中央供暖系統

<image>

中央供暖系統通過一個主要熱源，為建築物內的多個空間提供熱量。中央供暖系統配備有一套熱源，通過燃料燃燒或電能轉化等過程將能源轉化為熱能。熱量在建築物內的傳遞方式包括：由風機將加熱後的空氣通過風管送入各房間；通過低壓蒸汽輸送至各房間的散熱器；或通過水泵循環熱水，將熱量輸送至室內散熱器。主要能源可以是煤、木材、燃油、煤油、天然氣或電力。與壁爐或燃木爐等分散式取暖方式相比，中央供暖系統在整棟建築內能夠實現更均勻的溫度控制，通常還包括熱源的自動控制功能。大型住宅或建築可以劃分為多個可獨立調節的分區，每個分區都有各自的溫度控制裝置。自動供燃料（有時還包括自動除灰）功能，相較於單獨使用壁爐更加方便。如果系統包含空氣循環風管，還可以在同一系統中加裝中央空調。中央供暖系統在住宅或建築內通常需要佔用相當的空間，並且在建築施工階段就需要安裝風管或水管系統。

## 概述

<image>

集中供暖與分散式供暖（局部供暖）的區別在於，集中供暖的熱量產生於一個單一地點，例如住宅的鍋爐房或地下室，或大型建築的機房（儘管不一定位於幾何意義上的「中心」點）。熱量通過風管強制送風、管道循環水或管道輸送蒸汽的方式輸送到整棟建築。最常見的供暖方式是在鍋爐中燃燒化石燃料。

在溫帶氣候區的大部分地區，大多數獨立式住宅早在二戰前就安裝了集中供暖系統。在煤炭資源豐富的地區（例如美國賓夕法尼亞州東北部的無煙煤產區），燃煤蒸汽或熱水供暖系統十分普遍。20世紀後期，這些系統被升級為燃燒燃油或天然氣，從而無需在鍋爐附近設置大型煤倉，也無需清除和處理煤灰。

強制熱風供暖是比熱水或蒸汽供暖更經濟的選擇。爐子燃燒燃油或燃氣，加熱熱交換器中的空氣，然後鼓風機將暖空氣通過風管輸送到建築物內的各個房間。由於空氣通過一系列風管而非管道輸送，該系統成本更低，而且無需管道安裝工進行安裝。樓板托梁之間的空間可以部分封閉起來當作風管使用，從而進一步降低成本。

電加熱系統不太常見，只有在電力成本低廉或使用地源熱泵的情況下才實用。考慮到火力發電站和電阻式電加熱的組合系統，其整體效率將低於直接使用化石燃料進行空間供暖。

一些建築物採用集中式太陽能供暖，在這種情況下，輸配系統通常使用水循環。

燃氣加熱器和區域供熱是此類系統的替代方案。區域供熱利用工業過程或發電廠的廢熱為鄰近建築物供熱。與熱電聯產類似，這需要地下管道來輸送熱水或蒸汽。

## 歷史

### 古朝鮮

<image>

在現今朝鮮境內的考古遺址中已發現溫突（ondol）的使用痕跡。在現今朝鮮羅先市先鋒（Sonbong）地區發現的一處約西元前5000年的新石器時代考古遺址中，在發掘出的居住遺跡（韓語：움집，地穴式住房）內清楚地發現了炕道（gudeul）的遺存。

傳統溫突（ondol）的主要組成部分包括：一個位於相鄰房間（通常為廚房或主臥）並可從該房間操作的爐灶（agungi，火膛或灶口）；一個架空的砌築地面，其下方設有水平煙道；以及位於對側外牆的豎直煙囪，用以形成抽力。加熱地面由石墩或隔板支撐，以便使煙氣流動，其上覆蓋石板、黏土，以及一層防滲材料（如塗油紙）。

早期的溫突（ondol）起源於炕道（gudeul）系統，最初既用於住宅供暖，也用於烹飪。當在爐灶中生火煮飯時，火焰會水平延伸，因為煙道入口位於爐灶的側面。這樣的設計至關重要，否則煙氣會向上直沖，導致火焰過早熄滅。當火焰通過煙道入口後，會被引導穿過一系列與煙氣相連的地下通道。人們會在這些爐灶煙道之上建造整間房屋，從而形成鋪設溫突地暖結構的房間。

傳統上，在20世紀60年代以前，在大多數韓國家庭中不僅把溫突地面用於供暖，也把它當作日常生活空間，用於坐臥、進餐、睡眠以及其他休閒活動。韓國人習慣於席地而坐、在地板上睡覺，並使用低矮的桌子進行工作和用餐，而不是使用帶椅子的高桌。爐灶主要燃燒稻草、農作物廢棄物、生物質燃料或各種乾燥的木柴。用於短時間烹飪時，通常優先使用稻草或作物廢料；而若需要長時間烹飪並同時為地面供暖，則需要燃燒時間更長的木柴。與現代熱水器不同，這種燃料是根據做飯的頻率和季節氣候條件，間歇性或定期燃燒的（通常每天兩到五次）。

### 古羅馬與古希臘

<image>

位於西班牙卡斯蒂利亞-萊昂自治區帕倫西亞省拉奧爾梅達（La Olmeda）的一座羅馬別墅地板下的地下供暖系統（hypocaust）遺跡。古希臘人最早發展出中央供暖技術。以弗所神廟曾通過埋設在地下的煙道進行加熱，火焰產生的熱量在其中循環流動。羅馬帝國時期的一些建築採用了中央供暖系統，將爐灶加熱的空氣引導至地板下方的空腔，並通過牆體內的管道（稱為 caliducts）排出，這種系統被稱為「地下供暖系統」（hypocaust）。

羅馬地暖系統在古代晚期和倭馬亞王朝時期繼續小規模使用，而後來的穆斯林建設者則採用了更簡單的地板下管道系統。

羅馬帝國崩潰之後，在歐洲大部分地區，供暖方式在近一千年的時間裡倒退回較為原始的壁爐形式。

在中世紀早期的阿爾卑斯高地地區，一種較為簡單的中央供暖系統在某些地方取代了羅馬的地下供暖系統（hypocaust）。這種系統通過地板下的通道，將來自鍋爐房的熱量輸送到室內。在賴興瑙修道院（Reichenau Abbey），一套相互連通的地下通道網路在冬季為面積達300平方米的僧侶集會大廳供暖。經計算，該系統的效率可達到90%。

13世紀，熙篤會修士利用河水改道和室內燃木爐，在基督教歐洲復興了集中供暖。位於西班牙阿拉貢地區埃布羅河畔、保存完好的皇家聖母輪修道院（建於1202年）便是這種應用的絕佳例證。

### 現代中央供暖系統

<image>

中央供暖的三種主要方法是在18世紀末至19世紀中葉發展起來的。

熱風爐

威廉·斯特拉特於 1793 年在德比設計了一座新的工廠，其中包含一個中央熱風爐。儘管早在近百年前，約翰·伊夫林就提出了類似的想法。斯特拉特的設計包括一個大型爐子，用於加熱通過大型地下通道引入的室外空氣。加熱後的空氣通過大型中央風道送入室內。

1807年，他與另一位著名工程師查理斯·西爾維斯特（Charles Sylvester）合作，參與建造了一座新建築，用以安置德比皇家醫院（Derby’s Royal Infirmary）。西爾維斯特在將斯特拉特（Strutt）創新的供暖系統應用於這所新醫院方面發揮了關鍵作用。1819年，他在《家庭經濟學原理——以德比郡綜合醫院中的供暖、通風、洗滌、乾燥與烹飪方式為例》一書中發表了自己的理念。西爾維斯特在書中記錄了醫院設計中採用的全新供暖方式，以及諸如自清潔和空氣清新式廁所等更為健康的設施特點。這家醫院採用了一種新型的供暖系統，使患者能夠呼吸到新鮮的熱空氣，同時將污濁的空氣輸送到中心的玻璃鐵穹頂。

他們的設計影響深遠，在英格蘭中部地區的新工廠中被廣泛效仿，並不斷改進，最終在19世紀初德·沙巴納為下議院設計的通風系統中臻於成熟。此後，這套系統一直是小型建築供暖的標準，並延續到那個世紀末。

蒸汽

<image>

英國作家休·普拉特於1594年提出了一種用於溫室的蒸汽中央供暖系統，但這只是個例，直到18世紀才得到進一步發展。科克上校設計了一套管道系統，可以將蒸汽從中央鍋爐輸送到房屋各處，但第一個在自己家中建造實際運行系統的是蘇格蘭發明家詹姆斯·瓦特。

1802年，曼徹斯特的一家紡織廠大規模地實施一種蒸汽供熱系統：中央鍋爐供應高壓蒸汽，蒸汽再通過嵌入柱子內的管道將熱量輸送到建築物內。羅伯遜·布坎南在其1807年和1815年出版的論文中對這些裝置進行了詳盡的描述。湯瑪斯·特雷德戈爾德的著作《公共建築供暖和通風原理》詳細闡述了將熱蒸汽供暖應用於小型非工業建築的方法。到19世紀末，這種方法已經取代了熱風系統。

熱水

<image>

古羅馬早期就使用熱水系統來加熱浴場（Thermæ）。另一種早期的熱水系統是在俄羅斯為彼得大帝於聖彼得堡的夏宮（1710–1714年）中央供暖而開發的。稍後在1716年，瑞典首次將水用於建築物的供暖。瑞典工程師馬滕·特里瓦爾德（Mårten Triewald）在泰恩河畔紐卡斯爾（Newcastle upon Tyne）的一座溫室中採用了這種方法。法國建築師讓·西蒙·博內曼（Jean Simon Bonnemain，1743–1830）則將這項技術引入工業應用，在巴黎附近的佩克城堡加以推廣。

然而，這些零星的嘗試都比較孤立，主要局限於溫室應用。特雷德戈爾德最初認為這種技術不切實際，但在1836年，隨著這項技術進入快速發展階段，他改變了看法。

<image>

早期的供暖系統採用低壓水系統，需要非常粗的管道。為了解決這一缺陷，最早的現代熱水中央供暖系統之一是由安吉爾·馬奇·珀金斯於19世紀30年代在倫敦安裝的。當時，中央供暖在英國開始流行，普遍採用蒸汽或熱風系統。珀金斯（Perkins）於1832年發明的裝置，能在高壓下透過小直徑管道輸送攝氏200度（華氏392度）的熱水。使該系統得以實際運作的一項關鍵發明是螺紋旋接接頭，這種接頭使管道之間的連接處能承受與管道本身相近的壓力。他還將鍋爐與熱源分離，以降低爆炸風險。

他的系統被安裝在全國各地的工廠和教堂中，其中許多系統在150多年裡仍然可用。他的系統也被麵包師用於烤箱加熱和用木漿造紙。

弗朗茨·聖加利是一位出生於普魯士的俄羅斯商人，居住在聖彼德堡。他在 1855 年至 1857 年間發明了散熱器，這是現代中央供暖最終形成過程中的一個重要步驟。維多利亞時代的鑄鐵散熱器在 19 世紀末期開始普及，例如像美國散熱器公司，擴大了美國和歐洲低成本散熱器的市場。

## 能源來源

中央供暖系統所選用的能源來源會因地區而異。主要能源通常依據成本、便利性、效率與可靠性來決定。在寒冷氣候中，供暖的能源成本是建築物運行的主要開支之一。有些中央供暖設備可以因經濟性或使用便利而切換燃料；例如，屋主可能會安裝一台以木材為燃料的爐子，並配備電力作為備用能源，以便在無人看管時仍能運行。

木材、泥炭或煤等固體燃料可以在使用地點儲存，但搬運不便，也難以實現自動控制。在木材供應充足、且住戶不介意搬運燃料、清理灰燼與照料火勢等工作的情況下，木材燃料至今仍被使用。顆粒燃料（如木質顆粒）系統可以自動送料添火，但仍需要人工清除灰燼。煤炭曾是重要的住宅供暖燃料，但如今已不常見；在開放式壁爐或火爐中，通常會以無煙燃料作為替代。

液體燃料是指石油產品，例如取暖油與煤油。在其他熱源無法取得的地區，這類燃料仍被廣泛使用。燃料油可以在中央供暖系統中自動燃燒，無需清除灰燼，且燃燒系統的維護需求較低。不過，由於國際市場上油價波動較大，其價格往往不穩定，且相較於某些其他能源來説可能偏高。

天然氣是北美與北歐地區廣泛使用的供暖燃料。燃氣燃燒器可以自動控制，無需清理灰燼，且維護需求較低。然而，並非所有地區都接入天然氣配氣系統。液化石油氣（LPG）或丙烷則可以在使用地點儲存，並由裝載儲槽的卡車定期補充。

某些地區電力成本低廉，因此電採暖在經濟上切實可行。電採暖可以是純電阻式採暖，也可以利用熱泵系統來吸收空氣或土壤中的低品位熱量，這樣可以大大地提高系統的效率，同時降低運行成本。

區域供暖系統（District Heating System）採用集中設置的鍋爐或熱水器，通過循環熱水或蒸汽，將熱能輸送至各個使用者。這種方式的優點在於可使用高效率的中央能源轉換設備，並能配備最佳可行的污染控制裝置，同時由專業人員負責運行與維護。區域供暖系統還可以利用不適合在個別住宅中部署的熱源，例如重油、木材副產品或核分裂所產生的熱能。不過，其配送管網的建設成本高於燃氣或電力供暖系統，因此通常僅見於人口密集地區或較為集中的社區。

並非所有中央供暖系統都需要購買能源。有些建築利用當地地熱資源供暖，透過井中抽取的熱水或蒸汽為建築提供熱能。不過，這類地區相當少見。被動式太陽能系統也不需要購買燃料，但必須根據建築所在地的條件進行精心設計，才能發揮最佳效果。

## 熱負荷計算

熱負荷通常以千瓦（kW）或每小時英熱單位（BTU/h）來表示。在住宅中安裝熱源時，需要計算適合該房屋的設備類型以及所需的輸出功率。這項計算需考慮多種因素，例如：合理的室內溫度、待加熱房間的上下樓層情況、窗戶數量、建築外牆類型，以及其他會影響熱量需求的條件。這些因素將決定為了充分加熱空間所需的熱輸出水準。這種計算也被稱為「熱損失計算」（heat loss calculation），可以通過過 簡易評估軟體來完成。根據計算結果，就能將熱源的輸出精確匹配到房屋的實際需求。

## 中央供暖系統的類型

### 熱水供暖系統

循環熱水可用於中央供暖系統。這類系統有時被稱為「水力供暖系統」（hydronic heating systems）。

<image>

採用水循環的中央供暖系統常見組成包括：

· 燃料供應來源、電力供應，或區域供暖管線

· 鍋爐（若為區域供暖則為熱交換器），用於加熱系統中的水

· 水泵，用於循環水，膨脹水箱用於定壓

· 散熱器，熱水流經其中，將熱量釋放到室內空間。

熱水供暖系統採用閉式迴路，循環水在系統中被反復加熱、輸配、散熱。閉式系統提供了一種中央供暖方式，其中用於供暖的水在獨立迴路中循環運行，與建築物的日常生活用水系統彼此分離、互不相通。

<image>

膨脹罐內含有壓縮氣體，並以隔膜與密閉系統中的水隔開來。這樣可以吸收系統內壓力的正常變化。當壓力過高時，安全閥會釋放部分水以降低壓力；而當壓力過低時，則可透過閥門從建築物的正常供水系統補充水量。

在英國以及歐洲其他地區，供暖系統通常會將供熱與生活熱水供應結合在一起。這種系統在美國則較為少見。在這種配置中，密閉系統內的循環水會流經熱水罐中的熱交換器，將熱量傳遞給來自一般飲用水供應系統的水。經加熱後的生活熱水可供水龍頭使用，或供洗衣機、洗碗機等家用電器使用。

熱水輻射地板供暖系統（Hydronic radiant floor heating systems）利用鍋爐或區域供暖系統加熱水，並通過水泵將熱水循環至鋪設於混凝土樓板中的塑料管道。這些埋設在地板中的管道輸送熱水，將熱量傳導至地板表面，再由地板向上方房間均勻釋放熱能。熱水供暖系統也常搭配防凍溶液，用於人行道、停車場與街道的融冰除雪系統。相較之下，熱水系統更常見於商業建築或整棟住宅的輻射地板供暖工程；而電熱式輻射供暖系統則較常用於較小範圍的「局部加熱」應用。

### 蒸汽供暖系統

蒸汽供暖系統利用蒸汽在冷凝成液態水時所釋放的大量潛熱來供熱。在蒸汽供暖系統中，每個房間都設有一個散熱器，並連接至低壓蒸汽來源（鍋爐）。蒸汽進入散熱器後冷凝成水，同時釋放其潛熱；隨後冷凝水回流至鍋爐。散熱器一方面加熱室內空氣，另一方面也提供部分直接的輻射熱。冷凝水可依靠重力回流，或在水泵的輔助下返回鍋爐。有些系統僅使用單管設計，同時負責蒸汽供應與冷凝水回流。由於滯留空氣會妨礙正常循環，這類系統通常設有排氣閥，以排除空氣。在住宅與小型商業建築中，蒸汽通常以相對較低的表壓產生，一般低於 15 psi（約 100 kPa）。

由於管道安裝成本較高，蒸汽供暖系統在新的獨棟住宅建築中已較少採用。為了避免冷凝水滯留造成阻塞，管道必須精確設計並保持適當坡度。與其他供暖方式相比，蒸汽系統的熱輸出控制也較為困難。不過，蒸汽可以在諸如校園建築群這樣的項目上使用，從而共用高效率的中央鍋爐與低成本燃料。在高層建築中，由於蒸汽密度較低，使用蒸汽系統可以避免為了將熱水從地下室鍋爐循環至高樓層而產生的高壓問題。在工業系統中，用於發電或其他用途的工藝蒸汽，也可以被引出來用於空間供暖。此外，供暖所需的蒸汽還可以來自餘熱回收鍋爐，利用原本在工業過程中會被浪費的熱能。

### 電力供暖

電力供暖（或稱電阻式供暖）是將電能直接轉換為熱能。與天然氣、丙烷或燃油等燃燒設備所產生的熱能相比，電力供暖通常成本較高。電阻式電熱可透過多種設備提供，例如踢腳板式電暖器、空間電暖器、輻射式電暖器、電暖爐、壁掛式電暖器，以及蓄熱式供暖系統等。

電加熱器通常是風機盤管（fan coil）的一部分，而風機盤管本身屬於中央空調系統的一部分。它們通過將空氣吹過加熱元件來循環熱量，回風管道將空氣送入風機盤管，加熱後再送出。在電暖爐中，鼓風機會將空氣吹過陣列電阻線圈或加熱元件。為避免電力系統過載，加熱元件會依次啟動，而不是同時運作。為防止過熱，系統設有稱為「限溫控制器」或「限溫開關」的安全裝置。若鼓風機故障或氣流受阻，該裝置會自動關閉電暖爐。加熱後的空氣則通過送風管道輸送到室內各個空間。

### 熱泵

<image>

熱泵是一種可以「一機兩用」的設備。比如說空氣源熱泵，在夏天可以當冷氣用，替建築降溫；到了冬天，則從室外空氣中提取熱量，為室內供暖。不過，當室外溫度長時間很低時，空氣源熱泵的效率會下降，經濟性也會變差。因此在寒冷地區，常改用地源熱泵（地熱熱泵），從地下土壤中提取熱能。由於地下溫度全年相對穩定，這類系統在寒冷氣候下表現更穩定。

為了兼顧成本與效率，熱泵系統通常是按照「平均最低冬季氣溫」來設計，當遇到極端低溫時，會搭配輔助加熱設備一起使用。熱泵最大的優勢在於——可以大幅減少需要購買的能源。即使在化石燃料提供大部分電力的地方，熱泵系統也可以抵消溫室氣體的產生，因為大部分熱量來自周圍環境，只有 30%左右 是電力消耗。

## 環境影響

公共和商業地產直接或間接消耗了全球30%的終端能源，其中包括近55%的全球電力消耗。目前，供暖約占建築排放的45%，並且其終端能源消耗的55%以上仍然依賴化石燃料。

2019年，包括直接燃燒化石燃料以及上游電力和熱力生產轉換所產生的排放在內，建築供暖排放的二氧化碳約達43億噸。這約占全球能源和生產過程相關二氧化碳排放量的12%。

從能源效率的角度來看，如果只是需要給一個房間供暖，使用中央供暖系統往往會造成大量熱量損失或浪費。因為中央供暖存在輸送過程中的熱損耗，而且在強制送風系統中，常常會把一些無人使用的房間也一併加熱。對於只需要局部供暖的建築，可以考慮採用非中央供暖方式，例如獨立房間電暖器、壁爐或其他單體設備。另一方面，建築師也可以通過優化設計，在新建建築中大幅降低甚至幾乎消除對供暖的需求，例如按照「被動式建築（Passive House）」標準建造的房屋。

不過，如果一棟建築確實需要整體供暖，那麼採用燃燒式中央供暖系統，可能比電阻式電加熱更環保。因為當電力來自化石燃料發電廠時，燃料中高達約60%的能量會在發電過程中損失（除非餘熱被用於區域供熱），另外在輸電過程中還會有大約6%的損耗。因此，像瑞典這樣的國家曾提出逐步淘汰直接電加熱的政策（參見瑞典的「去石油化」政策）。如果電力來源於核能、風能、太陽能或水力發電，這種效率劣勢則會明顯減弱。

相較之下，熱水式中央供暖系統可以使用在建築內部或附近通過高效率冷凝鍋爐、生物燃料或區域供熱系統加熱的水。濕式地暖系統（即水暖地板供暖）被證明是一種非常理想的方式。這種系統的優勢在於，未來可以較為方便地升級或改造為使用新興技術，例如熱泵或太陽能組合系統（solar combisystems），從而提升能源利用效率，也為建築提供更好的「前瞻性」和可持續發展保障。

集中供暖的典型效率（以客戶購買能源時為准）如下：

- 燃氣供暖：65%–97%。
- 燃油供暖：80%–89%。
- 燃煤供暖：45%–60%。

儲油罐，尤其是地下儲油罐，也會對環境造成影響。即使建築物的供暖系統早已從燃油供暖改為其他供暖方式，燃料油仍可能通過污染土壤和地下水而對環境造成影響。建築物業主可能需要承擔移除地下儲油罐以及修復費用的責任。