北京农村地区供暖方式及技术经济性分析_工程实践

摘要

摘要：对农村地区采用的家用燃煤锅炉散热器供暖、地板辐射供暖、吊炕供暖、火炕供暖的供暖效果及应用特点进行了分析对比。以农村典型建筑为例，对不同供暖方式进行了技术经济性

摘要：对农村地区采用的家用燃煤锅炉散热器供暖、地板辐射供暖、吊炕供暖、火炕供暖的供暖效果及应用特点进行了分析对比。以农村典型建筑为例，对不同供暖方式进行了技术经济性比较。

关键词：农村；供暖方式；家用燃煤锅炉；地板辐射供暖；吊炕；火炕

Technical and Economic Analysis of Heating Modes in Beijing Rural Areas

WU Yuanyuan

Abstract：The heating effect and application characteristics of domestic coal-fired boiler radiator，floor radiant，suspended Kang and fiery Kang are analyzed and compared.Taking a rural classical house for example，the technical and economic comparison of different heating modes is performed.

Key words：countryside；heating mode；domestic coal-fired boiler；floor radiant heating；suspended Kang；fiery Kang

1 概述

北京地处寒冷地区，冬季需供暖，过去农村居民一直延续着“烧火做饭、烧炕取暖”的习惯。近年来随着农村居住条件的改善，以及农村居民对供暖舒适性需求的增强，更多的农村居民开始以床代炕，开始采用家用燃煤锅炉散热器供暖(以下简称散热器供暖)。一些农村居民也采用了家用燃煤锅炉地板辐射供暖(以下简称地板辐射供暖)。但有少数农村居民仍然保留着炕，炕分为吊炕、火炕。本文分析北京农村地区不同供暖方式的供暖效果，比较不同供暖方式的技术经济性。

2 供暖效果与应用特点

2.1 家用燃煤锅炉供暖

① 散热器供暖

受经济条件限制，散热器供暖一般多采用铸铁柱型散热器，采用上供下回式，靠重力循环进行供暖^[1]。

② 地板辐射供暖

地板辐射供暖以家用燃煤锅炉为热源，供、回水温度一般为55、45℃。由于供回水温差较小，因此重力循环作用较弱，且供暖系统设分集水器，这必然导致系统阻力增加，因此一般要在锅炉出口增设循环泵。由于农村建筑耗热量大，为节约燃料，加快散热，地面宜采用传热效果较好的瓷砖。

③ 供暖效果

地板辐射供暖与散热器供暖相比具有水平温度分布均匀、室内垂直方向温度下高上低的特点，有利于室内人员健康，可分室控制，节约能源^[2]。对于同一地区结构、热工特性、供暖面积基本相同的农村住宅建筑，对分别采用散热器、地板辐射供暖的农村居民室内温度进行实测。

两种供暖方式下室内日平均温度随室外温度变化情况见图1，连续最冷7日室内小时平均温度随室外温度的变化情况见图2。由图1可知，对于两种供暖方式，在测试期间室内日平均温度可维持在15℃左右，对使用者热舒适度的调查表明，该室内温度基本达到了用户的热舒适度要求。另外，分别采用两种供暖形式时，室内日平均温度受室外温度的影响较小。由图2可知，在最冷的7日内，采用散热器供暖的室内小时平均温度波动最大为4℃，而采用地板辐射供暖仅为1.7℃。因此，两种供暖形式均有良好的热稳定性，地板辐射供暖的热稳定性和热舒适性更优。

④ 应用特点

这两种供暖方式应用广泛，使用灵活。目前，农村用户一般专设锅炉间或将锅炉设置在厨房内，改善了室内卫生条件，防止烟尘危害人体。但也存在一些问题：锅炉间或厨房的卫生条件较差，在居住密集的地区，烟气的排放会造成当地大气污染物浓度偏高。目前对于农村家用燃煤锅炉的产品质量、热效率及安装没有统一的标准规范，不仅不利于节能，运行中也存在一定的安全隐患。

2.2 炕

北京地区农村使用的炕主要分为火炕和吊炕。火炕最大特点是炕体下部直接与地面相接，炕体用砖搭砌，砌出炕洞及烟道，炕洞空间用于烟气流动加热炕板，炕表面使用砖平铺，外表面以灰泥抹面，上铺炕席或人造革。吊炕与传统的火炕相比，炕体被抬高，在炕底板上放置支柱用于支撑炕板，炕板的材料为石板、混凝土和黏土砂^[3]，利用了传热学、流体力学原理，提高了热效率。

吊炕具有以下特点：在结构上尽量扩大炕板面积，减少支撑点，扩大了烟气流通面积，有效降低了烟气流速，延长了烟气与炕体的换热时间，增大了烟气与炕体的换热面积。炕体抬高，减少了通过地面散失的热量，形成吊炕在室内的双面散热。炕上用混凝土板取代土坯，加快热量传递，提高了炕面及炕面上方空气温度。炕体与外墙连接部位采用绝热材料，减少热量通过外墙散失。针对灶和烟囱位置的不同，炕体内设置不同的挡板，改变烟气在炕体内的流道，使烟气在炕体内充分散热。通过以上途径，吊炕的综合热效率由普通火炕的45%提高至70%～80%^[4]，经检测，冬季采用吊炕供暖时室内温度比采用普通火炕提高4～5℃。

① 供暖效果

炕主要通过对流和辐射传热加热房间空气。在建筑结构、热工性能、供暖面积、生活习惯相近的条件下，对单独采用火炕、吊炕进行供暖的农村居民室内温度进行实测。两种供暖方式下室内日平均温度随室外温度变化情况见图3，在连续最冷7日室内小时平均温度随室外温度变化情况见图4。

由图3可知，采用吊炕供暖的室内日平均温度达到9.4℃，而采用普通火炕仅能使室内日平均温度维持在5.8℃。由图4可知，采用炕供暖时，室内温度波动与人们的生活习惯密切相关，室内小时平均最低温度出现在人们做早饭之前5：00—7：00，当人们开始做早饭，对炕进行加热，室内温度回升，直到20：00—22：00封火后，室内温度又开始下降。

吊炕与火炕主要燃用秸秆薪柴进行供暖，在农村中方便获得，符合当地居民的生活习惯，既可烧火做饭，又可取暖。由于吊炕热效率较高，可以减少燃料消耗，中国农村能源办公室调查结果表明，每铺吊炕与普通火炕相比，每年可节约1210kg柴草或1382kg稻草，并且合理的吊炕设计可以使得炕保持良好的负压运行，降低室内C0、C0₂和可吸入固体颗粒浓度，保持室内卫生。

2.3 不同供暖方式的供暖效果

在北京农村中，对于需要多个房间同时供暖的建筑，一般采用散热器供暖，少量采用地板辐射供暖，而单独采用炕供暖只能维持设炕的房间室内平均温度不到10℃。对于需要多个房间同时供暖的建筑，形成了散热器+吊炕、散热器+火炕的供暖方式。在这些供暖方式中，当有炕的房间要达到农村居民可以接受的室内温度14℃时，通过计算，炕可承担70%的热量，散热器承担30%的热量。

在建筑结构、热工性能、供暖面积、生活习惯相近的条件下，对分别采用散热器、地板辐射供暖、散热器+吊炕、散热器+火炕供暖方式的室内小时平均温度进行实测。在连续最冷7日内，采用散热器供暖、地板辐射供暖的农村居民室内小时平均温度较高，受室外温度的影响较小，且地板辐射供暖热稳定性最好。采用散热器+吊炕供暖的室内温度比采用散热器+火炕供暖的室内小时平均温度高，但采用这两种供暖方式的室内小时平均温度波动性较大。

3 供暖方式的技术经济性分析

由于散热器+吊炕供暖效果明显优于散热器+火炕，而且吊炕更节约燃料，造价也低于火炕。根据生活习惯，用户也可在多个房间设炕，因此这里仅对散热器供暖、地板辐射供暖、散热器+吊炕(一铺炕)、散热器+吊炕(两铺炕)的供暖方式进行技术经济性比较。

3.1 建筑模型的建立

以抽样调查得到的典型建筑为模型，确定建筑模型的建筑面积为66m²，坐北朝南，建筑窗墙比为0.52，体形系数为0.37，建筑模型结构见图5，图中数值单位为mm。围护结构的传热系数见表1。按上述建筑结构进行耗热量计算，室内供暖设计温度按14℃计算，得到单位建筑面积耗热量为131W/m²，散热器供暖系统供、回水温度取80、60℃，地板辐射供暖系统供、回水温度取55、45℃。

表1 围护结构的传热系数

名称	材料	传热系数^[6～7]/(W·m^-2·K^-1)
外墙	370mm厚黏土砖+两侧各10mm厚水泥砂浆	1.57
屋顶	平瓦、黏土、高粱秸秆	1.82
外窗	单玻木框	5.82
门	木门	4.65

3.2 经济性比较

① 系统造价

系统造价包括热源设备造价、末端散热设备造价、辅助管材及设备造价、安装费。热源设备造价包括燃煤锅炉、炕造价；末端散热设备造价包括散热器、地埋管造价；辅助管材及设备造价包括配套管材、阀门、分集水器、水泵、地板辐射供暖系统防潮层、绝热层造价。各种供暖方式的系统造价见表2。

表2 各种供暖方式的系统造价

供暖方式		系统造价/元	单位建筑面积系统造价/(元·m^-2)
散热器供暖		4470～5827	68～88
地板辐射供暖		6306～7720	96～117
散热器+吊炕供暖	一铺炕	5150～6227	78～94
散热器+吊炕供暖	两铺炕	5530～6627	84～100

② 年运行费用

年运行费用包括燃料费用、设备维护费、电费等。燃料费主要指燃煤费用，燃煤锅炉热效率取70%，忽略输送热损失，煤价按500～600元/t计算，秸秆薪柴自收集，不收费。电价按0.5元/(kW·h)计算。设备维护费按系统造价的2%计算。各供暖方式的年运行费用见表3。

表3 各供暖方式的年运行费用

供暖方式		年运行费用/(元·a^-1)	单位建筑面积年运行费用/(元·m^-2·a^-1)
散热器供暖		2256～2706	34～41
地板辐射供暖		2197～2613	33～40
散热器+吊炕供暖	一铺炕	1810～2180	27～33
散热器+吊炕供暖	两铺炕	1363～1644	21～25

③ 计算结果

采用费用年值法，对4种供暖系统的经济性进行比较^[8]，设定贷款年利率为8%，设备的寿命周期为20年。各种供暖方式的费用年值计算结果见表4。

表4 各种供暖方式的费用年值计算结果

供暖方式		费用年值/(元·a^-1)
散热器供暖		2713～3301
地板辐射供暖		2841～3400
散热器+吊炕供暖	一铺炕	2336～2816
	两铺炕	1927～2320

④ 经济性评价

由表4可知，对于相同的建筑模型，最经济的供暖方式为散热器+吊炕(两铺炕)，其次为散热器+吊炕(一铺炕)、散热器供暖方式，经济性最差的是地板辐射供暖。

虽然散热器+吊炕的供暖方式系统造价较高，但由于占燃料大部分的秸秆薪柴可由农户自己收集，因此运行费用大大降低，使得这种供暖方式较经济。地板辐射供暖与散热器供暖相比，由于系统造价偏高造成经济性稍差。

4 结论

① 农村居民对供暖方式的选择很大程度上取决于其经济实力，要综合考虑各种供暖方式的系统造价、年运行费用，不能单纯考虑系统造价。

② 散热器+火炕的供暖方式由于火炕的效率低、耗燃料量大、冬季室内温度较低且波动较大，建议采用散热器+吊炕的供暖方式。

③ 散热器+吊炕供暖方式室内热稳定性虽然不如散热器供暖和地板辐射供暖，但按照目前农村用户的热舒适度标准，只要满足室内温度基本要求即可，而且该方式可节约燃料，有较好的经济性，又符合农村居民的生活习惯。

④ 地板辐射供暖可提供良好的热稳定性和热舒适性，对室内热舒适要求较高、经济条件许可的用户可以采用，但要注意系统设计的合理性及施工的规范性。

⑤ 经济能力和对热舒适度要求介于散热器+吊炕与地板辐射供暖两者之间的用户，可采用散热器供暖。

参考文献：

[1] 杨晚生，张艳梅.北方农村采暖方式及其技术要点[J].可再生能源，2005(4)：59-61.

[2] 张伟，朱家玲，苗常海.低温地板采暖与散热器采暖效果的对比分析[J].太阳能学报，2005(6)：304-307.

[3] 庄智.中国炕的烟气流动与传热性能研究(博士学位论文)[D].大连：大连理工大学，2009：20-22.

[4] 郭继业.北方省柴节煤炕连灶技术讲座(二)[J].农村能源，1998(6)：12-14.

[5] 郝芳洲，贾振航，王明洲.实用节能炉灶[M].北京：化学工业出版社，2004：123-124.

[6] 苑文乾.北方地区部分小城镇建筑节能状况与节能策略的研究(硕士学位论文)[D].天津：天津大学，2006：50-51.

[7] 程强.北京延庆地区农村住宅节能设计研究(硕士学位论文)[D].北京：清华大学，2008：78-80.

[8] 沙立文W G，威克斯W E，勒克斯霍J T.工程经济学[M].邵颖红，译.北京：清华大学出版社，2007：102-105.

(本文作者：吴媛媛北京市燃气集团研究院北京 100011)