燃气壁挂炉分户采暖室内温度环境和能耗研究

2018-04-19

节能技术 2018年2期

(北京市住房和城乡建设科学技术研究所，北京 100021)

0 引言

寒冷和严寒地区城镇居住建筑能耗包括两部分：采暖能耗和除采暖外能耗。在城镇居住建筑中，供暖方式主要包括：市政热力集中供暖、锅炉房集中供暖、分户采暖。据统计，2014年我国北方城镇供暖面积达126亿m2，供暖能耗折合1.84亿tce[1]。20世纪末，北京市开始加快天然气基础设施建设、进行清洁能源的应用推广，分户燃气采暖出现并逐渐发展成为城镇分户采暖的主要方式，在城镇供暖中占据一定地位。而在北京市城镇分户燃气采暖中，热源设备以采暖用燃气壁挂炉为主，其采暖应用效果影响着相当部分城镇居民的日常生活。近些年，陆续有文献[2-5]对燃气壁挂炉采暖从不同角度开展研究，促进了该领域的技术应用发展。但现有文献中，基本未结合城镇居住建筑的节能设计、未考虑冬季除采暖外天然气耗量，一定程度影响了燃气壁挂炉采暖效果和采暖能耗的研究。本文基于燃气壁挂炉分户采暖和北京城镇节能居住建筑的融合，就典型用户的冬季天然气日消耗、室内外温度状况等进行了实测分析，并进行了分户采暖耗气量调研和燃气壁挂炉抽样实验室热效率测试，研究燃气壁挂炉分户采暖的应用效果，分析分户天然气采暖的能耗水平和节能潜力，促进燃气壁挂炉采暖及相关设施进一步向合理、高效、节能方向发展。

1 北京城镇分户天然气采暖的应用

北京市在大规模引入天然气后，分户燃气采暖作为一种便捷灵活的采暖方式，有了发展的空间。2003年，北京市居民住宅清洁能源分户自采暖补贴办法实施，而北京市居住建筑三步节能设计标准[6]是2004年实施的，故在北京市城镇采用大气式燃气壁挂炉采暖的居住建筑中，有一定数量是按照二步节能设计标准建造的。另，燃气壁挂炉分户采暖在北京市的规模化使用是在二步节能设计标准[7]发布之后，故按照二步节能设计标准建造的居住建筑，是燃气壁挂炉分户采暖在北京市城镇规模化应用的节能设计标准最低的居住建筑。因此，以二步节能设计的居住建筑作为分户燃气采暖的研究对象，基本是分析了燃气壁挂炉供暖在北京市城镇分户天然气采暖应用中环境最不利的情况。

2 分户天然气采暖典型用户实测

选取北京市城镇普通商品房住宅小区中占多数的两居室作为典型用户分析对象，其所属楼栋是执行二步节能设计标准批量建设的居住建筑之一，采用大气式燃气壁挂炉分户采暖，是极具代表性规模化应用的分户天然气采暖案例。典型用户的房屋建筑面积90 m2，采暖用燃气壁挂炉额定供暖热输出功率18.6 kW，使用年限近10年。测试和记录开始于11月15日，结束于次年3月15日，覆盖整个采暖期。

由于通常家庭用户的使用端只安装一块日用天然气计量表，在实测中使用该计量表记录天然气日消耗就包含了除采暖外耗气量。为减除它对采暖天然气日耗量的影响，在供暖季结束后的一个月，继续分析了家庭天然气日耗量。此段时间，天然气耗量只是生活热水和炊事的消耗。由于供暖季刚刚结束、环境温度变化的连续性，故生活热水的需求变化趋势与供暖季差别不大；另外在北京普通居民家庭中，天然气耗量与气温的变化相关度不大。因此，通过这段时期的天然气日耗量分析，可得出采暖期间的家庭用户除采暖外天然气日耗量。

2.1 分户天然气采暖效果

通过分户天然气采暖典型用户的测试和记录，获得在采暖期室内、室外日平均温度变化，及相应天然气日消耗量的变化，见图1。可见，冬季室外环境的日均温度变化幅度较大，最高15.3℃，最低-4.4℃，温度差19.7℃；但南向和北向的两个卧室室内日均温度变化幅度均不大，在22.8～18.2℃之间，满足家庭的室内环境温度的要求[8-9]。为进一步研究室外温度环境对分户天然气采暖家庭室内温度的影响，选择本采暖季的最冷日，即室外环境平均温度最低日，对一天内的室内、外温度变化进行了分析，见图2可知，最冷日的室外环境昼夜温差达20.7℃，其中白天温度变化幅度较大，夜间基本在零度以下。但在用户室内，全天室内温度变化幅度不大，保持在17.2～20.2℃之间，南向、北向两个卧室的室内日均温度分别为19.4℃、18.2℃，其中南向卧室最冷日室内温度一直处于18℃以上。由此，使用燃气壁挂炉进行分户采暖可以满足二步节能居住建筑冬季的室内采暖需求。

由图1可见， 12月3日和4日用户耗气量大幅下降，此系燃气壁挂炉出现自动控制装置故障，在等待维修期间，用户进行手动控制加热采暖； 12月18日～20日耗气量下降更多，此系采暖用燃气壁挂炉再次出现故障并停止运转所致，这个期间的耗气主要是炊事用气，含有低量的生活热水用气。虽然燃气壁挂炉故障，但可以发现在这两个期间室内温度没有明显的大幅度降低，原因一方面是用户在此期间采取了减少开窗通风时间、辅以电采暖等措施，另一方面得益于户间内墙体的传热及建筑围护结构保温的作用。测试期间发现，室内屋顶某处的温度保持在32～37℃，经分析，是楼上用户暖气、热水地埋管经过的位置。根据12月18日～20日故障停运的测试，也可看出，对于采用二步节能设计标准建造的分户天然气采暖居住建筑，在北京地区采暖季，当燃气壁挂炉故障停用最多一昼夜后，如要保持室内温度在18℃的水平，就需要辅助采暖。

图1 日均温度和天然气日耗量

图2 最冷日室内外温度变化

2.2 开窗通风对分户采暖的影响

选择供暖季室外环境平均温度最高日，对用户开窗通风过程的室内、外温度变化进行分析，见图3和图4。

可见，用户开窗通风时，冷空气大量进入，室内温度呈现较快的下降趋势；关闭窗户后，室内温度得以较快的恢复。一方面，关窗后仅存相对少量的冷风渗透；另一方面，此时室内温度低于开窗前，供暖末端散热速度增大，供暖系统回水温度下降加快，而用户的大气式燃气壁挂炉是根据供回水温度来控制加热启停的，因此其热输出功率提高，具有一定自适应性。此外，从图3也可见，随白天太阳辐射强度的上升，阳光房的效果使处于南面向阳卧室的室内温度最终超过了处于北面向阴的卧室。

图3 开窗通风室内温度变化

图4 开窗通风室外环境温度变化

2.3 分户天然气采暖耗气量

图1中，天然气日耗量包括采暖耗量和除采暖外耗量，供暖期结束后一个月用户的天然气日耗量见图5，可见生活热水、炊事日天然气耗量在0.94～1.1 m3范围内变化，相对变化率不超过8%。将这一个月的天然气日耗量做移动平均计算[10]，移动时段长度取8天，见图6，可发现，生活热水、炊事的日天然气耗量在这个月呈逐渐下降的趋势，其原因主要是因季节性气温逐渐升高，生活热水负荷逐渐下降造成的。

由此，进行变化趋势前推，并以最冷日为除采暖外天然气日耗量的峰值点，可得出采暖期生活热水、炊事的日均天然气耗量为1.06 m3。

图5 生活热水和炊事天然气日耗量

图6 生活热水和炊事天然气耗量八日移动平均值

忽略除采暖外耗量日变化的影响，采暖期间用户采暖日耗气量即为采暖期天然气日总耗量减去日均生活热水、炊事天然气耗量。由此，采暖季用户采暖用天然气日耗量的变化见图7。

图7 采暖用天然气日耗量

由图1和图7可见，总体趋势上，日采暖用天然气消耗量随着室外气温的降低而加大、升高而减少。大气式采暖用燃气壁挂炉根据供回水温度进行加热控制的方式，可在一定程度上自适应调整输出功率。室内采暖的温度环境维持在较为恒定的水平。

3 分户天然气采暖能耗分析

由以上典型用户实测得到的采暖用天然气日耗量可得出，该用户冬季采暖用天然气总耗量为681 m3，日均耗量5.36 m3。在供暖期间，用户的采暖设备因故障存在非正常停用时段，如按正常使用进行考虑，停用时段的日天然气耗量取其前后10日的均值。这样，用户的年采暖用天然气耗量为707 m3，日均耗量5.48 m3，单位面积采暖耗气量7.8 m3，折合10.37 kgce。

为了解在北京市城镇二步节能设计的居住建筑中使用大气式采暖用燃气壁挂炉的能耗水平分布状况，本文就大气式燃气壁挂炉分户采暖家庭进行了冬季采暖天然气耗量调研，样本单位面积采暖能耗分布如图8，平均单位面积采暖耗气量为8.05 m3，折合10.7 kgce，与前述典型用户测试中的采暖能耗相近。并且，样本中80%以上用户的单位面积采暖能耗不大于12.4 kgce[7]。

以上的采暖天然气耗量调研，由于居住建筑使用维护状况不同，节能性能存在差异，对热源供暖的耗气量会有一定影响。为此，本文就热源热效率进行了实验室测试，即进行在用大气式采暖用燃气壁挂炉抽样替换，将替换下来的燃气壁挂炉作为测试样本，这些样本的使用年限均高于6年。经测试，样本的热效率在83%～88%之间，见图9，基本处于同一水平上，平均热效率85.94%。

图8 采暖季各样本的单位面积采暖能耗

图9 各样本的热效率测试结果

通过以上典型用户实测、分户采暖耗气量调研、燃气壁挂炉抽样实验室效率测试，可以得出，目前北京市城镇使用大气式燃气壁挂炉进行正常分户天然气采暖的用户，大部分采暖能耗可以满足北京地区居住建筑二步节能设计采暖耗煤量要求[7]。由于北京地区居住建筑的三步节能设计标准和四步节能设计标准中，居住建筑的节能率的提升均通过建筑本身结构节能措施来实现，未提升供热系统的效率要求值，故大部分大气式采暖用燃气壁挂炉的采暖能耗也能满足现行北京市居住建筑四步节能设计标准[11]的要求。

根据热源实验室热效率测试，在用大气式采暖用燃气壁挂炉的热效率基本处于同一水平，故针对小部分用户采暖能耗较高的情况，应就热源设备、房屋节能性能、生活节能习惯等进行综合分析。

4 分户天然气采暖节能效果

在应用上，燃气壁挂炉采暖系统的供暖管道均布置在居住建筑室内，管道散热也是起到对房间供暖的作用，就供暖总体效果而言，相当于输送管网不存在热损失，即输送效率为1，利于能源的充分有效使用。

随着燃气锅炉技术的发展，在分户采暖设备上，已研发出全预混冷凝式采暖用燃气壁挂炉，其热效率最高可达到109%[4]。本文在热源热效率实验室测试中，也对该种在用燃气壁挂炉进行了抽样测试，热效率达106%。近年，我国标准根据热效率对燃气壁挂炉进行了重新分级，热效率大于95%的划为1级能效水平[12]。按照进一步促进建筑物节约资源、保护环境的《北京市推广、限制和禁止使用建筑材料目录(2014年版)》要求，如四步节能设计标准的分户采暖居住建筑采用了1级能效水平的采暖用壁挂炉，就前述典型用户，单位面积采暖耗气量至少降低0.74 m3，折合0.98 kgce，这样住宅单位面积采暖耗煤量将不大于5.32 kgce。对于建筑面积90 m2的住宅，供暖期每户可减少天然气消耗66.6 m3，节省9%以上的天然气消耗。