几种分散式采暖方式的特点探讨

2020-01-01山东华宇工学院山东省洁净空调工程技术研发中心赵玉磊刘春花

太阳能 2019年12期

山东华宇工学院山东省洁净空调工程技术研发中心 ■ 赵玉磊刘春花

0 引言

多年来，我国长江以北居民主要依靠燃煤取暖。虽然燃煤取暖成本低，但其带来的环保问题却不容忽视。随着北方地区冬季清洁取暖试点工作政策的落实，在市场上涌现出多种新型采暖设施，多适用于分散式供暖。区域供暖也叫集中供暖，具有技术成熟、系统安全可靠、用户使用方便且收费低的优点，但其他存在系统庞大、占地广、建设周期长、成本高、长距离运输使管路热量损耗大等缺点。分散式供暖可为不便于进行区域供暖的用户解决取暖问题，具有系统安装简便、随时启停的优点，其还可以根据需要单独调节某个房间温度或单独启停，因此，分散式供暖具有广阔的市场[1]。

本文针对市场上常见的几种分散式采暖方式进行了介绍，阐述了各种方式的特点，并以山东省济南地区某100 m2的农村建筑为例，对不同采暖方式的设备(包含管路、散热设备、水泵等系统运行必需的设备)成本及采暖期运行成本进行了测算。

1 5种分散式采暖方式

山东省济南地区某100 m2农村建筑的外墙有厚度为25 mm的聚氨酯保温层，采用塑钢门窗，双层中空玻璃；建筑采暖热负荷按60 W/m2估算，整个建筑平均每天需要的热量约为1.23×106kcal，采暖期为120天。

目前市场上常见的几种分散式采暖方式分别为：燃气壁挂炉、空气源热泵、生物质采暖、太阳能采暖、电暖器，下文将分别进行阐述。

1.1 燃气壁挂炉

燃气壁挂炉最早起源于欧洲，使用至今已有上百年。燃气壁挂炉全称为“壁挂式燃气采暖热水炉”，随着政策引领，国产品牌发展速度很快。由于此类产品技术成熟、安全可靠且价格低，其已成为国内“气代煤”的依托产品[2]。

1)优点：该采暖方式的设备体积小，安装方便，随开随用，水流量大，水温恒定，能满足别墅和多居室的采暖，以及家庭24 h生活热水的需求。燃气壁挂炉的系统原理图如图1所示。

图1 燃气壁挂炉的系统原理图

2)缺点：①使用燃气壁挂炉的费用受天然气价格波动及供应能力的影响；②天然气燃烧及水泵工作时会有噪音；③天然气燃烧时会有氮氧化合物产生，造成空气污染；④由于使用天然气及采暖系统带压运行，在使用前或采暖期结束后，最好请专业人员进行检修和维护。

3)设备成本：7000～11000元。

4)采暖期运行成本：1 m3天然气的热值约为8500 kcal，不考虑系统效率，本案例中燃气壁挂炉平均每天消耗的天然气量约为14.47 m3。济南市的天然气价格为3.3元/m3，在不考虑水泵耗电的情况下，整个采暖期的运行成本为5730元。

1.2 空气源热泵

热泵技术可以将低位热源的热能转化到高位热源[3]，其原理是先从自然界的空气、水或土壤等介质中提取低品位热能，经过压缩机做功，转化为高品位热能，从而供人们使用。按热源种类不同，热泵可分为空气源热泵、水源(地下水、污水、地表的河流、湖泊和海洋)热泵、土壤源热泵等。由于热泵的初始热能源于空气、水或土壤中，所以其制热能效比(COP)均大于1。其中，土壤源热泵及水源热泵的热源温度全年较为恒定，所以这2种方式的COP可达3～5。但由于受到土地与水源的限制，因此国家“电代煤”政策的主要依托产品是空气源热泵。

1)优点：相比于其他热泵机组，空气源热泵机组安装简便，其系统原理图如图2所示。除可以采暖外，空气源热泵还可以做到制冷、供热水、采暖三联供，一台机器实现多种功能。

图2 空气源热泵的系统原理图

2)缺点：①空气源热泵的室外机体积较大，重量较重，因此对安装位置的要求较高；②空气源热泵一般需要缓冲水箱，会占用室内空间；③随着室外温度的下降，空气提供的热量减少，COP降低，因此造成“天气越冷，采暖效果越差”的现象；④设备运行时，存在一定的噪音。

3)设备成本：15000～30000元。

4)采暖期运行成本：结合实际工程经验，空气源热泵的COP取2.8。系统平均每天的耗电量为51.4 kWh，整个采暖期的总耗电量为6168 kWh。根据山东省相关政策规定，冬季采暖高峰期(08:00～20:00)的电价为0.5769元/kWh，低谷期(20:00～次日08:00)的电价为0.3769元/kWh。由于冬季采暖期时的夜间气温比白天低，设备夜间能耗增加，因此夜间和白天的能耗比按5:3计算，本案例整个采暖期的运行成本为2787元。

1.3 生物质采暖

生物质发电、生物质成型燃料、生物质燃气、生物液体燃料是目前生物质能源商业化应用的4类技术路线，其中，生物质成型燃料是唯一不用经过复杂的二次能源转化，能以较低的能耗和较小投入实现大规模商业化应用的技术。根据原料特点、储运要求和应用方式，生物质成型燃料主要分为生物质颗粒燃料、生物质压块燃料2类产品，目前市场需求和技术趋势以生物质颗粒燃料为主。

生物质颗粒燃料是以农业生产过程中的农作物废弃物(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、葵秆、豆秸和棉秆等)，以及林业抚育、木材加工过程中的树枝、板皮、木屑和截头等剩余物为原料，通过压辊和压模等设备挤压成型[4]。1930年左右，美国科学家开始研究生物质燃料成型加工技术及与之相配套的燃烧设备；1970年后，欧洲一些国家，如芬兰、德国等，也开始了相关技术的研究[5]；我国生物质颗粒加工及燃烧锅炉的研究开始于20世纪80年代中期，目前也已有很多专门的燃料成型及燃烧设备生产厂家。

生物质颗粒燃料要在专用的炉具中燃烧。分散式采暖中使用的小型生物质取暖炉由给料系统、燃烧系统、送风系统、水循环系统和自动控制系统等几大部分组成。生物质颗粒取暖炉分为热风式和水暖式，热风式是通过鼓风机将生物质颗粒燃料燃烧的热量送入取暖环境中，水暖式是指以燃烧生物质颗粒来加热换热器中的水，然后通过循环管路将热量带到地暖或散热器中进行散热。2种方式都可以满足单户农村家庭及城镇门市的取暖和生活热水需求。水暖式生物质颗粒取暖的系统示意图如图3所示。

图3 水暖式生物质颗粒取暖的系统示意图

1)优点：生物质取暖的操作简单、安全可靠、热效率高、燃烧完全、无烟尘、节能环保；系统点火启动仅需几分钟，且可以自动点火、自动送料，一次加料可运行15～30 h。

2)缺点：①设备体积偏大；②运行时有一定噪音；③每天需要添加生物质颗粒燃料并清理灰尘；④生物质颗粒燃料的品质会影响采暖系统的使用效果。

3)设备成本：国产水暖式取暖炉约为7000～9000元。

4)采暖期运行成本：每kg生物质杂木颗粒燃料的发热量约为4000 kcal，平均每天的消耗量为30.75 kg；考虑到农村实际情况，晚上要封炉子，所以按照平均每天消耗量的80%计算燃料用量；生物质杂木颗粒燃料的市场价约为1200元/t，整个采暖期生物质颗粒的燃料消耗量为2952 kg，计为3 t。因此，本案例整个采暖期的运行成本为3600元。

1.4 太阳能采暖

太阳能采暖是指利用太阳能集热装置将太阳能转换成热能，供建筑物冬季采暖的一种方式。太阳能可以作为供暖系统的唯一热源，也可以增加电、燃气等其他辅助热源。将分散的太阳能转化为热能的装置是太阳能集热器，其主要包括平板集热器、真空管集热器和空气集热器3种。其中，太阳能空气集热器采暖的系统原理图如图4所示。

图4 太阳能空气集热器采暖的系统原理图

1)优点：太阳能采暖的节能效果好，完全无污染，可最大效率地利用太阳能，节约能源；而且在满足采暖需求之余，还能提供大流量的生活热水。

2)缺点：①需要有足够的面积来安装太阳能集热器；②太阳能空气集热器不能有遮挡；③系统的热量输出受天气变化的直接影响；④要有储热水箱及辅助热源；⑤与非采暖期的得热量远大于生活用热，会造成系统过热，降低产品寿命[6]。

3)设备成本：在太阳能供暖保证率达到50%的情况下，1 m2的太阳能空气集热器吸收的热量可以供5～8 m2建筑面积用热，因此，100 m2的建筑约需20 m2的太阳能空气集热器，再加上水箱、循环水泵、控制系统及辅助能源，整个系统的价格为30000～50000元。

4)采暖期运行成本：太阳能采暖系统的社会效益高，但因太阳能的保证率有限，需其他能源做补充；由于太阳能保证率不同，辅助能源的选择也会不同，而辅助能源的运行成本会影响太阳能采暖系统的运行成本。因此，由于太阳能采暖系统较为复杂，投资较高，若地方政府无明确的支持政策，不建议大规模应用。

1.5 电暖器

电采暖是将电能直接转化成热能的装置，主要产品包括分体式电暖器、电壁挂炉、蓄热式电暖器、电地暖。其中，蓄热式电暖器可将电网低谷时段的低价电能转化为热能取暖，并将大部分热能进行储存，然后在电价较高时将储存的热量释放出来，以实现全天室内供暖，储热时间一般约为8 h[7]。蓄热式电暖器和分体式电暖器是当前农村使用最多的产品，而电壁挂炉和电地暖由于价格较高且安装复杂，使用较少。

1)优点：分体式电暖器价格低，体积小，可随意安置及移动；蓄热式电暖器可充分利用谷电，节约费用。

2)缺点：①由于几种电暖器产品的能耗都较高，电力设施承受能力会限制产品的推广数量；②蓄热式电暖器为了保证可全天使用，需提高储热能力，导致此类产品体积偏大、重量偏重。

3)设备成本：分体式电暖器的成本为1000～1500元，蓄热式电暖器的成本为5000～8000元。

4)采暖期运行成本：整个采暖期的节电量为17280 kWh。若本案例选择采用蓄热式电暖器，按照最优的技术方案，即全部采用谷电的情况，整个采暖期的运行成本为6560元。