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关键词：污染 污染物 天然 天然气 然气
住宅区采暖方式的选择
李先瑞 韩有朋 赵振农
一、背景和目的
北京某住宅区是新建住宅小区，位于四环路外，该地区已有一燃煤集中供热锅炉房，但容量不能满足新建住宅的需要。根据有关规定，新建锅炉房一律不允许烧煤，只能燃气。 当前有多种采暖方式，主要特点如下：
表1 采暖方式及特点
|
采暖方式 |
|
特 点 |
|
集中供热 |
大型锅炉、管网、热力站、用户设备 |
节能，分户调节、按户计量比较困难 |
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分散采暖 |
每栋楼或几栋楼设燃气锅炉，用户设备 |
|
|
分户采暖 |
燃气两用炉 |
|
|
电采暖 |
热泵 |
|
本文通过优化计算，从以上几种采暖方式中，选择一种 技术上 先进， 经济上合理，便于管理，适用于住宅的采暖方式。 研究对象是某住宅小区的能源模式，即能源的选择。目标值： 1.经济性，包括投资、成本、热价和总费用年值法。 2. 环境保护。 3.节能性，比较一次能源的消耗量，确定节能效益。通过经济性分析，节能性分析、环境效益分析后，给出方案的各项指标。由于角度不同，结论是不同的。因此，最后必须进行综合性分析，根据综合评价指标，提出报荐方案。 二、住宅区概况
住宅分 Ⅰ、Ⅱ二区， Ⅰ区由 A、 B、 C、 D、 E、F六区组成；Ⅱ区由 A、 B、 C、 D、E五区组成。Ⅰ、Ⅱ区住宅设计按面积分为高、中、低三个档；设计以高层为主，辅以多层住宅；多层住宅以北京“九五”住宅标准为依据，采用了“新四合院”式，可达到较高的容积率和较好的环境，空间过渡符合人的心理需要。高层住宅以单塔式为主，辅以联塔。设计标准略高于“九五”住宅标准。主要技术经济指标见表2。
表2 Ⅰ、Ⅱ区主要技术经济指标
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分 类 |
Ⅰ |
Ⅱ |
|
新建总建筑面积(m2) |
471660 |
280000 |
|
住宅建筑面积(m2) |
428360 |
251340 |
|
总居住户数(户) |
3610 |
2361 |
|
平均每户面积(m2/户) |
118.6 |
118.6 |
三、采暖方式的比较
1.比较方案
(1)方案1：集中供热，在已建供热厂新建一台40t/h燃气锅炉，热水从锅炉房经过一次管网送至位于住宅区内的热力站。换热后，通过二次管网送至户内散热器。
(2)方案2：分散供热，分别在 Ⅰ区的 A、 B、C、 D、 E、 F六区内新建七座燃气锅炉房，在 Ⅱ区的 A、 B、 C、 D、 E五区内新建五座燃气锅炉房，通过管网将热水送至户内散热器。
(3)方案3：分散供热，分别在 Ⅰ区的35栋楼内，Ⅱ区的26栋楼内新建54座燃气锅炉房，直接将热水送至户内散热器。
(4)方案4：分户供热，在 Ⅰ区的3610户和 Ⅱ区的2361户内共安装燃气两用炉5971台，并在 Ⅰ区的 A10、 A11、 B1、 E4～E8、
F3和 Ⅱ区的 A4、 B5、 C4新建 13座燃气锅炉房，直接供用户采暖。
(5)方案5：集中供热，热源、管网、热力站与方案1相同，不同之处，新建一台燃煤炉。
(6)方案6：电采暖，分别在 Ⅰ区的35栋楼内，Ⅱ区的26栋楼内新建61个水源热泵供热系统，通过每户热泵机组将热(冷)风送至各房间内。
2.初投资比较(见表3)
表3 初投资比较
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|
锅炉房投资
万元 |
一次网投资
万元 |
热力站投资
万元 |
二次网投资
万元 |
户内系统投资
万元 |
天然气增容费
万元 |
单位建筑面积投资
元/m2 |
合 计
万元 |
|
方案1 |
1108 |
2029.2 |
750 |
750 |
5250 |
450 |
137.8 |
10337.2 |
|
方案2 |
1429.24 |
|
|
188.76 |
5250 |
450 |
97.57 |
7318 |
|
方案3 |
1639 |
|
|
|
5250 |
450 |
91.8 |
7339 |
|
方案4 |
4702.65 |
|
|
|
2400 |
450 |
100.3 |
7552.65 |
|
方案5 |
587.6 |
2029.2 |
750 |
750 |
5250 |
|
124.9 |
9366.8 |
|
方案6 |
|
|
|
|
|
|
250.0 |
18750 |
计算时的几点说明：
(1)方案1锅炉房初投资。由于在已建供热厂内新建一台40t／h燃气锅炉，有些设备、厂地可以利用。只需增加一台锅炉、部分仪表、土建及工程费。合计投资约为1108万元。
(2)方案2、方案3锅炉类型选择原则： Ⅰ、Ⅱ区属高层住宅区，故首先是安全性，即应选择结构紧凑、体积小、可置于地下室或楼顶及各层的高效锅炉。其次是环保性，要求排放值、噪音均应符合国家规定。
通过调研，我们认为热水机组能满足上述要求。为了解决热水机组承受高层建筑水位压力的问题，拟采用外置板式换热器的间接加热方式，板式换热器可承受1.6MPa的压力，可拆卸、清洗、增减、更换。
(3)天然气增容费，北京市规定，增容费为1200元／Nm3。故Ⅰ、 Ⅱ区总计450万元。
(4)分户燃气两用炉：
目前进口、国产燃气炉型号只有18kW、23kW和29kW三种， Ⅰ、 Ⅱ区每户需要的约为 14kW，故存在容量偏大的问题。燃气两用炉具有采暖、供生活热水的功能。在方案比较时，应扣除生活热水部分的投资。
5971户×0.75万元／台=4478.25万元。
3.运行费用比较
(1)年需热量的计算(kWh)
Q=24.Z.qH=24×125×39.9=119．7
(2)与计算运行费用相关的数据：
燃煤锅炉 η=0.75，燃气锅炉 η=0．85，燃气两用炉 η=0．85，煤价为300元／吨标准煤，天然气家用为1.4元／Nm3，锅炉房为1．8元／Nm3，电价为0.5元／kWh。
(3)计算结果(见表4)
表4 运行费的比较 元/m2.a
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|
耗能量 |
燃料费 |
维修费 |
人工费 |
合计 |
|
方案1 |
14.42Nm3 |
25.96 |
3.29 |
1 |
30.25 |
|
方案2 |
14.42Nm3 |
25.96 |
2.42 |
0.5 |
28.88 |
|
方案3 |
14.42Nm3 |
25.96 |
2.67 |
0.7 |
29.33 |
|
方案4 |
14.42Nm3 |
20.18 |
2.45 |
/ |
22.63 |
|
方案5 |
19.61kg |
5.9 |
3.12 |
1 |
10.02 |
|
方案6 |
39.9kWh |
19.95 |
2.5 |
/ |
22.45 |
4.节能性比较(见表5)
表5 节能性比较
|
方案 |
耗能量 |
一次能耗量(标准煤) |
|
方案1～4 |
14.42Nm3 |
17.3 |
|
方案5 |
19.61kg |
19.61 |
|
方案6 |
39.9kWh |
16.39 |
5.环境效益的比较
(1)各种燃料燃烧时产生的污染物(见表6)
表6 各种燃料燃烧时产生的污染物
|
|
二氧化氮 |
二氧化硫 |
烟 尘 |
|
煤 kg/t |
9 |
17s |
8A(1-η) |
|
油 kg/kL |
2.86 |
4.2s |
0.29(1-η) |
|
天然气 kg/万m3 |
6.3 |
1.0 |
2.4 |
|
煤 kg/Mkcal |
1.44 |
2.74s |
1.22A(1-η) |
|
油 kg/Mkcal |
1.24 |
1.89s |
0.13 |
|
天然气 kg/Mkcal |
0.67 |
0.011 |
0.025 |
注：s—含硫量，以%计；A—灰分，以%计；η—燃烧效率，以小数点计。
从表6可知，燃煤时产生的 NOx、SO2、烟尘远远高于燃气、燃油，北京年用煤量达3000万吨，是世界上烧煤最多的首都。进入采暖期，空气呈现为典型的煤烟型污染的特征，二氧化硫浓度从非采暖期的30～40微克／m3，猛增至标准的3．5倍，采暖期总悬浮颗粒物2/3来源于烟尘，
1／3来源于地面扬尘。这说明燃煤的污染是恶化城市环境的主要原因。
(2)燃烧天然气的特点
气体燃料特点(见表7)。
表7 天然气的构成
|
|
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
CO2 |
N2 |
H2S |
CO |
H2 |
O2 |
低发热值
kcal/Nm3 |
|
北京焦炉煤气 |
25.2 |
2.0 |
|
2.0 |
6.8 |
|
8.6 |
59.2 |
1.2 |
4074 |
|
华北油田天然气 |
80.843 |
9.7326 |
5.7538 |
0.9288 |
0.32 |
|
|
|
|
10473.5 |
|
陕甘宁天然气 |
95.95 |
0.9675 |
0.1367 |
3.0 |
|
0.0002 |
|
|
|
8397.88 |
①天然气中不含尘和 SO2，只含微量H2S，是洁净能源。燃烧天然气，可减少大气中
SO2含量，减少酸雨的发生，降低粉尘浓度。
②天然气中绝大部分为碳氢化合物，以甲烷占绝大多数。甲烷属非稳定性气体，略为加热即易分解，而且燃烧着的甲烷发光火焰其辐射强度约为一氧化碳火焰的2倍，是氢火焰的5倍。
从上述分析可知，燃烧天然气具有提高燃烧设备效率，保障安全运行和改善环境的功能。
(3)燃烧天然气时产生的污染物(见表8)
表8 天然气燃烧时产生的污染物 kg/Mm3
|
有害物质名称 |
设备类型 |
|
电厂 |
工业锅炉 |
民用采暖设备 |
|
颗粒物 |
80～240 |
80～240 |
80～240 |
|
硫氧化物① |
9.6 |
9.6 |
9.6 |
|
一氧化碳 |
272 |
272 |
320 |
|
碳氢化合物(以CH4计) |
16 |
48 |
128 |
|
氮氧化物(以NO2计) |
11200 |
1920～3680 |
1280～1290② |
①天然气平均含硫量以4.6kg/Mm3计。
②家用取暖设备1280，民用取暖设备取1290。
(4)燃煤时产生的污染物(见表9)
表9 燃烧1吨煤炭排放的污染物量(kg/t)①
|
污染物 |
炉 型 |
|
电站锅炉 |
工业锅炉 |
采暖炉及家用炉 |
|
一氧化碳(CO) |
0.23 |
1.36 |
22.7 |
|
碳氢化合物(CnHm) |
0.091 |
0.45 |
4.5 |
|
氮氧化物(以NO2) |
9.08 |
9.08 |
3.62 |
|
二氧化硫(SO2) |
16.0S② |
|
|
①资料来源于美国。
②S煤的含硫量，以%计。
(5)污染物排放量比较(见表10)。
size=3>表10 污染物排放量(g/m2.a)的比较
|
方案 |
NOx |
SO2 |
CO |
CmHn |
烟尘 |
|
方案1 |
27.68 |
0.14 |
3.92 |
0.78 |
1.44 |
|
方案2 |
27.68 |
0.14 |
3.92 |
0.69 |
1.44 |
|
方案3 |
27.68 |
0.14 |
3.92 |
0.69 |
1.44 |
|
方案4 |
18.45 |
0.14 |
4.61 |
1.85 |
1.44 |
|
方案5 |
178.1 |
314 |
26.6 |
8.8 |
29.4 |
注：煤含硫量为1%。
天然气含硫量为4.6kg/Mm3计
发电厂所处位置会产生污染物
*烟尘排放量=B×A×dfh×(1-η)锅炉房A=30%,dfh=0.2,η=0.75。
size=3> (6)燃气两用炉布置在每户，燃烧时产生的NO2排至户外，户与户之间相互有影响，分散燃气锅炉房将污染源集中处理，对小区环境特别是邻居关系的影响较小。
6.各方案的综合比较(见表11和表12)
表11 综合比较
|
方案 |
初投资 |
运行费 |
耗能量 |
环境效益 |
综合比较 |
|
元/m2 |
排名 |
元/m2 |
排名 |
kg标煤/m2.a |
排名 |
总分 |
排名 |
|
方案1 |
137.8 |
5 |
30.25 |
4 |
17.3 |
2 |
2 |
13 |
4 |
|
方案2 |
97.57 |
1 |
28.88 |
3 |
17.3 |
2 |
2 |
8 |
1 |
|
方案3 |
91.8 |
2 |
29.33 |
3 |
17.3 |
2 |
2 |
9 |
2 |
|
方案4 |
100.3 |
3 |
22.63 |
2 |
17.3 |
2 |
3 |
10 |
3 |
|
方案5 |
124.9 |
4 |
10.02 |
1 |
19.61 |
3 |
6 |
14 |
5 |
|
方案6 |
250.0 |
6 |
22.45 |
2 |
16.39 |
1 |
1 |
10 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
表12 综合性比较
|
方案 |
初投资
元/m2 |
排名 |
综合比较 |
|
总分 |
排名 |
|
方案1 |
93.8 |
4 |
12 |
4 |
|
方案2 |
59.6 |
1 |
8 |
1 |
|
方案3 |
59.9 |
2 |
9 |
2 |
|
方案4 |
100.7 |
5 |
12 |
4 |
|
方案5 |
86.88 |
3 |
13 |
5 |
|
方案6 |
250.00 |
6 |
10 |
3 |
表11中，方案1、2、3和5，指的是每户都安装热量计，每组散热器都安装恒温调节阀，具有分户调节、按户计量功能时的投资。方案4、6为分户燃气两用炉和热泵机组，具有调节和计量功能。
表12指的是方案1、2、3和5的户内系统不设恒温调节阀和每户入口处不安装热量计，但为了今后适应计量的需要，户内系统为双管系统时的投资。从表12可知，分散燃气锅炉房采暖方式的投资最好。
从表11、12的综合比较排名可知，方案2分散燃气锅炉采暖方式最优，方案1、5最差。
四、结论
方案2为此次研究报告的推荐方案。
1.方案2为最优的原因：
(1)随着技术的进步，分散燃气锅炉的热效率达到了85％以上，具有方案1、方案5集中锅炉房供热节能的优点。
(2)从表8不同容量锅炉单位容量造价比中可知，随着单台容量的增加， 单位容量价格降低，故方案2的初投资低于方案3。
(3)方案2的初投资主要是分散锅炉房的投资，二次管网的投资很少，而方案1、方案5的初投资分别由锅炉、一次网、热力站、二次网及户内设备组成，其投资比方案2大得多。
(4)方案2适应性好，与小区建设配合得好，而方案1一次投入大，见效慢。
2.方案4具有热效率高，调节简单，运行方便等特点，但以下原因使该方案居于第二位。
(1)目前进口、合资两用炉的规格为 18kW、23kW、29kW，且 18kW性能不够稳定，大部分用户采用23kW，供热能力大于需求，这种型号的单价，国产约为8000元/台，进口约为10000～11000元/台。从而使方案4的投资增大。
(2)每户安装两用炉，使用方便，但烟气中的污染物对邻居的环境有些影响。
(3)对于豪华住宅，冬天有些住宅长期无人居住。此时，燃气两用炉本身和户内给排水设备是否安全；也是物业管理关心的问题之一。
3.方案6除投资较高外，运行费、节能性、环保性均较好。从 K6、 K7的实际情况来看，此次不推荐该方案。
作者单位：李先瑞 中国建筑科学研究院空调所
韩有朋 赵振农 北京城市开发集团有限责任公司
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