武汉市居住建筑天然气供暖用气量变化研究

李钇锌， 林亚娜， 杨 飞， 董建锴

(1.哈尔滨工业大学， 黑龙江 哈尔滨 150090； 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090； 3.海南富力房地产开发有限公司， 海南 海口 570105； 4.深圳市燃气工程设计有限公司， 广东 深圳 518000)

1 概述

近年来，南方供暖的呼声越来越高，需求日益迫切[1]。南方地区主要的供暖形式有空气源热泵、天然气供暖和电供暖等[2]。天然气作为清洁能源，具有绿色、无污染的特点，在气源充足的地区是重要的供暖能源。

目前，一些学者对南方供暖的必要性及供暖方式进行了研究。渠义杭等人[3]从生理、气候和民众需求3个方面对南方供暖的必要性进行了阐述。金文[4]对上海、苏州、武汉地区开展调查统计，结果显示南方城镇居民使用较多的供暖方式为空气源热泵、燃气供暖热水炉和电热供暖。

部分学者研究了天然气供暖的可行性，郭非等人[5]对北京市两个住宅小区98个分户燃气供暖热水炉进行了供暖期的数据收集，从舒适性、安全性、噪声和分散排烟对环境的影响等方面对该供暖方式进行了评价，提出了“宜小不宜大、宜分散不宜集中”的天然气供暖原则。杨通[6]从能源转换效率、运行管理、经济性能等多角度总结了北京市发展分户式燃气供暖热水炉供暖存在的问题，即无法保障热用户的供热品质，相关部门应对供热管理体系加以完善，从而促进分户式燃气供暖热水炉在北京地区的推广应用。Su D等人[7]运用市场模拟方法，在满足供热企业、终端用户和政府需求多方利益的基础上，对市场机制以及能源商品属性等方面进行了探讨，验证了天然气供暖的经济可行性。

另外，部分学者研究了天然气供暖的用气量变化，田贯三等人[8]以天津市为例，对实际数据进行燃气供暖负荷的月不均匀系数、日不均匀系数及小时不均匀系数计算，并给出年平均燃气供暖热指标为71.06～81.29 kJ/(m2·h)，年燃气供暖耗热量为(2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)。汪颖[9]比较了家用燃气供暖热水炉用气量的两种计算方法，结果显示采用燃具同时工作系数法计算出的用气量明显偏大，采用供暖热指标法计算出的用气量为前者的50%，更适用于实际工程计算。针对燃气供暖热水炉供暖的经济效益问题，韩刚等人[10]以郑州地区供热面积约为300 m2的燃气供暖热水炉为例，利用热经济学方法对燃气供暖热水炉的供暖和生活热水系统进行了分析，结果表明在天然气价格为1.6元/m3，电价为0.56元/(kW·h)时，燃气供暖热水炉具有经济可行性。

部分学者对天然气负荷预测进行了研究。邹文波[11]以北京首都机场2012—2013年供暖期燃气日负荷和大气温度作为样本，建立了基于日最高温和最低温的燃气日负荷的一元线性回归预测模型。通过模型分析与验证，认为以日最高温为自变量的预测模型可以较为精确地预测首都机场的燃气日负荷。王富平等人[12]以乌鲁木齐为例对城市天然气供暖进行价值评估，结果表明天然气供暖的环境价值较高，但乌鲁木齐市天然气现行价格未能体现天然气供暖利用价值，并认为提升热力企业的天然气价格承受力是理顺天然气供暖产业链价格水平，确保天然气供暖市场健康发展的关键。此外，Zeng Q等人[13]以最大限度利用可再生能源的同时，尽量减少综合系统的运营成本为目标，建立综合模型对电力、燃气和区域供热系统的联合运行进行优化设计。

综上，目前有关南方供暖的现状及技术方面的探讨颇为广泛，同时对于天然气供暖的可行性、燃气负荷及利用率等方面也有一定的探索。然而对于南方居住建筑供暖天然气负荷变化的研究较少。南方供暖对天然气负荷变化有着重要影响，同时对天然气管网的运行调节具有重要意义。因此，本文针对南方供暖代表性城市武汉的居住建筑供暖对天然气负荷变化的影响进行了模拟研究。首先，建立DeST居住建筑模型；其次，模拟不同供热间歇运行模式下的供热量面积指标，分析天然气供暖能耗；最后，计算天然气供暖负荷。本文研究工作将有助于明确南方供暖对燃气负荷变化的影响，从而为相应对策制定提供理论支持。

2 居住建筑模型的建立

2.1 典型居住建筑介绍

本研究采用DeST软件对居住建筑建模，并对该模型进行能耗模拟分析。据武汉市统计局统计，武汉市2017年城镇居民人均住房面积为32.47 m2/人，以此作为参考，选取武汉市某居民楼为研究对象，该楼人均住房面积约为30 m2/人，共6层，每层6户(户型均相同，见图1)，层高3.6 m，体形系数0.30，总建筑面积为2 845 m2，南北窗墙比0.24。

图1 建筑每户的户型

2.2 模型参数设置

① 建筑内扰

根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》及参考DeST数据，以及房间功能，设置建筑内扰，包括人员内扰、照明内扰及设备内扰，具体设置见表1～3，表中没载明的时间段概率为0，表1中的百分数表示满员人数出现在某房间的概率。

② 围护结构的参数设置

参考GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，武汉地区建筑供暖房间主卧、次卧、客厅的室内供暖设计温度取18 ℃。

围护结构的参数设置参考JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》以及武汉市实际建筑，并根据建筑体形系数、窗墙比对应的围护结构限值，设置居住建筑模型的围护结构参数。考虑到武汉市实际居住建筑供暖的多样性，分别对3种不同间歇运行模式下的天然气供暖进行模拟，模拟的时间段为11月1日至次年4月1日。建筑模型围护结构相关参数见表4。外窗传热系数为2.40 W/(m2·K)，遮阳系数为0.56，可见光透射比为58%。

表1 各功能房间人员分布

表2 各功能房间照明分布

表3 各功能房间设备功率分布

表4 建筑模型围护结构参数

在DeST软件中输入上述条件，并结合软件自带武汉市气象参数，模拟得到供热量指标，进而计算得到天然气耗气量。

2.3 间歇运行模式

根据居民一般生活习惯及作息情况，设置3种供暖系统间歇运行模式：

模式Ⅰ：0:00—4:00，7:00—11:00，13:00—17:00停止运行，其他时间系统运行；

模式Ⅱ：0:00—4:00，7:00—15:00停止运行，其他时间系统运行；

模式Ⅲ：7:00—17:00停止运行，其他时间系统运行。

3 模拟结果分析

对武汉市居住建筑模型上述3种间歇运行模式进行能耗模拟，得到供热量指标，见表5。

表5 3种运行模式的供热量指标

由表5可知，在3种运行模式中，模式Ⅱ全年累计供热量单位面积指标最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。考虑建筑节能的不断推进，结合武汉市实际建筑，本文选择运行模式I的结果作为分析对象。

3.1 供热量分析

以模式Ⅰ为分析对象，选取室外气温较低的1月份供热量进行分析。该居住建筑1月份供热量变化见图2。

图2 模式Ⅰ1月份逐日供热量与日均室外温度的关系

由图2可以看出，逐日供热量变化趋势与日均室外温度变化趋势相反，日均室外温度出现低谷时，逐日供热量出现高峰。居住建筑的逐日供热量在1月23日达到最大，为1 198 kW。

图3 历月日均供热量

图3给出了历月日均供热量分布。天然气供暖主要集中在11月到次年4月，从11月到次年1月，日均供热量呈现上升趋势；从1月到4月，日均供热量逐渐下降，整体与季节相关，符合实际情况。1月日均供热量最大，为744.7 kW。1月武汉室外温度较低，因此该供热量与室外温度变化相契合。由此也可得到全年各月份日均天然气供暖用气量的变化情况，其变化趋势与日均供热量变化一致。

该居住建筑全年的供热量变化见图4。全年的平均供热量为46 kW。全年的供热量集中在冬季，供热量最高接近200 kW，最低不足10 kW。整体上，室外温度低，相应的供热量也较高。

图4 居住建筑全年供热量变化

3.2 天然气负荷分析

夏热冬冷地区天然气供暖多采用供暖热水炉，供暖热水炉供暖的天然气耗量可由式(1)计算：

(1)

式中V——天然气耗量，m3

Q——供应的热量，kJ

Ql——天然气的低热值，kJ/m3

ηb——供暖热水炉热效率，取85%

ηs——系统热效率，取90%

武汉市天然气的低热值为33.49 MJ/m3。根据公式(1)结合模型I的供热量模拟结果，可计算得到居住建筑用供暖热水炉进行供暖的天然气供应参数，结果见表6。

表6 模型I供暖热水炉供暖的天然气供应参数

结合公式(1)与表5，对运行模式Ⅱ、模式Ⅲ下的全年累计天然气负荷进行计算，结果见表7。

表7 不同模式下的全年累计天然气负荷

由表7可以看出，采用运行模式Ⅱ全年累计天然气负荷最小，较为节能，经济效益较好，运行模式Ⅲ全年累计天然气负荷最大，运行模式Ⅰ居中。

文献[8]对天津地区城市供暖用气的研究结果表明，年平均燃气供暖耗热指标为71.06～81.26 kJ/(m2·h)，折合年供暖耗热量(2.05～2.34)×105kJ/(m2·a)，其全年累计天然气负荷单位面积指标为5.7～6.5 m3/(m2·a)。与运行模式Ⅰ下全年累计天然气负荷单位面积指标3.73 m3/(m2·a)相比，武汉地区供暖燃气耗量较低，符合实际情况。

4 结论

通过DeST软件建模进行武汉市某居住建筑供暖能耗模拟，通过设置建筑内扰和围护结构参数，结合DeST软件自带的武汉市气象参数，模拟得到3种供暖系统间歇运行模式下该居住建筑的供热量。根据武汉市天然气参数，计算得到该建筑供暖对应的天然气用气量，其结果可作为天然气负荷预测的基础数据。研究结果表明：

① 在3种间歇运行模式中，模式Ⅱ全年累计供热量单位面积指标最小，模式Ⅲ最大，模式I居中。

② 以间歇运行模式Ⅰ为分析对象，模拟得到1月份逐日供热量与日均室外温度的关系曲线、1月份供热量最大日的逐时供热量、历月日均供热量以及全年供热量。

③ 在间歇运行模式Ⅰ下，该居住建筑的逐日供热量在1月23日达到最大，为1 198 kW。天然气供暖主要集中在11月到次年4月，从11月到次年1月，日均供热量呈现上升趋势；1月到4月，日均供热量逐渐下降，整体与季节相关，符合实际情况。1月日均供热量最大，为744.7 kW。该居住建筑全年平均供热量为46 kW。该居住建筑全年累计供热量单位面积指标及户均指标分别为26.6 kW·h/m2及2 099.5 kW·h/户。

④ 全年累计天然气负荷单位面积指标为3.73 m3/m2，全年累计天然气负荷户均指标为295 m3/户。