生态环保战略下住宅建筑的采暖计量方法研究

周 诣 ，于 涛 ，周清村

（1：长春工程学院，吉林 长春 130012；2：吉林省土木建筑学会，吉林 长春 130022）

0 引言

生态环保战略是人们基于对生态环境的认知，对环境进行合理开发利用、治理与保护，共生与扩展等行为达到人与自然和谐共生发展的目的。随着我国经济持续快速发展，能源消耗量也逐年递增，据统计建筑行业能源消耗占全球总能耗的三分之一，其中，24%来源于住宅建筑，8%来源于公共建筑，建筑总能耗中约有40%用于北方城镇的冬季采暖，可见建筑采暖能耗的节能减排在环境保护与资源合理开发利用方面起到及其重要的作用。

我国在实施生态环保战略以来，不断进行建筑的节能减排，既有建筑节能标准不断提高，《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》要求节能从30%升到50%直至65%。供热体系在热源提升、管线改造及末端保温等多方面都进行了节能减排措施，有很大改善作用，室内温度大幅度提高，经过改造的供热系统，住宅室内平均升温1℃～3℃。同时由于温度的提升，用户开窗放热主动耗能现象及停供蹭热现象不断增加。我国20 世纪90 年代末开始将供热作为商品进行收费，但收费价值衡量一直以面积为标准，与用户“行为节能”脱节。

按热计量收费的出现，提出了按需供热的思路，为百姓主动节能提出了指导性路径，但20 年来的热计量改造，至今没有实施应用，已经成为值得深思的课题。

1 热计量的发展及现状

1.1 国外热计量发展现状

“热计量”最早开始于欧洲国家[1]，丹麦是分户热计量最早的国家，1926 年，丹麦Odin Cloriu 最早发明了蒸汽式热计量装置Heating Cost Allocation。丹麦、德国、奥地利、瑞典、法国、芬兰等国家在区域供热和热量分摊计量方面具有成熟经验和较高水平。这些欧洲国家由于住宅多数以独立小住宅（1 栋建筑为1 户）为户计量，计量结算都较为明确。采用分户热计量方案，可节能20%～30%，在带来巨大经济效益的同时，生态环境也得到了保护，“行为节能”的绿色环保意识得到普及。

国外的热计量方法主要是热量法。具体方法主要有3 种：①通过测定用户入户采暖系统的流量、供回水温度来确定热量的热量表法；②通过测量散热设备温度与室内温度差值来确定用户热量的热量分配表法；③通过测量用户热负荷来确定用户热量的热负荷法。

1.2 国内热计量发展现状

自2003 年，由当时的建设部牵头、八部委联合下发《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》开始，“热计量”一词正式进入人们的视野。在此之前供热收费都是按照面积进行收费，由于按面积收费存在温度不同户收费相同的不公平、过热户开窗放热浪费能源等一系列问题，不利于节能减排、生态环保。故此拉开了热计量的改革热潮。我国热计量主流应用有以下4 种。

1）热量表法，是我国最早引进的计量方法，国外技术已经非常成熟，该方法需要在热用户家中安装分户热量表，测量供回水温差和流量来进行热量的分摊计量[2]。公式为：

式中：Qi为用户由户用热量表测得的用热量，W；αi为分摊比例。该方法热量计算准确，只适合室内分户水平成环系统，在实际操作中，无法解决户间传热和由于位置热损失较大户的实际热量分配问题。热表对水质要求较高，我国供暖系统水质较差，容易导致热表堵塞，很多地区安装后都因水质问题无法正常使用[3]。

2）通断时间面积法[4]，以楼栋总热量即栋表为贸易结算点，通过每户安装的通断控制器、室温控制器对该户的循环水进行通断控制，实现该户的室温调节，通断控制器根据实测室温与用户设定温度之差，进行通断时间的确定，以此调节室内供热量。利用通断时间为基础，结合各户供热面积、分摊周期及总耗热量计算各户分摊总热量的计量方法，具体公式如下：

式中：Qi为第 i 个用户分摊周期内的热量，kW·h；θi为第i 用户入口通断阀累计开启时间比为分摊周期总时间，h；σt′为第i 个用户在分摊周期内阀门累计开启时间，h；Si为热用户建筑面积，m2；Q 为栋表计量的总热量，kW·h；n 为热量分摊热用户数量，户。

这种方法是按楼栋计热，按时间分摊计费，避免了浪费，计量与调节由同一设备完成，但要求散热器特性系数相同，且如果散热器大小匹配不当，或者堵塞会对计量结果造成误差，对于建筑顶层、底层、山墙等传热不均问题考虑不够，另外由于通断阀频繁操作，阀门损耗较大，寿命短，长期使用成本较高。在实际运行中，受平均温度影响大，如果用户自行增加散热器，会出现散热器越多，计量越少的问题，不利于节能，计费不公平。

3）流量温度法，是将每户的温度、流量比进行数学计算，来分配栋表总热量，推导出每户的供热量。这种方法是假定流量比不变，通过流量表测出每户流量，计算出流量比例关系，再测出供回水温度，根据流量和温差计算出每户热量，分摊楼栋总热量。具体公式如下：

式中：Qi为用户分摊热量，kW·h；Q 为栋表计量的总热量，kW·h；λi为第 i 个用户的流量，kg/h；tig为供水温度，℃；tih为回水温度,℃。

这种方法将流量温度引入进行分配总热量，供热系统运行平衡效果较好，但数据采集误差大，小管径管道尤为明显。不利位置住户热费收取不合理，户间传热影响热费计量，存在公平性问题，无法自动调节及按需供热，节能效果不好。

4）温度面积法[5]，这种方法也是将楼栋的总供热量进行分摊，以建筑物内各房间实际温度、供回水温度、热用户面积进行分摊系数的运算，具体公式如下：

式中：角标“i，j，m”为第 i 个热用户，第 j 个热用户和第 m 个热用户；Qz为楼栋总热量，kJ；Qj为用户消耗的当量热量，kJ；m 为用户数，户；tg为供水温度，℃；th为回水温度，℃；F 为用户面积，m2。

这种方法是按照楼栋计热，考虑到了实际供热中的热负荷计算上的缺陷，散热设备选择及系统安装的缺陷，利用初始室温及初始供回水温差进行修正，确保各用户初始当量流量相等。计量装置由房间温度传感器、采集计算器及通讯电路组成。适用于新建、改扩建住宅供暖系统，将室内平均温度引入到供回水温差计算中，考虑了室内舒适度，但仍属于热量计量法，在实际应用中，虽然对温度与热价有一定考虑，仍无法最终解决户间传热收费不公平问题，最终无法实现区域内“等面积、等温、等热价”。

综上所述，国内外采用的热计量方法主要是热量计量法，由于国情、住宅形式及基础设施的不同，我国在热计量的方法上不断进行着改进和创新，但技术路线都是基于热量计量。“热量表法”早在2013年就证明无法实施，造成4 亿m2安装的价值30 亿元的计量装置闲置。而其他的计量方法也都没有进行实际应用阶段。我国大部分采暖地区仍然采用按面积收费的方法[6]。

2 按“热计量收费”无法实施的主要因素

2.1 我国城市住宅固有特点与耗热量关系

第一，我国城市住宅主要以集合型住宅为主，即多户居住在同一栋建筑内。对于同一栋建筑内部各户而言，首先各住户间没有进行户间的隔热构造措施，住户间存在传热现象，无论是新建还是既有住宅都没有户间隔热，这源于我国住宅建筑相关规范中无此项要求；第二，住户内部位置不同，耗热量不同，对于底层、顶层及山墙等边、角、顶、底部分的住户，散热面积较大，耗热多，而中间住户耗热量小；第三，不同朝向的套型，耗热量差距较大，北向房间多的住户耗热量远大于南向房间多的住户；第四，户型大部分外墙面的风力对其室内耗热量也有很大影响；第五，对于不同围护结构保温效果的不同，热消耗也不同。另外，对于区域内或整个城市而言，住宅的选址、建筑组合、建筑方位、朝向、建筑体型、间距、主导风向、地形地貌等方面对住宅的耗热量影响也不可忽视。例如冷气流对凹地住宅建筑的影响在1℃～3℃。城市住宅固有特点决定了耗热量的不同，决定了按“热量”计量方式先天存在不公平性。

2.2 “热量”计量的公平性

热量是指热力系统与外界之间依靠温差传递能量的过程。这种过程是看不见摸不着的。热量在自然条件下只能从高温物体向低温物体转移。热用户的主要热量消耗不仅包括了室内温度的提高，还包括了外围护结构和外窗的热损失，户间隔墙的热传递等。就外围护结构传热而言，其公式为：

式中：K 为围护结构传热系数，W/（m2·℃）；S 为围护结构面积，m2；tn 为供暖室内计算温度，℃；tw 为供暖室外计算温度，℃；a 为温差修正系数。

从公式中可以看出，除了外围护结构面积S 以外，其他因素均不确定，不可控[7]。外窗的传热更是与其类型、窗面积及材质相关，而这些因素在居住建筑中差异性较大，无法控制。另外，住户间的热交换更是不可避免。热计量方法，是用热量来计量系统输出的热量，无论是利用系数修正分配还是用时间通断调节分配热量，都是记录系统中消耗的热量，虽然仪表计数准确，但由上文所述住宅热量传递特点可知其无法计量住户的真实耗热量。所以“热量”计量本身无法做到公平公正，反而会把不公平合规合法化。

综上所述，采用热量计量法的技术路线，在我国居住建筑采暖计量中，无法实现“等温、等面积、等热量”的收费，更无法实现节能减排。

3 基于采暖期内室内平均温度计量的方法研究

3.1 技术路线

温度是人们可以实际感知、调控可见并可以计量的。用温度计量采暖收费，是一种创新的计量方法。在面积热价基础上进行温度调控，确定每平方米，每摄氏度的热价，以住户整个采暖期的平均温度来计算住户的供热费用。具体计算公式如下：

式中：R 为每户热费，元；B 为各地物价部门规定的单位面积热价，元/m2；tb为各地区采暖期室内标准温度，℃；Δt 为采暖期内室内平均温度与室内规定标准温度的差，℃；S 为每户建筑面积，m2。其中，当采暖期内室内平均温度低于零采暖室内平均温度时，采暖期室内平均温度取0℃，也就是说Δt=-tb，R=0，不收取任何费用。

这种方法系统要求安装室内温度显示采集器、各个室内温度控制器，数据信息管理调控平台。以智能热网调控技术为基础，运用物联网技术、大数据技术、将终端用户链接供热系统调控范围，进行三网联调联控。终端用户通过进行温度调节，减少热量，换热站变频器调节供热量，同时大数据控制调节热源变频，进行供热量控制来实现节能减排。

3.2 技术特点

这种技术路线解决了“等温、等面积、等收费”的计量公平问题，解决了一直以来难以解决的户间传热带来的计量不公现象和建筑本身特异性带来的公平性问题。取消了报停用户需交的供热企业交纳热损费，完全按照室内温度进行收费。其次有利于百姓的“行为节能”，可以根据实际需要进行户内温度自行调节来进行节能。对于住宅建筑来讲，系统安装简便，不需要栋表房间，对建筑设计或既有建筑计量改造无影响。

3.3 可行性分析

2019 年—2020 年，经过测量计算得到整个采暖季非供暖建筑室内平均温度为4℃。莲花山热力公司利用本方法及三网联控技术[8]，在莲花雅居进行了可行性模拟测温调控节能数据实验：首先确定合理室内平均温度，根据历年采暖数据、按照用户反馈、政府意见及经济技术等综合因素拟确定供暖户内标准温度为23℃。对35 栋1 268 户居民进行数据收集，利用控温系统，控制每户室内平均温度在23℃左右，最低22.3℃，最高23.2℃。根据监控热力站热量表数据整个采暖季莲花雅居耗热总量为36 550 GJ，计算得到供暖季耗热指标为0.26 GJ/m2。低于十三五规划要求的0.35 GJ/m2。此次控温采用的是系统模拟终端热用户进行23℃控温，假设可以按照此方法收费，利用百姓的“行为节能”，用户自行控制，平均温度将低于23℃，节能率会更高。

“行为节能”策略主张按照热用户实际需要进行室温调节。长时间不在家，可以将温度调低。按长春市物价部门现行固定热价为27 元/m2利用室内平均温度计量方法模拟计算，当采暖期室内平均温度为23℃时，单位面积热费为27 元；当温度为18℃时，单位面积热费为[27+27/23(18-23)]×1=21.13 元；当平均温度为25℃时，单位面积热费为 [27+27/25（25-23）]×1=29.16 元；当室内平均温度为 4℃，单位面积热费为0 元。据对热用户的走访调研反馈：23℃非常舒适，但对于工作或外出长时间不在家时间达8 h 以上者，用户90%以上愿意进行降温节能少交费。

计量采暖期内室内平均温度的收费方法，摒弃以往以热量计热费的模式，创新以温度计价，直观可感，公平合理，百姓能够根据自己的需求进行温度调控，通过热用户终端来进行控制热源，“行为节能”；同时供热企业操作容易，提高企业经济效益，实现节能减排。

4 结语

供热按计量收费具有节能减排的作用，但计量必须首先具备单位统一、量数准确反映消耗量；其次，需操作简单，可自主调控；第三，应公平公正。“按热量计量收费”，由于热用户消耗热量受诸多因素影响，在住宅建筑中难以准确计量，公平性难以保证，故难以实施。

基于采暖期内室内平均温度计量收费的方法，从温度与价格关系出发，实现了区域内“等温、等面积、等收费”的技术路线，具备可自主控制的特点及“行为节能”的属性，通过可行性模拟实验计算证明这种方法具有较大的节能潜力和可行性。为采暖计量的实施提供了可实施性路径，同时也为绿色城市智慧供热系统能效提升与量化管理提供了技术条件。