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摘要:本文主要针对居住建筑冬季供热系统节能的新技术、新设备等方面，分别从热源、热网、热用户的角度进行了分类调查总结，其中包括它们的优点、经济效益及环保节能效益等，并对它们进行了有针对性地分析，为节能减排提供技术思路。
关键词:居住建筑；集中供热；节能技术
我国大部分地区处于冬冷夏热、寒冷或严寒地区，随着我国经济水平的飞速发展，人民生活水平的不断提高以及城镇化建设的推进，人们对建筑采暖愈加重视。为满足人们的采暖需求，能源的投入势必不断增加，随着人口基数的不断增大，建筑采暖能耗也会不断增加。本文对居住建筑采暖节能技术做出探讨与分析，希望能为节能减排提供技术思路。
一、当前居住建筑采暖的概况
（一）居住建筑采暖的背景
我国幅员辽阔，国土横跨热带、亚热带、中温带、温带、寒带等六个气候带，这也带来了多样性的气候，但在冬季我国大部分地区较为寒冷，人们对集中供暖有着较大的要求。近年来，随着我国人口的不断增加，建筑行业的迅猛发展，与之相伴的是不断增长的采暖需求。据国家统计局数据显示，我国集中供热面积已从2013年的57.17亿平方米增加到了2018年的87.8亿平方米，增长率达34.9％；同时，热水供热总量也由2013年的266462万吉焦增长到2018年的323665万吉焦，增长率达17.8％。特别对于南方地区，近几年全国两会期间，不断有人大代表提出推动南方地区集中供暖的发展，早日布局南方采暖的基础设施，这也是许多南方人民群众的心声，社会需求很大。随着建筑采暖规模的不断扩大暴露出许多问题，首当其冲的便是能源浪费的问题，因此采暖节能的发展迫在眉睫。
（二）居住建筑采暖存在的问题
虽然我国采暖行业较为发达，但在采暖节能方面还是有所欠缺，主要存在以下问题：①对于热源来说，目前我国大多数的采暖系统的供热能源是煤炭，但煤炭有着热量转化值较低、燃烧产生有害气体等诸多缺点，且技术落后的老旧锅炉不能充分燃烧煤炭，浪费燃料，并释放大量有毒有害气体，加剧煤炭的危害性；②对于热用户，单位面积采暖能耗指标过高，是存在的较为明显的问题。受到了工材料和施工技术及资金的影响，我国大多数建筑都存在保暖措施不到位的问题，例如门、窗并没采用严密的保温措施等，这造成了一定程度上的热量在围护结构处流失，造成了能源浪费，故使供热相关单位不得不提高单位面积采暖能耗指标，但随着指标的提高，用户又承受不了过高的室内温度而开窗通风，再一次造成能源浪费，最终形成恶性循环；③对于热网来说，因操作不当或技术不够先进，水力失调也是大部分热网存在的问题，不论是因水力失调产生的室内温度过高还是室内温度过低，都会让热用户产生不好的采暖体验。同时，老旧供暖管道的外保温材料得不到及时更换，年久失修，管道腐蚀，造成了跑、冒、滴、漏的问题，使管网输送热量的效率大幅下降，严重影响了采暖的质量。因此，良好的采暖节能措施不仅有利于减少能源浪费，也有利于提高用户的舒适度。
二、基于热源的采暖节能技术措施
对于城市居住建筑集中供暖的热源来说，采取一些行之有效的节能技术能从根源上减少热能的损耗。我国在城市供暖中大多采用煤炭作为燃料，煤的质量好坏对热能产生的多少和污染物排放浓度有着很大影响，故热值高的低硫煤是作为燃料的最佳选择，可最大限度提高热力转化。同时，为了提高煤的燃烧使用效率，锅炉的选型极为重要。对于锅炉设备的选型，循环流化床锅炉是近年来最佳的选择，它的典型工作原理见图1，其具有以下优点：①循环流化床锅炉最大的优点就是其能够使用各种各样的燃料，对于燃料的燃烧使用效率极高，并且可以利用灰渣等不可燃物质中的热量将新入炉的煤炭加热至燃点，而新加入的燃料又可保证炉内温度，并在燃烧后形成灰渣，再次加热新燃料，最终形成良性循环；②循环流化床锅炉有着极其高效的脱硫功能，其可对未脱硫的飞灰进行循环燃烧脱硫，并利用已脱硫的飞灰产生的硫酸钙进一步提高脱硫效率；③循环流化床锅炉燃烧强度高，燃料需求小。由于循环流化床锅炉较小的炉膛面积，其燃烧所需的燃料较少，一定程度上提高了燃烧速度，提高了燃烧效率，减少燃料浪费。
三、基于热用户的采暖节能技术措施
（一）聚氨酯保温材料的广泛使用
聚氨酯保温材料是目前国际上性能优异的保温材料。硬质聚氨酯具有热系数低、耐热性好、密度小、容易与其它基材粘结、耐老化等优良性能，因此聚氨酯保温材料作为建筑物的墙体、屋顶、地板、天花板、门窗等的保温隔热材料被广泛应用。聚氨酯保温材料在欧美等发达国家的建筑保温材料中的市场占比约49%，但在我国这一比例尚不足10%。作为保温材料的硬质聚氨酯具有以下优点：（1）硬质聚氨酯导热系数低，热工性能好。在正常的使用环境下，符合标准的硬质聚氨酯材料是所有保温材料中导热系数最低的。与传统的珍珠岩材料相比，聚氨酯的热阻明显高于珍珠岩，使得保温材料的厚度大大降低，节约资源。（2）硬质聚氨酯是一种防水、防潮的优质材料。硬质聚氨酯具有90%以上的闭孔率，属于疏水性材料，吸湿不会使导热系数增大，也不会导致墙体渗水。与其他保温材料相比，聚氨酯材料优异的防水性能可以有效阻止外界水对管道的侵蚀，可有效提高供暖管路的使用寿命。（3）由于聚氨酯板材隔热性能良好的特点，为达到同样保温要求，建筑物外围护结构厚度可大幅度减少，从而增加室内使用面积。这样既可控制工程造价，也有利于缩短工期，提高施工效率。（4）聚氨酯材料孔隙率结构稳定，抗变形能力强，不易产生裂缝，不仅保温性能优良，而且抗冻融、吸声性也好，可有效降低管内水流噪音。能够做到在结构的寿命期正常使用条件下，不会因干燥、潮湿或电化腐蚀，以及由于昆虫、真菌或藻类生长或者由于啮齿动物的破坏等外因影响而造成破坏。硬质聚氨酯保温结构的平均寿命极长，在正常使用与维修保养条件下，其使用寿命甚至能达到30年以上。（5）综合性价比高。虽然硬质聚氨酯材料的单价比其它传统保温材料的单价高，但增加的费用将会由供暖和维护费用的大幅度减少而抵消。综上，聚氨酯作为保温材料有着极为优异的表现，如果能在管道的外保温材料和建筑的围护结构中广泛应用，势必会大幅度减少能源浪费。希望国家能辅以政策鼓励推动聚氨酯保温材料在采暖行业中的使用，及时对老旧建筑进行改造翻新，并且促进聚氨酯保温材料的进一步研发工作。
（二）温控及变频调节设备的应用
在空调领域中有很多优秀的便利调节技术，我们可借助空调领域的技术，安装温控器面板及一些调节用阀门，例如平衡阀、压差控制器、恒温阀等，将此类阀门安装在分户热计量表处，借助温控板让用户自行调节，并辅以阶梯供暖价格等政策，可有效减少用户对待室内温度过高时使用开窗通风的方法降温的问题，为用户带来方便的同时，也提高热利用效率，减少了能源浪费。对于智能的恒温阀，温控部分温度传感器内的感温介质能够感受外界温度，并作出相应的反应使其控制阀芯的开度，控制通过温控阀的热水流量，最终起到控制温度的作用。同时，为了实现对整个采暖系统的能源用量调节，也可在热源处的热水循环泵安装变频装置通过改变电源的频率和电机的转速以改变循环水量，提高能源的利用率，并减少电能的浪费，最终达到节能效果。特别是在施工过程中，考虑到以后的扩容及采暖系统的稳定性，所使用的水泵远大于实际需要，变频不仅能保持采暖系统正常运行，还有利于降低能耗。
（三）合理设计的暖气罩
在居住建筑中，暖气罩的使用十分常见，如图2所示，虽然暖气罩能保持室内美观、防止人员烫伤，但早期的暖气罩过于注重外形美观，而不注重实际散热效果，这就导致了散热器采暖效果的下降。暖气罩上下开口的主要作用是促进冷热空气的对流，使热空气携带热量从上开口流入室内，使冷空气从下开口流进罩内进行加热。如图3所示，对于一些不合理设计的暖气罩，开口1过小或者加装了通气率过低的格栅，散热量的损失甚至出现了达到40％的情况。不论是对流散热器还是辐射散热器，错误的设计都会导致散热效果大打折扣，特别是对于辐射散热器，错误的设计甚至会完全隔绝辐射换热。对于对流换热器，其设计也必须谨慎小心，错误的开口位置和开口过小都会增加对流阻力，降低散热器换热效率。性能优良的暖气罩应具有以下条件：①暖气罩的上方和正面上部应尽可能地增大通气孔的换热面积，以保证暖气罩内外冷热空气的热量交换和空气顺畅地对流，最大限度地降低换热效率的下降；②暖气罩与散热器间要预留充足的距离，以方便暖气罩内的空气流动，需做到暖气罩的长度大于散热器的组装长度，且宽度不应小于散热器的组装宽度；③虽然在暖气罩的上方开口有利于热交换，但同时也易使灰尘在其表面积聚，为防止热空气携带颗粒污染物降低室内空气质量，暖气罩的外表面应尽量选择光滑的材料，并注重日常使用的卫生清洁。
（四）采用散热器隔热板
将具有良好隔热性能的隔热板安装在散热器与墙壁之间，为保证实际效果，可在保温板一侧粘贴铝箔，减少辐射换热，以增强保温效果，有效减少建筑外墙吸收热量带来的能源损耗；同时，通过合理控制隔热板与散热器之间的距离，使隔热板紧贴墙壁安装，有利于强化与空气的对流换热，增强采暖效果。暖气罩和隔热板的合理选择与安装，这对保持建筑采暖的节能具有显著的成效。二者的合理运用，有利于使室内获得良好的采暖效果，并改善空气质量及热对流与热辐射换热的效果。
四、基于热网的采暖节能技术措施
采用基于热计量的供热互联网监控平台，该平台具有极为便捷的调控手段。我国的采暖能耗偏高问题大多数时候是由于供暖的冷热不均现象，为了弥补末端用户热量不足，而只是简单地提高供热量，最终造成热能的浪费。因此，对于新建建筑和既有建筑的互联网监控平台的安装与改造具有较大的意义。这种技术可实时对整个供暖系统进行监控并收集热计量的相关数据，统筹分析系统，找出问题所在，并对系统进行调控。我国供暖居民末端多为每户的双管系统，可在入户前供水管或回水管上安装热计量装置进行热水流量和供热量的计量表，热计量装置通过有线连接的方式连接在每栋楼的无限抄表集中器上，由系统自动收集热计量装置上传的数据，并将流量、供回水温度及温差、监测时间等数据自动上传至数据库，工作人员可通过其远程监控热网各处的实时情况，按照不平衡度的部位和规律对热网运行状态进行判定，利用热网中的平衡阀进行远程调节，最终使系统趋近于平衡，使能耗达到最低。同时，对于定流量系统，其系统的末端状态在一整个供暖期内都不会发生变化，各末端区域流量保持稳定，故会在末端热力入口处安装静态平衡阀。虽然末端的温控装置对于压差变化的范围要求不高，但为满足换热站的量调节和质调节能应对热网负荷变化，应以二级管网各热力入口水力平衡度适宜为前提。故为保证二级管网的正常运行，通过监控平台上传的数据，分析并调整相应参数，有利于二级管网的水力平衡度达到要求，最终实现节能目标。
五、结语
随着我国人口的不断增加，城市扩张的速度必然是不断加快，并且我国具有广阔的冬季采暖地区，建筑的采暖节能具有重要的意义。因此，对于相关采暖节能技术的研发和应用可以极大程度上减少能源的消耗浪费，只有科学地利用采暖节能措施，并结合国家的相关环保节能政策，才能真正解决能源损耗的问题，使城市发展具有真正的可持续性。
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作者:刘逍航 王学勇 单位:山东农业大学水利土木工程学院
