武漢市居住建筑天然氣供暖用氣量變化研究

李釔鋅， 林亞娜， 楊 飛， 董建鍇

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱 150090； 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090； 3.海南富力房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 海南 ?？?570105； 4.深圳市燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限公司， 廣東 深圳 518000)

1 概述

近年來(lái)，南方供暖的呼聲越來(lái)越高，需求日益迫切[1]。南方地區(qū)主要的供暖形式有空氣源熱泵、天然氣供暖和電供暖等[2]。天然氣作為清潔能源，具有綠色、無(wú)污染的特點(diǎn)，在氣源充足的地區(qū)是重要的供暖能源。

目前，一些學(xué)者對(duì)南方供暖的必要性及供暖方式進(jìn)行了研究。渠義杭等人[3]從生理、氣候和民眾需求3個(gè)方面對(duì)南方供暖的必要性進(jìn)行了闡述。金文[4]對(duì)上海、蘇州、武漢地區(qū)開展調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示南方城鎮(zhèn)居民使用較多的供暖方式為空氣源熱泵、燃?xì)夤┡療崴疇t和電熱供暖。

部分學(xué)者研究了天然氣供暖的可行性，郭非等人[5]對(duì)北京市兩個(gè)住宅小區(qū)98個(gè)分戶燃?xì)夤┡療崴疇t進(jìn)行了供暖期的數(shù)據(jù)收集，從舒適性、安全性、噪聲和分散排煙對(duì)環(huán)境的影響等方面對(duì)該供暖方式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了“宜小不宜大、宜分散不宜集中”的天然氣供暖原則。楊通[6]從能源轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)性能等多角度總結(jié)了北京市發(fā)展分戶式燃?xì)夤┡療崴疇t供暖存在的問題，即無(wú)法保障熱用戶的供熱品質(zhì)，相關(guān)部門應(yīng)對(duì)供熱管理體系加以完善，從而促進(jìn)分戶式燃?xì)夤┡療崴疇t在北京地區(qū)的推廣應(yīng)用。Su D等人[7]運(yùn)用市場(chǎng)模擬方法，在滿足供熱企業(yè)、終端用戶和政府需求多方利益的基礎(chǔ)上，對(duì)市場(chǎng)機(jī)制以及能源商品屬性等方面進(jìn)行了探討，驗(yàn)證了天然氣供暖的經(jīng)濟(jì)可行性。

另外，部分學(xué)者研究了天然氣供暖的用氣量變化，田貫三等人[8]以天津市為例，對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行燃?xì)夤┡?fù)荷的月不均勻系數(shù)、日不均勻系數(shù)及小時(shí)不均勻系數(shù)計(jì)算，并給出年平均燃?xì)夤┡療嶂笜?biāo)為71.06～81.29 kJ/(m2·h)，年燃?xì)夤┡臒崃繛?2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)。汪穎[9]比較了家用燃?xì)夤┡療崴疇t用氣量的兩種計(jì)算方法，結(jié)果顯示采用燃具同時(shí)工作系數(shù)法計(jì)算出的用氣量明顯偏大，采用供暖熱指標(biāo)法計(jì)算出的用氣量為前者的50%，更適用于實(shí)際工程計(jì)算。針對(duì)燃?xì)夤┡療崴疇t供暖的經(jīng)濟(jì)效益問題，韓剛等人[10]以鄭州地區(qū)供熱面積約為300 m2的燃?xì)夤┡療崴疇t為例，利用熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對(duì)燃?xì)夤┡療崴疇t的供暖和生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在天然氣價(jià)格為1.6元/m3，電價(jià)為0.56元/(kW·h)時(shí)，燃?xì)夤┡療崴疇t具有經(jīng)濟(jì)可行性。

部分學(xué)者對(duì)天然氣負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。鄒文波[11]以北京首都機(jī)場(chǎng)2012—2013年供暖期燃?xì)馊肇?fù)荷和大氣溫度作為樣本，建立了基于日最高溫和最低溫的燃?xì)馊肇?fù)荷的一元線性回歸預(yù)測(cè)模型。通過模型分析與驗(yàn)證，認(rèn)為以日最高溫為自變量的預(yù)測(cè)模型可以較為精確地預(yù)測(cè)首都機(jī)場(chǎng)的燃?xì)馊肇?fù)荷。王富平等人[12]以烏魯木齊為例對(duì)城市天然氣供暖進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，結(jié)果表明天然氣供暖的環(huán)境價(jià)值較高，但烏魯木齊市天然氣現(xiàn)行價(jià)格未能體現(xiàn)天然氣供暖利用價(jià)值，并認(rèn)為提升熱力企業(yè)的天然氣價(jià)格承受力是理順天然氣供暖產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)格水平，確保天然氣供暖市場(chǎng)健康發(fā)展的關(guān)鍵。此外，Zeng Q等人[13]以最大限度利用可再生能源的同時(shí)，盡量減少綜合系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本為目標(biāo)，建立綜合模型對(duì)電力、燃?xì)夂蛥^(qū)域供熱系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上，目前有關(guān)南方供暖的現(xiàn)狀及技術(shù)方面的探討頗為廣泛，同時(shí)對(duì)于天然氣供暖的可行性、燃?xì)庳?fù)荷及利用率等方面也有一定的探索。然而對(duì)于南方居住建筑供暖天然氣負(fù)荷變化的研究較少。南方供暖對(duì)天然氣負(fù)荷變化有著重要影響，同時(shí)對(duì)天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)具有重要意義。因此，本文針對(duì)南方供暖代表性城市武漢的居住建筑供暖對(duì)天然氣負(fù)荷變化的影響進(jìn)行了模擬研究。首先，建立DeST居住建筑模型；其次，模擬不同供熱間歇運(yùn)行模式下的供熱量面積指標(biāo)，分析天然氣供暖能耗；最后，計(jì)算天然氣供暖負(fù)荷。本文研究工作將有助于明確南方供暖對(duì)燃?xì)庳?fù)荷變化的影響，從而為相應(yīng)對(duì)策制定提供理論支持。

2 居住建筑模型的建立

2.1 典型居住建筑介紹

本研究采用DeST軟件對(duì)居住建筑建模，并對(duì)該模型進(jìn)行能耗模擬分析。據(jù)武漢市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，武漢市2017年城鎮(zhèn)居民人均住房面積為32.47 m2/人，以此作為參考，選取武漢市某居民樓為研究對(duì)象，該樓人均住房面積約為30 m2/人，共6層，每層6戶(戶型均相同，見圖1)，層高3.6 m，體形系數(shù)0.30，總建筑面積為2 845 m2，南北窗墻比0.24。

圖1 建筑每戶的戶型

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

① 建筑內(nèi)擾

根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及參考DeST數(shù)據(jù)，以及房間功能，設(shè)置建筑內(nèi)擾，包括人員內(nèi)擾、照明內(nèi)擾及設(shè)備內(nèi)擾，具體設(shè)置見表1～3，表中沒載明的時(shí)間段概率為0，表1中的百分?jǐn)?shù)表示滿員人數(shù)出現(xiàn)在某房間的概率。

② 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置

參考GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，武漢地區(qū)建筑供暖房間主臥、次臥、客廳的室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度取18 ℃。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置參考JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及武漢市實(shí)際建筑，并根據(jù)建筑體形系數(shù)、窗墻比對(duì)應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)限值，設(shè)置居住建筑模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。考慮到武漢市實(shí)際居住建筑供暖的多樣性，分別對(duì)3種不同間歇運(yùn)行模式下的天然氣供暖進(jìn)行模擬，模擬的時(shí)間段為11月1日至次年4月1日。建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表4。外窗傳熱系數(shù)為2.40 W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)為0.56，可見光透射比為58%。

表1 各功能房間人員分布

表2 各功能房間照明分布

表3 各功能房間設(shè)備功率分布

表4 建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在DeST軟件中輸入上述條件，并結(jié)合軟件自帶武漢市氣象參數(shù)，模擬得到供熱量指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算得到天然氣耗氣量。

2.3 間歇運(yùn)行模式

根據(jù)居民一般生活習(xí)慣及作息情況，設(shè)置3種供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式：

模式Ⅰ：0:00—4:00，7:00—11:00，13:00—17:00停止運(yùn)行，其他時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行；

模式Ⅱ：0:00—4:00，7:00—15:00停止運(yùn)行，其他時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行；

模式Ⅲ：7:00—17:00停止運(yùn)行，其他時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行。

3 模擬結(jié)果分析

對(duì)武漢市居住建筑模型上述3種間歇運(yùn)行模式進(jìn)行能耗模擬，得到供熱量指標(biāo)，見表5。

表5 3種運(yùn)行模式的供熱量指標(biāo)

由表5可知，在3種運(yùn)行模式中，模式Ⅱ全年累計(jì)供熱量單位面積指標(biāo)最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。考慮建筑節(jié)能的不斷推進(jìn)，結(jié)合武漢市實(shí)際建筑，本文選擇運(yùn)行模式I的結(jié)果作為分析對(duì)象。

3.1 供熱量分析

以模式Ⅰ為分析對(duì)象，選取室外氣溫較低的1月份供熱量進(jìn)行分析。該居住建筑1月份供熱量變化見圖2。

圖2 模式Ⅰ1月份逐日供熱量與日均室外溫度的關(guān)系

由圖2可以看出，逐日供熱量變化趨勢(shì)與日均室外溫度變化趨勢(shì)相反，日均室外溫度出現(xiàn)低谷時(shí)，逐日供熱量出現(xiàn)高峰。居住建筑的逐日供熱量在1月23日達(dá)到最大，為1 198 kW。

圖3 歷月日均供熱量

圖3給出了歷月日均供熱量分布。天然氣供暖主要集中在11月到次年4月，從11月到次年1月，日均供熱量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；從1月到4月，日均供熱量逐漸下降，整體與季節(jié)相關(guān)，符合實(shí)際情況。1月日均供熱量最大，為744.7 kW。1月武漢室外溫度較低，因此該供熱量與室外溫度變化相契合。由此也可得到全年各月份日均天然氣供暖用氣量的變化情況，其變化趨勢(shì)與日均供熱量變化一致。

該居住建筑全年的供熱量變化見圖4。全年的平均供熱量為46 kW。全年的供熱量集中在冬季，供熱量最高接近200 kW，最低不足10 kW。整體上，室外溫度低，相應(yīng)的供熱量也較高。

圖4 居住建筑全年供熱量變化

3.2 天然氣負(fù)荷分析

夏熱冬冷地區(qū)天然氣供暖多采用供暖熱水爐，供暖熱水爐供暖的天然氣耗量可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中V——天然氣耗量，m3

Q——供應(yīng)的熱量，kJ

Ql——天然氣的低熱值，kJ/m3

ηb——供暖熱水爐熱效率，取85%

ηs——系統(tǒng)熱效率，取90%

武漢市天然氣的低熱值為33.49 MJ/m3。根據(jù)公式(1)結(jié)合模型I的供熱量模擬結(jié)果，可計(jì)算得到居住建筑用供暖熱水爐進(jìn)行供暖的天然氣供應(yīng)參數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 模型I供暖熱水爐供暖的天然氣供應(yīng)參數(shù)

結(jié)合公式(1)與表5，對(duì)運(yùn)行模式Ⅱ、模式Ⅲ下的全年累計(jì)天然氣負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表7。

表7 不同模式下的全年累計(jì)天然氣負(fù)荷

由表7可以看出，采用運(yùn)行模式Ⅱ全年累計(jì)天然氣負(fù)荷最小，較為節(jié)能，經(jīng)濟(jì)效益較好，運(yùn)行模式Ⅲ全年累計(jì)天然氣負(fù)荷最大，運(yùn)行模式Ⅰ居中。

文獻(xiàn)[8]對(duì)天津地區(qū)城市供暖用氣的研究結(jié)果表明，年平均燃?xì)夤┡臒嶂笜?biāo)為71.06～81.26 kJ/(m2·h)，折合年供暖耗熱量(2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)，其全年累計(jì)天然氣負(fù)荷單位面積指標(biāo)為5.7～6.5 m3/(m2·a)。與運(yùn)行模式Ⅰ下全年累計(jì)天然氣負(fù)荷單位面積指標(biāo)3.73 m3/(m2·a)相比，武漢地區(qū)供暖燃?xì)夂牧枯^低，符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論

通過DeST軟件建模進(jìn)行武漢市某居住建筑供暖能耗模擬，通過設(shè)置建筑內(nèi)擾和圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合DeST軟件自帶的武漢市氣象參數(shù)，模擬得到3種供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式下該居住建筑的供熱量。根據(jù)武漢市天然氣參數(shù)，計(jì)算得到該建筑供暖對(duì)應(yīng)的天然氣用氣量，其結(jié)果可作為天然氣負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明：

① 在3種間歇運(yùn)行模式中，模式Ⅱ全年累計(jì)供熱量單位面積指標(biāo)最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。

② 以間歇運(yùn)行模式Ⅰ為分析對(duì)象，模擬得到1月份逐日供熱量與日均室外溫度的關(guān)系曲線、1月份供熱量最大日的逐時(shí)供熱量、歷月日均供熱量以及全年供熱量。

③ 在間歇運(yùn)行模式Ⅰ下，該居住建筑的逐日供熱量在1月23日達(dá)到最大，為1 198 kW。天然氣供暖主要集中在11月到次年4月，從11月到次年1月，日均供熱量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；1月到4月，日均供熱量逐漸下降，整體與季節(jié)相關(guān)，符合實(shí)際情況。1月日均供熱量最大，為744.7 kW。該居住建筑全年平均供熱量為46 kW。該居住建筑全年累計(jì)供熱量單位面積指標(biāo)及戶均指標(biāo)分別為26.6 kW·h/m2及2 099.5 kW·h/戶。

④ 全年累計(jì)天然氣負(fù)荷單位面積指標(biāo)為3.73 m3/m2，全年累計(jì)天然氣負(fù)荷戶均指標(biāo)為295 m3/戶。