)性評價
   由表4可知，對于相同的建筑模型，最經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(tǒng)造價較高，但由于占燃料大部分的秸稈薪柴可由農(nóng)戶自己收集，因此運(yùn)行費(fèi)用大大降低，使得這種供暖方式較經(jīng)濟(jì)。地板輻射供暖與散熱器供暖相比，由于系統(tǒng)造價偏高造成經(jīng)濟(jì)性稍差。
4 結(jié)論
    ① 農(nóng)村居民對供暖方式的選擇很大程度上取決于其經(jīng)濟(jì)實(shí)力，要綜合考慮各種供暖方式的系統(tǒng)造價、年運(yùn)行費(fèi)用，不能單純考慮系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)熱穩(wěn)定性雖然不如散熱器供暖和地板輻射供暖，但按照目前農(nóng)村用戶的熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)，只要滿足室內(nèi)溫度基本要求即可，而且該方式可節(jié)約燃料，有較好的經(jīng)濟(jì)性，又符合農(nóng)村居民的生活習(xí)慣。
    ④ 地板輻射供暖可提供良好的熱穩(wěn)定性和熱舒適性，對室內(nèi)熱舒適要求較高、經(jīng)濟(jì)條件許可的用戶可以采用，但要注意系統(tǒng)設(shè)計的合理性及施工的規(guī)范性。
    ⑤ 經(jīng)濟(jì)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?xì)饧瘓F(tuán)研究院 北京 100011)