清华大学 罗 奥 夏建军
【摘 要】北方地区集中供暖能耗是我国建筑能耗的重要组成部分之一。集中供暖能耗的影响因素众多。由于工程及其他原因，一栋楼中部分用户未供暖的情况非常常见。供暖用户与非供暖用户之间存在户间传热。结合北方集中供暖区域系统连续运行的特点，如果存在不供暖的用户，将会导致原来热用户的供暖能耗大大增加。这也是供热计量在我国系统形式下难以取得成效的重要原因之一。本文利用建筑热环境模拟工具DeST就入住率这一因素对住宅供暖能耗的影响进行模拟分析。同时探究了常见的几种供暖系统调节运行方式下，对于这一现状的改善作用有多大，为实现清洁供暖目标提供一定的研究基础。
【关键词】清洁供暖 入住率 供暖能耗 户间传热 运行方式
Abstract:Energy consumption of district heating in Northern China is one of the most important part of building energy consumption in China. There are many factors affecting the heating energy use intensity (EUI). Due to engineering and other reasons, part of the users in one building without heating is very common. Heat transfer exists between heating users and non-heating users, Combined with continuous operation typical district heating system, if there is non-heating users, and the heating EUI of neighboring heat users will greatly increase. This is also one of the significant cause for the difficulty of heating metering policy in China. In this paper, the influence of occupancy rate on residential heating energy consumption is simulated and analyzed by the building energy simulation tool DeST. At the same time, the effect of several common regulating measures for heating system in response to the current situation is discussed, which provides research foundation for the realization of the clean heating target.
北方城镇采暖能耗占我国建筑商品总能耗约四分之一[1]，是我国能源终端消费的重要形式之一。2016年底，习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上强调：“要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重”[2]。 国家能源局发布的2017-2020年北方地区冬季清洁取暖规划中提到，目前我国北方地区供暖平均综合能耗约为22kgce/m2，并提出目标：到2019年为将供暖系统平均综合能耗降低至15 kgce/m2以下[3]。“清洁供暖”意义重大，因此对于供暖系统能耗的深入了解和研究十分重要。
我国北方城镇主要以集中供暖系统的形式为主。常规集中供暖系统包括热源、供热管网、建筑末端三个环节，“清洁供暖”不仅仅指高效清洁化的热源，还包括高效运行的输配管网，以及围护结构保温措施良好、耗热量较低的建筑末端。
建筑末端的耗热量高将会导致整个系统运行能耗偏高。对于一栋住宅建筑而言，部分用户用暖，部分用户不用暖的情况非常常见。造成此类现象的原因主要包括新建房屋未售出、售出未入住或入住未用暖三类。由于住宅小区入住未用暖对集中系统而言相对其他两种比较少见，本文将这三类原因统一归为入住率较低。
鉴于我国的供暖系统通常是以一个小区或一片区域为单位进行供暖，很难做到各用户按需取暖，分户调节。当部分用户不用暖时，与用暖用户就会发生户间传热，户间传热的比例随建筑结构不同而存在差异[4]。由于入住率较低导致的户间传热，无疑会大大增加实际供暖面积的系统能耗。除了增加供暖能耗之外，户间传热的存在严重影响了各个用户之间用暖的公平性。且由于户间传热的定量分析非常困难[5]，户间传热也成为我国供热计量工作难以推进的重要原因[6]。除此之外，空间分布差异与热力不平衡导致的户间传热几乎在每个小区都存在。
入住率低的问题在北方城市，尤其是人口密度较低的小城镇非常常见。随着建筑规模的持续增加，不同住宅小区入住率存在较大差异[7]。部分寒冷地区的沿海城市，多为度假旅游型城市，被称为“候鸟型城市”，在敷设了供暖管网的区域夏季度假者多，冬季实际用暖需求较低[8]。入住率低导致的供暖能耗的增加，以及不同运行方式下对于这一耗热量增量影响的探究就非常有必要。这不仅能够帮助我们对入住率的影响有进一步了解，同时对如何改善这一高能耗的现状也能提供相应指导。
1 建筑供暖能耗调研与分析
本文首先以河北省某县城的实际能耗数据为例，进行入住率以及建筑供暖能耗调研分析。该县城供暖期为4个月，供暖期平均温度约为-7℃。其中供暖能耗数据来源于该县城2015年~2016年采暖季88个热力站计量数据（包括庭院管网损失），总供暖面积364万m2。入住率根据该县城热力公司对于不同小区的收费率进行统计。除个别情况外，收费率基本与用户入住率吻合。
图1为该县城不同类型建筑于调研采暖季的建筑供暖能耗分布。根据是否有保温材料可以将建筑分为节能建筑与非节能建筑，根据建筑功能可以分为居住建筑与非居住建筑。从图中可以看到，即使是同一类型的建筑，不同小区的建筑供暖能耗之间差异也非常大。从平均值来看，节能建筑较非节能建筑略低，由此体现建筑围护结构保温的重要性。根据是否为居住建筑将二者进一步分类，可以发现，对于居住建筑而言，其最大值均与上四分位数差别较大，即容易出现高能耗样本，初步认为是受居住建筑的入住率影响。
对图1数据进一步分析，得到节能建筑与非节能建筑两类小区的建筑供暖耗热量强度与入住率之间的关系，如图2，其中散点为各小区对应的入住率。从散点的分布可以直观发现节能建筑的入住率明显低于非节能建筑，这是由于节能建筑多为新建建筑，大部分尚未住满，而非节能建筑通常为老旧建筑，建成年代久远，入住率普遍较高。其中节能建筑中有21个小区入住率不足60%，占总节能建筑总数40%；36个非节能建筑小区中仅有1个小区入住率不足60%。从节能建筑的建筑供暖能耗也可以看到，能耗较高的建筑普遍存在入住率不足的问题。其中能耗最高的达到了0.75GJ/(m2·a)，比该地相关节能标准建筑耗热量所示的0.23 GJ/(m2·a)的三倍还高[9-10]。
图2 节能建筑与非节能建筑实际耗热量与入住率之间的关系
从以上调研结果可以明显看到，通常节能建筑的入住率较低；入住率较低的建筑供暖耗热量普遍较高；即使建筑围护结构按照节能标准建造，在入住率较低的情况下，其供暖能耗会远超标准值，甚至高于同地区非节能建筑。
本文主要探究对入住率低的住宅小区，户间传热问题存在时，不同外温对供暖能耗的影响。实际工程中,为了节能考虑，部分供暖系统采用间歇供暖，甚至部分小区可实现用户自主调节。基于此，在入住率较低的情况下，需要探究不同运行方式下的供暖能耗，判断低入住率时，通过调节方式能否改善高能耗的现状。
2 参数与工况设定
2.1 建筑模型及主要参数
DeST是常用的建筑环境、负荷与能耗模拟软件，由清华大学建筑节能研究中心开发设计。通过模拟的方法研究入住率对于北方地区建筑供暖能耗，其目的并不在于确定其能耗定量数值究竟是多少，而是可以借助软件直观了解到这一问题的主要矛盾，以及可能的解决方案。
选取该县城某小区一个单元的用户搭建模型，如图3和表1所示，该单元共有5层，其中1层为车库，2~5层为住户。车库为非供暖区域。每层分为左右两个用户，面积分别为122.3m2和118m2。左右用户的布局大致相同，其中厨房为非空调区域，面积约为12m2。用户之外的走廊区域同样设为非空调区域。
为研究入住率对建筑供暖能耗的影响，分别选择哈尔滨和北京作为严寒地区与寒冷地区代表，两个地区的供暖时长分别为6个月和4个月。具体的围护结构选取与其传热系数如表2所示。其中所有的围护结构参数设置除楼板外都是按照对应地区的三步节能标准选取[11]。因为一层用户与地下车库同样存在户间传热，将楼板K值设为0.471W/(m2·K)，均低于两地的标准限值。在模拟的工况中，考虑的均是保温工作做得很好，完全符合节能建筑设计标准的供暖住宅而言，低入住率对供暖能耗的影响。
该单元共有8个用户，为了模拟入住率较低的工况，选择3个用户没有人入住，将其设置为非空调区域，此时的入住率为63%，如图4所示。
2.2 运行方式确定
实际工程中通常采用两种调节手段，一种是供暖用户的通断调节，另一种是换热站内的水温调节。首先需要定义两种调节方式的设置如图5和图6所示。
作息通断调节的原理主要是人在的时候供暖，人不在的时候断开。因此设置为周一到周五9:00~17:00不供暖，周末选择全天供暖。每周停供时间为40h。
另外一种调节方式时热力站内部根据室外天气来进行调节，外温较高时就降低流量或者调节二次网供水温度。Dest软件没有水温调节的设置方法，通过选择在每天温度最高，负荷最低的时候停止供暖，考虑到建筑的热惯性，每天停供5h，一周总停供时间为35h。
2.3 工况小结
本模拟共设置了6种工况。工况1256用来说明入住率低时对于建筑供暖能耗的影响，以及在不同的外温条件下，供暖能耗增加的程度比较。
工况1234用来说明比较集中常用的调节方式对于当入住率较低时建筑供暖能耗的影响 。模拟工况如表3所示：
3 模拟结果对比分析
3.1 外温参数比较
两地供暖期典型年室外温度如下图7所示。哈尔滨典型年供暖期最低温度为-22.7℃，平均温度为-8.9℃；北京典型年供暖期最低温度为-10.0℃，平均温度为0.2℃。
3.2 入住率对负荷的影响
图 8 不同工况下建筑的热负荷曲线
截取采暖期室外温度较低两周的负荷曲线进行分析如图8所示，考虑到实际供暖系统连续运行的方式以及建筑的热惯性，最冷天气下的平均热负荷可视为尖峰热负荷。从负荷曲线可以看到，在入住率降为63%之后，负荷曲线都有了明显的上升。对于不同气候条件来看，哈尔滨负荷上升的幅度较大。这段时间内100%入住率的情况下，哈尔滨的热负荷约为43.9W/m2，北京的热负荷约为20.6 W/m2，均为合理水平，说明建筑的保温效果较好。而当入住率下降到63%之后，哈尔滨的热负荷上升到约为59.3 W/m2，北京的热负荷上升到约为28.7 W/m2，分别增加了35%和39%。
3.3 户间传热分析
再具体研究户间传热对各用户的影响。选择每层左右两边的主次卧室进行分析，得到表4中各层各个卧室的热指标情况。从表中可以看到，即使在100%入住的情况下，各层同一位置的热指标差异也很大，最低的4层用户主卧室热负荷仅为26 W/m2，最高的5层用户主卧室热负荷达到了49 W/m2，这也体现了为何分户计量难以进行。当入住率降低为63%时，5层右户、4层左户、3层右户热指标大幅度上升，热负荷均提高60%以上，严重影响了这几户的供暖。而之前热负荷较高的左侧2、3层用户反而受影响较少，说明没有入住的用户对于隔层的用户影响较小。
3.4 不同运行方式影响
前文说明了当入住率降低时，不仅大大增加了实际的供暖负荷，同时也影响了相邻用户的用热效果，严重破坏了供热计量的公平性。实际中，有不少小区进行了改造，可以实现一定的调节，为了进一步分析当入住率时这些调节运行方式能否改善高能耗的情况，以能耗相对较高的哈尔滨作为案例进一步探究。模拟结果如图10和表5所示。
从计算得到的采暖累计热负荷指标换算得到全采暖季耗热量，从而比较几种调节方式的效果。首先可以看到，入住率降低之后，整个采暖季能耗从0.50GJ/m2增加到0.67GJ/m2，大大增加了供暖能耗。而通过两种调节方式，能耗下降的都较少，作息调节下降为0.644 GJ/m2，外温调节下降为0.636 GJ/m2，这样看来根据外温调节的效果稍微好于作息调节，即使其停供时间相对较少。但低入住率的情况下，无论哪种调节方式，对于整个供暖季的能耗改善效果都较小。
4 结论
4.1 供暖季耗热量小结
根据模拟计算的结果将几种工况下的热负荷指标以及全供暖季耗热量进行比较如表6。不同外温条件下，造成的耗热量增加不同，哈尔滨供暖季耗热量增加了0.17GJ/m2，约35%，北京供暖季耗热量增加了0.07 GJ/m2，约39%。在低入住率的情况下，常见的几种运行调节方式，也并不能改善这一高能耗现状，仅降低了约0.03 GJ/m2的热量。
4.2 研究意义及启示
本文根据实际调研以及DeST软件的模拟分析，探究了入住率对于建筑供暖能耗的影响。可以总结得到以下结论：
1）无论是从实际调研的结果，还是模拟的对比结果，都可以明显看到在低入住率的情形下，即使建筑围护结构良好，由于户间传热的影响，导致建筑单位面积耗热量大大增加，造成了巨大的能源浪费。而且随着外温气候条件降低，造成浪费的热量也就越多。因此解决入住率低的问题，对实现北方清洁供暖的目标而言不可忽视。
2）几种常见的供暖运行模式，如通断控制和水温调节，都不能很好的改善由于低入住率导致的能耗增加。根据本文的调研与模拟结果认为，能够较好改善这一问题的方法，可能只有通过一系列措施或激励政策，提高住宅入住率，保证集中供暖系统的使用率，从而提高系统的利用效率。
3）根据文中对户间传热的初步探究分析，可以认为分户计量的公平性极难权衡，尤其是在一栋楼有用户不用暖的情况，这一问题会更加严重。而且在现实中，由于各个用户之间热力失调现象，会增大用户间的负荷差异，加剧户间传热。
4）在实际的城市集中供暖系统中，无论是旧城改造还是新区规划，入住率的问题都不可避免，尤其是对新建小区而言。因此，城市入住率对于供暖能耗的影响，以及如何改善这一问题的政策和机制研究，都值得更多的研究与讨论。
参考文献
[1] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2017 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社，2017.
[2] 新华社. 中央财经领导小组第十四次会议召开 [EB/OL]. http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/21/content_5151201.htm.
[3] 国家发展改革委，国家能源局，财政部等.北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年） [EB/OL]. http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201712/t20171220_871052.html.
[4] 孟长再，解晓明.分户供暖系统户间传热问题的探讨 [J]. 建筑热能通风空调.2008. 5(27): 58-59.
[5] 张志刚.户间传热与面积分摊百分数的取值分析 [J]. 暖通空调, 2001 , 31(6) : 93-96.
[6] Liu lanbing, Fu Lin, Jiang Yi. Major issues and solutions in the heat-metering reform in China [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1): 673-680
[7] 余梦琦, 白雪梅, 张希桢等. 住宅小区集中空调系统收费方式研究 [J]. 制冷与空调, 2017, 17 (3) :57-59
[8] 朱义成,赵振华,艾旭. 寒冷地区沿海城市供暖热负荷研究 [J].暖通空调. 2013 (s1) :31-32
[9] 夏建军, 江亿. 民用建筑能耗标准中供暖指标值的确定方法 [J]. 建设科技.2015. (14): 51-55.
[10] GB/T 51161 - 2015 民用建筑能耗标准 [S].
[11] JGJ 26 - 2010 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 [S].
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
