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摘要：近年来，随着人民生活质量的逐步提高以及南方地区冬季极端低温气候的频繁出现，冬季供暖已成为南方广大家庭的必然需求。如何根据家庭情况选择一种节能、环保、经济、舒适的供暖方式已成为大部分家庭的生活难题。本文根据上海市气候条件和建筑特点，以室内面积120㎡住宅为例，根据国家相关标准计算房屋冬季热负荷，并计算出不同供暖形式能源损耗，对不同供暖方式的经济性、普及性、舒适性、高效性展开分析，最终给出适宜上海地区冬季供暖的合理化建议。

关键词：散热器；天然气；空气能热泵；南方供暖；空调

引言

我国华东沿海城市气候环境以亚热带季风气候为主，上海市冬季平均温度约4℃，极端天气最低气温可达到零下5℃。存在冬季降雨较多，空气湿度大，环境阴冷潮湿等特点，冬季空气湿度可达到70%，属于典型的“夏热冬冷”区域。上海市冬季不提供集中供热，各家庭自行解决冬季取暖问题，所以上冬季供暖已成为上海居民冬季生活的重大难题。根据相关调研显示，目前南方区域居民自供暖的方式主要包括空调供暖、电散热器供暖、燃气散热器供暖、空气能热泵地暖供暖等形式。本文根据上海市环境特点，对上述供暖方式的优缺点进行阐述，并对其经济性、舒适性、高效性开展详细分析。

1不同供暖方式优缺点分析

1.1空调取暖

空调供暖是在我国南方地区使用最为广泛的供暖方式之一，包括中央空调供暖和单机空调供暖两种型式，两种供暖方式优缺点主要包括以下方面：

（1）中央空调取暖

优点：制热效果明显，可实现快速调节家庭温度的目的。出风柔和，热风流动均匀，不会发生热风直吹人的情况。室内美观度好，空调内机一般隐藏在吊顶内部，能匹配吊顶装饰风格，可提升家居颜值。运行效率高，主机换热器换热面积大，能效更高。具备房间隔离功能，随时可开关，便于调节。

缺点：中央空调耗电量大，空调外机功率较大，电量消耗较大，特别是在局部供暖时的用电量要明显高于单机空调。出风温度高，房屋内恒温下空气较为干燥。安装成本高，安装过程复杂，为保证美观性会导致装修成本增高。中央空调使用寿期短，维护成本较高，缺陷时易发生全屋无法供暖的情况。

（2）单机空调取暖

优点：设备成本低，安装便捷，无需修改房屋吊顶设计和安装通风管排管。温升速率较快，能快速达到目标温度。单一房间供暖时用电量较低，经济性较高。

缺点：舒适度较差，热气流动不均匀，易出现空调直吹人的情况，且供暖热风量比较大，房间内干燥度较高。噪音大，特别夜间供暖时影响人员正常休息。

1.2散热器供暖

暖气散热器供暖是传统供暖方式之一，广泛使用于我国北方地区。随着居民生活的不断改善，散热器供暖已在我国南方地区得到了广泛应用，其中电暖器和天然气壁挂炉供水散热器两种形式应用最为广泛，其供暖优缺点包括：

优点：供暖方式多样，可使用电能、天燃气等多种能源形式。供暖舒适度高，房间内空气湿度适宜，可长时间保持房间内恒温恒湿。具备多功能使用特点，其中壁挂炉供水供暖可实现家庭日常热水供应，能量利用率高。可随时、定时取暖，家庭无需供暖时，可直接停用。

缺陷：供水管线布置复杂，散热片面积较大，影响家庭装修美观性。能量消耗较大，无法隔离供暖只能全屋供暖，导致供暖成本增加。房间升温速度较慢，散热能力有限，房屋升温时间较长。安装、维护成本较高，管线布局复杂，维修难度大，维护成本比较高。

1.3地暖供暖

地暖供暖是近20年来广泛应用于北方地区的供暖形式，供暖效果优异，目前南方部分地区已开始使用地暖供暖形式进行冬季供暖，该形式供暖的优缺点主要包括以下方面：

优点：散热率高，全屋地板均可散热，房屋总体升温速率较快，各房间温差较小。无需占用家庭外用空间，美观性好。采暖舒适度优异，房屋由下而上进行供暖，可以使全屋上下温度一直保持在18-22℃，且空气湿度适宜。能量利用率高，可实现上下同时供暖，对于别墅、排屋等住户，使用地暖供热可同时对上下同时供热，且故障率较低。

缺点：施工复杂，地暖隐藏于地板下部，施工时涉及穿插作业，安装成本较高。后期装修受限，地暖安装后无法再对地板进行打孔、布线等施工。后期维护成本较高，缺陷处理难度大。

2房屋总热负荷计算

本文以120平米房屋面积户型为例，通过实践经验和理论计算相结合方式，计算出不同取暖模式所需的供热能量。

根据国家标准GB50736-2016《民用建筑供暖与空气调节设计规范》中要求，民用建筑冬季供暖热负荷根据以下失散和获得的热量确定：

（1）围护结构的耗热量；

（2）加热由外门、窗隙渗入室内的冷空气的耗热量；

（3）加热由外门开启时带入室内的冷空气的耗热量；

（4）通风耗热量；

其中围护结构散热量、开门带入冷空气耗热量和外门窗隙渗入室内的冷空气的耗热量为主要耗热量，但通风耗热量一般较小，且受家庭生活习惯影响较大，故本文不纳入总换热量计算。

根据国家标准GB50736-2016围护结构基本耗热量计算如下：

式（1）中，Qj-围护结构的基本耗热量，W；Aj—围护结构的表面积，㎡；Kj—围护结构的传热系数；t1—冬季室内计算温度，℃；t2—室外设计计算温度；a—围护结构的温差修正系数。

外门、窗隙渗入室内的冷空气的耗热量根据民用建筑及工业建筑设计标准进行计算，一般根据围护结构的基础耗热量的经验百分比得出，具体查表参数见下表：

开门带入室内冷空气耗热量可根据以下公式进行计算：

式（2）中，—冷空气进入消耗总热量，W；—冷空气进入量，m³/s；C—空气的定压比热，值为1kj/kg.℃；—室外温度空气密度；—冬季室内计算温度，℃；—室外设计计算温度。

经上述公式计算，并根据上海市2021年冬季平均室外温度8℃，室内人体舒适温度20℃，并结合查表和工程理论计算值得参考，最终计算得房屋冬季热负荷为：

Q散=7080W

房屋升温至20℃总热负荷为：

QT1=Cm空气1=4468800j

房屋每提高1℃热负荷为：

QT2=Cm空气1=372400j

3不同供暖模式经济性分析

不同能源型式供暖的成本差异较大，根据上海市供电标准，峰电时间8：00-22：00，电价0.618元。谷电时间为22：00-次日8：00，电价约为0.338元。天然气收费标准为， 0-310m³时单价3元/m³，310-520m³单价3.3元/m³，520m³以上单价4.2/m³。

3.1空调供暖经济性分析

目前国内立式、分体式空调一般制热能效为2.6-2.8，本文取中间值2.7。中央空调能效要明显高于单机空调，一般能效制热在3.1-3.4之间，本文选取中间值3.25。制热能效计算公式如下：

CW=Q/W （3）

CW，空调制热能效；Q，额定制热量；W，制热功率。经上述计算可知，以一匹马力空调参数为计算基准，其中辅助电加热器功率取固定值1050W，具体参数如下：

根据本文2.0章节可知，120㎡建筑面积房屋散热负荷为7080W，房屋每提高至20℃热负荷为4468.8kj，所以空调选择上至少采用5匹空调才能保证房屋整体供热。由此可知：

W1 =3845W W2 =4625W

W1，5匹中央空调电功率；W2，5匹单机空调电功率。

上海地区家庭平均全天供暖时间按14h估算，其中峰电时间为约6h，谷电时间为约8h。综上计算可知空调供暖每平米用电成本如下：

综上可知，中央空调对比单机空调每平米和每提高房屋1℃的供暖成本更低，中央空调供暖经济性明显高于单机空调。

3.2散热器供暖经济性分析

散热器供暖是我国长久以来应用最为广泛的传统供暖方式之一，能源形式已从燃煤的传统能源方式，逐步发展到电能、天然气能等多种能源形式，并已在南方地区得到广泛应用。下面针对天然气挂壁炉供暖和电暖器供暖两种方式的经济性展开分析。

3.2.1天然气挂壁炉供暖成本

上海市供暖散热器主要采用电暖器和天然气壁挂炉供水散热器两种形式，其中壁挂炉供水取暖方式在成本计算前，需根据国家标准（GB/T13754-1992）计算房屋供暖热水总热负荷。国标中规定的热媒为热水，工程上一般取供水80℃，回水60℃，室内温度20℃。一般散热器常用800mm宽的进口板式暖气散热器，散热功率为1984W。根据2.0章节QT1值，可估算出本文需采用6组暖气散热器。故根据热力学热力公式可进行估算，公式如下：

QS=Cm （4）

式中QS—热水供应的总需热负荷，J；m—水质量，kg；C—水的比热容J/℃×KG；—温差。

一般散热器供暖常用800mm宽的进口板式暖气散热器散热功率为1984W宽的进口板式暖气单台散热器消耗水量60kg，总用水量约为400kg（包括流通管道内水的质量）。最终计算可知：

QS=33600kj Q暖=11904W

国内市场所销售的挂壁炉热效率一般为80%-96%，本文热效率取平均值0.88。根据暖气散热总热负荷并参考国内通用挂壁炉型号可知，本文选取18kw挂壁炉供热最为合适。根据天然气壁挂炉结构原理，18kw壁挂炉每小时耗气量可根据如下公式计算：

式中：HW，天然气每小时耗气量；Qt，输入功率；Wt，天然气低热值。

按照式（4），并根据18kw壁挂炉功率计算可知，18kw壁挂炉每小时耗气量约为1.76m³/h。由于当壁挂炉停运后热水余热也能长时间供热，所以估算壁挂炉全天平均使用时间为8h，故平均成本如下：

3.2.2电暖器供暖成本

电能散热器又称电暖器，是我国应用比较广泛的供暖形式之一。本文选取2200W电暖器为基准，电暖器能效按照100%选取，根据2.0章节房屋总散热负荷以及提升至20℃总升温热负荷可知，在保证房屋整体20℃前提下，至少需要6台2200W电暖器同时运行，故可计算电暖器供暖成本如下：

3.3地暖供暖经济性分析

地暖是地板辐射采暖的简称，是以整个地面为散热器，通过地板辐射层中的热媒，均匀加热整个地面，通过地面以辐射和对流的传热方式向室内供热，达到舒适采暖的目的。近些年随着人民生活水平和供暖要求的日益提高，上海市已有大量家庭将地暖作为冬季供暖形式，本章节主要针对空气能热泵和天然气壁挂炉两种地暖供水方式进行经济性分析。

3.3.1地暖热水总热负荷计算

地暖管规格选取20mm，一平米地暖布置约需5-6m地暖管线。地暖布置位置和密度需根据家庭需求设计，一般阳台、卫生间、厨房布置密度较小或可不进行布置。综合考虑120㎡地暖管布置总长度约为550m，总用水约为20kg，每米管线散热效率约20W。根据地暖管设计要求和国家相关标准，地暖管进水水温一般保持在50-60℃之间，回水温度一般为40-50℃，其温差约为10℃。地暖供暖具有优异的散热性能，且热水余热也能保持高效供热，所以综合考虑本文取平均全天供暖时间为6h，其中峰电时间3h，谷电时间3h。故可根据3.2.1章节中式（4）计算可知，地暖总热负荷为：

Qd=840000j Q地=11000W

3.3.1空气源热泵地暖成本

空气源热泵（ASHP）是一种以制冷剂为中间媒介，以压缩机为动力源，将空气中低位热源整合为高位热源的节能设备[1]。因其兼具供冷供热、节能环保、运行费用低安全可靠等优点而普遍应用在我国北方地区冬季供暖中，近年来也在南方诸多地区得到了广泛应用[2-4]。经调研目前国内主流空气源热泵机组输出功率有12kw、18kw、24kw等型号，根据地暖热水总热负荷可知，本文选用12kw热泵机组供热最为合理。根据国家相关标准，本文选取能效比为3.3。根据能效比可计算出空气源热泵机组输出功率为3636.3W。故可计算出空气源热泵供暖成本如下：

3.3.2天然气壁挂炉地暖成本

根据地暖热水总散热负荷Q地可知，选取12kw天然气壁挂炉供水最为合适，根据本文3.2.1章节计算结果可知，18kw壁挂炉每小时耗气量约为1.173m³/h。故使用天然气壁挂炉供水地暖的冬季供暖每月成本为8445.56元，并可计算出使用天然气冬季供暖平均用电成本如下：

3.4小结

综上计算结果可知，对比不同采暖方式经济性分析见下图：

以上六种供暖方式各有各的特点，不同家庭适用方式不同，本章节仅对比六种供暖方式的经济性进行分析对比。根据上表可知，电暖器供暖在所有供暖方式中经济性最差，空气能热泵地暖供暖方式经济性最高，天然气供暖方式经济性明显比空调供暖较差。

4不同供暖方式高效性分析

供暖高效性一直是不同家庭在供暖方式选择上都会考虑的难题，根据本文2.0章节计算可知，房屋每提升1℃所需热量QT=590W。并根据3.0章节六种供暖方式的供热功率计算如下：

综上可知，电暖器在短时间内升温速率最快、高效性最强；地暖供暖的方式在短时间提升房屋温度速度较快，保持在约60.84s提高房屋温度1摄氏度，升温效率较高；空调供暖的升温速率相对较慢，一般保持在68.71s提高房屋温度1摄氏度；壁挂炉散热器的升温效率最低。

5不同供暖方式舒适性分析

随着国内居民生活品质的逐步提高，供暖方式的舒适性已成为我们最为关注的问题之一。普通家庭供暖的舒适度主要包括室内温度和室内适度两方面。

地暖供暖是一种以地面为散热面的供暖方式，散热效果良好，辐射面积大，对房屋内空气湿度影响较小。特别是在上海地区，由于冬季空气湿度本身较大，所以采用地暖供暖可有效改善房间内湿度，且不会造成干燥情况，是一种舒适性较高的供暖方式。

空调供暖时是将热空气输送至房屋内部，输送的热空气干燥，一般情况下房间湿度将快速降低，空气易发生干燥情况。特别是单机空调，经常发生直吹人体的情况，所以空调供暖时房屋的整体舒适度比较差，这也是近些年南方地区大量家庭考虑采用其他供暖方式的主要原因之一。

散热器供暖对房屋的整体空气湿度影响适中，但在散热器布置区域的空气干燥度较高，易造成人员不适，但其他区域的空气湿度能保持在人体舒适范围内，是一种比较舒适的供暖方式。

6结论

通过综上经济性分析可知空气能热泵、空调供暖成本低廉，是上海市冬季供暖最为经济的两种供暖方式。但空调供暖但供暖舒适性相对较差，一般供暖要求不高的家庭建议使用。

电暖器供暖虽然高效性最好，但供暖成本极高，不建议用于全屋供暖，建议在小空间、小卧室临时供暖使用较为合适。

空气源热泵地暖是一种经济性强、舒适度高、供暖高效的供暖形式，特别是对大面积房屋其特点更加明显，但也存在设备、安装成本高的问题，建议于对于供暖要求较高的家庭使用该方式最为合适。

天然气壁挂炉散热器供暖经济性适中，高效性不足，但在保持房屋长时间恒温方面特点显著，如果综合考虑家庭日常供水需求，该供暖方式的实用性更强。

根据不同家庭房屋面积的差异，综合分析建议对于大面积户型特别是别墅家庭，建议使用空气能热泵地暖供暖方式最为良好。对于小面积家庭建议使用空调供暖和天然气壁挂炉散热器供暖联合使用更为实用便捷。

参考文献：

[1]方田，马一太，李敏霞.几种空气源热泵热水器工质的实验研究[J]。太阳能学报，2007，28（10）：1069-1072.

[2]饶荣水.制冷剂R32特性及其用于空气源热泵热水器的理论循环分析[J].制冷与空调，2010，10（3）：79—84.

[3]青松，马一太.空气源热泵系统最低工作温度的研究[J].暖通空调，2007，37（11）：49—52.

[4]马一太，代宝民，空气源热泵用于房间供暖的分析[J].制冷与空调，2013，13（7）：7-9.