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对南方地区采暖方式的认识 集中-分散?—— 江亿院士在第九届国际绿色建筑大会上的演讲

时间:2013-04-15 来源:China GBC 简报2013-5期 作者:

我想利用这个机会谈一谈对南方住宅采暖的看法,因为这个问题最近一两年争论的挺热烈,在媒体上包括在“两会”上都有争论,又因为今天是建筑节能大会,这件事怎么做和建筑节能有很大关系。所以我想跟大家交流一些观点,同时通过这件事进一步引出一个深层次的问题。对于住宅建筑的服务系统该是集中还是分散,在这点上有点想法,今天跟大家共享一下。

首先,明确一下我的基本观点,第一,南方住宅需要采暖,人需要生活在暖和点的环境下,这是无可非议的,所以天凉了需要采暖就应该采暖。但是由于气候特点、能源结构、建筑特点和历史原因,南方居住建筑不应该采用集中供热,而应该根据南方的特点采用分散的采暖方式。南方地区不同的采暖模式将对应着很大的建筑能耗的差别,从我们国家节能减排任务来看,到底怎么采暖,这个选择权应该交给居民、交给老百姓而不是由政府规定。

为什么是上述的主要观点呢?我想从以下几部分来阐述具体原因:首先看我国南方地区实际的采暖情况,最近我们对长江流域城镇800多户居民进行调查,得到的结果是绝大多数城镇居民家里都有各种各样不同形式的采暖装置。用的最多的是分体空调,一家不是有一台分体机,最多的五台,还有各种各样其它采暖设施。但是目前屋内大多数处于较低的温度水平,没有开采暖装置时候屋内温度10度或者低一点,开了采暖装置之后十五六度、或十七八度,高的达到22度,低的偶尔到5度、6度。所以北方居民进屋普遍脱外衣,南方居民室内外温差很小,在屋里穿的衣服也不少。但是如果把采暖设备连续开着,大多数屋里可以实现较舒适的室温,温度都在16到18度。还有很多家用燃气壁挂炉,如果连续开着,屋里的热环境更好。但是实际采暖装置却是间歇运行,根据对上海居民家庭的实测,空调晚上20%的开启率,白天开启率很少,不到5%,绝大多数采暖装置都是一天开不了几个小时,间歇运行。由于间歇运行,所以这一地区住宅采暖用电状况很低,冬天平均用电3度/㎡,最多的14度电,折合1-4公斤标准煤,远远低于北方地区平均16公斤标准煤的采暖能耗。有人会想到之所以不开是由于缺钱,调查了不同收入的人群,实际表明,空调开启时间的长、短和家庭经济收入状况是弱相关,关系不大,不论在哪个收入范围内,一般工作日家里采暖装置就是开2-6小时,休息日开启率也不超过20%。这个现状解释了为什么屋里的温度偏低。也还有一些技术问题,比如用热风向屋里供热,热风向上吹,导致室内有很大的垂直方向的温度梯度,上面很热,二十四五度,还有燥热等等因素,这也是为什么不得已不开的原因。再一个问题,南方地区建筑本身围护结构的问题,目前大部分既有建筑外墙保温很差,门窗气密性很差,漏风,如果室内温度到18-20度,供热量超过100W/平方米,而北方采用峰值负荷参考值为50W,合肥一平米需要100W,是北京的2倍。

集中供热是否合适呢?看三个实际案例。工程案例1:江苏某住宅小区,采用水源热泵天棚辐射供暖,实际用电量冬天采暖耗电20度/㎡,同样的地方,一般老百姓用分体机的用电量是6度/㎡,再看出多少热量,分体机出13.8千瓦时热量/平米,水源热泵出热量52.25千瓦时,是分体机的4倍之多。为什么有这么大的差别呢?由于完全集中供热,对整个建筑空间24小时连续供热,实现的是全空间、全时间的供热方式,而分体机是部分时间、部分空间。中央水源热泵系统除了热泵耗电,水泵耗电,风机耗电。比如11月份,外面不太冷,热负荷不高,水泵风机电耗占的比例特别多,占到70-80%,冬天累计风机水泵电耗能占总电耗的40%。

工程案例2:河南某住宅小区,也是采用水源热泵,每家每户安装风机盘管。安上风机盘管之后,为了节能,就按照风机盘管开高、中、低档风速收费,关了风机盘管就不要钱,详细记录各户风机盘管一天开多少小时。结果和刚才的情况完全不一样,集中供热系统耗电量15度/㎡,集中供热耗电量比分散的多了50%的耗电量,实测的一平米耗电量得到22.2千瓦时的热量,按照计算,这样的房子如果集中供热,一平米应该用38千瓦时的热量。而实际用的少,只是标准的全时间、全空间的60%左右。为什么热量供的少了呢?因为是按照风机盘管高中低档和停开收费,所以老百姓把它当成分体空调,也是按分体空调的方法使用,一天开不了多会儿,能关就关,采暖季各房间风机盘管累计平均开启率不超过9%,导致实际电耗低、用热量少。但是由于开启率才是9%,就使得系统的能效水平特别差,循环水泵电耗占1/3,加起来计算系统供热平均COP才1.48。把家家户户风机盘管都开开,COP就达到4以上,效率就高了,但是能源消耗也更高了。末端由于增加了调控手段,结果老百姓把它当分散阀用,热量变的少多了,可是系统还是集中的系统,跟分散调节的末端不匹配,导致系统的效率非常低,尤其是水泵效率温差就只1度多,用电量特别大,热泵效率也变低了。

工程案例3:北京某住宅小区“井水集中”的水源热泵案例,这是十多年前我积极主张支持的。直接把井水换热送到各家各户,各家各户自己安一个小热泵,想开就开,想关就关,是一个井水循环系统,再加上安在各家各户的热泵供热系统。这个系统运行耗电量34度/㎡,而当时分体机出热风的耗电量27.3度/㎡,比分体机用电量高出20%。各户末端热泵耗电20度,比分体空调耗电量还低,井水的循环泵耗电13.8度,20度电出62.7千瓦时的热量/平米/冬天,比北京集中供热平均的供热量还低,北京平均供热量是70-80千瓦时。井水循环泵这部分的变化很高,本来热泵COP很高,3点几的,加上水泵,COP低多了。为什么井水循环泵的电耗这么高呢?因为温差很小,只有1点几度,井水循环泵占1/3的用电量,原因又是末端总不开。

三个案例,江苏集中案例,末端不控制,热量52千瓦时/平米;河南案例按时间收费,马上变成22千瓦时热量。北京冷,不过才63千瓦时/平米。通过三个案例的比较,可以发现只要有调节的条件、只要有收费机制,末端的使用者一定会采用类似于分散式的模式运行,尽管是集中系统,能不开就不开。但是因为是集中系统,哪个环节是集中不可调的哪个环节最后就出现高能耗,尤其是北京案例,井水抽出来到楼里循环,这部分能耗最高,占1/3。集中不可调对能耗的影响好象远大于效率高低,改善调节,能够改善集中式的能效,但是恐怕改的特别好也很难达到分散系统的水平。

高效热电联产方式怎么样呢?由于地下水温特别合适,冬天地下水温挺高,水源热泵系统的制热COP已经到4.5-5,如果用热电联产抽气供热的话,大约每抽出一千瓦时用量就会减少0.2-0.25千瓦时的发电量,热电联产等效COP相当于4-5,实际能效和达到这个水平的水源热泵差不多。然而,热电联产集中供热系统的规模要比刚才说的水源热泵规模大得多得多,规模一大,输配系统的能效和末端调节的问题就会更加突出。既然前两个水源热泵的案例还不如分散式的空气源热泵,热电联产的效果可想而知。另外,还有一个很严重的问题,热电联产需要大规模投资,每年如果只运行两个月或者不到两个月,年运行小时数太低,经济效益也会变得特别差。

为什么北方用集中供热呢?原因是历史上采暖的一次能源是烧煤。烧煤就需要大型供热锅炉或者热电联产,这是燃煤采暖唯一的方式,正是由于烧煤,才不得以集中供热。集中供热系统本身末端缺乏调节能力,又没有促进调节的收费机制,这就导致北方大面积的出现过量供热,屋里过热,没办法,开窗户散热。由于过量供热和开窗户散热,导致热量损失超过20%。为什么要搞供热改革?就是为了推动改变收费机制促进行为节能,降低供热能耗。但是,实践表明这件事非常困难,可以叫举步维艰,十年来成效甚低。北京实行“煤改气”,“煤改气”后就应该搞成分散供热方式,但是由于集中供热的历史传承,既有建筑很难从集中改成分散。实际上北京也有些分散供热的新建住宅区。这里对集中供热的燃气锅炉和分散的燃气壁挂炉供热进行比较,实际调查结果,燃气壁挂炉比集中供热的室内温度平均低1.5度,调查100户的室温设定,8%把温度调到22度以上,大多数把房间温度调在18-20度,实际运行时间也不是连续运行,有些是18-24小时,但是只占25%,大多数一天只运行一半时间,12小时或者不到12小时。在屋里穿的衣服比集中供热的着衣略多一点。很有意思的是问出来的热感觉应该一样,但同样温度下问集中供热的老百姓,觉得家里冷,壁挂炉的觉得挺好,热感觉不一样了。壁挂炉8.5方气/㎡,集中锅炉房11方气/㎡。再问他们觉得满意不满意,壁挂炉用户的满意度非常高,如果觉得不热,可以自己加火。

南方到底应该怎么采暖?大概是这样几条:第一,改善围护结构,把保温做好,气密性做好点,南方房子气密性比北方差远了;第二,改善热风型热泵气流组织,热风朝下吹,已经有些产品出来了;第三,多种分散式的采暖方式,有地板末端分散式的热泵方式,空气源热泵制热水,辐射地板方式采暖,用燃气壁挂炉也挺好,甚至直接电热采暖,因为时间短,而且老百姓自己会调,什么时候冷开一会儿,也可以实现很好的室内采暖。

总之,对于住宅来说,使用者的参与程度必须好好考虑,发挥使用者自己的主观能动性,他想热点就热点,他想凉点就凉点。第二,必须解决计量收费模式问题。如果想高就高、想低就低,那还是会一塌糊涂,如果把计量收费这个事弄好了,可以调动节约能源和维持自己的舒适性。

老百姓的需求是不一样的。如果非要搞集中式系统,要认真考虑输配系统的能耗和调节运行模式,在小负荷下也能有比较高的效率。再就是热泵的调节方式,在满负荷的情况下,当末端可以调节,这么小的负荷怎么运行才能高效,这是集中系统必须考虑的因素。如果充分考虑和解决了上述的问题,并且在经济条件可支撑情况下,也可以采用集中式系统,只是现在还没发现很完美的工程案例。

从南方采暖问题讨论得到的启示:第一,对于住宅建筑室内环境营造系统,系统形式到底应该是集中的,还是分散的,如果不能很好的解决集中调节问题的话,至少用分散式更适宜。第二,我们提供的服务方式是让使用者、让被服务者被动的接受服务,被采暖、被空调,还是他们可以主动参与,这非常重要,但是以前在这方面考虑的太少了。第三,实际上南方采暖问题讨论的背后隐藏着补贴问题。当政府关心民生、改善人民生活水平的时候,如果财政有钱,适当补贴也不是坏事,问题是该补贴到哪里去,是补到使用者身上,还是补在服务商身上。如果强迫他们接受集中供热,把钱补贴来修大管网、上大设备,那样的结果是受益人群与自己住宅建筑面积的大小成正比,房子越大收益越多,房子越少收益越少。希望通过政府补贴减少贫富之间的差距,应该给末端使用者以足够的自由度,由他们自己决定室内环境该怎么样,而不是强制的统一的提供某种服务。通过补贴使需要高初始投资的节能措施有点经济效益和好的回报,但是绝不能通过财政补贴强行推行某种统一的服务,而且更不应该通过补贴推动统一的高能耗方式,那与我们节能减排的初衷就背道而驰了。这些问题恐怕值得深思,不光是南方采暖,而是绿色建筑与建筑节能普遍存在的问题。