生態(tài)環(huán)保戰(zhàn)略下住宅建筑的采暖計量方法研究

周 詣 ，于 濤 ，周清村

（1：長春工程學院，吉林 長春 130012；2：吉林省土木建筑學會，吉林 長春 130022）

0 引言

生態(tài)環(huán)保戰(zhàn)略是人們基于對生態(tài)環(huán)境的認知，對環(huán)境進行合理開發(fā)利用、治理與保護，共生與擴展等行為達到人與自然和諧共生發(fā)展的目的。隨著我國經濟持續(xù)快速發(fā)展，能源消耗量也逐年遞增，據統(tǒng)計建筑行業(yè)能源消耗占全球總能耗的三分之一，其中，24%來源于住宅建筑，8%來源于公共建筑，建筑總能耗中約有40%用于北方城鎮(zhèn)的冬季采暖，可見建筑采暖能耗的節(jié)能減排在環(huán)境保護與資源合理開發(fā)利用方面起到及其重要的作用。

我國在實施生態(tài)環(huán)保戰(zhàn)略以來，不斷進行建筑的節(jié)能減排，既有建筑節(jié)能標準不斷提高，《民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住建筑部分)》要求節(jié)能從30%升到50%直至65%。供熱體系在熱源提升、管線改造及末端保溫等多方面都進行了節(jié)能減排措施，有很大改善作用，室內溫度大幅度提高，經過改造的供熱系統(tǒng)，住宅室內平均升溫1℃～3℃。同時由于溫度的提升，用戶開窗放熱主動耗能現(xiàn)象及停供蹭熱現(xiàn)象不斷增加。我國20 世紀90 年代末開始將供熱作為商品進行收費，但收費價值衡量一直以面積為標準，與用戶“行為節(jié)能”脫節(jié)。

按熱計量收費的出現(xiàn)，提出了按需供熱的思路，為百姓主動節(jié)能提出了指導性路徑，但20 年來的熱計量改造，至今沒有實施應用，已經成為值得深思的課題。

1 熱計量的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 國外熱計量發(fā)展現(xiàn)狀

“熱計量”最早開始于歐洲國家[1]，丹麥是分戶熱計量最早的國家，1926 年，丹麥Odin Cloriu 最早發(fā)明了蒸汽式熱計量裝置Heating Cost Allocation。丹麥、德國、奧地利、瑞典、法國、芬蘭等國家在區(qū)域供熱和熱量分攤計量方面具有成熟經驗和較高水平。這些歐洲國家由于住宅多數(shù)以獨立小住宅（1 棟建筑為1 戶）為戶計量，計量結算都較為明確。采用分戶熱計量方案，可節(jié)能20%～30%，在帶來巨大經濟效益的同時，生態(tài)環(huán)境也得到了保護，“行為節(jié)能”的綠色環(huán)保意識得到普及。

國外的熱計量方法主要是熱量法。具體方法主要有3 種：①通過測定用戶入戶采暖系統(tǒng)的流量、供回水溫度來確定熱量的熱量表法；②通過測量散熱設備溫度與室內溫度差值來確定用戶熱量的熱量分配表法；③通過測量用戶熱負荷來確定用戶熱量的熱負荷法。

1.2 國內熱計量發(fā)展現(xiàn)狀

自2003 年，由當時的建設部牽頭、八部委聯(lián)合下發(fā)《關于城鎮(zhèn)供熱體制改革試點工作的指導意見》開始，“熱計量”一詞正式進入人們的視野。在此之前供熱收費都是按照面積進行收費，由于按面積收費存在溫度不同戶收費相同的不公平、過熱戶開窗放熱浪費能源等一系列問題，不利于節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保。故此拉開了熱計量的改革熱潮。我國熱計量主流應用有以下4 種。

1）熱量表法，是我國最早引進的計量方法，國外技術已經非常成熟，該方法需要在熱用戶家中安裝分戶熱量表，測量供回水溫差和流量來進行熱量的分攤計量[2]。公式為：

式中：Qi為用戶由戶用熱量表測得的用熱量，W；αi為分攤比例。該方法熱量計算準確，只適合室內分戶水平成環(huán)系統(tǒng)，在實際操作中，無法解決戶間傳熱和由于位置熱損失較大戶的實際熱量分配問題。熱表對水質要求較高，我國供暖系統(tǒng)水質較差，容易導致熱表堵塞，很多地區(qū)安裝后都因水質問題無法正常使用[3]。

2）通斷時間面積法[4]，以樓棟總熱量即棟表為貿易結算點，通過每戶安裝的通斷控制器、室溫控制器對該戶的循環(huán)水進行通斷控制，實現(xiàn)該戶的室溫調節(jié)，通斷控制器根據實測室溫與用戶設定溫度之差，進行通斷時間的確定，以此調節(jié)室內供熱量。利用通斷時間為基礎，結合各戶供熱面積、分攤周期及總耗熱量計算各戶分攤總熱量的計量方法，具體公式如下：

式中：Qi為第 i 個用戶分攤周期內的熱量，kW·h；θi為第i 用戶入口通斷閥累計開啟時間比為分攤周期總時間，h；σt′為第i 個用戶在分攤周期內閥門累計開啟時間，h；Si為熱用戶建筑面積，m2；Q 為棟表計量的總熱量，kW·h；n 為熱量分攤熱用戶數(shù)量，戶。

這種方法是按樓棟計熱，按時間分攤計費，避免了浪費，計量與調節(jié)由同一設備完成，但要求散熱器特性系數(shù)相同，且如果散熱器大小匹配不當，或者堵塞會對計量結果造成誤差，對于建筑頂層、底層、山墻等傳熱不均問題考慮不夠，另外由于通斷閥頻繁操作，閥門損耗較大，壽命短，長期使用成本較高。在實際運行中，受平均溫度影響大，如果用戶自行增加散熱器，會出現(xiàn)散熱器越多，計量越少的問題，不利于節(jié)能，計費不公平。

3）流量溫度法，是將每戶的溫度、流量比進行數(shù)學計算，來分配棟表總熱量，推導出每戶的供熱量。這種方法是假定流量比不變，通過流量表測出每戶流量，計算出流量比例關系，再測出供回水溫度，根據流量和溫差計算出每戶熱量，分攤樓棟總熱量。具體公式如下：

式中：Qi為用戶分攤熱量，kW·h；Q 為棟表計量的總熱量，kW·h；λi為第 i 個用戶的流量，kg/h；tig為供水溫度，℃；tih為回水溫度,℃。

這種方法將流量溫度引入進行分配總熱量，供熱系統(tǒng)運行平衡效果較好，但數(shù)據采集誤差大，小管徑管道尤為明顯。不利位置住戶熱費收取不合理，戶間傳熱影響熱費計量，存在公平性問題，無法自動調節(jié)及按需供熱，節(jié)能效果不好。

4）溫度面積法[5]，這種方法也是將樓棟的總供熱量進行分攤，以建筑物內各房間實際溫度、供回水溫度、熱用戶面積進行分攤系數(shù)的運算，具體公式如下：

式中：角標“i，j，m”為第 i 個熱用戶，第 j 個熱用戶和第 m 個熱用戶；Qz為樓棟總熱量，kJ；Qj為用戶消耗的當量熱量，kJ；m 為用戶數(shù)，戶；tg為供水溫度，℃；th為回水溫度，℃；F 為用戶面積，m2。

這種方法是按照樓棟計熱，考慮到了實際供熱中的熱負荷計算上的缺陷，散熱設備選擇及系統(tǒng)安裝的缺陷，利用初始室溫及初始供回水溫差進行修正，確保各用戶初始當量流量相等。計量裝置由房間溫度傳感器、采集計算器及通訊電路組成。適用于新建、改擴建住宅供暖系統(tǒng)，將室內平均溫度引入到供回水溫差計算中，考慮了室內舒適度，但仍屬于熱量計量法，在實際應用中，雖然對溫度與熱價有一定考慮，仍無法最終解決戶間傳熱收費不公平問題，最終無法實現(xiàn)區(qū)域內“等面積、等溫、等熱價”。

綜上所述，國內外采用的熱計量方法主要是熱量計量法，由于國情、住宅形式及基礎設施的不同，我國在熱計量的方法上不斷進行著改進和創(chuàng)新，但技術路線都是基于熱量計量。“熱量表法”早在2013年就證明無法實施，造成4 億m2安裝的價值30 億元的計量裝置閑置。而其他的計量方法也都沒有進行實際應用階段。我國大部分采暖地區(qū)仍然采用按面積收費的方法[6]。

2 按“熱計量收費”無法實施的主要因素

2.1 我國城市住宅固有特點與耗熱量關系

第一，我國城市住宅主要以集合型住宅為主，即多戶居住在同一棟建筑內。對于同一棟建筑內部各戶而言，首先各住戶間沒有進行戶間的隔熱構造措施，住戶間存在傳熱現(xiàn)象，無論是新建還是既有住宅都沒有戶間隔熱，這源于我國住宅建筑相關規(guī)范中無此項要求；第二，住戶內部位置不同，耗熱量不同，對于底層、頂層及山墻等邊、角、頂、底部分的住戶，散熱面積較大，耗熱多，而中間住戶耗熱量??；第三，不同朝向的套型，耗熱量差距較大，北向房間多的住戶耗熱量遠大于南向房間多的住戶；第四，戶型大部分外墻面的風力對其室內耗熱量也有很大影響；第五，對于不同圍護結構保溫效果的不同，熱消耗也不同。另外，對于區(qū)域內或整個城市而言，住宅的選址、建筑組合、建筑方位、朝向、建筑體型、間距、主導風向、地形地貌等方面對住宅的耗熱量影響也不可忽視。例如冷氣流對凹地住宅建筑的影響在1℃～3℃。城市住宅固有特點決定了耗熱量的不同，決定了按“熱量”計量方式先天存在不公平性。

2.2 “熱量”計量的公平性

熱量是指熱力系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞能量的過程。這種過程是看不見摸不著的。熱量在自然條件下只能從高溫物體向低溫物體轉移。熱用戶的主要熱量消耗不僅包括了室內溫度的提高，還包括了外圍護結構和外窗的熱損失，戶間隔墻的熱傳遞等。就外圍護結構傳熱而言，其公式為：

式中：K 為圍護結構傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；S 為圍護結構面積，m2；tn 為供暖室內計算溫度，℃；tw 為供暖室外計算溫度，℃；a 為溫差修正系數(shù)。

從公式中可以看出，除了外圍護結構面積S 以外，其他因素均不確定，不可控[7]。外窗的傳熱更是與其類型、窗面積及材質相關，而這些因素在居住建筑中差異性較大，無法控制。另外，住戶間的熱交換更是不可避免。熱計量方法，是用熱量來計量系統(tǒng)輸出的熱量，無論是利用系數(shù)修正分配還是用時間通斷調節(jié)分配熱量，都是記錄系統(tǒng)中消耗的熱量，雖然儀表計數(shù)準確，但由上文所述住宅熱量傳遞特點可知其無法計量住戶的真實耗熱量。所以“熱量”計量本身無法做到公平公正，反而會把不公平合規(guī)合法化。

綜上所述，采用熱量計量法的技術路線，在我國居住建筑采暖計量中，無法實現(xiàn)“等溫、等面積、等熱量”的收費，更無法實現(xiàn)節(jié)能減排。

3 基于采暖期內室內平均溫度計量的方法研究

3.1 技術路線

溫度是人們可以實際感知、調控可見并可以計量的。用溫度計量采暖收費，是一種創(chuàng)新的計量方法。在面積熱價基礎上進行溫度調控，確定每平方米，每攝氏度的熱價，以住戶整個采暖期的平均溫度來計算住戶的供熱費用。具體計算公式如下：

式中：R 為每戶熱費，元；B 為各地物價部門規(guī)定的單位面積熱價，元/m2；tb為各地區(qū)采暖期室內標準溫度，℃；Δt 為采暖期內室內平均溫度與室內規(guī)定標準溫度的差，℃；S 為每戶建筑面積，m2。其中，當采暖期內室內平均溫度低于零采暖室內平均溫度時，采暖期室內平均溫度取0℃，也就是說Δt=-tb，R=0，不收取任何費用。

這種方法系統(tǒng)要求安裝室內溫度顯示采集器、各個室內溫度控制器，數(shù)據信息管理調控平臺。以智能熱網調控技術為基礎，運用物聯(lián)網技術、大數(shù)據技術、將終端用戶鏈接供熱系統(tǒng)調控范圍，進行三網聯(lián)調聯(lián)控。終端用戶通過進行溫度調節(jié)，減少熱量，換熱站變頻器調節(jié)供熱量，同時大數(shù)據控制調節(jié)熱源變頻，進行供熱量控制來實現(xiàn)節(jié)能減排。

3.2 技術特點

這種技術路線解決了“等溫、等面積、等收費”的計量公平問題，解決了一直以來難以解決的戶間傳熱帶來的計量不公現(xiàn)象和建筑本身特異性帶來的公平性問題。取消了報停用戶需交的供熱企業(yè)交納熱損費，完全按照室內溫度進行收費。其次有利于百姓的“行為節(jié)能”，可以根據實際需要進行戶內溫度自行調節(jié)來進行節(jié)能。對于住宅建筑來講，系統(tǒng)安裝簡便，不需要棟表房間，對建筑設計或既有建筑計量改造無影響。

3.3 可行性分析

2019 年—2020 年，經過測量計算得到整個采暖季非供暖建筑室內平均溫度為4℃。蓮花山熱力公司利用本方法及三網聯(lián)控技術[8]，在蓮花雅居進行了可行性模擬測溫調控節(jié)能數(shù)據實驗：首先確定合理室內平均溫度，根據歷年采暖數(shù)據、按照用戶反饋、政府意見及經濟技術等綜合因素擬確定供暖戶內標準溫度為23℃。對35 棟1 268 戶居民進行數(shù)據收集，利用控溫系統(tǒng)，控制每戶室內平均溫度在23℃左右，最低22.3℃，最高23.2℃。根據監(jiān)控熱力站熱量表數(shù)據整個采暖季蓮花雅居耗熱總量為36 550 GJ，計算得到供暖季耗熱指標為0.26 GJ/m2。低于十三五規(guī)劃要求的0.35 GJ/m2。此次控溫采用的是系統(tǒng)模擬終端熱用戶進行23℃控溫，假設可以按照此方法收費，利用百姓的“行為節(jié)能”，用戶自行控制，平均溫度將低于23℃，節(jié)能率會更高。

“行為節(jié)能”策略主張按照熱用戶實際需要進行室溫調節(jié)。長時間不在家，可以將溫度調低。按長春市物價部門現(xiàn)行固定熱價為27 元/m2利用室內平均溫度計量方法模擬計算，當采暖期室內平均溫度為23℃時，單位面積熱費為27 元；當溫度為18℃時，單位面積熱費為[27+27/23(18-23)]×1=21.13 元；當平均溫度為25℃時，單位面積熱費為 [27+27/25（25-23）]×1=29.16 元；當室內平均溫度為 4℃，單位面積熱費為0 元。據對熱用戶的走訪調研反饋：23℃非常舒適，但對于工作或外出長時間不在家時間達8 h 以上者，用戶90%以上愿意進行降溫節(jié)能少交費。

計量采暖期內室內平均溫度的收費方法，摒棄以往以熱量計熱費的模式，創(chuàng)新以溫度計價，直觀可感，公平合理，百姓能夠根據自己的需求進行溫度調控，通過熱用戶終端來進行控制熱源，“行為節(jié)能”；同時供熱企業(yè)操作容易，提高企業(yè)經濟效益，實現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結語

供熱按計量收費具有節(jié)能減排的作用，但計量必須首先具備單位統(tǒng)一、量數(shù)準確反映消耗量；其次，需操作簡單，可自主調控；第三，應公平公正?！鞍礋崃坑嬃渴召M”，由于熱用戶消耗熱量受諸多因素影響，在住宅建筑中難以準確計量，公平性難以保證，故難以實施。

基于采暖期內室內平均溫度計量收費的方法，從溫度與價格關系出發(fā)，實現(xiàn)了區(qū)域內“等溫、等面積、等收費”的技術路線，具備可自主控制的特點及“行為節(jié)能”的屬性，通過可行性模擬實驗計算證明這種方法具有較大的節(jié)能潛力和可行性。為采暖計量的實施提供了可實施性路徑，同時也為綠色城市智慧供熱系統(tǒng)能效提升與量化管理提供了技術條件。