李先瑞 　　韓有朋 趙振農 [中國建筑科學研究院空調所 北京城市開發集團有限責任公司] 2003-07-03

 

 

一、背景和目的

　　北京某住宅區是新建住宅小區，位于四環路外，該地區已有一燃煤集中供熱鍋爐房，但容量不能滿足新建住宅的需要。根據有關規定，新建鍋爐房一律不允許燒煤，只能燃氣。
　　當前有多種采暖方式，主要特點如下：

表1　采暖方式及特點

采暖方式 采暖設備 特　　點 集中供熱 大型鍋爐、管網、熱力站、用戶設備 節能，分戶調節、按戶計量比較困難 分散采暖 每棟樓或幾棟樓設燃氣鍋爐，用戶設備 熱效率高，設計時應考慮分戶調節，按戶計量問題 分戶采暖 燃氣兩用爐 管理方便，室溫可調，實現了分戶計量 電采暖 熱泵 具有調節控制方便等優點，運行費較高　　本文通過優化計算，從以上幾種采暖方式中，選擇一種技術上先進，經濟上合理，便于管理，適用于住宅的采暖方式。研究對象是某住宅小區的能源模式，即能源的選擇。目標值：
　　1.經濟性，包括投資、成本、熱價和總費用年值法。
　　2.環境保護。
　　3.節能性，比較一次能源的消耗量，確定節能效益。通過經濟性分析，節能性分析、環境效益分析后，給出方案的各項指標。由于角度不同，結論是不同的。因此，最后必須進行綜合性分析，根據綜合評價指標，提出報薦方案。

二、住宅區概況

　　住宅分 Ⅰ、Ⅱ二區， Ⅰ區由 A、 B、 C、 D、 E、F六區組成；Ⅱ區由 A、 B、 C、 D、E五區組成。Ⅰ、Ⅱ區住宅設計按面積分為高、中、低三個檔；設計以高層為主，輔以多層住宅；多層住宅以北京“九五”住宅標準為依據，采用了“新四合院”式，可達到較高的容積率和較好的環境，空間過渡符合人的心理需要。高層住宅以單塔式為主，輔以聯塔。設計標準略高于“九五”住宅標準。主要技術經濟指標見表2。

表2　Ⅰ、Ⅱ區主要技術經濟指標

分　　類 Ⅰ Ⅱ 新建總建筑面積(m²) 471660 280000 住宅建筑面積(m²) 428360 251340 總居住戶數(戶) 3610 2361 平均每戶面積(m²/戶) 118.6 118.6三、采暖方式的比較

　　1.比較方案
　　(1)方案1：集中供熱，在已建供熱廠新建一臺40t/h燃氣鍋爐，熱水從鍋爐房經過一次管網送至位于住宅區內的熱力站。換熱后，通過二次管網送至戶內散熱器。
　　(2)方案2：分散供熱，分別在 Ⅰ區的 A、 B、C、 D、 E、 F六區內新建七座燃氣鍋爐房，在 Ⅱ區的 A、 B、 C、 D、 E五區內新建五座燃氣鍋爐房，通過管網將熱水送至戶內散熱器。
　　(3)方案3：分散供熱，分別在 Ⅰ區的35棟樓內，Ⅱ區的26棟樓內新建54座燃氣鍋爐房，直接將熱水送至戶內散熱器。
　　(4)方案4：分戶供熱，在 Ⅰ區的3610戶和 Ⅱ區的2361戶內共安裝燃氣兩用爐5971臺，并在 Ⅰ區的 A10、 A11、 B1、 E4～E8、 F3和 Ⅱ區的 A4、 B5、 C4新建 13座燃氣鍋爐房，直接供用戶采暖。
　　(5)方案5：集中供熱，熱源、管網、熱力站與方案1相同，不同之處，新建一臺燃煤爐。
　　(6)方案6：電采暖，分別在 Ⅰ區的35棟樓內，Ⅱ區的26棟樓內新建61個水源熱泵供熱系統，通過每戶熱泵機組將熱(冷)風送至各房間內。
　　2.初投資比較(見表3)

表3　初投資比較

　 鍋爐房投資
萬元 一次網投資
萬元 熱力站投資
萬元 二次網投資
萬元 戶內系統投資
萬元 天然氣增容費
萬元 單位建筑面積投資
元/m² 合　計
萬元 方案1 1108 2029.2 750 750 5250 450 137.8 10337.2 方案2 1429.24 　 　 188.76 5250 450 97.57 7318 方案3 1639 　 　 　 5250 450 91.8 7339 方案4 4702.65 　 　 　 2400 450 100.3 7552.65 方案5 587.6 2029.2 750 750 5250 　 124.9 9366.8 方案6 　 　 　 　 　 　 250.0 18750　　計算時的幾點說明：
　　(1)方案1鍋爐房初投資。由于在已建供熱廠內新建一臺40t／h燃氣鍋爐，有些設備、廠地可以利用。只需增加一臺鍋爐、部分儀表、土建及工程費。合計投資約為1108萬元。
　　(2)方案2、方案3鍋爐類型選擇原則： Ⅰ、Ⅱ區屬高層住宅區，故首先是安全性，即應選擇結構緊湊、體積小、可置于地下室或樓頂及各層的高效鍋爐。其次是環保性，要求排放值、噪音均應符合國家規定。
　　通過調研，我們認為熱水機組能滿足上述要求。為了解決熱水機組承受高層建筑水位壓力的問題，擬采用外置板式換熱器的間接加熱方式，板式換熱器可承受1.6MPa的壓力，可拆卸、清洗、增減、更換。
　　(3)天然氣增容費，北京市規定，增容費為1200元／Nm³。故Ⅰ、 Ⅱ區總計450萬元。
　　(4)分戶燃氣兩用爐：
　　目前進口、國產燃氣爐型號只有18kW、23kW和29kW三種， Ⅰ、 Ⅱ區每戶需要的約為 14kW，故存在容量偏大的問題。燃氣兩用爐具有采暖、供生活熱水的功能。在方案比較時，應扣除生活熱水部分的投資。
　　5971戶×0.75萬元／臺=4478.25萬元。
　　3.運行費用比較
　　(1)年需熱量的計算(kWh)
　　Q=24^.Z^.q_H=24×125×39.9=119．7
　　(2)與計算運行費用相關的數據：
　　燃煤鍋爐 η=0.75，燃氣鍋爐 η=0．85，燃氣兩用爐 η=0．85，煤價為300元／噸標準煤，天然氣家用為1.4元／Nm³，鍋爐房為1．8元／Nm³，電價為0.5元／kWh。
　　(3)計算結果(見表4)

表4　運行費的比較　　　元/m^2.a

　 耗能量 燃料費 維修費 人工費 合計 方案1 14.42Nm³ 25.96 3.29 1 30.25 方案2 14.42Nm³ 25.96 2.42 0.5 28.88 方案3 14.42Nm³ 25.96 2.67 0.7 29.33 方案4 14.42Nm³ 20.18 2.45 / 22.63 方案5 19.61kg 5.9 3.12 1 10.02 方案6 39.9kWh 19.95 2.5 / 22.45　　4.節能性比較(見表5)

表5　節能性比較

方案 耗能量 一次能耗量(標準煤) 方案1～4 14.42Nm³ 17.3 方案5 19.61kg 19.61 方案6 39.9kWh 16.39　　5.環境效益的比較
　　(1)各種燃料燃燒時產生的污染物(見表6)

表6　各種燃料燃燒時產生的污染物

　 二氧化氮 二氧化硫 煙　　塵 煤　kg/t 9 17s 8A(1-η) 油　kg/kL 2.86 4.2s 0.29(1-η) 天然氣　kg/萬m³ 6.3 1.0 2.4 煤　kg/Mkcal 1.44 2.74s 1.22A(1-η) 油　kg/Mkcal 1.24 1.89s 0.13 天然氣　kg/Mkcal 0.67 0.011 0.025　　注：s-含硫量，以%計；A-灰分，以%計；η-燃燒效率，以小數點計。
　　從表6可知，燃煤時產生的 NO_x、SO₂、煙塵遠遠高于燃氣、燃油，北京年用煤量達3000萬噸，是世界上燒煤最多的首都。進入采暖期，空氣呈現為典型的煤煙型污染的特征，二氧化硫濃度從非采暖期的30～40微克／m³，猛增至標準的3．5倍，采暖期總懸浮顆粒物2/3來源于煙塵， 1／3來源于地面揚塵。這說明燃煤的污染是惡化城市環境的主要原因。
　　(2)燃燒天然氣的特點
　　氣體燃料特點(見表7)。

表7　天然氣的構成

　 CH₄ C₂H₆ C₃H₈ CO₂ N₂ H₂S CO H₂ O₂ 低發熱值
kcal/Nm³ 北京焦爐煤氣 25.2 2.0 　 2.0 6.8 　 8.6 59.2 1.2 4074 華北油田天然氣 80.843 9.7326 5.7538 0.9288 0.32 　 　 　 　 10473.5 陜甘寧天然氣 95.95 0.9675 0.1367 3.0 　 0.0002 　 　 　 8397.88　　①天然氣中不含塵和 SO₂，只含微量H₂S，是潔凈能源。燃燒天然氣，可減少大氣中 SO₂含量，減少酸雨的發生，降低粉塵濃度。
　　②天然氣中絕大部分為碳氫化合物，以甲烷占絕大多數。甲烷屬非穩定性氣體，略為加熱即易分解，而且燃燒著的甲烷發光火焰其輻射強度約為一氧化碳火焰的2倍，是氫火焰的5倍。
　　從上述分析可知，燃燒天然氣具有提高燃燒設備效率，保障安全運行和改善環境的功能。
　　(3)燃燒天然氣時產生的污染物(見表8)

表8　天然氣燃燒時產生的污染物　　kg/Mm³

有害物質名稱 設備類型 電廠 工業鍋爐 民用采暖設備 顆粒物 80～240 80～240 80～240 硫氧化物① 9.6 9.6 9.6 一氧化碳 272 272 320 碳氫化合物(以CH₄計) 16 48 128 氮氧化物(以NO₂計) 11200 1920～3680 1280～1290②　　①天然氣平均含硫量以4.6kg/Mm³計。
　　②家用取暖設備1280，民用取暖設備取1290。
　　(4)燃煤時產生的污染物(見表9)

表9　燃燒1噸煤炭排放的污染物量(kg/t)①

污染物 爐　　型 電站鍋爐 工業鍋爐 采暖爐及家用爐 一氧化碳(CO) 0.23 1.36 22.7 碳氫化合物(CnHm) 0.091 0.45 4.5 氮氧化物(以NO₂) 9.08 9.08 3.62 二氧化硫(SO₂) 16.0S②　　①資料來源于美國。
　　②S煤的含硫量，以%計。
　　(5)污染物排放量比較(見表10)。

表10　污染物排放量(g/m^2.a)的比較

方案 NOx SO₂ CO CmHn 煙塵 方案1 27.68 0.14 3.92 0.78 1.44 方案2 27.68 0.14 3.92 0.69 1.44 方案3 27.68 0.14 3.92 0.69 1.44 方案4 18.45 0.14 4.61 1.85 1.44 方案5 178.1 314 26.6 8.8 29.4　　注：煤含硫量為1%。
　　天然氣含硫量為4.6kg/Mm³計
　　發電廠所處位置會產生污染物
*煙塵排放量=B×A×d_fh×(1-η)鍋爐房A=30%,d_fh=0.2,η=0.75。

　　(6)燃氣兩用爐布置在每戶，燃燒時產生的NO₂排至戶外，戶與戶之間相互有影響，分散燃氣鍋爐房將污染源集中處理，對小區環境特別是鄰居關系的影響較小。
　　6.各方案的綜合比較(見表11和表12)

表11　綜合比較

方案 初投資 運行費 耗能量 環境效益 綜合比較 元/m² 排名 元/m² 排名 kg標煤/m^2.a 排名 總分 排名 方案1 137.8 5 30.25 4 17.3 2 2 13 4 方案2 97.57 1 28.88 3 17.3 2 2 8 1 方案3 91.8 2 29.33 3 17.3 2 2 9 2 方案4 100.3 3 22.63 2 17.3 2 3 10 3 方案5 124.9 4 10.02 1 19.61 3 6 14 5 方案6 250.0 6 22.45 2 16.39 1 1 10 3

表12　綜合性比較

方案 初投資
元/m² 排名 綜合比較 總分 排名 方案1 93.8 4 12 4 方案2 59.6 1 8 1 方案3 59.9 2 9 2 方案4 100.7 5 12 4 方案5 86.88 3 13 5 方案6 250.00 6 10 3　　表11中，方案1、2、3和5，指的是每戶都安裝熱量計，每組散熱器都安裝恒溫調節閥，具有分戶調節、按戶計量功能時的投資。方案4、6為分戶燃氣兩用爐和熱泵機組，具有調節和計量功能。
　　表12指的是方案1、2、3和5的戶內系統不設恒溫調節閥和每戶入口處不安裝熱量計，但為了今后適應計量的需要，戶內系統為雙管系統時的投資。從表12可知，分散燃氣鍋爐房采暖方式的投資最好。
　　從表11、12的綜合比較排名可知，方案2分散燃氣鍋爐采暖方式最優，方案1、5最差。

四、結論

　　方案2為此次研究報告的推薦方案。
　　1.方案2為最優的原因：
　　(1)隨著技術的進步，分散燃氣鍋爐的熱效率達到了85％以上，具有方案1、方案5集中鍋爐房供熱節能的優點。
　　(2)從表8不同容量鍋爐單位容量造價比中可知，隨著單臺容量的增加， 單位容量價格降低，故方案2的初投資低于方案3。
　　(3)方案2的初投資主要是分散鍋爐房的投資，二次管網的投資很少，而方案1、方案5的初投資分別由鍋爐、一次網、熱力站、二次網及戶內設備組成，其投資比方案2大得多。
　　(4)方案2適應性好，與小區建設配合得好，而方案1一次投入大，見效慢。
　　2.方案4具有熱效率高，調節簡單，運行方便等特點，但以下原因使該方案居于第二位。
　　(1)目前進口、合資兩用爐的規格為 18kW、23kW、29kW，且 18kW性能不夠穩定，大部分用戶采用23kW，供熱能力大于需求，這種型號的單價，國產約為8000元/臺，進口約為10000～11000元/臺。從而使方案4的投資增大。
　　(2)每戶安裝兩用爐，使用方便，但煙氣中的污染物對鄰居的環境有些影響。
　　(3)對于豪華住宅，冬天有些住宅長期無人居住。此時，燃氣兩用爐本身和戶內給排水設備是否安全；也是物業管理關心的問題之一。
　　3.方案6除投資較高外，運行費、節能性、環保性均較好。從 K6、 K7的實際情況來看，此次不推薦該方案。