各种能源采暖方式运行费用的估算方法与比较

庄兆意，胡可，苏莘博，张承虎，孙德兴

1.山东建筑大学热能工程学院山东济南 250101 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院黑龙江哈尔滨 150090

各种能源采暖方式运行费用的估算方法与比较

庄兆意1，胡可1，苏莘博1，张承虎2，孙德兴2

1.山东建筑大学热能工程学院山东济南 250101 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院黑龙江哈尔滨 150090

随着各种新的采暖方式的出现，需要对其运行费用进行综合分析与比较。通过分析采暖运行费用的组成，给出采暖运行费用的估算方法。结合燃料的实时价格、热值及热能利用效率等计算得出燃料的单位有效能源的耗资，同时给出了单位建筑整个采暖季的所需能耗。最后结合沈阳某酒店工程对采用各种热源采暖时的运行费用进行了分析比较，结果表明该方法对工程确定采暖方案具有一定的参考价值。

供热方式；能耗；运行费用；单位有效能

现如今石化能源供应日益紧张的情况更加突出，而我国冬季的传统供暖正是石化能源消耗的大户。因此，冬季采暖运行费用的估算有着非常重要的意义。传统采暖方式还存在收费难等诸多弊端。为了应对这些问题与挑战，目前在我国已经形成了一种寻求新的采暖方式的热潮［1］。电热膜、地板采暖等诸多观点，至于哪种方法更好，还需进行科学的分析比较。不同采暖方式的比较是社会各群体都在关注的问题。政府的城市建设主管部门在比较，房地产开发商在比较，购房的百姓也在比较。在各种采暖方式的优缺点中，运行费用指标无疑是最重要，也是人们最关注的指标。

在某一采暖工程立项过程中，“该系统年运行费用是多少”是最经常被人们问到的问题，也是施工或工程的承包方必须回答的问题。但是准确地预测一个采暖系统的全年运行费用又是极为复杂的。因为全年的运行费用不仅与建筑结构、地区气候、房间要求达到的舒适程度、设备效率、调节方式与质量等能耗状况有关，而且还与煤、油、气、电（含分时电价）等能源价格有关［2］。常见一些来自于工程承包方语气肯定的预测，当人们追究其根据时，却发现其中往往是基于奇怪的逻辑。例如讨论电热膜采暖时有人说：在良好的围护结构保温下采用电热膜采暖，其采暖费用可低于散热器采暖—因此电热膜是节能产品（某政府机构已颁发了节能产品证书）。前面一句话本身没错，然而，对围护结构进行良好保温，是采用任何采暖方式都应实施的，在比较电热膜与散热器时，如果一个针对保暖房间，而另一个针对非保暖房间，这种情况下怎么可以把保温的功劳算到电热膜身上呢？再例如有厂家将机组功率乘以每天8 h来计算热泵供热空调的运行费用，让人们难以理解此种计算方法的依据何在。难道是因为其他时间段不需采暖，或是房间的蓄热（冷）能力是如此的大吗？不能说这些预测全都是出于商业利益的考虑，但事实上也确实还没有一个很好的方法来对这样一个复杂的问题做出准确的回答。本文试图提出一种有说服力的方法来解决这个预测问题，供各方比较采暖方案时参考。

1 采暖运行费用的构成

采暖运行费用主要包括能源消耗费用（燃煤、燃油、燃气、电等）、设备维修费用、人工费和管理费，其中能源消耗费用占绝大的比重［3］。例如用一吨燃煤锅炉（含锅炉房设备造价不到十万元）供应一万平方米的建筑采暖，一年的购煤费用就要远远地超过此值。再例如燃油、燃气供热，设备的投资和年折旧费用更是比不上燃料费。至于其他的诸如运行人工费、设备维护费、管理费等所占的比重就更小些。因此我们完全可以用能源的购买费用作为主体来进行采暖运行费用的估算［4］。

计算某建筑采暖年运行费的公式可写成：

式中：P为采暖年运行费用，元；C为单位有效能源的耗资，其中已考虑某种能源在正常被使用时的利用效率，元／GJ；E为建筑物每平方米一个采暖季的总能耗，GJ／m2；A为建筑面积，m2。

2 各种采暖方式单位有效能源的耗资

单位有效能源的耗资是指采暖燃料提供单位兆焦热能的成本单价，它是由燃料的价格、热值以及该种热能的利用效率计算出来的。各种采暖方式的单位有效能源的耗资见表1。

表1 各种采暖方式热源燃料单位耗资比较

表1中各种采暖方式热能的利用效率是指整个系统的综合效率。例如燃煤锅炉的效率是肯定要高于0.6的，但对整个采暖系统而言，0.6是个切合实际的数字。表中采用热泵采暖时的能源利用效率3.6低于机组一般的性能系数（4.0）水平，是考虑到了热泵系统中的水泵能耗，该能耗在总能耗中所占的比重要略大于其他采暖方式［5］。

读者可不必过于关注表中数据的精确度。热值与燃料的品种、产地有关，而价格更是随市场变化的不确定因素。但无论如何，表中的参考数据是有价值的。更主要的，该表已给出了一种不同燃料耗资计算的方法。假如遇到某项数据与实际不符的情况，读者完全可以更改表中数据自己算出结果来。

由表1中数据可见，在我国目前条件下，采暖用热的燃料费仍以燃煤明显最低。燃油、燃气为其2～4倍，而直接用电能转化为热能其能源费为燃煤费的3～5倍（依电价而定）。热泵供热的能源费用与电价成正比，当电价水平为0.55元／kW·h左右的民用电价时，供热的能源耗费与燃煤持平。但须知热网的收费是高于燃料费的。以哈尔滨市为例，热网的收费标准为每平方米建筑3.5元［6］。而在哈尔滨1 GJ热能可为1.8m2建筑提供整个采暖季的采暖。可得出结论：当电价水平为0.85元／kW·h左右时，在哈尔滨热泵供热运行费用与热网收费持平。

3 建筑物的采暖能耗

建筑物的采暖能耗是与采用何种系统形式没有关系的，也与系统的运行机制（例如间歇运行、质调节、量调节等）没有多大的关系。有些厂家将建筑物的采暖总能耗与热泵间歇运行混在一起计算是很不科学的。建筑物为保持一定的室内温湿环境而必须要求的能量消耗是客观存在的，不论是采用锅炉供热还是热泵供热，不论是连续供应还是间歇供应，达不到要求的供热量，建筑物房间内的室内环境就无法得到满足。所以不论采用何种方法来计算建筑物的采暖能耗，其计算结果都应该是相差不大的。一旦建筑物确定了，要减少采暖的运行费用就不能在计算建筑物的采暖能耗上下功夫了。由计算全年采暖运行费用的式（1）可以知道，真正决定运行费用的是各种采暖形式的单位有效能源的耗资，它与系统形式、设备性能、设计参数、各种燃料的价格密切相关的。要想降低其运行费用，必须保证正确的系统形式、可靠高效的设备、优化设计的运行参数，而不是在计算采暖能耗上玩数字游戏。

采暖热负荷用稳态温差传热方法计算，但在缺乏充足的调查统计数据时，面积负荷指标法是一种非常简单实用的负荷估算方法［7-8］，本文推荐用下述公式来估算每平方米建筑物在整个采暖季的采暖所需能耗：

式中：E为整个采暖季每平方米建筑物所需能耗，GJ／m2；q为计算用的的基准热负荷。以哈尔滨地区无保温49墙建筑冬季的计算热负荷指标为基准，取值q＝70W／m2；T为采暖季时间，s。若采暖季为180天，则T＝180×24×3 600＝15 552 000 s；e1为地区气候修正系数。以哈尔滨为例，其冬季采暖的室外计算温度为-24.2℃，若某地区采暖计算温度为tW，室内设计温度取20℃，则

e2为建筑围护结构的保温系数。可近似地由围护结构的平均传热系数之比算得：

式中：K为实际有保温墙体时围护结构的平均传热系数，W／m2·℃；K0为无保温49墙围护结构的平均传热系数，W／m2·℃。所谓的“围护结构平均传热系数”是指除了墙体外还要考虑窗的保温情况。

e3为部分负荷系数。在一个采暖季，大部分时段采暖系统处于部分负荷运行。按理说，e3应该由该地区冬季逐日的气候变化曲线获得，然而对工程界来说整理多年的气象资料也并非易事。对大多数地区，假定冬季的逐日气温按余弦规律变化误差不大，如此经积分可得：e3＝0.6。

e4为空间不完全运行系数。对某些建筑，例如宾馆，常常有客房入住不满的情况，在良好控制的情况下可实现空房暂不供热，又如高档民宅，建成后往往可预计几年内入住率不到100%；这两种情况特别在热泵供热的系统中更容易加以调节。当然未住人的房间并不是一点热负荷也不需要，但至少我们应根据实际情况估计一个空间不完全运行系数参与全年运行费的估算，比完全没有考虑要好得多。例如某宾馆近年来经统计冬季平均入住率为70%，则对热泵供热的系统可折半取均值为e4＝0.85，但对锅炉房供热的系统只能视调节措施将e4取得更高些，无调节措施时取e4＝1。

e5为时间不完全运行系数。对某些建筑，例如银行或写字楼，8 h上班时间外热负荷可调低。应视设计的调节措施和将来可能的调节情况确定时间不完全运行系数e5。当然对8 h利用的建筑e5也不可能为1／3，建议视调节情况取e5＝0.5～0.7。

e6为特别的室温要求系数。对正常要求室内采暖计算温度20℃的建筑，e6＝1，但对有些建筑，例如宾馆要求高些，车库要求低些。

式中：tn为要求的室内计算温度；tw为室外计算温度。

4 计算举例

设在沈阳市有某酒店建筑面积3万m2须解决冬季采暖问题。根据近年来的统计，酒店冬季的平均入住率为70%；已采用保温墙体与塑钢窗，传热系数降低了40%；末端为风机盘管，具有良好的调节功能。要求采暖148天，室温不低于23℃。可能的热源为：燃煤锅炉、燃油锅炉、人工煤气炉、燃液化石油气炉、水源热泵5种。若采用热泵供热可享受民用电价0.55元／kW·h。请给出采用这些热源采暖时的运行费用的预测与比较。由以上的分析可得出：沈阳冬季采暖计算温度为-16.9℃，据式（2）及其说明，修正系数e1～e6及E见表2所示。

表2 e1～e6修正数值及单位面积能耗E

该建筑冬季的总能耗为0.203×30 000＝6 090 GJ。据表1，该建筑使用各种热源时的全年采暖运行费估算如表3。

表3 全年采暖运行费用表

当然，从财务角度看该数据还不是运行费用的全部，但肯定是运行费用的80%以上。这对达到宏观比较目的是足够的。从表3中可以看出，运行费用最低的为水源热泵，其次是燃煤锅炉，由于水源热泵的应用受到各种条件的制约，因此燃煤锅炉是目前最适用的形式，这也正与我国仍然是以煤炭为主的能源消费结构的现状相符合。但燃煤锅炉是否就是最经济最合理的热源，仍值得讨论。因为这只是基础消耗燃料的价格，大量采用燃煤作为燃料，还会有较高的环境成本，这是必须要考虑的问题。

值得注意的是燃料价格确是波动的，受政策、时间、运输等多种因素影响，有时候波动幅度会很大。近几年来，雾霾成为了社会热议的话题，不单是存在危害人体健康，给生活带来诸多不便，雾霾问题现在并没有得到有效解决，甚至有加重的倾向，这已经成为国家面临的重要议题［9］。此外，化石能源供应日益紧张的矛盾也更加突出。因此，对环保与节能减排提出了更高的要求，这方面的需求自然也在不断增长。国家已经开始控制煤炭的开采及消费量。

虽然现阶段燃煤为最便宜的解决方案，但是我国以煤炭为主的消费结构的改进却是势在必行。根据通用电气（GE）公司在北京发布白皮书《中国的天然气时代：能源发展的创新与变革》，其研究表明如果天然气在一次能源消费总量中所占的比例从2012年的4%增长到2025年的8%，由此导致的煤炭消费减少可以在13年内节约5万亿元人民币的环境成本。这意味着平均每年节约3 800亿元，约占年度GDP的0.5%［10］。可见，使用燃煤锅炉，成本并不一定就低。还需要注意的是，我国目前的燃料价格并非完全合理，因为开采和运输等方面的限制。天然气价格是美国的7倍左右。但是随着陆上天然气开采的发展（成本可有望控制到0.6～0.7元／m3）西气东输的逐步建成，天然气成本有望得到较大下降。沈阳、哈尔滨已有试点用燃气锅炉进行供热。在很多发达国家，燃气也是冬季家庭供暖的主要燃料之一，煤炭供热的比例已经较小。

5 结束语

预测各种热源采暖运行费是社会上普遍关心的，又是非常复杂的，此前还没有公认可靠的预测方法。本文分析了构成运行费用各种主要的技术、经济因素，总结出简单、便捷的计算公式，并对公式各项的意义作出了确切的说明。工程界的建设方、承建方和使用方都可以用此方法对拟选的热源、拟建的工程作出运行费的预测。本方法的优势之一就是可以估算出建筑的冬季所需能耗，这一数值相对固定，而最后估算出的供热成本可根据燃料成本的变化进行调整和更新。因此可以根据现实条件等灵活选择冷热源。此外，在国家正在进行能源结构调整和更加注重环境保护的趋势下，这一优势更为明显。作者无意强调所取的数据多么精确，而是重在给出这样一个预测全年采暖运行费用的方法。使用者对过程中某个数据不赞同时，完全可以改变成自认为可靠的数据而完成预测。

［1］胡四宏.采暖、空调系统运行费用的计量［J］.水·电·暖通，2006（5）：179-180.

［2］李雅昕，张旭，刘俊.节能建筑的能耗及运行费用模拟计算分析［J］.建筑科学，2006，22（5A）：21-26.

［3］张承虎，庄兆意，吴荣华，等.热泵供热空调系统的年运行费用估算方法［J］.节能技术，2008，26（152）：483-496.

［4］吕忠荣.暖通空调专业设计的经济性控制［J］.广西城镇建设，2006，（8）：56-57

［5］龙惟定，白玮.中国住宅空调的未来发展［J］.暖通空调，1999，29（3）：43-47.

［6］吴荣华，孙德兴.城市原生污水源热泵系统运行工况与参数特性［J］.流体机械，2005，33（12）：46-52.

［7］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993：244-268.

［8］中华人民共和国国家标准.采暖通风与空气调节设计规范［S］.GB50019-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［9］张小曳，孙俊英，王亚强，等.我国雾霾原因及其治理的思考［J］.科学通报，2013，58（13）：1178-1187.

［10］人民网.天然气取代煤炭年省3800亿元［EB／OL］.［2013-10-29］.http：／／scitech.people.com.cn／n／2013／1029／c1057-23355154.htm l.

Estimation and com parison of operating costs for the various heating systems

ZHUANG Zhaoyi1，HU Ke1，SU Shenbo1，ZHANG Chenghu2，SUN Dexing2
1.School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China 2.College of Municipal Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China

With the development of new heating systems，it is necessary to analyze and compare their actual operat-ing costs.This paper gives an estimationmethod for heating operating costs by analyzing its composition and calcu-lates the consumed cost of the effective energy per unit by combining the real－time price，the calorific value of fuel and heat energy utilization efficiency.Meanwhile，this paper also gives the energy consumption of the building per area throughout the heating season.Finally，this paper analyzes and compares the operating cost for 5 types of heat-ing models for a hotel in Shenyang，which has a certain reference value for the project to determine the heating sys-tem.

heatingmodel；energy consumption；operating cost；effective energy per unit

TU831.6

A

1009-671X（2015）02-079-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201406006

2014-06-07.

日期：2015-03-25.

国家科技支撑计划子课题（2012BAJ06B03-01）；山东建筑大学博士科研基金资助项目（XNBS1226）.

庄兆意（1982-），男，博士，讲师.

庄兆意，E-mail：hit6421＠126.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150326.0840.001.html