各種能源采暖方式運行費用的估算方法與比較

莊兆意，胡可，蘇莘博，張承虎，孫德興

1.山東建筑大學熱能工程學院山東濟南 250101 2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院黑龍江哈爾濱 150090

各種能源采暖方式運行費用的估算方法與比較

莊兆意1，胡可1，蘇莘博1，張承虎2，孫德興2

1.山東建筑大學熱能工程學院山東濟南 250101 2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院黑龍江哈爾濱 150090

隨著各種新的采暖方式的出現，需要對其運行費用進行綜合分析與比較。通過分析采暖運行費用的組成，給出采暖運行費用的估算方法。結合燃料的實時價格、熱值及熱能利用效率等計算得出燃料的單位有效能源的耗資，同時給出了單位建筑整個采暖季的所需能耗。最后結合沈陽某酒店工程對采用各種熱源采暖時的運行費用進行了分析比較，結果表明該方法對工程確定采暖方案具有一定的參考價值。

供熱方式；能耗；運行費用；單位有效能

現如今石化能源供應日益緊張的情況更加突出，而我國冬季的傳統供暖正是石化能源消耗的大戶。因此，冬季采暖運行費用的估算有著非常重要的意義。傳統采暖方式還存在收費難等諸多弊端。為了應對這些問題與挑戰，目前在我國已經形成了一種尋求新的采暖方式的熱潮［1］。電熱膜、地板采暖等諸多觀點，至于哪種方法更好，還需進行科學的分析比較。不同采暖方式的比較是社會各群體都在關注的問題。政府的城市建設主管部門在比較，房地產開發商在比較，購房的百姓也在比較。在各種采暖方式的優缺點中，運行費用指標無疑是最重要，也是人們最關注的指標。

在某一采暖工程立項過程中，“該系統年運行費用是多少”是最經常被人們問到的問題，也是施工或工程的承包方必須回答的問題。但是準確地預測一個采暖系統的全年運行費用又是極為復雜的。因為全年的運行費用不僅與建筑結構、地區氣候、房間要求達到的舒適程度、設備效率、調節方式與質量等能耗狀況有關，而且還與煤、油、氣、電（含分時電價）等能源價格有關［2］。常見一些來自于工程承包方語氣肯定的預測，當人們追究其根據時，卻發現其中往往是基于奇怪的邏輯。例如討論電熱膜采暖時有人說：在良好的圍護結構保溫下采用電熱膜采暖，其采暖費用可低于散熱器采暖—因此電熱膜是節能產品（某政府機構已頒發了節能產品證書）。前面一句話本身沒錯，然而，對圍護結構進行良好保溫，是采用任何采暖方式都應實施的，在比較電熱膜與散熱器時，如果一個針對保暖房間，而另一個針對非保暖房間，這種情況下怎么可以把保溫的功勞算到電熱膜身上呢？再例如有廠家將機組功率乘以每天8 h來計算熱泵供熱空調的運行費用，讓人們難以理解此種計算方法的依據何在。難道是因為其他時間段不需采暖，或是房間的蓄熱（冷）能力是如此的大嗎？不能說這些預測全都是出于商業利益的考慮，但事實上也確實還沒有一個很好的方法來對這樣一個復雜的問題做出準確的回答。本文試圖提出一種有說服力的方法來解決這個預測問題，供各方比較采暖方案時參考。

1 采暖運行費用的構成

采暖運行費用主要包括能源消耗費用（燃煤、燃油、燃氣、電等）、設備維修費用、人工費和管理費，其中能源消耗費用占絕大的比重［3］。例如用一噸燃煤鍋爐（含鍋爐房設備造價不到十萬元）供應一萬平方米的建筑采暖，一年的購煤費用就要遠遠地超過此值。再例如燃油、燃氣供熱，設備的投資和年折舊費用更是比不上燃料費。至于其他的諸如運行人工費、設備維護費、管理費等所占的比重就更小些。因此我們完全可以用能源的購買費用作為主體來進行采暖運行費用的估算［4］。

計算某建筑采暖年運行費的公式可寫成：

式中：P為采暖年運行費用，元；C為單位有效能源的耗資，其中已考慮某種能源在正常被使用時的利用效率，元／GJ；E為建筑物每平方米一個采暖季的總能耗，GJ／m2；A為建筑面積，m2。

2 各種采暖方式單位有效能源的耗資

單位有效能源的耗資是指采暖燃料提供單位兆焦熱能的成本單價，它是由燃料的價格、熱值以及該種熱能的利用效率計算出來的。各種采暖方式的單位有效能源的耗資見表1。

表1 各種采暖方式熱源燃料單位耗資比較

表1中各種采暖方式熱能的利用效率是指整個系統的綜合效率。例如燃煤鍋爐的效率是肯定要高于0.6的，但對整個采暖系統而言，0.6是個切合實際的數字。表中采用熱泵采暖時的能源利用效率3.6低于機組一般的性能系數（4.0）水平，是考慮到了熱泵系統中的水泵能耗，該能耗在總能耗中所占的比重要略大于其他采暖方式［5］。

讀者可不必過于關注表中數據的精確度。熱值與燃料的品種、產地有關，而價格更是隨市場變化的不確定因素。但無論如何，表中的參考數據是有價值的。更主要的，該表已給出了一種不同燃料耗資計算的方法。假如遇到某項數據與實際不符的情況，讀者完全可以更改表中數據自己算出結果來。

由表1中數據可見，在我國目前條件下，采暖用熱的燃料費仍以燃煤明顯最低。燃油、燃氣為其2～4倍，而直接用電能轉化為熱能其能源費為燃煤費的3～5倍（依電價而定）。熱泵供熱的能源費用與電價成正比，當電價水平為0.55元／kW·h左右的民用電價時，供熱的能源耗費與燃煤持平。但須知熱網的收費是高于燃料費的。以哈爾濱市為例，熱網的收費標準為每平方米建筑3.5元［6］。而在哈爾濱1 GJ熱能可為1.8m2建筑提供整個采暖季的采暖。可得出結論：當電價水平為0.85元／kW·h左右時，在哈爾濱熱泵供熱運行費用與熱網收費持平。

3 建筑物的采暖能耗

建筑物的采暖能耗是與采用何種系統形式沒有關系的，也與系統的運行機制（例如間歇運行、質調節、量調節等）沒有多大的關系。有些廠家將建筑物的采暖總能耗與熱泵間歇運行混在一起計算是很不科學的。建筑物為保持一定的室內溫濕環境而必須要求的能量消耗是客觀存在的，不論是采用鍋爐供熱還是熱泵供熱，不論是連續供應還是間歇供應，達不到要求的供熱量，建筑物房間內的室內環境就無法得到滿足。所以不論采用何種方法來計算建筑物的采暖能耗，其計算結果都應該是相差不大的。一旦建筑物確定了，要減少采暖的運行費用就不能在計算建筑物的采暖能耗上下功夫了。由計算全年采暖運行費用的式（1）可以知道，真正決定運行費用的是各種采暖形式的單位有效能源的耗資，它與系統形式、設備性能、設計參數、各種燃料的價格密切相關的。要想降低其運行費用，必須保證正確的系統形式、可靠高效的設備、優化設計的運行參數，而不是在計算采暖能耗上玩數字游戲。

采暖熱負荷用穩態溫差傳熱方法計算，但在缺乏充足的調查統計數據時，面積負荷指標法是一種非常簡單實用的負荷估算方法［7-8］，本文推薦用下述公式來估算每平方米建筑物在整個采暖季的采暖所需能耗：

式中：E為整個采暖季每平方米建筑物所需能耗，GJ／m2；q為計算用的的基準熱負荷。以哈爾濱地區無保溫49墻建筑冬季的計算熱負荷指標為基準，取值q＝70W／m2；T為采暖季時間，s。若采暖季為180天，則T＝180×24×3 600＝15 552 000 s；e1為地區氣候修正系數。以哈爾濱為例，其冬季采暖的室外計算溫度為-24.2℃，若某地區采暖計算溫度為tW，室內設計溫度取20℃，則

e2為建筑圍護結構的保溫系數。可近似地由圍護結構的平均傳熱系數之比算得：

式中：K為實際有保溫墻體時圍護結構的平均傳熱系數，W／m2·℃；K0為無保溫49墻圍護結構的平均傳熱系數，W／m2·℃。所謂的“圍護結構平均傳熱系數”是指除了墻體外還要考慮窗的保溫情況。

e3為部分負荷系數。在一個采暖季，大部分時段采暖系統處于部分負荷運行。按理說，e3應該由該地區冬季逐日的氣候變化曲線獲得，然而對工程界來說整理多年的氣象資料也并非易事。對大多數地區，假定冬季的逐日氣溫按余弦規律變化誤差不大，如此經積分可得：e3＝0.6。

e4為空間不完全運行系數。對某些建筑，例如賓館，常常有客房入住不滿的情況，在良好控制的情況下可實現空房暫不供熱，又如高檔民宅，建成后往往可預計幾年內入住率不到100%；這兩種情況特別在熱泵供熱的系統中更容易加以調節。當然未住人的房間并不是一點熱負荷也不需要，但至少我們應根據實際情況估計一個空間不完全運行系數參與全年運行費的估算，比完全沒有考慮要好得多。例如某賓館近年來經統計冬季平均入住率為70%，則對熱泵供熱的系統可折半取均值為e4＝0.85，但對鍋爐房供熱的系統只能視調節措施將e4取得更高些，無調節措施時取e4＝1。

e5為時間不完全運行系數。對某些建筑，例如銀行或寫字樓，8 h上班時間外熱負荷可調低。應視設計的調節措施和將來可能的調節情況確定時間不完全運行系數e5。當然對8 h利用的建筑e5也不可能為1／3，建議視調節情況取e5＝0.5～0.7。

e6為特別的室溫要求系數。對正常要求室內采暖計算溫度20℃的建筑，e6＝1，但對有些建筑，例如賓館要求高些，車庫要求低些。

式中：tn為要求的室內計算溫度；tw為室外計算溫度。

4 計算舉例

設在沈陽市有某酒店建筑面積3萬m2須解決冬季采暖問題。根據近年來的統計，酒店冬季的平均入住率為70%；已采用保溫墻體與塑鋼窗，傳熱系數降低了40%；末端為風機盤管，具有良好的調節功能。要求采暖148天，室溫不低于23℃。可能的熱源為：燃煤鍋爐、燃油鍋爐、人工煤氣爐、燃液化石油氣爐、水源熱泵5種。若采用熱泵供熱可享受民用電價0.55元／kW·h。請給出采用這些熱源采暖時的運行費用的預測與比較。由以上的分析可得出：沈陽冬季采暖計算溫度為-16.9℃，據式（2）及其說明，修正系數e1～e6及E見表2所示。

表2 e1～e6修正數值及單位面積能耗E

該建筑冬季的總能耗為0.203×30 000＝6 090 GJ。據表1，該建筑使用各種熱源時的全年采暖運行費估算如表3。

表3 全年采暖運行費用表

當然，從財務角度看該數據還不是運行費用的全部，但肯定是運行費用的80%以上。這對達到宏觀比較目的是足夠的。從表3中可以看出，運行費用最低的為水源熱泵，其次是燃煤鍋爐，由于水源熱泵的應用受到各種條件的制約，因此燃煤鍋爐是目前最適用的形式，這也正與我國仍然是以煤炭為主的能源消費結構的現狀相符合。但燃煤鍋爐是否就是最經濟最合理的熱源，仍值得討論。因為這只是基礎消耗燃料的價格，大量采用燃煤作為燃料，還會有較高的環境成本，這是必須要考慮的問題。

值得注意的是燃料價格確是波動的，受政策、時間、運輸等多種因素影響，有時候波動幅度會很大。近幾年來，霧霾成為了社會熱議的話題，不單是存在危害人體健康，給生活帶來諸多不便，霧霾問題現在并沒有得到有效解決，甚至有加重的傾向，這已經成為國家面臨的重要議題［9］。此外，化石能源供應日益緊張的矛盾也更加突出。因此，對環保與節能減排提出了更高的要求，這方面的需求自然也在不斷增長。國家已經開始控制煤炭的開采及消費量。

雖然現階段燃煤為最便宜的解決方案，但是我國以煤炭為主的消費結構的改進卻是勢在必行。根據通用電氣（GE）公司在北京發布白皮書《中國的天然氣時代：能源發展的創新與變革》，其研究表明如果天然氣在一次能源消費總量中所占的比例從2012年的4%增長到2025年的8%，由此導致的煤炭消費減少可以在13年內節約5萬億元人民幣的環境成本。這意味著平均每年節約3 800億元，約占年度GDP的0.5%［10］。可見，使用燃煤鍋爐，成本并不一定就低。還需要注意的是，我國目前的燃料價格并非完全合理，因為開采和運輸等方面的限制。天然氣價格是美國的7倍左右。但是隨著陸上天然氣開采的發展（成本可有望控制到0.6～0.7元／m3）西氣東輸的逐步建成，天然氣成本有望得到較大下降。沈陽、哈爾濱已有試點用燃氣鍋爐進行供熱。在很多發達國家，燃氣也是冬季家庭供暖的主要燃料之一，煤炭供熱的比例已經較小。

5 結束語

預測各種熱源采暖運行費是社會上普遍關心的，又是非常復雜的，此前還沒有公認可靠的預測方法。本文分析了構成運行費用各種主要的技術、經濟因素，總結出簡單、便捷的計算公式，并對公式各項的意義作出了確切的說明。工程界的建設方、承建方和使用方都可以用此方法對擬選的熱源、擬建的工程作出運行費的預測。本方法的優勢之一就是可以估算出建筑的冬季所需能耗，這一數值相對固定，而最后估算出的供熱成本可根據燃料成本的變化進行調整和更新。因此可以根據現實條件等靈活選擇冷熱源。此外，在國家正在進行能源結構調整和更加注重環境保護的趨勢下，這一優勢更為明顯。作者無意強調所取的數據多么精確，而是重在給出這樣一個預測全年采暖運行費用的方法。使用者對過程中某個數據不贊同時，完全可以改變成自認為可靠的數據而完成預測。

［1］胡四宏.采暖、空調系統運行費用的計量［J］.水·電·暖通，2006（5）：179-180.

［2］李雅昕，張旭，劉俊.節能建筑的能耗及運行費用模擬計算分析［J］.建筑科學，2006，22（5A）：21-26.

［3］張承虎，莊兆意，吳榮華，等.熱泵供熱空調系統的年運行費用估算方法［J］.節能技術，2008，26（152）：483-496.

［4］呂忠榮.暖通空調專業設計的經濟性控制［J］.廣西城鎮建設，2006，（8）：56-57

［5］龍惟定，白瑋.中國住宅空調的未來發展［J］.暖通空調，1999，29（3）：43-47.

［6］吳榮華，孫德興.城市原生污水源熱泵系統運行工況與參數特性［J］.流體機械，2005，33（12）：46-52.

［7］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1993：244-268.

［8］中華人民共和國國家標準.采暖通風與空氣調節設計規范［S］.GB50019-2012.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［9］張小曳，孫俊英，王亞強，等.我國霧霾原因及其治理的思考［J］.科學通報，2013，58（13）：1178-1187.

［10］人民網.天然氣取代煤炭年省3800億元［EB／OL］.［2013-10-29］.http：／／scitech.people.com.cn／n／2013／1029／c1057-23355154.htm l.

Estimation and com parison of operating costs for the various heating systems

ZHUANG Zhaoyi1，HU Ke1，SU Shenbo1，ZHANG Chenghu2，SUN Dexing2
1.School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China 2.College of Municipal Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China

With the development of new heating systems，it is necessary to analyze and compare their actual operat-ing costs.This paper gives an estimationmethod for heating operating costs by analyzing its composition and calcu-lates the consumed cost of the effective energy per unit by combining the real－time price，the calorific value of fuel and heat energy utilization efficiency.Meanwhile，this paper also gives the energy consumption of the building per area throughout the heating season.Finally，this paper analyzes and compares the operating cost for 5 types of heat-ing models for a hotel in Shenyang，which has a certain reference value for the project to determine the heating sys-tem.

heatingmodel；energy consumption；operating cost；effective energy per unit

TU831.6

A

1009-671X（2015）02-079-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201406006

2014-06-07.

日期：2015-03-25.

國家科技支撐計劃子課題（2012BAJ06B03-01）；山東建筑大學博士科研基金資助項目（XNBS1226）.

莊兆意（1982-），男，博士，講師.

莊兆意，E-mail：hit6421＠126.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150326.0840.001.html