各種能源采暖方式運(yùn)行費(fèi)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(xué)熱能工程學(xué)院山東濟(jì)南 250101 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院黑龍江哈爾濱 150090

各種能源采暖方式運(yùn)行費(fèi)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(xué)熱能工程學(xué)院山東濟(jì)南 250101 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院黑龍江哈爾濱 150090

隨著各種新的采暖方式的出現(xiàn)，需要對(duì)其運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行綜合分析與比較。通過(guò)分析采暖運(yùn)行費(fèi)用的組成，給出采暖運(yùn)行費(fèi)用的估算方法。結(jié)合燃料的實(shí)時(shí)價(jià)格、熱值及熱能利用效率等計(jì)算得出燃料的單位有效能源的耗資，同時(shí)給出了單位建筑整個(gè)采暖季的所需能耗。最后結(jié)合沈陽(yáng)某酒店工程對(duì)采用各種熱源采暖時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明該方法對(duì)工程確定采暖方案具有一定的參考價(jià)值。

供熱方式；能耗；運(yùn)行費(fèi)用；單位有效能

現(xiàn)如今石化能源供應(yīng)日益緊張的情況更加突出，而我國(guó)冬季的傳統(tǒng)供暖正是石化能源消耗的大戶。因此，冬季采暖運(yùn)行費(fèi)用的估算有著非常重要的意義。傳統(tǒng)采暖方式還存在收費(fèi)難等諸多弊端。為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)，目前在我國(guó)已經(jīng)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(diǎn)，至于哪種方法更好，還需進(jìn)行科學(xué)的分析比較。不同采暖方式的比較是社會(huì)各群體都在關(guān)注的問(wèn)題。政府的城市建設(shè)主管部門在比較，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商在比較，購(gòu)房的百姓也在比較。在各種采暖方式的優(yōu)缺點(diǎn)中，運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)無(wú)疑是最重要，也是人們最關(guān)注的指標(biāo)。

在某一采暖工程立項(xiàng)過(guò)程中，“該系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用是多少”是最經(jīng)常被人們問(wèn)到的問(wèn)題，也是施工或工程的承包方必須回答的問(wèn)題。但是準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一個(gè)采暖系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用又是極為復(fù)雜的。因?yàn)槿甑倪\(yùn)行費(fèi)用不僅與建筑結(jié)構(gòu)、地區(qū)氣候、房間要求達(dá)到的舒適程度、設(shè)備效率、調(diào)節(jié)方式與質(zhì)量等能耗狀況有關(guān)，而且還與煤、油、氣、電（含分時(shí)電價(jià)）等能源價(jià)格有關(guān)［2］。常見(jiàn)一些來(lái)自于工程承包方語(yǔ)氣肯定的預(yù)測(cè)，當(dāng)人們追究其根據(jù)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)其中往往是基于奇怪的邏輯。例如討論電熱膜采暖時(shí)有人說(shuō)：在良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫下采用電熱膜采暖，其采暖費(fèi)用可低于散熱器采暖—因此電熱膜是節(jié)能產(chǎn)品（某政府機(jī)構(gòu)已頒發(fā)了節(jié)能產(chǎn)品證書）。前面一句話本身沒(méi)錯(cuò)，然而，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好保溫，是采用任何采暖方式都應(yīng)實(shí)施的，在比較電熱膜與散熱器時(shí)，如果一個(gè)針對(duì)保暖房間，而另一個(gè)針對(duì)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(jī)組功率乘以每天8 h來(lái)計(jì)算熱泵供熱空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用，讓人們難以理解此種計(jì)算方法的依據(jù)何在。難道是因?yàn)槠渌麜r(shí)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(shuō)這些預(yù)測(cè)全都是出于商業(yè)利益的考慮，但事實(shí)上也確實(shí)還沒(méi)有一個(gè)很好的方法來(lái)對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題做出準(zhǔn)確的回答。本文試圖提出一種有說(shuō)服力的方法來(lái)解決這個(gè)預(yù)測(cè)問(wèn)題，供各方比較采暖方案時(shí)參考。

1 采暖運(yùn)行費(fèi)用的構(gòu)成

采暖運(yùn)行費(fèi)用主要包括能源消耗費(fèi)用（燃煤、燃油、燃?xì)?、電等）、設(shè)備維修費(fèi)用、人工費(fèi)和管理費(fèi)，其中能源消耗費(fèi)用占絕大的比重［3］。例如用一噸燃煤鍋爐（含鍋爐房設(shè)備造價(jià)不到十萬(wàn)元）供應(yīng)一萬(wàn)平方米的建筑采暖，一年的購(gòu)煤費(fèi)用就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)此值。再例如燃油、燃?xì)夤幔O(shè)備的投資和年折舊費(fèi)用更是比不上燃料費(fèi)。至于其他的諸如運(yùn)行人工費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)等所占的比重就更小些。因此我們完全可以用能源的購(gòu)買費(fèi)用作為主體來(lái)進(jìn)行采暖運(yùn)行費(fèi)用的估算［4］。

計(jì)算某建筑采暖年運(yùn)行費(fèi)的公式可寫成：

式中：P為采暖年運(yùn)行費(fèi)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(shí)的利用效率，元／GJ；E為建筑物每平方米一個(gè)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(jià)，它是由燃料的價(jià)格、熱值以及該種熱能的利用效率計(jì)算出來(lái)的。各種采暖方式的單位有效能源的耗資見(jiàn)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(gè)系統(tǒng)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(duì)整個(gè)采暖系統(tǒng)而言，0.6是個(gè)切合實(shí)際的數(shù)字。表中采用熱泵采暖時(shí)的能源利用效率3.6低于機(jī)組一般的性能系數(shù)（4.0）水平，是考慮到了熱泵系統(tǒng)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(guò)于關(guān)注表中數(shù)據(jù)的精確度。熱值與燃料的品種、產(chǎn)地有關(guān)，而價(jià)格更是隨市場(chǎng)變化的不確定因素。但無(wú)論如何，表中的參考數(shù)據(jù)是有價(jià)值的。更主要的，該表已給出了一種不同燃料耗資計(jì)算的方法。假如遇到某項(xiàng)數(shù)據(jù)與實(shí)際不符的情況，讀者完全可以更改表中數(shù)據(jù)自己算出結(jié)果來(lái)。

由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在我國(guó)目前條件下，采暖用熱的燃料費(fèi)仍以燃煤明顯最低。燃油、燃?xì)鉃槠?～4倍，而直接用電能轉(zhuǎn)化為熱能其能源費(fèi)為燃煤費(fèi)的3～5倍（依電價(jià)而定）。熱泵供熱的能源費(fèi)用與電價(jià)成正比，當(dāng)電價(jià)水平為0.55元／kW·h左右的民用電價(jià)時(shí)，供熱的能源耗費(fèi)與燃煤持平。但須知熱網(wǎng)的收費(fèi)是高于燃料費(fèi)的。以哈爾濱市為例，熱網(wǎng)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)采暖季的采暖。可得出結(jié)論：當(dāng)電價(jià)水平為0.85元／kW·h左右時(shí)，在哈爾濱熱泵供熱運(yùn)行費(fèi)用與熱網(wǎng)收費(fèi)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(tǒng)形式?jīng)]有關(guān)系的，也與系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制（例如間歇運(yùn)行、質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)等）沒(méi)有多大的關(guān)系。有些廠家將建筑物的采暖總能耗與熱泵間歇運(yùn)行混在一起計(jì)算是很不科學(xué)的。建筑物為保持一定的室內(nèi)溫濕環(huán)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(xù)供應(yīng)還是間歇供應(yīng)，達(dá)不到要求的供熱量，建筑物房間內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境就無(wú)法得到滿足。所以不論采用何種方法來(lái)計(jì)算建筑物的采暖能耗，其計(jì)算結(jié)果都應(yīng)該是相差不大的。一旦建筑物確定了，要減少采暖的運(yùn)行費(fèi)用就不能在計(jì)算建筑物的采暖能耗上下功夫了。由計(jì)算全年采暖運(yùn)行費(fèi)用的式（1）可以知道，真正決定運(yùn)行費(fèi)用的是各種采暖形式的單位有效能源的耗資，它與系統(tǒng)形式、設(shè)備性能、設(shè)計(jì)參數(shù)、各種燃料的價(jià)格密切相關(guān)的。要想降低其運(yùn)行費(fèi)用，必須保證正確的系統(tǒng)形式、可靠高效的設(shè)備、優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)，而不是在計(jì)算采暖能耗上玩數(shù)字游戲。

采暖熱負(fù)荷用穩(wěn)態(tài)溫差傳熱方法計(jì)算，但在缺乏充足的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，面積負(fù)荷指標(biāo)法是一種非常簡(jiǎn)單實(shí)用的負(fù)荷估算方法［7-8］，本文推薦用下述公式來(lái)估算每平方米建筑物在整個(gè)采暖季的采暖所需能耗：

式中：E為整個(gè)采暖季每平方米建筑物所需能耗，GJ／m2；q為計(jì)算用的的基準(zhǔn)熱負(fù)荷。以哈爾濱地區(qū)無(wú)保溫49墻建筑冬季的計(jì)算熱負(fù)荷指標(biāo)為基準(zhǔn)，取值q＝70W／m2；T為采暖季時(shí)間，s。若采暖季為180天，則T＝180×24×3 600＝15 552 000 s；e1為地區(qū)氣候修正系數(shù)。以哈爾濱為例，其冬季采暖的室外計(jì)算溫度為-24.2℃，若某地區(qū)采暖計(jì)算溫度為tW，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取20℃，則

e2為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫系數(shù)。可近似地由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)之比算得：

式中：K為實(shí)際有保溫墻體時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，W／m2·℃；K0為無(wú)保溫49墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，W／m2·℃。所謂的“圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)”是指除了墻體外還要考慮窗的保溫情況。

e3為部分負(fù)荷系數(shù)。在一個(gè)采暖季，大部分時(shí)段采暖系統(tǒng)處于部分負(fù)荷運(yùn)行。按理說(shuō)，e3應(yīng)該由該地區(qū)冬季逐日的氣候變化曲線獲得，然而對(duì)工程界來(lái)說(shuō)整理多年的氣象資料也并非易事。對(duì)大多數(shù)地區(qū)，假定冬季的逐日氣溫按余弦規(guī)律變化誤差不大，如此經(jīng)積分可得：e3＝0.6。

e4為空間不完全運(yùn)行系數(shù)。對(duì)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(shí)現(xiàn)空房暫不供熱，又如高檔民宅，建成后往往可預(yù)計(jì)幾年內(nèi)入住率不到100%；這兩種情況特別在熱泵供熱的系統(tǒng)中更容易加以調(diào)節(jié)。當(dāng)然未住人的房間并不是一點(diǎn)熱負(fù)荷也不需要，但至少我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況估計(jì)一個(gè)空間不完全運(yùn)行系數(shù)參與全年運(yùn)行費(fèi)的估算，比完全沒(méi)有考慮要好得多。例如某賓館近年來(lái)經(jīng)統(tǒng)計(jì)冬季平均入住率為70%，則對(duì)熱泵供熱的系統(tǒng)可折半取均值為e4＝0.85，但對(duì)鍋爐房供熱的系統(tǒng)只能視調(diào)節(jié)措施將e4取得更高些，無(wú)調(diào)節(jié)措施時(shí)取e4＝1。

e5為時(shí)間不完全運(yùn)行系數(shù)。對(duì)某些建筑，例如銀行或?qū)懽謽牵? h上班時(shí)間外熱負(fù)荷可調(diào)低。應(yīng)視設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)措施和將來(lái)可能的調(diào)節(jié)情況確定時(shí)間不完全運(yùn)行系數(shù)e5。當(dāng)然對(duì)8 h利用的建筑e5也不可能為1／3，建議視調(diào)節(jié)情況取e5＝0.5～0.7。

e6為特別的室溫要求系數(shù)。對(duì)正常要求室內(nèi)采暖計(jì)算溫度20℃的建筑，e6＝1，但對(duì)有些建筑，例如賓館要求高些，車庫(kù)要求低些。

式中：tn為要求的室內(nèi)計(jì)算溫度；tw為室外計(jì)算溫度。

4 計(jì)算舉例

設(shè)在沈陽(yáng)市有某酒店建筑面積3萬(wàn)m2須解決冬季采暖問(wèn)題。根據(jù)近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)，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(shù)降低了40%；末端為風(fēng)機(jī)盤管，具有良好的調(diào)節(jié)功能。要求采暖148天，室溫不低于23℃?？赡艿臒嵩礊椋喝济哄仩t、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(jià)0.55元／kW·h。請(qǐng)給出采用這些熱源采暖時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用的預(yù)測(cè)與比較。由以上的分析可得出：沈陽(yáng)冬季采暖計(jì)算溫度為-16.9℃，據(jù)式（2）及其說(shuō)明，修正系數(shù)e1～e6及E見(jiàn)表2所示。

表2 e1～e6修正數(shù)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(jù)表1，該建筑使用各種熱源時(shí)的全年采暖運(yùn)行費(fèi)估算如表3。

表3 全年采暖運(yùn)行費(fèi)用表

當(dāng)然，從財(cái)務(wù)角度看該數(shù)據(jù)還不是運(yùn)行費(fèi)用的全部，但肯定是運(yùn)行費(fèi)用的80%以上。這對(duì)達(dá)到宏觀比較目的是足夠的。從表3中可以看出，運(yùn)行費(fèi)用最低的為水源熱泵，其次是燃煤鍋爐，由于水源熱泵的應(yīng)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(guó)仍然是以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀相符合。但燃煤鍋爐是否就是最經(jīng)濟(jì)最合理的熱源，仍值得討論。因?yàn)檫@只是基礎(chǔ)消耗燃料的價(jià)格，大量采用燃煤作為燃料，還會(huì)有較高的環(huán)境成本，這是必須要考慮的問(wèn)題。

值得注意的是燃料價(jià)格確是波動(dòng)的，受政策、時(shí)間、運(yùn)輸?shù)榷喾N因素影響，有時(shí)候波動(dòng)幅度會(huì)很大。近幾年來(lái)，霧霾成為了社會(huì)熱議的話題，不單是存在危害人體健康，給生活帶來(lái)諸多不便，霧霾問(wèn)題現(xiàn)在并沒(méi)有得到有效解決，甚至有加重的傾向，這已經(jīng)成為國(guó)家面臨的重要議題［9］。此外，化石能源供應(yīng)日益緊張的矛盾也更加突出。因此，對(duì)環(huán)保與節(jié)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(zhǎng)。國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始控制煤炭的開(kāi)采及消費(fèi)量。

雖然現(xiàn)階段燃煤為最便宜的解決方案，但是我國(guó)以煤炭為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)卻是勢(shì)在必行。根據(jù)通用電氣（GE）公司在北京發(fā)布白皮書《中國(guó)的天然氣時(shí)代：能源發(fā)展的創(chuàng)新與變革》，其研究表明如果天然氣在一次能源消費(fèi)總量中所占的比例從2012年的4%增長(zhǎng)到2025年的8%，由此導(dǎo)致的煤炭消費(fèi)減少可以在13年內(nèi)節(jié)約5萬(wàn)億元人民幣的環(huán)境成本。這意味著平均每年節(jié)約3 800億元，約占年度GDP的0.5%［10］?？梢?jiàn)，使用燃煤鍋爐，成本并不一定就低。還需要注意的是，我國(guó)目前的燃料價(jià)格并非完全合理，因?yàn)殚_(kāi)采和運(yùn)輸?shù)确矫娴南拗?。天然氣價(jià)格是美國(guó)的7倍左右。但是隨著陸上天然氣開(kāi)采的發(fā)展（成本可有望控制到0.6～0.7元／m3）西氣東輸?shù)闹鸩浇ǔ?，天然氣成本有望得到較大下降。沈陽(yáng)、哈爾濱已有試點(diǎn)用燃?xì)忮仩t進(jìn)行供熱。在很多發(fā)達(dá)國(guó)家，燃?xì)庖彩嵌炯彝ス┡闹饕剂现?，煤炭供熱的比例已?jīng)較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)測(cè)各種熱源采暖運(yùn)行費(fèi)是社會(huì)上普遍關(guān)心的，又是非常復(fù)雜的，此前還沒(méi)有公認(rèn)可靠的預(yù)測(cè)方法。本文分析了構(gòu)成運(yùn)行費(fèi)用各種主要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，總結(jié)出簡(jiǎn)單、便捷的計(jì)算公式，并對(duì)公式各項(xiàng)的意義作出了確切的說(shuō)明。工程界的建設(shè)方、承建方和使用方都可以用此方法對(duì)擬選的熱源、擬建的工程作出運(yùn)行費(fèi)的預(yù)測(cè)。本方法的優(yōu)勢(shì)之一就是可以估算出建筑的冬季所需能耗，這一數(shù)值相對(duì)固定，而最后估算出的供熱成本可根據(jù)燃料成本的變化進(jìn)行調(diào)整和更新。因此可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件等靈活選擇冷熱源。此外，在國(guó)家正在進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和更加注重環(huán)境保護(hù)的趨勢(shì)下，這一優(yōu)勢(shì)更為明顯。作者無(wú)意強(qiáng)調(diào)所取的數(shù)據(jù)多么精確，而是重在給出這樣一個(gè)預(yù)測(cè)全年采暖運(yùn)行費(fèi)用的方法。使用者對(duì)過(guò)程中某個(gè)數(shù)據(jù)不贊同時(shí)，完全可以改變成自認(rèn)為可靠的數(shù)據(jù)而完成預(yù)測(cè)。

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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(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題（2012BAJ06B03-01）；山東建筑大學(xué)博士科研基金資助項(xiàng)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