中央供暖系统

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中央供暖系统通过一个主要热源，为建筑物内的多个空间提供热量。中央供暖系统配备有一套热源，通过燃料燃烧或电能转化等过程将能源转化为热能。热量在建筑物内的传递方式包括：由风机将加热后的空气通过风管送入各房间；通过低压蒸汽输送至各房间的散热器；或通过水泵循环热水，将热量输送至室内散热器。主要能源可以是煤、木材、燃油、煤油、天然气或电力。与壁炉或燃木炉等分散式取暖方式相比，中央供暖系统在整栋建筑内能够实现更均匀的温度控制，通常还包括热源的自动控制功能。大型住宅或建筑可以划分为多个可独立调节的分区，每个分区都有各自的温度控制装置。自动供燃料（有时还包括自动除灰）功能，相较于单独使用壁炉更加方便。如果系统包含空气循环风管，还可以在同一系统中加装中央空调。中央供暖系统在住宅或建筑内通常需要占用相当的空间，并且在建筑施工阶段就需要安装风管或水管系统。

## 概述

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集中供暖与分散式供暖（局部供暖）的区别在于，集中供暖的热量产生于一个单一地点，例如住宅的锅炉房或地下室，或大型建筑的机房（尽管不一定位于几何意义上的“中心”点）。热量通过风管强制送风、管道循环水或管道输送蒸汽的方式输送到整栋建筑。最常见的供暖方式是在锅炉中燃烧化石燃料。

在温带气候区的大部分地区，大多数独立式住宅早在二战前就安装了集中供暖系统。在煤炭资源丰富的地区（例如美国宾夕法尼亚州东北部的无烟煤产区），燃煤蒸汽或热水供暖系统十分普遍。20世纪后期，这些系统被升级为燃烧燃油或天然气，从而无需在锅炉附近设置大型煤仓，也无需清除和处理煤灰。

强制热风供暖是比热水或蒸汽供暖更经济的选择。炉子燃烧燃油或燃气，加热热交换器中的空气，然后鼓风机将暖空气通过风管输送到建筑物内的各个房间。由于空气通过一系列风管而非管道输送，该系统成本更低，而且无需管道安装工进行安装。楼板托梁之间的空间可以部分封闭起来当作风管使用，从而进一步降低成本。

电加热系统不太常见，只有在电力成本低廉或使用地源热泵的情况下才实用。考虑到火力发电站和电阻式电加热的组合系统，其整体效率将低于直接使用化石燃料进行空间供暖。

一些建筑物采用集中式太阳能供暖，在这种情况下，输配系统通常使用水循环。

燃气加热器和区域供热是此类系统的替代方案。区域供热利用工业过程或发电厂的废热为邻近建筑物供热。与热电联产类似，这需要地下管道来输送热水或蒸汽。

## 历史

### 古朝鲜

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在现今朝鲜境内的考古遗址中已发现温突（ondol）的使用痕迹。在现今朝鲜罗先市先锋（Sonbong）地区发现的一处约公元前5000年的新石器时代考古遗址中，在发掘出的居住遗迹（韩语：움집，地穴式住房）内清楚地发现了炕道（gudeul）的遗存。

传统温突（ondol）的主要组成部分包括：一个位于相邻房间（通常为厨房或主卧）并可从该房间操作的炉灶（agungi，火膛或灶口）；一个架空的砌筑地面，其下方设有水平烟道；以及位于对侧外墙的竖直烟囱，用以形成抽力。加热地面由石墩或隔板支撑，以便使烟气流动，其上覆盖石板、黏土，以及一层防渗材料（如涂油纸）。

早期的温突（ondol）起源于炕道（gudeul）系统，最初既用于住宅供暖，也用于烹饪。当在炉灶中生火煮饭时，火焰会水平延伸，因为烟道入口位于炉灶的侧面。这样的设计至关重要，否则烟气会向上直冲，导致火焰过早熄灭。当火焰通过烟道入口后，会被引导穿过一系列与烟气相连的地下通道。人们会在这些炉灶烟道之上建造整间房屋，从而形成铺设温突地暖结构的房间。

传统上，在20世纪60年代以前，在大多数韩国家庭中不仅把温突地面用于供暖，也把它当作日常生活空间，用于坐卧、进餐、睡眠以及其他休闲活动。韩国人习惯于席地而坐、在地板上睡觉，并使用低矮的桌子进行工作和用餐，而不是使用带椅子的高桌。炉灶主要燃烧稻草、农作物废弃物、生物质燃料或各种干燥的木柴。用于短时间烹饪时，通常优先使用稻草或作物废料；而若需要长时间烹饪并同时为地面供暖，则需要燃烧时间更长的木柴。与现代热水器不同，这种燃料是根据做饭的频率和季节气候条件，间歇性或定期燃烧的（通常每天两到五次）。

### 古罗马与古希腊

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位于西班牙卡斯蒂利亚-莱昂自治区帕伦西亚省拉奥尔梅达（La Olmeda）的一座罗马别墅地板下的地下供暖系统（hypocaust）遗迹。古希腊人最早发展出中央供暖技术。以弗所神庙曾通过埋设在地下的烟道进行加热，火焰产生的热量在其中循环流动。罗马帝国时期的一些建筑采用了中央供暖系统，将炉灶加热的空气引导至地板下方的空腔，并通过墙体内的管道（称为 caliducts）排出，这种系统被称为“地下供暖系统”（hypocaust）。

罗马地暖系统在古代晚期和倭马亚王朝时期继续小规模使用，而后来的穆斯林建设者则采用了更简单的地板下管道系统。

罗马帝国崩溃之后，在欧洲大部分地区，供暖方式在近一千年的时间里倒退回较为原始的壁炉形式。

在中世纪早期的阿尔卑斯高地地区，一种较为简单的中央供暖系统在某些地方取代了罗马的地下供暖系统（hypocaust）。这种系统通过地板下的通道，将来自锅炉房的热量输送到室内。在赖兴瑙修道院（Reichenau Abbey），一套相互连通的地下通道网络在冬季为面积达300平方米的僧侣集会大厅供暖。经计算，该系统的效率可达到90%。

13世纪，熙笃会修士利用河水改道和室内燃木炉，在基督教欧洲复兴了集中供暖。位于西班牙阿拉贡地区埃布罗河畔、保存完好的皇家圣母轮修道院（建于1202年）便是这种应用的绝佳例证。

### 现代中央供暖系统

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中央供暖的三种主要方法是在18世纪末至19世纪中叶发展起来的。

热风炉

威廉·斯特拉特于 1793 年在德比设计了一座新的工厂，其中包含一个中央热风炉。尽管早在近百年前，约翰·伊夫林就提出了类似的想法。斯特拉特的设计包括一个大型炉子，用于加热通过大型地下通道引入的室外空气。加热后的空气通过大型中央风道送入室内。

1807年，他与另一位著名工程师查理斯·西尔维斯特（Charles Sylvester）合作，参与建造了一座新建筑，用以安置德比皇家医院（Derby’s Royal Infirmary）。西尔维斯特在将斯特拉特（Strutt）创新的供暖系统应用于这所新医院方面发挥了关键作用。1819年，他在《家庭经济学原理——以德比郡综合医院中的供暖、通风、洗涤、干燥与烹饪方式为例》一书中发表了自己的理念。西尔维斯特在书中记录了医院设计中采用的全新供暖方式，以及诸如自清洁和空气清新式厕所等更为健康的设施特点。这家医院采用了一种新型的供暖系统，使患者能够呼吸到新鲜的热空气，同时将污浊的空气输送到中心的玻璃铁穹顶。

他们的设计影响深远，在英格兰中部地区的新工厂中被广泛效仿，并不断改进，最终在19世纪初德·沙巴纳为下议院设计的通风系统中臻于成熟。此后，这套系统一直是小型建筑供暖的标准，并延续到那个世纪末。

蒸汽

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英国作家休·普拉特于1594年提出了一种用于温室的蒸汽中央供暖系统，但这只是个例，直到18世纪才得到进一步发展。科克上校设计了一套管道系统，可以将蒸汽从中央锅炉输送到房屋各处，但第一个在自己家中建造实际运行系统的是苏格兰发明家詹姆斯·瓦特。

1802年，曼彻斯特的一家纺织厂大规模地实施一种蒸汽供热系统：中央锅炉供应高压蒸汽，蒸汽再通过嵌入柱子内的管道将热量输送到建筑物内。罗伯逊·布坎南在其1807年和1815年出版的论文中对这些装置进行了详尽的描述。汤玛斯·特雷德戈尔德的著作《公共建筑供暖和通风原理》详细阐述了将热蒸汽供暖应用于小型非工业建筑的方法。到19世纪末，这种方法已经取代了热风系统。

热水

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古罗马早期就使用热水系统来加热浴场（Thermæ）。另一种早期的热水系统是在俄罗斯为彼得大帝于圣彼得堡的夏宫（1710–1714年）中央供暖而开发的。稍后在1716年，瑞典首次将水用于建筑物的供暖。瑞典工程师马滕·特里瓦尔德（Mårten Triewald）在泰恩河畔纽卡斯尔（Newcastle upon Tyne）的一座温室中采用了这种方法。法国建筑师让·西蒙·博内曼（Jean Simon Bonnemain，1743–1830）则将这项技术引入工业应用，在巴黎附近的佩克城堡加以推广。

然而，这些零星的尝试都比较孤立，主要局限于温室应用。特雷德戈尔德最初认为这种技术不切实际，但在1836年，随着这项技术进入快速发展阶段，他改变了看法。

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早期的供暖系统采用低压水系统，需要非常粗的管道。为了解决这一缺陷，最早的现代热水中央供暖系统之一是由安吉尔·马奇·珀金斯于19世纪30年代在伦敦安装的。当时，中央供暖在英国开始流行，普遍采用蒸汽或热风系统。珀金斯（Perkins）于1832年发明的装置，能在高压下透过小直径管道输送摄氏200度（华氏392度）的热水。使该系统得以实际运作的一项关键发明是螺纹旋接接头，这种接头使管道之间的连接处能承受与管道本身相近的压力。他还将锅炉与热源分离，以降低爆炸风险。

他的系统被安装在全国各地的工厂和教堂中，其中许多系统在150多年里仍然可用。他的系统也被面包师用于烤箱加热和用木浆造纸。

弗朗茨·圣加利是一位出生于普鲁士的俄罗斯商人，居住在圣彼德堡。他在 1855 年至 1857 年间发明了散热器，这是现代中央供暖最终形成过程中的一个重要步骤。维多利亚时代的铸铁散热器在 19 世纪末期开始普及，例如像美国散热器公司，扩大了美国和欧洲低成本散热器的市场。

## 能源来源

中央供暖系统所选用的能源来源会因地区而异。主要能源通常依据成本、便利性、效率与可靠性来决定。在寒冷气候中，供暖的能源成本是建筑物运行的主要开支之一。有些中央供暖设备可以因经济性或使用便利而切换燃料；例如，屋主可能会安装一台以木材为燃料的炉子，并配备电力作为备用能源，以便在无人看管时仍能运行。

木材、泥炭或煤等固体燃料可以在使用地点储存，但搬运不便，也难以实现自动控制。在木材供应充足、且住户不介意搬运燃料、清理灰烬与照料火势等工作的情况下，木材燃料至今仍被使用。颗粒燃料（如木质颗粒）系统可以自动送料添火，但仍需要人工清除灰烬。煤炭曾是重要的住宅供暖燃料，但如今已不常见；在开放式壁炉或火炉中，通常会以无烟燃料作为替代。

液体燃料是指石油产品，例如取暖油与煤油。在其他热源无法取得的地区，这类燃料仍被广泛使用。燃料油可以在中央供暖系统中自动燃烧，无需清除灰烬，且燃烧系统的维护需求较低。不过，由于国际市场上油价波动较大，其价格往往不稳定，且相较于某些其他能源来说可能偏高。

天然气是北美与北欧地区广泛使用的供暖燃料。燃气燃烧器可以自动控制，无需清理灰烬，且维护需求较低。然而，并非所有地区都接入天然气配气系统。液化石油气（LPG）或丙烷则可以在使用地点储存，并由装载储槽的卡车定期补充。

某些地区电力成本低廉，因此电采暖在经济上切实可行。电采暖可以是纯电阻式采暖，也可以利用热泵系统来吸收空气或土壤中的低品位热量，这样可以大大地提高系统的效率，同时降低运行成本。

区域供暖系统（District Heating System）采用集中设置的锅炉或热水器，通过循环热水或蒸汽，将热能输送至各个用户。这种方式的优点在于可使用高效率的中央能源转换设备，并能配备最佳可行的污染控制装置，同时由专业人员负责运行与维护。区域供暖系统还可以利用不适合在个别住宅中部署的热源，例如重油、木材副产品或核分裂所产生的热能。不过，其配送管网的建设成本高于燃气或电力供暖系统，因此通常仅见于人口密集地区或较为集中的社区。

并非所有中央供暖系统都需要购买能源。有些建筑利用当地地热资源供暖，透过井中抽取的热水或蒸汽为建筑提供热能。不过，这类地区相当少见。被动式太阳能系统也不需要购买燃料，但必须根据建筑所在地的条件进行精心设计，才能发挥最佳效果。

## 热负荷计算

热负荷通常以千瓦（kW）或每小时英热单位（BTU/h）来表示。在住宅中安装热源时，需要计算适合该房屋的设备类型以及所需的输出功率。这项计算需考虑多种因素，例如：合理的室内温度、待加热房间的上下楼层情况、窗户数量、建筑外墙类型，以及其他会影响热量需求的条件。这些因素将决定为了充分加热空间所需的热输出水准。这种计算也被称为“热损失计算”（heat loss calculation），可以通过过 简易评估软件来完成。根据计算结果，就能将热源的输出精确匹配到房屋的实际需求。

## 中央供暖系统的类型

### 热水供暖系统

循环热水可用于中央供暖系统。这类系统有时被称为“水力供暖系统”（hydronic heating systems）。

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采用水循环的中央供暖系统常见组成包括：

· 燃料供应来源、电力供应，或区域供暖管线

· 锅炉（若为区域供暖则为热交换器），用于加热系统中的水

· 水泵，用于循环水，膨胀水箱用于定压

· 散热器，热水流经其中，将热量释放到室内空间。

热水供暖系统采用闭式回路，循环水在系统中被反复加热、输配、散热。闭式系统提供了一种中央供暖方式，其中用于供暖的水在独立回路中循环运行，与建筑物的日常生活用水系统彼此分离、互不相通。

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膨胀罐内含有压缩气体，并以隔膜与密闭系统中的水隔开来。这样可以吸收系统内压力的正常变化。当压力过高时，安全阀会释放部分水以降低压力；而当压力过低时，则可透过阀门从建筑物的正常供水系统补充水量。

在英国以及欧洲其他地区，供暖系统通常会将供热与生活热水供应结合在一起。这种系统在美国则较为少见。在这种配置中，密闭系统内的循环水会流经热水罐中的热交换器，将热量传递给来自一般饮用水供应系统的水。经加热后的生活热水可供水龙头使用，或供洗衣机、洗碗机等家用电器使用。

热水辐射地板供暖系统（Hydronic radiant floor heating systems）利用锅炉或区域供暖系统加热水，并通过水泵将热水循环至铺设于混凝土楼板中的塑料管道。这些埋设在地板中的管道输送热水，将热量传导至地板表面，再由地板向上方房间均匀释放热能。热水供暖系统也常搭配防冻溶液，用于人行道、停车场与街道的融冰除雪系统。相较之下，热水系统更常见于商业建筑或整栋住宅的辐射地板供暖工程；而电热式辐射供暖系统则较常用于较小范围的“局部加热”应用。

### 蒸汽供暖系统

蒸汽供暖系统利用蒸汽在冷凝成液态水时所释放的大量潜热来供热。在蒸汽供暖系统中，每个房间都设有一个散热器，并连接至低压蒸汽来源（锅炉）。蒸汽进入散热器后冷凝成水，同时释放其潜热；随后冷凝水回流至锅炉。散热器一方面加热室内空气，另一方面也提供部分直接的辐射热。冷凝水可依靠重力回流，或在水泵的辅助下返回锅炉。有些系统仅使用单管设计，同时负责蒸汽供应与冷凝水回流。由于滞留空气会妨碍正常循环，这类系统通常设有排气阀，以排除空气。在住宅与小型商业建筑中，蒸汽通常以相对较低的表压产生，一般低于 15 psi（约 100 kPa）。

由于管道安装成本较高，蒸汽供暖系统在新的独栋住宅建筑中已较少采用。为了避免冷凝水滞留造成阻塞，管道必须精确设计并保持适当坡度。与其他供暖方式相比，蒸汽系统的热输出控制也较为困难。不过，蒸汽可以在诸如校园建筑群这样的项目上使用，从而共用高效率的中央锅炉与低成本燃料。在高层建筑中，由于蒸汽密度较低，使用蒸汽系统可以避免为了将热水从地下室锅炉循环至高楼层而产生的高压问题。在工业系统中，用于发电或其他用途的工艺蒸汽，也可以被引出来用于空间供暖。此外，供暖所需的蒸汽还可以来自余热回收锅炉，利用原本在工业过程中会被浪费的热能。

### 电力供暖

电力供暖（或称电阻式供暖）是将电能直接转换为热能。与天然气、丙烷或燃油等燃烧设备所产生的热能相比，电力供暖通常成本较高。电阻式电热可透过多种设备提供，例如踢脚板式电暖器、空间电暖器、辐射式电暖器、电暖炉、壁挂式电暖器，以及蓄热式供暖系统等。

电加热器通常是风机盘管（fan coil）的一部分，而风机盘管本身属于中央空调系统的一部分。它们通过将空气吹过加热元件来循环热量，回风管道将空气送入风机盘管，加热后再送出。在电暖炉中，鼓风机会将空气吹过数组电阻线圈或加热元件。为避免电力系统过载，加热元件会依次启动，而不是同时运作。为防止过热，系统设有称为“限温控制器”或“限温开关”的安全装置。若鼓风机故障或气流受阻，该装置会自动关闭电暖炉。加热后的空气则通过送风管道输送到室内各个空间。

### 热泵

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热泵是一种可以“一机两用”的设备。比如说空气源热泵，在夏天可以当冷气用，替建筑降温；到了冬天，则从室外空气中提取热量，为室内供暖。不过，当室外温度长时间很低时，空气源热泵的效率会下降，经济性也会变差。因此在寒冷地区，常改用地源热泵（地热热泵），从地下土壤中提取热能。由于地下温度全年相对稳定，这类系统在寒冷气候下表现更稳定。

为了兼顾成本与效率，热泵系统通常是按照“平均最低冬季气温”来设计，当遇到极端低温时，会搭配辅助加热设备一起使用。热泵最大的优势在于——可以大幅减少需要购买的能源。即使在化石燃料提供大部分电力的地方，热泵系统也可以抵消温室气体的产生，因为大部分热量来自周围环境，只有 30%左右 是电力消耗。

## 环境影响

公共和商业地产直接或间接消耗了全球30%的终端能源，其中包括近55%的全球电力消耗。目前，供暖约占建筑排放的45%，并且其终端能源消耗的55%以上仍然依赖化石燃料。

2019年，包括直接燃烧化石燃料以及上游电力和热力生产转换所产生的排放在内，建筑供暖排放的二氧化碳约达43亿吨。这约占全球能源和生产过程相关二氧化碳排放量的12%。

从能源效率的角度来看，如果只是需要给一个房间供暖，使用中央供暖系统往往会造成大量热量损失或浪费。因为中央供暖存在输送过程中的热损耗，而且在强制送风系统中，常常会把一些无人使用的房间也一并加热。对于只需要局部供暖的建筑，可以考虑采用非中央供暖方式，例如独立房间电暖器、壁炉或其他单体设备。另一方面，建筑师也可以通过优化设计，在新建建筑中大幅降低甚至几乎消除对供暖的需求，例如按照“被动式建筑（Passive House）”标准建造的房屋。

不过，如果一栋建筑确实需要整体供暖，那么采用燃烧式中央供暖系统，可能比电阻式电加热更环保。因为当电力来自化石燃料发电厂时，燃料中高达约60%的能量会在发电过程中损失（除非余热被用于区域供热），另外在输电过程中还会有大约6%的损耗。因此，像瑞典这样的国家曾提出逐步淘汰直接电加热的政策（参见瑞典的“去石油化”政策）。如果电力来源于核能、风能、太阳能或水力发电，这种效率劣势则会明显减弱。

相较之下，热水式中央供暖系统可以使用在建筑内部或附近通过高效率冷凝锅炉、生物燃料或区域供热系统加热的水。湿式地暖系统（即水暖地板供暖）被证明是一种非常理想的方式。这种系统的优势在于，未来可以较为方便地升级或改造为使用新兴技术，例如热泵或太阳能组合系统（solar combisystems），从而提升能源利用效率，也为建筑提供更好的“前瞻性”和可持续发展保障。

集中供暖的典型效率（以客户购买能源时为准）如下：

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

储油罐，尤其是地下储油罐，也会对环境造成影响。即使建筑物的供暖系统早已从燃油供暖改为其他供暖方式，燃料油仍可能通过污染土壤和地下水而对环境造成影响。建筑物业主可能需要承担移除地下储油罐以及修复费用的责任。