石家庄农村煤改气用户小时计算流量确定

徐维广, 石丹阳, 王传惠, 王 帅

(1.河南天伦燃气集团有限公司，河南郑州450000；2.中裕(河南)能源控股有限公司，河南郑州450000；3.中裕城市能源投资控股(深圳)有限公司，广东深圳518049)

1 概述

2017年的《政府工作报告》明确提出要打好蓝天保卫战，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上。生态环境部印发《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》及攻坚行动方案，实施范围明确为北京、天津及河南、河北、山东、山西等地的26个城市。按照中央及部委的要求，各省市陆续制定了当地的气代煤政策，对煤改气工作进行了统一部署，乡村煤改气工程正式大批量启动。

乡村供气具有用户分散、单位长度管网覆盖户数少、单位用户用气量小等特点，但用户数量巨大，导致煤改气工程投资较大，研究农村煤改气用户高峰小时用气特点及规律对保障用气安全、节省工程投资等均具有重要意义。

2 高峰小时用气量确定

2.1 按照规范中给出的计算方法确定

农村地区的燃具一般包括燃气灶具、燃气热水器和燃气供暖热水炉等，按照GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》的要求，居民小区及户内管道计算流量，按照燃具的额定流量、数量及同时工作系数确定。居民生活用燃气计算流量的计算式为：

q=∑kNqn

(1)

式中q——燃气管道的计算流量，m3/h

k——燃具同时工作系数

N——同种燃具或成组燃具的数量

qn——燃具的额定流量，m3/h

以本文选取的石家庄行唐县东街村(126户)、北关村(204户)为例，两村全部用户均安装了20 kW的燃气供暖热水炉及额定流量为0.8 m3/h的燃气双眼灶。燃气双眼灶的同时工作系数按照GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》附录F选取，燃气供暖热水炉的同时工作系数按照国家现行标准CJJ 12—2013《家用燃气燃烧器具安装及验收规程》第4.4.4条条文说明“采暖炉数量在1～20时，同时工作系数取1～0.76，采暖炉数量≥21时，同时工作系数按照0.75计算”选取。

燃气标准热值为36 MJ/m3，同时工作系数按照以上规范确定，仅考虑燃气供暖热水炉供暖，则单户计算流量为1.5 m3/h。考虑燃气双眼灶及燃气供暖热水炉，则东街村126户小时计算流量222.3 m3/h，合单户小时计算流量为1.76 m3/h；北关村204户小时计算流量356.6 m3/h，合单户小时计算流量为1.75 m3/h。

2.2 按房屋热工性能计算

北方地区农村的房屋因地域文化、经济条件、建筑风格、建设年代、施工技术等方面的差异，房屋普遍存在保温隔热措施少，门窗热工性能和气密性较差，墙体和屋顶未设置保温材料，传热损失较大等特点。参考北方地区农村供暖相关调研数据[1]，农村很大一部分住户只是在卧室供暖，客厅不供暖，单户供暖面积在30 m2及以下的占29.4%，供暖面积在30～50 m2的占18.4%，供暖面积在50～70 m2的占23.3%，供暖面积70 m2以下用户占供暖总户数的比例为71.1%，以上面积的供暖能够覆盖绝大多数人群。

以河北省石家庄农村地区典型房屋为例并结合现场实际调研[2-4]，现有住宅多建于20世纪90年代左右，以实心黏土砖结构的平房为主，90%以上的建筑外墙、屋顶未采取保温措施。针对北方寒冷地区农村房屋的能耗特点，本文抽样选取的典型房屋东西长15 m、南北宽4 m、层高3.8 m，斜坡屋顶，供暖面积约为60 m2，分别就屋顶、墙体、门窗、地面等进行详细的热工计算，北方典型房屋围护结构热工参数见表1。

表1 北方典型房屋围护结构热工参数

供暖室内设计温度按GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》确定，取14 ℃。供暖室外计算温度取-8 ℃。围护结构的附加耗热量，考虑房屋的朝向修正，修正系数按规范选取，东西墙为0.95，南墙为0.85，北墙为1.1，南外窗及南外门为0.85，北外窗为1.1，围护结构的耗热量为8 833.65 W，典型房屋的围护结构能耗计算见表2。

表2 典型房屋的围护结构能耗计算

本文对冷风渗入的耗热量进行简化计算，按照GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》要求，换气次数取0.5次/h；考虑现状农村房屋气密性较差，且冬季室内外温差较大，门窗处的冷风渗透量较大，换气次数按1.0次/h计算。空气的比定压热容取1 kJ/(kg·K)，供暖室外计算温度下的空气密度取1.33 kg/m3，房间体积228 m3，换气次数1.0 次/h。

经计算，空气渗透耗热量为1 867.96 W，围护结构与冷风渗透耗热量两项合计可得房屋总的耗热量为10.70 kW。

燃气供暖热水炉的热效率按90%，仅考虑燃气供暖热水炉条件下单户小时耗气量为1.19 m3/户。按照CJJ 12—2013《家用燃气燃烧器具安装及验收规程》同时工作系数0.75计算，燃气双眼灶计算流量按本文2.1节中的方法计算，则东街村126户小时计算流量为145.72 m3/h，合单户小时计算流量为1.157 m3/h；北关村204户小时计算流量为232.66 m3/h，合单户小时计算流量为1.141 m3/h。

2.3 供暖室外计算温度调整的影响

供暖设计热负荷是否准确及符合实际情况，直接影响到供暖设施的热舒适性、能耗及工程投资。按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》，供暖室外计算温度采用历年平均不保证5 d的日平均温度，河北石家庄地区取-8 ℃。

为了得到更准确合理的供暖负荷，确定供暖室外计算温度非常关键。为了满足当前建筑节能设计的需要，河北省地方标准DB13(J) 63—2007《居住建筑节能设计标准》公布的河北省主要城镇室外气象参数，石家庄市的供暖室外计算温度为-4.8 ℃，最冷月的1月平均温度为-1.4 ℃，这与相关文献2007年、2008年的实际测量数据相符[5]。河北省地方标准DB13 (J)185—2015《居住建筑节能设计标准(节能75%)》虽未公布最新统计的石家庄供暖室外计算温度，但随着近些年气候变化的影响，气温有逐年上升的趋势，按-4.8 ℃进行石家庄地区的设计能够满足当地的供暖负荷要求。

供暖室外计算温度按-4.8 ℃计算，本文典型房屋围护结构的耗热量为7 100.70 W，冷风渗透耗热量为1 596.26 W，合计总能耗为8.696 kW。同时工作系数按0.75计算，燃气双眼灶计算流量按本文2.1节中的方法计算，则东街村126户小时计算流量为124.57 m3/h，合单户小时计算流量为0.989 m3/h；北关村204户小时计算流量为198.42 m3/h，合单户小时计算流量为0.973 m3/h。

3 用户实际用气量统计

在河北省石家庄行唐县农村选取了2个村庄分别进行了实际耗气量测量，日期分别为当地历年最冷月的1月17日和1月24日。根据行唐县当地气象观测数据，1月17日室外最高气温为6 ℃，最低气温为-7 ℃，平均温度约为-0.5 ℃；1月24日，室外最高气温为-2 ℃，最低气温为-9 ℃，平均温度约为-5.5 ℃。其中东街村位于行唐县上碑镇，住宅以平房为主，共有住户126户，北关村位于行唐县龙州镇，以两层楼房为主，共有住户204户。

3.1 小时不均匀系数统计

经两村所有用户用气量的实际测量，东街村和北关村的小时不均匀系数见表3。东街村的小时不均匀系数最大值为1.19，出现在17日的20时和24日的19时；小时不均匀系数最小值为0.88，出现在17日的10时。北关村小时不均匀系数最大值为1.23，出现在24日的19时；最小值为0.86，出现在24日的12时。

表3 小时不均匀系数

从不均匀系数的分布可推断出每日的19～20时时间段为多数用户准备晚餐时间，叠加了炊事用气，导致小时不均匀系数最大；出现不均匀系数较小的10时和12时，考虑为部分用户节约燃气费用临时关闭了燃气供暖设备。其余时间段不均匀系数波动不大，也说明了用户的燃气供暖热水炉基本处在持续运行状态，间接证明了本时间段采集的用户用气量数据较可靠，能够反映出用户的实际使用状态。

3.2 用气规律统计

东街村2天内完全未用气用户有13户，2天日平均用气量在0～1 m3的用户有15户，日均用气量在1～3 m3的有2户，以上用户占总户数的23.8%，从用气量可以基本判定以上用户未使用燃气供暖热水炉供暖；其余用户日均用气量大于3 m3，共96户，本文认为以上96户为燃气供暖用户。

北关村2天内完全未用气用户有40户，2天日平均用气量在0～1 m3的用户有11户，日均用气量在1～3 m3的有8户，以上用户占总户数的28.9%，从用气量可以基本判断以上用户未使用燃气供暖热水炉供暖；其余均日均用气量大于3 m3，共145户，本文认为以上145户为燃气供暖用户。

从历年的气温数据得知，本文用气量实测时间属于一年中最冷的时间，用户在一年最冷的时期用气量实测两天均不使用供暖热水炉供暖，则其他气温较高的时间段使用供暖热水炉供暖的可能性更低，认为该用户不属于供暖用户，故本文认为采用数据筛查后的用户用气情况才能代表供暖用户真实用气情况。

按实测供暖和炊事均计算在内的用气量统计情况，东街村供暖用户2天平均用气量为11.52 m3/d，小时最大用气量发生在24日19时，高峰户均小时用气量为0.60 m3/h。北关村供暖用户2天平均用气量为11.19 m3/d，供暖用户小时最大用气量发生在24日19时，高峰户均小时用气量为0.54 m3/h。

按照当地的气温监测数据，1月17日和1月24日的平均室外温度为-3 ℃。经多个用户供暖情况走访，居民用户的供暖室内温度一般维持在12～18 ℃。按照用户供暖室内温度为15 ℃计算，供暖温差为18 ℃，与按照采暖室外计算温度-8 ℃计算得到的温差22 ℃相比，等比例折算进行温差修正后，东街村供暖用户户均小时最大用气量折合为0.73 m3/h，北关村供暖用户户均小时最大用气量折合为0.66 m3/h。

与按供暖室外计算温度-4.8 ℃计算得到的温差18.8 ℃相比，按等比例折算进行温差修正后，东街村供暖用户小时最大用气量折合为0.627 m3/h，北关村供暖用户小时最大用气量折合为0.564 m3/h。

4 小结

① 按照GB 50028—2006的计算方法，按照本文中用户实际选用的燃具规格，考虑燃气双眼灶及燃气供暖热水炉，则东街村单户小时计算流量为1.76 m3/h，北关村单户小时计算流量为1.75 m3/h。仅考虑燃气供暖热水炉供暖，则单户计算流量为1.5 m3/h。

② 按石家庄地区农村典型房屋的热工性能参数，供暖室外计算温度取-8 ℃，燃气供暖热水炉热效率取90%，考虑炊事及供暖，则东街村单户小时计算流量为1.157 m3/h，北关村单户小时计算流量为1.141 m3/h；按DB13(J)63—2007公布的供暖室外计算温度-4.8 ℃计算，考虑炊事及供暖，则东街村单户小时计算流量为0.989 m3/h，北关村单户小时计算流量为0.973 m3/h。

③ 按照实际用气量统计，东街村供暖用户小时最大用气量为0.60 m3/h，北关村供暖用户小时最大用气量为0.54 m3/h。按供暖室外温度为-8 ℃的情况，进行温差修正后，则东街村供暖用户小时计算流量为0.73 m3/h，北关村供暖用户小时最大用气量为0.66 m3/h。按供暖室外温度为-4.8 ℃的情况，进行温差修正后，则东街村供暖用户小时计算流量为0.627 m3/h，北关村供暖用户小时计算流量为0.564 m3/h。

④ 采用供暖室外计算温度按-8 ℃计算的方法，考虑炊事与供暖，东街村与北关村单户小时计算流量平均为1.15 m3/h，相比于供暖用户实测数据经温度修正后的流量相比有较大余量，供气安全余量充足。在保障用户可靠用气的前提下，可避免供气管道、调压设施、截断阀门等燃气设施选型过大，有效减少工程建设投资，建议石家庄农村煤改气用户庭院管网按单户小时计算流量1.15 m3/h进行选型设计。