1 電供暖的使用情況
我國燃煤電廠的發(fā)電效率一般按34％計(jì)，生產(chǎn)1 kW•h的電消耗360 g標(biāo)準(zhǔn)煤，與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的熱效率70％相差較大，因此包括GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在內(nèi)的國家建筑節(jié)能技術(shù)法規(guī)用強(qiáng)制性條款都對(duì)電供暖方式禁止使用。但實(shí)際工程使用情況究竟如何？
為了全面掌握電供暖投入使用后的實(shí)際效果，新疆電力科學(xué)研究院連續(xù)多年對(duì)電供暖示范工程進(jìn)行了包括間歇供暖的室溫變化、用電量等情況的跟蹤監(jiān)測(cè)，并于2012年發(fā)布了《電采暖相關(guān)技術(shù)研究科技項(xiàng)目驗(yàn)收材料》報(bào)告，依據(jù)該報(bào)告整理出電供暖能耗量。
建筑的耗電量換算成冬季電供暖運(yùn)行費(fèi)約為13.7～23.7元/（m2•a），平均值低于當(dāng)?shù)丶袩崴?a href="http://bhzvouv.cn" target="_blank" class="autolink">供熱系統(tǒng)的實(shí)際收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)（22元/（m2•a））（烏魯木齊燃?xì)饧?a href="http://bhzvouv.cn" target="_blank" class="autolink">供熱對(duì)燃?xì)夤竞?a href="http://bhzvouv.cn" target="_blank" class="autolink">供熱公司政府都有大量財(cái)政補(bǔ)貼）。烏魯木齊辦公類公共建筑集中供熱的冬季實(shí)際能耗跟蹤監(jiān)測(cè)值大致為95～150 kW•h/（m2•a）；即使與當(dāng)?shù)毓?jié)能居住建筑的實(shí)際能耗（約85 kW•h/（m2•a））相比，電供暖能耗也要少。
以下是分散式電供暖與大型集中供熱系統(tǒng)的各自特點(diǎn)及其能效分析。
2 大型城市集中供熱系統(tǒng)的能效
長期以來，我國供熱企業(yè)的節(jié)能控制主要是依據(jù)室外氣溫變化調(diào)節(jié)供熱的熱水溫度，也稱質(zhì)調(diào)節(jié)。由于供熱系統(tǒng)規(guī)模大，供熱管網(wǎng)普遍存在水力失調(diào)，供熱企業(yè)都以大流量小溫差運(yùn)行作為彌補(bǔ)應(yīng)對(duì)措施。集中供熱系統(tǒng)普遍沒有按照熱計(jì)量收費(fèi)，原因之一就是現(xiàn)行的大型集中供熱系統(tǒng)無法依靠調(diào)流量為主的辦法來控制系統(tǒng)節(jié)能，如采用以量調(diào)節(jié)或變流量為主的管理方式，因管網(wǎng)水力失調(diào)會(huì)導(dǎo)致一些熱用戶不熱。
2011年，筆者參觀德國海德堡市鍋爐房時(shí)注意到，在室外溫度約15 ℃時(shí)，鍋爐房的熱水供水溫度為90 ℃，同樣氣候條件下，國內(nèi)的供熱水溫度約為40 ℃。可見德國的量調(diào)節(jié)供熱是以高溫?zé)崦綖闂l件的。
大型城市集中供熱系統(tǒng)從鍋爐燃燒一次管網(wǎng)輸配系統(tǒng)→換熱設(shè)備→二次管網(wǎng)輸配系統(tǒng)→室內(nèi)供熱系統(tǒng)→用戶，要經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)都存在一定的熱損耗，供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率η0為
式中η1為鍋爐的運(yùn)行效率；η2為一次管網(wǎng)輸配效率；η3為換熱站效率；η4為二次管網(wǎng)輸配效率；η5為室內(nèi)供暖系統(tǒng)效率。
我國城市供熱由于沒有管網(wǎng)平衡調(diào)試的專項(xiàng)定額資金、時(shí)間和第三方驗(yàn)收，實(shí)際工程普遍水力不平衡，為保證最不利用戶室溫達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其他用戶的室溫則會(huì)相應(yīng)升高。大型集中供熱系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)在運(yùn)行時(shí)總存在一定熱損失，考慮到系統(tǒng)的設(shè)備、安裝調(diào)試和運(yùn)行管理等質(zhì)量控制良莠不齊，現(xiàn)有的集中供熱系統(tǒng)一次能源實(shí)際總消耗比建筑物供暖能源需求量大很多。
3 建筑物供暖的能量平衡
室內(nèi)熱平衡方程為
式中q0為建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和通風(fēng)產(chǎn)生的熱量損失，kW•h/（m2•a）；q1為為維持室內(nèi)一定熱舒適溫度，向室內(nèi)補(bǔ)充的熱量，這部分由供暖系統(tǒng)提供的熱量稱為建筑能源需求量，kW•h/（m2•a）；q2和q3分別為室內(nèi)得熱量（由照明、設(shè)備、人體等產(chǎn)生）和太陽輻射得熱量，kW•h/（m2•a）；q2＋q3為自由熱。
隨著節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，建筑熱負(fù)荷越來越小，自由熱所占比例則越來越大。我國居住建筑的室內(nèi)得熱量為3.8 W/（m2•a），公共建筑室內(nèi)得熱量依據(jù)文獻(xiàn)［3］附錄B，q2＝4.39 qm，其中4.39為依據(jù)當(dāng)?shù)毓┡诘玫降膿Q算系數(shù)；k為工作時(shí)間與供暖期時(shí)間的比值；qm為照明、設(shè)備功率密度和人體散熱密度。
太陽輻射得熱量按下式計(jì)算：
式中Sz為遮陽系數(shù)；Ks為綜合傳熱系數(shù)；Jf為太陽輻照度。
以嚴(yán)寒地區(qū)某工程項(xiàng)目的實(shí)際能耗計(jì)算為例，在50％，65％和75％節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑中，自由熱分別占建筑物熱損失能耗的25％，33％，43％。由圖1可知，節(jié)能建筑中，自由熱的有效利用可大幅減少對(duì)供熱系統(tǒng)的能源需求。
圖1 自由熱在不同標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑中的能耗占比
有效利用建筑內(nèi)的自由熱節(jié)能意義重大，歐盟推行的近零能耗建筑供暖就是最大限度利用這部分熱量。室內(nèi)溫控器若能有效感應(yīng)到室內(nèi)溫度變化，并依次調(diào)節(jié)室內(nèi)熱量輸入，這一免費(fèi)能源才能被利用。散熱器等末端上的恒溫控制閥或溫控器都是有效裝置，直接電供暖的用戶為節(jié)省用電，會(huì)調(diào)節(jié)室溫高低；但不按照熱計(jì)量收費(fèi)的集中供熱系統(tǒng)，用戶則不會(huì)控制室溫；靠供熱企業(yè)控制節(jié)能的管理者對(duì)用戶的室溫變化并不完全掌握，大量的自由熱未有效利用。
4 行為節(jié)能的供暖節(jié)能量
供暖按照面積收費(fèi)，熱用戶將不會(huì)像用水、用電一樣節(jié)省用熱，而是不斷要求供熱企業(yè)提高室內(nèi)供熱溫度，無論人員是否在室內(nèi)生活均保持20 ℃，就會(huì)造成能源浪費(fèi)。若人們有強(qiáng)烈節(jié)能意識(shí)，非工作時(shí)段自覺調(diào)低室內(nèi)溫度至14 ℃，工作時(shí)段再調(diào)高溫度至20 ℃，一周的室內(nèi)平均溫度tn1＝［（10 h×20 ℃＋14 h×14 ℃）×5 d÷24 h＋2 d×14 ℃］÷7 d＝15.8 ℃，假設(shè)冬季供暖期的室外平均溫度tW＝－2.5 ℃，此部分的節(jié)能率η可按下式計(jì)算：
式中K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；tn為室內(nèi)溫度。
經(jīng)計(jì)算，節(jié)能率為18.7％，考慮到元旦、春節(jié)假期時(shí)間，室內(nèi)平均溫度還可降低。綜上所述，行為節(jié)能潛力巨大，有寒假的學(xué)校節(jié)能率可達(dá)30％以上。對(duì)于居住類建筑，用戶可根據(jù)室溫需求繳納相應(yīng)的費(fèi)用，離開房間時(shí)調(diào)小或關(guān)斷恒溫控制閥。用市場(chǎng)價(jià)格來促使人們自覺節(jié)能。
實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能的前提是：1）具備用戶便于調(diào)節(jié)室溫的裝置；2）有經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施。由于采取行為節(jié)能后建筑物實(shí)際是間歇供暖，室內(nèi)的散熱末端供熱變化能力較低溫地面輻射供暖系統(tǒng)強(qiáng)，故對(duì)于不經(jīng)常連續(xù)使用的室內(nèi)房間，不宜采用地面輻射供暖系統(tǒng)。
5 電供暖與大型集中熱水供熱系統(tǒng)的能效對(duì)比
使用電供暖很容易利用建筑物的自由熱，用戶用電多就多交電費(fèi)，人們的行為節(jié)能落實(shí)后，能源使用量會(huì)大幅減少。供熱企業(yè)和用戶之間的關(guān)系是賣方與買方的關(guān)系，熱用戶用何種供熱方式，怎么用本應(yīng)是用戶的事情，熱用戶是主角；但傳統(tǒng)的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)使得集中供熱系統(tǒng)或者節(jié)能工作僅讓供熱企業(yè)成為絕對(duì)主角，一個(gè)管理者要面對(duì)眾多熱用戶自然問題多多；事實(shí)上，只有熱用戶真正參與節(jié)能工作才會(huì)更有效。
綜上所述，供熱系統(tǒng)受建筑物內(nèi)熱平衡和使用特性、熱源與輸配效率等各要素影響。
省電就是省錢，用戶容易控制室溫和用電開關(guān)，自由熱利用和行為節(jié)能效果顯著，是直接電供暖的一次能源消耗量小于城市集中供熱實(shí)際能耗的根本原因。
6 國外建筑節(jié)能法規(guī)對(duì)電供暖的規(guī)定
美國ASHRAE的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)90.1-2010對(duì)供熱熱源和系統(tǒng)的要求中，未對(duì)電供熱方式有任何限制，只對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行控制和相關(guān)設(shè)備的能效方面有限制。德國的建筑節(jié)能法規(guī)對(duì)規(guī)模超過5棟公寓、供熱期超過4個(gè)月、室溫超過19 ℃、建筑面積超過500 m2的商業(yè)建筑，限制使用儲(chǔ)熱式電熱水鍋爐供熱，鍋爐供熱系統(tǒng)的整體效率偏低；但建筑熱負(fù)荷小于20 W/m2的居住、辦公等低能耗建筑則不受上述限制；對(duì)分散式電供暖，如散熱器、發(fā)熱電纜等方式則沒有任何限制性規(guī)定。德國法規(guī)特別強(qiáng)調(diào)供熱系統(tǒng)應(yīng)隨用戶使用要求自動(dòng)開關(guān)和調(diào)節(jié)供熱量。
目前，在德國、英國、日本、北美等發(fā)達(dá)國家以分散式供暖方式為主，僅少部分采用熱電聯(lián)產(chǎn)大型集中供暖。
7 結(jié)語
一般供配電系統(tǒng)往往無法滿足分散式電供暖電負(fù)荷需求，必須新增室外電網(wǎng)與變電設(shè)備，僅此部分的工程費(fèi)用就占系統(tǒng)投資的50％～70％，電供暖的總造價(jià)一般達(dá)250～300元/m2。
自由熱及行為節(jié)能量在不節(jié)能建筑能耗中占比不大，加上電價(jià)較高，在此類建筑中不建議推廣使用分散式電供暖。
目前，大部分電供暖項(xiàng)目擬采用大型電熱水鍋爐供熱.
大型傳統(tǒng)的集中供熱鍋爐在城市中心排放污染物，同時(shí)排煙余熱會(huì)加劇城市熱島效應(yīng)并導(dǎo)致空氣環(huán)境的自凈能力變差。發(fā)電廠遠(yuǎn)離城市中心，排放污染物對(duì)城市的大氣環(huán)境影響較小。因此，在建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)越來越高的新形勢(shì)下，在電力資源充沛的地區(qū)，恰當(dāng)?shù)乩?a href="http://bhzvouv.cn" target="_blank" class="autolink">電供暖方式對(duì)社會(huì)節(jié)能減排和城市環(huán)保都是較好的選擇。
