过渡地区采暖需求分析及技术集成

1. 过渡地区采暖需求分析及技术集成 张 旭 博士/教授/博导 中国建筑节能委员会副主任 同济大学暖通空调及燃气研究所所长 2010年10月28日

2. 从人类进化和迁移的路径，可以看出，采暖和通风是人类生存的基本需求从人类进化和迁移的路径，可以看出，采暖和通风是人类生存的基本需求

3. 这是我们能查到的第一本关于采暖通风的教科书这是我们能查到的第一本关于采暖通风的教科书 John Shaw Billings (1838-1913) was instrumental in the establishment of the first comprehensive national medical library and provided much of the ideas and innovations that made the medical school of Johns Hopkins University the foremost learning center of its kind. Billings, noted Frank B. Rogers in a memorial essay that appeared in John Shaw Billings Centennial, did "more to advance American medical education than any other individual of his generation." John Shaw Billings (1838-1913)

4. 建筑节能的基本路线图 • 良好的保温/隔热/采光的围护结构 • 高效的能源转换系统和低火用末端用能设备 • 行为节能 • 新能源和可再生能源的应用

5. 主 要 内 容 一. 过渡地区采暖需求分析 二. 过渡地区采暖现状调查 三. 过渡地区建筑保温技术分析 四. 过渡地区采暖新技术 五. 结语

6. 一.过渡地区住宅采暖需求分析 • 过渡地区住宅采暖历史状况 • 过渡地区采暖需求分析

7. 过渡地区住宅采暖历史状况 《采暖通风与空气调节设计规范》规定累年日平均温度低于或等于5 ℃的日数大于或等于90天的地区才宜采用集中供暖。而长江流域属于夏热冬冷地区不能够满足这个条件，因此传统上此地区不考虑冬季采暖，在计划经济时期，该地区属于不设置集中供暖地区 过渡地区

9. 夏季 冬季 其他地区竣工面积 长江流域竣工面积 过渡地区 • 人口密度高 • 建筑面积发展快速 • 采暖空调使用少 • 室内舒适性水平较低 m2 不同城市冬夏季节室内热舒适性调查

10. 住宅采暖方式多样 采暖方式多样但是以自行采暖为主、集中式供暖在少数示范建筑采用

11. 围护结构条件差 • 原因冬季没有长期的集中采暖

12. 采暖和空调年用电量指标 国际人均GDP与人均能耗的增长 • 因为计划经济时期，过渡地区是非集中采暖地区，住宅供暖比例少，围护结构状况较差 • 过渡地区冬季采暖的应用会越来越普遍，势必要加强对保温的重视。 • 与北方地区与国外发达国家相比，该地区采暖能耗很低，但增长速度很快

13. 二.过渡地区居民采暖调查 • 采暖生活习惯 • 采暖行为模式 • 采暖设备的选用 • 采暖耗电量的调查分析 • 采暖耗电量与设备选用的分析

14. 采暖习惯的调查 我国过渡地区的居民对通风的要 求较高，常年有开窗通风的习惯。 居民室内衣着较厚。 采暖消费意识较为节约。 居民长期的适应性。

15. 根据2009年对上海地区进行的“城镇居民生活方式与节能状况调查”，共调查785户，显示：根据2009年对上海地区进行的“城镇居民生活方式与节能状况调查”，共调查785户，显示： 冬季有自采暖设备的居民占56.1%，无采暖42.7%。 冬季居民每天开窗通风的时间为9.4小时，43.8%的居民选择“基本总是开着”。 冬季93.6%的居民在室内穿着厚毛衣或外套。 冬季69%的居民会先选择加衣服御寒，然后才开采暖。

16. 采暖行为模式：间歇局部采暖 83.6%的居民选择尽量让家人待在一个房间里面开空调采暖；使用频率上，冬季采暖次数少于30次的居民，超过了总体居民人数的2/3。 由于以上原因，过渡地区大部分家庭目前是“部分时间 部分空间”的采暖方式，且采暖室温设定值较北方较低，北方为20度，南方为14-16度。

17. 采暖设备的选用 过渡地区很少有集中供热采暖系统，目前主要在室内配置一些局部采暖设备，如电热毯、电暖气、空气-空气热泵机组。 在有采暖设备的居民中，用空调的占99%；其他采暖设备中，电热毯的拥有率最高，接近50%。

18. 冬、夏季用电峰值负荷比较 长江流域各个省份冬季用电峰值负荷与夏季已经基本持平，说明冬季供热能耗是空调能耗中不能忽视的，所以，在围护结构的确定时，应对冬夏两季进行充分考虑

19. 采暖用电量的调查和分析 另外，课题组正在对上海地区居民采暖用电量和采暖生活习惯进行问卷调查，目前回收数据20户，结果如下： 单位面积采暖耗电量为3.25kWh/(㎡•a),且不同家庭间差别很大，最大者为8.866kWh/(㎡•a)，最小者不足1kWh/(㎡•a)

20. 采暖设备使用与采暖用电量的分析 根据调查，62%的家庭冬季仅采用部分房间的空调采暖，拥有三种以上采暖设备的家庭仅占19%。 从另一张图表可以看出，冬季使用的采暖设备越多，单位面积耗电量也相应的增加。而最常见的仅使用空调采暖的家庭，单位面积采暖耗电量为3.14kWh/(㎡•a)，占采暖季总耗电量的16%。

21. 三.过渡地区保温材料分析 • 围护结构对能耗的影响 • 几种常用的保温系统 • 保温材料防结露

22. 加强保温降低建筑采暖的基本负荷 围护结构冬季保温（保暖）的基本措施和特点 1）、墙体采用适宜的保温措施 2）、采用热工性能、气密性能较好的窗户 3）、选择合理的建筑体型与平面形式及布局 4）、结构防结露

23. 冬夏季外墙、外窗传热系数变化对能耗的影响 外墙 外墙 外窗 外窗 夏季 冬季

24. 围护结构改变时空调能耗比较 • 围护结构改变后，集中和分散系统能耗均减少，分散式系统的供热能耗减幅较大，说明采用保温措施后，对分散系统供热能耗的减少更为显著。 两种工况下分散式系统能耗比较 两种工况下集中式系统能耗比较

25. 常用保温系统 1胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统 胶粉聚苯颗粒保温系统具 有保温隔热、耐候、抗裂、憎水 性能好、防火标准高、 现场施工 操作方便等特点。这种材料可以适用 于过渡地区各类既有居住建筑外墙的 外保温改造。 2 膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温 系统 这种系统适应于民用建筑混凝 土或砌体外墙外保温工程．在北方 地区已经应用较为广泛，在过渡地 区的南京、上海、杭州、长沙 等地，已经开始使用，从建成小区 使用效果来看，其保温性能较佳。

26. 3现浇混凝土聚苯板复合聚苯颗粒外保温系统 胶粉聚苯颗粒作为聚苯板表面 整体找平材料，可弥补聚苯板施工 出现的孔洞及边角破损缺陷，提高 保温效果，但这种做法的外墙只能 做外墙涂料. 4框架结构加气混凝土砌块外墙外保温系统 这里只需加强钢筋混凝土梁、 柱及热桥部位的保温(外抹30mm厚 聚苯颗粒保温层)即可满足标准 要求，饰面层只能做外墙涂料。 需要做的工作：针对过渡地区，对保温材料进行的经济性、节能性等进行分析。

27. 图2 北京、上海、武汉、重庆四地的月平均含湿量 图1 北京、上海、武汉、重庆四地的月平均相对湿度 墙体的表面结露和内部冷凝问题 过渡地区湿度大采暖并且采用保温需要考虑防止内部冷凝的问题。 长江流域热湿负荷特性

28. 当该地区室内采暖，且墙体做内保温时 Insulation Building Materials T 室外 Tex & Pex 室内 Tin & Pin P

29. 冬季 夏季 保温材料两侧温差较大，液体容易在保温材料内部形成凝结区

30. 墙体的内部内部冷凝的危害

31. 通过生物纤维材料防止保温材料内部结露 • 墙体内侧采用生物纤维保温材料 • —— 高水蒸汽渗透性 • —— 毛细作用显著 • —— 低导热系数特性 • 降低墙体内部结露位置的水蒸气浓度 • 降低材料内部水分聚集 宏观水分迁移过程 水蒸气凝结 水分聚集 毛细作用 水分迁移 毛细作用水分迁移原理

32. 毛细作用防结露案例 生物纤维材料 硅酸钙板作为保温防结露的材料 • 营造健康室内环境 • 优良热惰性 • 可呼吸性 • 完美的隔音效果

33. 四.过渡地区采暖新技术集成 • 过渡地区采暖新技术集成 • 采暖末端 • 采暖热源 • 电驱动采暖 • 热泵型空调器采暖 • 地源热泵 • 可再生能源采暖 • 太阳能采暖 • 燃油、燃气锅炉 • 集中供暖的试点 • 过渡农村地区采暖适用技术集成

34. 采暖末端的分类

35. 采暖末端的分类

36. 散热器 散热器为最常见的一种采暖末端形式，按其材质可分为铸铁制、钢制以及铝合金制；按形式有管片式和制片式。 铸铁散热器 管制散热器 铝合金散热器

37. 低温辐射采暖 低温辐射采暖采用不高于60℃的低温热水，其可以使用低品位的低火用能源来做为热源，具有较好的节能性，且能提高供暖房间的热舒适。

38. 适用于多种供热量或热力参数的智能化全自动热力站的自动控制。适用于多种供热量或热力参数的智能化全自动热力站的自动控制。

39. 采暖热源 1、热泵型空调器采暖 • 空气源热泵型空调器夏季制冷、冬季制热, 一机两用, 设备利用率高。空气源热泵机组由分体式和集中式两种。分体式机组一般为户式，在过渡地区住宅建筑中大量使用，集中式主要为一些公共建筑使用。 • 空气源热泵的优点： • 1）空气源是可再生的清洁能源，获取方便； • 2）无需特设机房．安装方便，大型可装在屋顶节省占地； • 3）初投资相对于水源、土壤源低； • 4）用户适应性强。

40. 热泵型空调器在过渡地区采暖存在的问题 • 设计中缺少对空气源热泵冷热水机组实际运行中的供热量和性能系数的修正值． • 如何防止或延缓空气侧换热器结霜以及如何选取有效的除霜方式。 • 机组运行的不稳定性．空气源热泵冷热水机组在5—0℃之间有雾或雨雪天气时是最恶劣的运行工况． • 空气源热泵冷热水机组除霜过程的可靠性差．

41. 冷热源：双蒸发器空气源热泵 末端：辐射顶板+送风系统 适用于过渡地区的热泵型户式温湿分控空调机组研发 • 同时制备不同温度供水与送风， 分别承担室内显热负荷与湿负荷 • 温湿分开处理过程有显著的节能性 上海地区季节能效比计算数据

42. 机组实际应用：湖南长沙 江苏昆山 室外机 水机，供辐射板 室内辐射末端 送风道 风管机，处理新风

43. a 室外空气温度 • b室内空气温度 运行效果： 湖南长沙：夏季、辐射末端+送风系统 室内外温度曲线 室内外湿度曲线 江苏昆山：冬季、干盘管末端+送风系统 机组正常运行情况下，能够达到室内热舒适要求，可以实现户式热湿分控

44. 生产线年产5万套，日产200套 生产线

45. 示范工程 部分示范+全面示范

46. 2、地源热泵技术 地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调技术，全年地温波动小，冬暖夏凉，地热可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。 为开式或闭式系统。该系统投资小，水系统能耗低，可靠性高且运行费用低，但盘管容易被破坏，机组效率不稳。 为闭式系统。垂直埋管系统占地面积小，水系统耗电小，但钻井费用高；水平埋管安装费用低，但占地面积大，水系统耗电大。 为开放系统，该系统占地面积小，非常经济。它要求保证机组正常运行的稳定水源（水温7-21℃），需要打井，为保持地下水位，要回灌。

47. 地源热泵在长江流域及周围地区的推广前景 • 从气候条件考虑适合推广 我国长江流域及其周围地区涉及16个省，自治区和直辖市。按照我国建筑气候划分，该地区属于“夏热冬冷”地区。该地区冷暖负荷基本相同，适合在该地区推广地源热泵技术，充分发挥地下蓄能的作用。 • 从地理条件考虑适合推广 长江流域大部分地区的浅层土是软土，属于第四纪沉积层，且土壤潮湿，地下水位高，适合热泵技术推广。 • 从能源和环保角度看适合推广 长江流域及其周围地区人口集中，能源消耗量大，污染问题突出。而且该地区能源资源相对比较匮乏。从节约能源，改善能源结构和保护环境这些问题入手，适宜推广地源热泵。

48. 地源热泵应用存在的一些问题 • 初投资及能源政策问题 初投资较大，且埋管要求较大场地。且由于地源热泵系统初投资偏大，所以政府在政策及资金上的支持力度，对于该项技术的推广起到重要的引导作用。 • 施工质量问题 钻孔现场 地源热泵系统施工工艺较复杂，并需要多方面密切配合、协调，但目前相关的管理措施和技术手段缺乏，施工单位没有相应市场准入机制，主管部门监管不力，缺乏切实可行的施工监理操作规范等，在项目实施中引发了较多问题。 • 地埋管地源热泵设计及控制策略问题 地埋管换热器在某种单一工况下的运行时间较长时，地埋管换热能力将会逐渐下降，埋管进出水温差将会变小，不能够保证热泵机组在高效工况范围内运行。目前在地源热泵及其运行控制策略的设计上还不够完善。 回填过程 下管过程

49. 地源热泵应用 上海朗诗绿岛别墅 • 城市：上海 • HDD18=1691 • CDD26=164 • 建筑面积：1744m2 • 层数：3 层 • 该项目冷热源采用地源热泵，空调末端采用辐射吊顶加独立新风系统。

50. 3、太阳能采暖 • 利用集热器将太阳能转化为热水，通过热水输送到末端设备提供房间采暖，同时也可作生活热水。 • 太阳能采暖系统主要由三部分构成： • 1）热能提供部分，即太阳能集热器和辅助能源； • 2）储热和换热设备； • 3）热能利用部分，提供生活热水和采暖。 • 太阳能采暖系统的优点： • 1）无污染、可再生，有利于实现节能减排 • 2）成本回收期为3~5年，适用寿命为20年左右， • 经济效益显著