北方城镇建筑供暖用能状况分析-夏建军

北方城镇建筑供暖用能状况分析夏建军副教授清华大学建筑节能研究中心2015-03-2812主要内容•供热现状•建筑供暖耗热量状况•热网现状•热源现状•供热对环境的影响3供热面积我国北方地区供热地域辽阔，涵盖北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、河南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆的全部城镇地区，以及四川的一部分随着城镇化的发展，供热负荷飞速增长：截至2012年，供热面积已达到106亿平米，供暖能耗1.71亿吨标煤，占建筑总能耗的25%；4供热形式现状市区的集中供热比例高达92%镇区集中供热比例偏低，还不到20%北方城镇地区整体的集中供热比例约为76%集中供热21%其他供热方式79%集中供热面积比例饼图b)县区a)市县区热电联产42%燃煤锅炉48%燃气锅炉8%其他2%5供热热源状况随着节能减排和清洁能源的推广，分散燃煤锅炉采暖的比例迅速减少，从2000年超过40%降低到2013年的不到5%；与此同时，以燃气为能源的供暖方式比例增加，到2013年各种规模的燃气供暖（包括燃气热电联产和各种规模的燃气锅炉）已经超过北方城镇供暖建筑面积的14%。北方城镇建筑各类热源对应面积比例的逐年变化供热各种热源的比例（2013年）6供热热源现状在当前各城市的能源结构看到，热电联产和燃煤锅炉占据较大比例燃气供热、工业余热及其他新型热源的供热占比仍然很低典型城市热源供热形式构成比例北方供暖地区各省市供热面积及热源构成（2013）7主要内容•供热现状•建筑供暖耗热量状况•热网现状•热源现状•供热对环境的影响8建筑供暖耗热量状况单位建筑面积的供暖需热量与建筑的体形系数、围护结构传热系数、室内外的通风换气量以及室内温度等有关体形系数我国北方城镇住宅主要形式为大型塔楼或中高层板楼，其体形系数大致在0.2~0.3m-1之间，而作为西方住宅主要形式的别墅和联体低层建筑（Townhouse）其体形系数则在0.4~0.5m-1之间。建筑类型体形系数多层住宅0.3～0.35塔楼0.2～0.3中高层板楼0.2～0.3别墅和联体底层建筑0.4～0.5不同形状的住宅建筑的体形系数范围0.00.51.01.52.02.53.0郑州西安济南石家庄天津北京太原兰州西宁银川沈阳呼和浩特长春乌鲁木齐哈尔滨欧美发达国家平均水平德国标准围护结构综合传热系数K(W/m2K)80年水平节能30%节能50%节能65%家平均水平9建筑供暖耗热量状况维护结构传热系数•自上世纪90年代开始，建筑节能逐渐得到全社会的关注。尤其是近年来，伴随着北方城市新建建筑符合建筑节能设计标准要求的比例不断提高，建筑围护结构的平均传热系数大幅度降低。•达到65%节能标准的新建建筑，其综合传热系数已达到0.7~1.2W/m2K之间不同节能标准的的居住建筑综合传热系数10建筑供暖耗热量状况通风换气次数•换气次数越低，建筑耗热量越低，但是必须保证一定的新风换气量，以满足健康要求•新建建筑普遍采用了节能门窗，气密性能得到显著改善。当门窗关闭时，建筑物的换气次数可在0.5次/时以下•而且不同地区，人的开窗习惯也会影响建筑的换气次数不同地区不同通风换气次数下造成的需热量（65%节能标准，室内温度18℃）0.000.050.100.150.200.250.300.350.40051015202530济南郑州北京长春哈尔滨建筑需热量（GJ/㎡）建筑负荷（W/㎡）建筑负荷建筑需热量11建筑供暖耗热量状况室内温度设定值•建筑的耗热量与室内外温差正相关，室内温度越高，耗热量越大•若将室内温度设定值上调1℃，寒冷地区由于建筑围护结构保温性能较差和换气次数较大，建筑负荷增加量约1.8W/m2，是严寒地区的近两倍•说明气候较温和的地区应该更严格的控制室内温度不同地区室温升高1℃所增加的负荷（65%节能标准的建筑）0.000.010.02012济南郑州北京长春哈尔滨建筑需热量（GJ/㎡）建筑负荷（W/㎡）建筑负荷建筑需热量12建筑供暖耗热量状况节能标准制定•不同省份不同节能标准下的居住建筑需热量值•我国标准比欧美各国的节能标准更低，主要原因是70%以上的城市建筑为上世纪90年代以后建造的新建筑•随着建筑节能工作的深入，北方地区建筑供暖需热量已有显著的降低省份城市建筑需热量GJ/(m2•a)1980年以前30%节能标准50%节能标准65%节能标准北京北京0.560.440.260.191天津天津0.530.420.250.2河北省石家庄0.470.380.230.15山西省太原0.640.480.290.21内蒙古自治区呼和浩特0.770.560.360.27辽宁省沈阳0.720.540.330.27吉林省长春0.870.620.370.34黑龙江省哈尔滨0.960.680.390.34山东省济南0.420.330.210.14河南省郑州0.390.310.20.12西藏自治区拉萨0.560.440.290.15陕西省西安0.410.320.210.12甘肃省兰州0.630.480.280.2青海省西宁0.680.530.350.24宁夏回族自治区银川0.630.510.310.24新疆维吾尔自治区乌鲁木齐0.830.600.360.2912010年严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准中，北京的供暖天数较95年节能设计标准中的数据有较大的调整（从125天变为114天），故建筑需热量数值降低较多。00.050.10.150.20.250.30.350.413579111315171921232527293133耗热量（GJ/m2）24墙及大本楼内保温37青砖墙37红砖墙外保温13建筑实际耗热量建筑的实测耗热量偏高•实测建筑室内温度在采暖期均高于标准值18℃•相同的气候条件和围护结构保温情况下，各栋建筑之间的建筑实际耗热量也不尽相同，楼栋之间的差异高出建筑需热量约10%•主要原因是楼栋之间的冷热不均。2005～2006年清华大学在北京市不同建筑热入口实测全采暖季建筑实际耗热量0.00.20.40.60.81.01.2LJSWLYQYHJYLJSRCNRCBZYQBEHEQMJYXCSCBGSYGSXGSJYHFYGXWJYQBSHDYTCSSFYGJSNXMJDYTAXTHYSP19XZWZJFL42HZQCZHXEGQBJYDYZZYKBZJQYYTHYGHYEZWMSZYJEYMZLDCDTZWHDSTJZZSSJYHGSYLDSYJBHBQCSCJYZXLZWXJBZZTDJ供热量指标（GJ/m2·a）热力站平均值：0.51GJ/m2·a京能老厂药厂四期平均值：0.52GJ/m2·a平均值：0.50GJ/m2·a平均值：0.61GJ/m2·a14建筑实际耗热量热力站供热量偏高•大型热网中，耗热量最大的热力站与耗热量最小的可以相差1倍左右•造成差异的原因：1）管网热损、建筑本身的围护结构造成了同样室温下的需热量不同，2）供热系统的供热参数、用户之间、楼栋之间以及热力站之间不均匀损失造成的过量供热损失等因素。赤峰市2012-2013年热力站耗热量统计15建筑实际耗热量热力站供热量偏高•以最小耗热量的热力站水平作为需热量，则高于此水平的热力站均存在约29%的不均匀和过量供热损失•建筑内实际消耗热量的均值约为0.45GJ/(m2.a),高于平均建筑需热量0.33GJ/(m2.a)的35%左右•结论：实际系统中过量供热现象十分严重！某大城市集中供热各热力站耗热量统计（2010）00.10.20.30.40.50.61112131415161718191101111121131采暖季能耗（GJ/m2）平均能耗：0.386GJ/m2不同地区实际耗热量状况12月1月2月3月4月25-27℃0.0%0.0%0.0%0.0%52.8%23-25℃25.0%11.1%11.1%11.1%33.3%21-23℃58.3%33.3%38.9%66.7%13.9%19-21℃13.9%44.4%38.9%16.7%0.0%17-19℃2.8%8.3%5.6%5.6%0.0%15-17℃0.0%2.8%5.6%0.0%0.0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%百分比16建筑实际耗热量楼内不均匀损失•当前集中供热系统的调节方式为质调节，根据室外温度统一改变供水温度•而由于不同朝向太阳辐射，不同室内得热，同一栋楼不同位置用户在同一时间内的负荷的变化差异很大•此时若要保证最不利用户的室温，就必须按照最大负荷率的用户确定供热参数，其它负荷率偏小的用户就必然过热测试期间房间平均室温分布情况17建筑实际耗热量楼内不均匀损失•垂直热力失调都存在于各种连接形式。双管式各层的温度变化较为独立，而单管式各层的温度变化一致。在垂直方向上，双管式比单管式室温的均匀性要好很多。•室温过热现象比较普遍，温度最高的住户一般是中间偏上，紧邻顶层的用户。顶层用户由于存在大面积的屋顶散热，温度不是最高的。在调查中还发现，由于用户存在私自加装散热器的现象，不仅导致自身室温过热，还可能导致下层用户供热量不足，室温偏低。上供下回垂直单管跨越系统室温变化（1月20日）15161718192021222324250:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:00温度℃二层三层四层五层六层15171921232527290:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:00温度℃一层二层四层五层七层下供上回垂直双管系统室温变化（1月20日）0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%0-0.320.32-0.390.39-0.460.46-0.530.53-0.60累计耗热量GJ/(m2a)00.10.20.30.40.50.62#14#16#5#9#11#10#6#7#1#3#4#15#8#17#单位面积能耗（GJ/m2）18.7%4.8%0.3%12.5%11.7%18建筑实际耗热量楼栋间的不均匀损失•集中供热管网流量调节不均匀，导致部分建筑热水循环量过大，过量供热•楼栋耗热量的差别较大：不均匀导致的过量供热，占到该区域总供热量的14.00%左右•单元位置不同耗热量的区别大：由于边户的围护面积大于中间用户，其耗热量也明显高于中间用户，平均要高约23%。某区各单元累计耗热量分布情况同一小区相同建筑耗热量测试202530354045505560-25-15-5515水温（℃）室外温度（℃）二次网供水温度二次网回水温度19建筑实际耗热量时间不均匀损失•在目前的供热条件下很难根据天气的突然变化实现及时有效的调整•尤其在初末寒期，为保险起见，运行人员往往会加大供热量，从而造成系统整体过热•实测过量供热比例为22%~26%实际供回水温度变化理想控制曲线2030405060-25-15-5515温度℃室外温度℃二次供水温度二次回水温度各热力站过量供热比例热力站ZYYHHYJYHF实际全年耗热量GJ/m2a0.590.440.39全年需热量GJ/m2a0.460.330.29过量供热量GJ/m2a0.130.110.10过量供热比例22%25%26%20建筑实际耗热量室温偏高造成过量供热•实测某严寒地区测试建筑内部典型房间的室内计算月平均温度，大部分房间室内温度超过20℃，部分房间室内温度超过25℃•由于室内末端缺乏必要的调节手段，房间温度偏高导致开窗次数频繁，用户这些行为造成大量的过量供热损失。典型房间室内月平均温度21建筑实际耗热量室温偏高造成过量供热•开窗会导致建筑耗热量急剧上升典型房间室内月平均温度户型1（50%节能建筑）户型2（65%节能建筑）工况换气次数（次/