【摘 要】：本文從我國供暖地域劃分的歷史角度出發，分析了當前南方實現集中供熱所面臨的難題，并以相關學術調研結果為據，分析了當前我國南方地區的供暖方式現狀；并以具有普遍代表性的幾種供熱方式為分析對象，從技術經濟的角度研究了南方常用的幾種供熱方式，得出了符合當前實際應用特點的普遍規律。
【關鍵詞】：南方供熱，集中供暖，分散式供暖，技術經濟分析，費用年值 北京散熱器
1我國供暖區域特點
中國的集中供暖制度始于20世紀的50年代，參照當時蘇聯的模式，初步建立了建筑供暖體系。根據前蘇聯的氣候計算方法規定，室外溫度5攝氏度以下定義為冬天。因此，只有累年日平均氣溫穩定低于或等于5℃的日數大于或等于90天被界定為集中供暖的地區，主要包括華北、東北、西北等地區[1]。
中國劃分南方和北方的分界線是1908年由中國地學會（即現在的中國地理學會）首任會長張相文，從自然地理分區的角度出發提出的，這條線最初是用于指導居民建筑和農耕。因此，上世紀50年代，以秦嶺、淮河為界，劃定北方為集中供暖區，南方不集中供暖，這即為南北供暖線。
傳統意義上的“中國南方”，是指我國秦嶺淮河以南的全部區域。上世紀50年代，由于當時“能源奇缺”，周恩來親自主導以秦嶺、淮河為界，劃定北方為集中供暖區，南方不集中供暖，此即為南北供暖線。劃定理由是年日均氣溫穩定低于或等于5℃的日數大于或等于90天被界定為集中供暖的地區，主要包括華北、東北、西北等[1]。
由于歷史原因，南方地區的城市集中供暖基礎設施基本為零。若要像北方一樣，全面建立起取暖管道、供暖泵房等基礎設施，需要大量的經濟投入。不僅如此，傳統的南方住宅建筑外墻還涉及到圍護結構保溫等問題，這也是供暖計劃中必須考慮的細節。
2南方供暖方式現狀
清華大學2009年對該地區的上海、蘇州和武漢分別開展了針對生活方式和居住能耗的社會調查統計，調研獲得1861份有效問卷[2]。經調查顯示，目前南方城鎮居民使用較多的供暖方式主要有以下三種類型。
1) 空氣源熱泵供暖：在房間內安裝空調器，夏季送冷風，冬季送熱風；也可加裝輻射地板，夏季利用房間空調器送冷風，冬季通過空氣源熱泵制備出的熱水進入輻射地板，實現對室內的供暖；
2) 燃氣壁掛爐供暖：每戶安裝獨立的燃氣壁掛供暖爐，燃燒天然氣產生熱水作為熱源，室內通過暖氣片或地板輻射方式供暖；
3) 電熱供暖：在房間內安裝電暖氣、電熱膜等，以通電加熱方式進行供暖。
圖2 南方供暖方式分布圖
2012年初，對上海地區的14戶住戶的冬季供暖方式進行的訪談與測試，訪談對象大多都安裝分體熱泵空調，但在實際使用中采用了多種不同的供暖方式，電供暖中使用較多的類型為：小太陽，電火箱，電暖寶，電熱毯[2]。
2013年清華大學調研了長江流域761戶居民家庭設備使用情況，擁有分體空調的家庭占85%，擁有局部供暖設備的80%，小區集中供暖的不到1%。
南方的大中城市大多數住宅裝有分散
圖2 南方供暖方式分布圖 供暖設施，其中主要為冬夏兩用的空調熱泵，個別住戶采用燃氣壁掛爐或電熱供暖裝置。冬季室溫大多可達到13℃到18℃之間。實際用電量每平方米每個冬季6~8度電，折合2~2.7公斤標煤，每平方米5元。以上海地區為例，2009年冬天785戶居民中有超過90%的居民使用空氣源熱泵供暖，使用燃氣壁掛爐的用戶為1%，較多居民采用電加熱輻射器、電暖風機、電熱毯作為輔助取暖設備[2]。
圖3 供暖系統使用方式分布
圖4 長江流域居民供暖設備形式
研究顯示，南方地區居民普遍的冬季供暖習慣是間歇式局部供暖，在運行方式方面，大多數家庭采取“有人開，無人關”的運行方式，平均每臺空調熱泵每天開啟不超過9個小時。也就是當家中無人時關閉所有的供暖設施，家中有人時也只是開啟有人的房間的供暖設施。該地區居民對于供暖需求的個體差異較大，而分散式供暖設備恰恰能夠很好地滿足這種個性化的需求，使人們可以根據自己的需要決定供暖的起止時間，保證舒適性的同時避免能源的浪費。
綜上所述，南方地區目前主要的供暖特點為：1）南方地區住宅需要針對改善室內熱環境進行供暖；2）目前南方地區居民大多使用分散式供暖；3）“部分時間，部分空間”的使用模式與分散式供暖方式相適應；4）集中供暖方式不適應于南方居民的生活方式；5）針對南方居民采用分散式供暖的特點，可以從：提高建筑氣密性和改善保溫性能；推廣更適宜的末端方式；改善氣流組織、推廣適宜的分散式供暖熱源幾方面努力，提高南方地區居民的供暖效果，改善居民的生活質量。
隨著城市環保要求的日益提高，能源供應結構逐漸變化，加之建筑節能和計量收費改革的推進，供熱供暖方式日益多樣化。目前存在的各種供熱方式都有其存在的合理性和適用條件，在選擇供熱供暖方式時，應綜合考慮當地氣候條件、環保要求、燃料結構、能源效益和經濟承受能力等因素。根據南方供熱方式的實際特點，選取最具代表性的熱泵供暖，燃氣壁掛爐供暖，電熱供暖，集中熱源低溫輻射供暖，共4種供暖方式進行比較研究。
3.1 熱泵供暖
熱泵空調是以建筑物內的空氣調節(包括供熱和制冷)為目的，利用周圍環境作為空調冷熱源的系統，通常把它們分為地源熱泵和空氣源熱泵兩人類。
我國獨特的地質構造、地殼熱狀況及水文地質條件，決定了我國地熱資源的主要類型為斷裂型，呈現出藏滇、滇川、東南沿海及臺灣等幾個地熱密集帶。我國地熱資源分布圖顯示，南方地熱資源較為豐富，為地熱供暖創造了有利的資源條件。
圖5 我國地熱資源分布圖
圖6 雙級耦合熱泵工作示意圖
熱泵通過做功使熱量從低溫介質流向高溫介質，可滿足冬季供熱和夏季制冷兩種要求。空調系統在冬季以熱泵的模式運行，省去了鍋爐和鍋爐房，節省了部分投資,全年僅使用無二次污染的電能，減輕了當地的大氣污染，但污染有向上游(電廠)轉移的趨勢，全年能效比較高。
空氣源熱泵在我國長江黃河流域應用十分廣泛。但是，隨著室外溫度的降低，熱泵機組的COP值將明顯下降。風冷換熱器受到環境溫度變化的影響，當溫度低于0℃時翅片表面易結霜，導致機組不能正常工作。因此，空氣源熱泵在結霜條件下運行時需適時除霜。但是，受熱泵的節能特性的吸引，業內人士極力擴大其應用范圍，其中在南方地區應用較為廣泛的雙級耦合熱泵的概念其系統見圖6。
空氣源熱泵與傳統供暖系統相比，是一種熱量循環的供暖系統，可實現能源、經濟和環境的協調發展，符合能源可持續發展戰略。
3.2戶式燃氣壁掛爐供暖
近兩年，隨著西氣東輸三線工程的完工，在一些氣源較為充足南方地區，戶式燃氣爐供暖方式的發展方興未艾。
圖7 壁掛爐供熱示意圖
戶式燃氣爐以天然氣、液化石油氣、城市煤氣作為能源。這種供暖方式供暖靈活方便、隨開隨熱、升溫快、供暖時間及各房間溫度可調性強、可獨立計量。此外，戶式燃氣爐最大的優點在于可滿足市民冬季供暖和全年生活熱水的雙重需求。天然氣本身雖然是清潔燃料，所以這種供暖方式與燃煤爐供暖相比，對環境造成的污染相對較小。與各種熱泵供暖系統相比，運行較為穩定。
壁掛式燃氣鍋爐供暖方式主要優點是體積小，結構相對簡單，清潔燃燒，污染物少，效率較高、節能，均配有溫控器，無人時可降低室內設定溫度，調節靈活，用戶可根據需要自行調節室溫，計量簡單，將供熱計量簡化為燃氣計量，無需設置外網，避免了管網熱損失。
3.3電加熱供暖
這里所說的電加熱供暖主要包括發熱電纜地面輻射供暖、低溫輻射電熱膜電熱供暖和各種類型的電散熱器。這些電供暖方式的優點是均可實現分戶分室控制，可控性強，有利用南方供暖的行為節能。
發熱電纜和電熱膜供暖一般具有以下優點：1）舒適性：通電加熱時墻壁、家具表面吸收了能量，表面溫度高于空氣溫度，減少了環境對人體的冷輻射，室內空氣溫度較均勻；2）安全性好：電熱膜表面溫度不高，不會發生燙傷事故，且防腐防潮；3）潔凈衛生：室內空氣流速低，空氣比較干凈；4）無噪音：沒有燃燒和機械設備，屬于較環保的供暖方式；5）節約用地：免去了鍋爐房、儲煤場等，減少了室外占地；不需要散熱器，減少了系統占用面積；6）分戶計費：電熱膜供暖可控制和準確計量用電量。但從能源品位的角度看，直接把高品位的電能轉化為低品位的熱能，浪費了大量的有用能，是很大的能源浪費。以目前我國大型火力發電廠的平均發電效率為34 %，即使直接電熱的熱電轉換效率為100%，折合燃煤效率也只有34%。
圖8 發熱電纜施工示意
3.4集中熱源低溫輻射供暖
低溫輻射地板供暖技術對作為一種新的供暖形式，近年來發展很快。與普通的熱泵驅動的空氣循環式供暖系統相比，低溫輻射地板供暖將地板作為與室內空間進行熱交換的媒介，其中有超過50%的換熱是直接通過地板表面的長波輻射進行的。同時，由于這種系統對熱源溫度的要求較低，目前太陽能、地熱能等多種新能源都可以與之有較好的匹配，具有很大節能潛力。同時，由于輻射熱交換比常規供暖系統中占主導的對流熱交換更高效、反應更快，地板供暖的舒適性也較好。
低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內部地面進行供暖的系統，以低溫熱水作熱媒，通過埋設于地板內的管材加熱，實現大面積均勻地向室內人體、家具及四周維護結構進行輻射換熱，輔以對流換熱來達到加熱室內空氣，從而使其表面溫度提高，造就一種符合人體舒適要求的室內熱環境。系統構造示意圖如下。
低溫熱水地板輻射供暖方式能夠有效地利用低位能源，具有熱性能穩定、室溫均勻、舒適、節能、免維護、管理方便等特點，與傳統供暖方式相比具有高效節能、舒適衛生、熱穩定性好，等優點，是一種理想的供暖方式。在南方地區，隨著工業余熱利用程度增加，太陽能供暖，熱泵等低溫熱源應用范圍逐漸擴大，這種以輻射為主的供暖方式也會不斷增加。
圖9 低溫輻射供暖系統示意圖
3.5多種供暖方式的技術經濟比較
對不同供暖方式的經濟性評價，是供熱工程技術與經濟的有機結合。供熱工程為本課題提供了必要的物理模型，即需要分析的對比方案，而技術經濟學則為問題分析提供了工具。在供暖方式的比選中，選取有代表性的方案進行比較具有現實意義。本文以上四種技術成熟、應用較廣的供暖方式進行比較[3]：
? 方案1：以壁掛式燃氣爐為熱源散熱器供暖方式;
? 方案2：熱泵供暖方式;
? 方案3：電熱膜供暖方式;
? 方案4：集中熱源低溫地板輻射供暖方式。
供熱規模與熱負荷指標不同將直接影響到供熱系統總投資和年運行費用，為了使各方案具有可比性，考慮到目前的節能建筑比重較少，另外為發展留有余地，統一對比標準將單位面積熱負荷指標均定為64 W/m2，作為耗熱量的計算依據。
為了增強各對比方案間的可比性，可以設定一些所有系統所共有的因素:
1）建筑類型均為住宅，室內設計溫度均為18 ℃，連續供暖；
2）由于供暖熱指標的一致性。各種熱源熱水供暖系統擁有同樣容量的鍋爐，以及相同規模的外網和室內系統。
3）建筑的結構、保溫性能均相同。
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戶式燃氣爐 |
熱泵空調 |
電熱膜 |
低溫熱水地板輻射 |
|
熱源效率ηy |
0.81 |
COP=3 |
0.98 |
0.82 |
|
熱網效率ηw |
1 |
0.98 |
1 |
1 |
表2 各種燃料的低位發熱量表
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燃料類型 |
煤 |
天然氣 |
電 |
|
熱值 |
20934（kJ/kg） |
35587.8（KJ/Nm3） |
3617.4（kj/KWh） |
假定：l、熱電聯產、集中鍋爐房及戶式燃氣爐供暖方式中均采用相同型號的散熱器；
2、低溫熱水地板輻射供暖方式中地面采用復合木地板；
3、假定對比方案的收益率均按i=12%計算，壽命期按20年計算；
4、電價按照0.6元/Kwh計算，燃煤價格為600元/t，天然氣價格為2.2元/Nm3。
5、低溫輻射供暖的熱源為燃煤鍋爐。
各種方案的初始投資分布如下：
? 方案一：不需要室外部分，所以室外投資為0。室內部分參考市場價格，100m2建筑使用一臺價值7000元的壁掛式燃氣爐，散熱器和室內管線及各種附件的綜合投資為28元/m2，為98元/m2；
? 方案二：取空氣源熱泵為分析對象，室外投資為0。室內部分鑒于普通住宅中采用中央空調的很少，本文考慮100m2的房子采用一臺柜式空調器(雙工況)(按3500元/臺)和三臺壁掛式空調器(雙制)(按1500元/臺計)，總價為80元/m2；
? 方案三：室外投資為0，借鑒相關文獻[5]中的數據可知;室內投資為107元/m2；
? 方案四：此方案采用集中熱源，室外投資同集中供熱系統，為52.29元/m2。借鑒參考相關文獻[6]數據可知：室內投資為70元/m2。合計為122.29元/m2。
經計算得出，方案1~4的初投資，并計算20年初投資的費用年值，和4個典型供暖系統的年運行能耗，及運行年費用，分布如下表，
|
方案編號 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
初投資（元/m2） |
98 |
80 |
107 |
122.29 |
|
初投資年值（元/m2a） |
1.36 |
1.11 |
1.49 |
1.7 |
|
年運行能耗 |
14（Nm3/m2a） |
37.66(kwh/ m2a) |
112.98(kwh/ m2a) |
0.024(t/ m2a) |
|
年燃料費用（元/ m2a） |
30.8 |
22.6 |
67.8 |
14.4 |
|
系統年費用（元/ m2a） |
32.16 |
23.71 |
69.29 |
16.1 |
由計算可以看出，集中熱源低溫地板輻射供暖方式為最佳方案，之后依次為：熱泵供暖、分戶式燃氣爐供暖、電熱膜供暖。可以看出，雖然傳統的集中供暖方式存在很多不利因素，但是從技術經濟角度而言，其它所有熱源形式的供暖系統都與之相差甚遠。因此。當我們在很好解決熱電聯產和區域鍋爐房中的節能、環保等問題以后，該熱源形式具有巨大市場潛力。對于采用高品位能源如電能或天然氣供暖的系統，其高額的運行費用。以上分析并沒有考慮分散式供暖具有靈活的調節性能等因素，僅為從能源效率上分析得出的結果，在評價一種供熱方式的市場潛能上略欠客觀，全面。
在南方地區，以一次能源為熱源的低溫輻射系統最具經濟競爭力，熱泵系統和分散式燃氣鍋爐具有相當的經濟競爭力，這也是目前該兩種供熱方式在南方地區應用較為普遍的原因。以直接電熱為供暖方式的經濟效益最差，和目前政策對其進行限制的初衷一致。
4研究結論
本文以當前南方供熱的熱點話題為切入點，從我國供熱的區域特點方面闡述了南方實現集中供熱所面臨的難題，并以大量文獻中的調研數據為依托，闡述了南方目前的供熱現狀；并以此為據，選擇了典型的四種供熱方式進行了技術描述和經濟性分析，得出了南方供熱系統以一次能源熱源低溫輻射供暖方式經濟效益為最佳；熱泵和分散式燃氣鍋爐放次之，但效益相差不大；直接電供暖經濟效益最差，應盡量避免的結論。該結論也印證了當前國家對南方供暖政策的科學性，并和目前南方供暖的實際特點相呼應，具有實際的研究意義。 | 
