徐維廣, 石丹陽, 王傳惠, 王 帥

(1.河南天倫燃氣集團有限公司，河南鄭州450000；2.中裕(河南)能源控股有限公司，河南鄭州450000；3.中裕城市能源投資控股(深圳)有限公司，廣東深圳518049)

1 概述

2017年的《政府工作報告》明確提出要打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，推進北方地區(qū)冬季清潔取暖，完成以電代煤、以氣代煤300萬戶以上。生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》及攻堅行動方案，實施范圍明確為北京、天津及河南、河北、山東、山西等地的26個城市。按照中央及部委的要求，各省市陸續(xù)制定了當?shù)氐臍獯赫?，對煤改氣工作進行了統(tǒng)一部署，鄉(xiāng)村煤改氣工程正式大批量啟動。

鄉(xiāng)村供氣具有用戶分散、單位長度管網(wǎng)覆蓋戶數(shù)少、單位用戶用氣量小等特點，但用戶數(shù)量巨大，導致煤改氣工程投資較大，研究農(nóng)村煤改氣用戶高峰小時用氣特點及規(guī)律對保障用氣安全、節(jié)省工程投資等均具有重要意義。

2 高峰小時用氣量確定

2.1 按照規(guī)范中給出的計算方法確定

農(nóng)村地區(qū)的燃具一般包括燃氣灶具、燃氣熱水器和燃氣供暖熱水爐等，按照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》的要求，居民小區(qū)及戶內(nèi)管道計算流量，按照燃具的額定流量、數(shù)量及同時工作系數(shù)確定。居民生活用燃氣計算流量的計算式為：

q=∑kNqn

(1)

式中q——燃氣管道的計算流量，m3/h

k——燃具同時工作系數(shù)

N——同種燃具或成組燃具的數(shù)量

qn——燃具的額定流量，m3/h

以本文選取的石家莊行唐縣東街村(126戶)、北關(guān)村(204戶)為例，兩村全部用戶均安裝了20 kW的燃氣供暖熱水爐及額定流量為0.8 m3/h的燃氣雙眼灶。燃氣雙眼灶的同時工作系數(shù)按照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》附錄F選取，燃氣供暖熱水爐的同時工作系數(shù)按照國家現(xiàn)行標準CJJ 12—2013《家用燃氣燃燒器具安裝及驗收規(guī)程》第4.4.4條條文說明“采暖爐數(shù)量在1～20時，同時工作系數(shù)取1～0.76，采暖爐數(shù)量≥21時，同時工作系數(shù)按照0.75計算”選取。

燃氣標準熱值為36 MJ/m3，同時工作系數(shù)按照以上規(guī)范確定，僅考慮燃氣供暖熱水爐供暖，則單戶計算流量為1.5 m3/h?？紤]燃氣雙眼灶及燃氣供暖熱水爐，則東街村126戶小時計算流量222.3 m3/h，合單戶小時計算流量為1.76 m3/h；北關(guān)村204戶小時計算流量356.6 m3/h，合單戶小時計算流量為1.75 m3/h。

2.2 按房屋熱工性能計算

北方地區(qū)農(nóng)村的房屋因地域文化、經(jīng)濟條件、建筑風格、建設(shè)年代、施工技術(shù)等方面的差異，房屋普遍存在保溫隔熱措施少，門窗熱工性能和氣密性較差，墻體和屋頂未設(shè)置保溫材料，傳熱損失較大等特點。參考北方地區(qū)農(nóng)村供暖相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)[1]，農(nóng)村很大一部分住戶只是在臥室供暖，客廳不供暖，單戶供暖面積在30 m2及以下的占29.4%，供暖面積在30～50 m2的占18.4%，供暖面積在50～70 m2的占23.3%，供暖面積70 m2以下用戶占供暖總戶數(shù)的比例為71.1%，以上面積的供暖能夠覆蓋絕大多數(shù)人群。

以河北省石家莊農(nóng)村地區(qū)典型房屋為例并結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)研[2-4]，現(xiàn)有住宅多建于20世紀90年代左右，以實心黏土磚結(jié)構(gòu)的平房為主，90%以上的建筑外墻、屋頂未采取保溫措施。針對北方寒冷地區(qū)農(nóng)村房屋的能耗特點，本文抽樣選取的典型房屋東西長15 m、南北寬4 m、層高3.8 m，斜坡屋頂，供暖面積約為60 m2，分別就屋頂、墻體、門窗、地面等進行詳細的熱工計算，北方典型房屋圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1。

表1 北方典型房屋圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

供暖室內(nèi)設(shè)計溫度按GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》確定，取14 ℃。供暖室外計算溫度取-8 ℃。圍護結(jié)構(gòu)的附加耗熱量，考慮房屋的朝向修正，修正系數(shù)按規(guī)范選取，東西墻為0.95，南墻為0.85，北墻為1.1，南外窗及南外門為0.85，北外窗為1.1，圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量為8 833.65 W，典型房屋的圍護結(jié)構(gòu)能耗計算見表2。

表2 典型房屋的圍護結(jié)構(gòu)能耗計算

本文對冷風滲入的耗熱量進行簡化計算，按照GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》要求，換氣次數(shù)取0.5次/h；考慮現(xiàn)狀農(nóng)村房屋氣密性較差，且冬季室內(nèi)外溫差較大，門窗處的冷風滲透量較大，換氣次數(shù)按1.0次/h計算?？諝獾谋榷▔簾崛萑? kJ/(kg·K)，供暖室外計算溫度下的空氣密度取1.33 kg/m3，房間體積228 m3，換氣次數(shù)1.0 次/h。

經(jīng)計算，空氣滲透耗熱量為1 867.96 W，圍護結(jié)構(gòu)與冷風滲透耗熱量兩項合計可得房屋總的耗熱量為10.70 kW。

燃氣供暖熱水爐的熱效率按90%，僅考慮燃氣供暖熱水爐條件下單戶小時耗氣量為1.19 m3/戶。按照CJJ 12—2013《家用燃氣燃燒器具安裝及驗收規(guī)程》同時工作系數(shù)0.75計算，燃氣雙眼灶計算流量按本文2.1節(jié)中的方法計算，則東街村126戶小時計算流量為145.72 m3/h，合單戶小時計算流量為1.157 m3/h；北關(guān)村204戶小時計算流量為232.66 m3/h，合單戶小時計算流量為1.141 m3/h。

2.3 供暖室外計算溫度調(diào)整的影響

供暖設(shè)計熱負荷是否準確及符合實際情況，直接影響到供暖設(shè)施的熱舒適性、能耗及工程投資。按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風及空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，供暖室外計算溫度采用歷年平均不保證5 d的日平均溫度，河北石家莊地區(qū)取-8 ℃。

為了得到更準確合理的供暖負荷，確定供暖室外計算溫度非常關(guān)鍵。為了滿足當前建筑節(jié)能設(shè)計的需要，河北省地方標準DB13(J) 63—2007《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》公布的河北省主要城鎮(zhèn)室外氣象參數(shù)，石家莊市的供暖室外計算溫度為-4.8 ℃，最冷月的1月平均溫度為-1.4 ℃，這與相關(guān)文獻2007年、2008年的實際測量數(shù)據(jù)相符[5]。河北省地方標準DB13 (J)185—2015《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準(節(jié)能75%)》雖未公布最新統(tǒng)計的石家莊供暖室外計算溫度，但隨著近些年氣候變化的影響，氣溫有逐年上升的趨勢，按-4.8 ℃進行石家莊地區(qū)的設(shè)計能夠滿足當?shù)氐墓┡摵梢蟆?/p>

供暖室外計算溫度按-4.8 ℃計算，本文典型房屋圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量為7 100.70 W，冷風滲透耗熱量為1 596.26 W，合計總能耗為8.696 kW。同時工作系數(shù)按0.75計算，燃氣雙眼灶計算流量按本文2.1節(jié)中的方法計算，則東街村126戶小時計算流量為124.57 m3/h，合單戶小時計算流量為0.989 m3/h；北關(guān)村204戶小時計算流量為198.42 m3/h，合單戶小時計算流量為0.973 m3/h。

3 用戶實際用氣量統(tǒng)計

在河北省石家莊行唐縣農(nóng)村選取了2個村莊分別進行了實際耗氣量測量，日期分別為當?shù)貧v年最冷月的1月17日和1月24日。根據(jù)行唐縣當?shù)貧庀笥^測數(shù)據(jù)，1月17日室外最高氣溫為6 ℃，最低氣溫為-7 ℃，平均溫度約為-0.5 ℃；1月24日，室外最高氣溫為-2 ℃，最低氣溫為-9 ℃，平均溫度約為-5.5 ℃。其中東街村位于行唐縣上碑鎮(zhèn)，住宅以平房為主，共有住戶126戶，北關(guān)村位于行唐縣龍州鎮(zhèn)，以兩層樓房為主，共有住戶204戶。

3.1 小時不均勻系數(shù)統(tǒng)計

經(jīng)兩村所有用戶用氣量的實際測量，東街村和北關(guān)村的小時不均勻系數(shù)見表3。東街村的小時不均勻系數(shù)最大值為1.19，出現(xiàn)在17日的20時和24日的19時；小時不均勻系數(shù)最小值為0.88，出現(xiàn)在17日的10時。北關(guān)村小時不均勻系數(shù)最大值為1.23，出現(xiàn)在24日的19時；最小值為0.86，出現(xiàn)在24日的12時。

表3 小時不均勻系數(shù)

從不均勻系數(shù)的分布可推斷出每日的19～20時時間段為多數(shù)用戶準備晚餐時間，疊加了炊事用氣，導致小時不均勻系數(shù)最大；出現(xiàn)不均勻系數(shù)較小的10時和12時，考慮為部分用戶節(jié)約燃氣費用臨時關(guān)閉了燃氣供暖設(shè)備。其余時間段不均勻系數(shù)波動不大，也說明了用戶的燃氣供暖熱水爐基本處在持續(xù)運行狀態(tài)，間接證明了本時間段采集的用戶用氣量數(shù)據(jù)較可靠，能夠反映出用戶的實際使用狀態(tài)。

3.2 用氣規(guī)律統(tǒng)計

東街村2天內(nèi)完全未用氣用戶有13戶，2天日平均用氣量在0～1 m3的用戶有15戶，日均用氣量在1～3 m3的有2戶，以上用戶占總戶數(shù)的23.8%，從用氣量可以基本判定以上用戶未使用燃氣供暖熱水爐供暖；其余用戶日均用氣量大于3 m3，共96戶，本文認為以上96戶為燃氣供暖用戶。

北關(guān)村2天內(nèi)完全未用氣用戶有40戶，2天日平均用氣量在0～1 m3的用戶有11戶，日均用氣量在1～3 m3的有8戶，以上用戶占總戶數(shù)的28.9%，從用氣量可以基本判斷以上用戶未使用燃氣供暖熱水爐供暖；其余均日均用氣量大于3 m3，共145戶，本文認為以上145戶為燃氣供暖用戶。

從歷年的氣溫數(shù)據(jù)得知，本文用氣量實測時間屬于一年中最冷的時間，用戶在一年最冷的時期用氣量實測兩天均不使用供暖熱水爐供暖，則其他氣溫較高的時間段使用供暖熱水爐供暖的可能性更低，認為該用戶不屬于供暖用戶，故本文認為采用數(shù)據(jù)篩查后的用戶用氣情況才能代表供暖用戶真實用氣情況。

按實測供暖和炊事均計算在內(nèi)的用氣量統(tǒng)計情況，東街村供暖用戶2天平均用氣量為11.52 m3/d，小時最大用氣量發(fā)生在24日19時，高峰戶均小時用氣量為0.60 m3/h。北關(guān)村供暖用戶2天平均用氣量為11.19 m3/d，供暖用戶小時最大用氣量發(fā)生在24日19時，高峰戶均小時用氣量為0.54 m3/h。

按照當?shù)氐臍鉁乇O(jiān)測數(shù)據(jù)，1月17日和1月24日的平均室外溫度為-3 ℃。經(jīng)多個用戶供暖情況走訪，居民用戶的供暖室內(nèi)溫度一般維持在12～18 ℃。按照用戶供暖室內(nèi)溫度為15 ℃計算，供暖溫差為18 ℃，與按照采暖室外計算溫度-8 ℃計算得到的溫差22 ℃相比，等比例折算進行溫差修正后，東街村供暖用戶戶均小時最大用氣量折合為0.73 m3/h，北關(guān)村供暖用戶戶均小時最大用氣量折合為0.66 m3/h。

與按供暖室外計算溫度-4.8 ℃計算得到的溫差18.8 ℃相比，按等比例折算進行溫差修正后，東街村供暖用戶小時最大用氣量折合為0.627 m3/h，北關(guān)村供暖用戶小時最大用氣量折合為0.564 m3/h。

4 小結(jié)

① 按照GB 50028—2006的計算方法，按照本文中用戶實際選用的燃具規(guī)格，考慮燃氣雙眼灶及燃氣供暖熱水爐，則東街村單戶小時計算流量為1.76 m3/h，北關(guān)村單戶小時計算流量為1.75 m3/h。僅考慮燃氣供暖熱水爐供暖，則單戶計算流量為1.5 m3/h。

② 按石家莊地區(qū)農(nóng)村典型房屋的熱工性能參數(shù)，供暖室外計算溫度取-8 ℃，燃氣供暖熱水爐熱效率取90%，考慮炊事及供暖，則東街村單戶小時計算流量為1.157 m3/h，北關(guān)村單戶小時計算流量為1.141 m3/h；按DB13(J)63—2007公布的供暖室外計算溫度-4.8 ℃計算，考慮炊事及供暖，則東街村單戶小時計算流量為0.989 m3/h，北關(guān)村單戶小時計算流量為0.973 m3/h。

③ 按照實際用氣量統(tǒng)計，東街村供暖用戶小時最大用氣量為0.60 m3/h，北關(guān)村供暖用戶小時最大用氣量為0.54 m3/h。按供暖室外溫度為-8 ℃的情況，進行溫差修正后，則東街村供暖用戶小時計算流量為0.73 m3/h，北關(guān)村供暖用戶小時最大用氣量為0.66 m3/h。按供暖室外溫度為-4.8 ℃的情況，進行溫差修正后，則東街村供暖用戶小時計算流量為0.627 m3/h，北關(guān)村供暖用戶小時計算流量為0.564 m3/h。

④ 采用供暖室外計算溫度按-8 ℃計算的方法，考慮炊事與供暖，東街村與北關(guān)村單戶小時計算流量平均為1.15 m3/h，相比于供暖用戶實測數(shù)據(jù)經(jīng)溫度修正后的流量相比有較大余量，供氣安全余量充足。在保障用戶可靠用氣的前提下，可避免供氣管道、調(diào)壓設(shè)施、截斷閥門等燃氣設(shè)施選型過大，有效減少工程建設(shè)投資，建議石家莊農(nóng)村煤改氣用戶庭院管網(wǎng)按單戶小時計算流量1.15 m3/h進行選型設(shè)計。