【摘 要】：本文從我國(guó)供暖地域劃分的歷史角度出發(fā)，分析了當(dāng)前南方實(shí)現(xiàn)集中供熱所面臨的難題，并以相關(guān)學(xué)術(shù)調(diào)研結(jié)果為據(jù)，分析了當(dāng)前我國(guó)南方地區(qū)的供暖方式現(xiàn)狀；并以具有普遍代表性的幾種供熱方式為分析對(duì)象，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度研究了南方常用的幾種供熱方式，得出了符合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)的普遍規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：南方供熱，集中供暖，分散式供暖，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，費(fèi)用年值 北京散熱器
1我國(guó)供暖區(qū)域特點(diǎn)
中國(guó)的集中供暖制度始于20世紀(jì)的50年代，參照當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的模式，初步建立了建筑供暖體系。根據(jù)前蘇聯(lián)的氣候計(jì)算方法規(guī)定，室外溫度5攝氏度以下定義為冬天。因此，只有累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)大于或等于90天被界定為集中供暖的地區(qū)，主要包括華北、東北、西北等地區(qū)[1]。
中國(guó)劃分南方和北方的分界線是1908年由中國(guó)地學(xué)會(huì)（即現(xiàn)在的中國(guó)地理學(xué)會(huì)）首任會(huì)長(zhǎng)張相文，從自然地理分區(qū)的角度出發(fā)提出的，這條線最初是用于指導(dǎo)居民建筑和農(nóng)耕。因此，上世紀(jì)50年代，以秦嶺、淮河為界，劃定北方為集中供暖區(qū)，南方不集中供暖，這即為南北供暖線。
傳統(tǒng)意義上的“中國(guó)南方”，是指我國(guó)秦嶺淮河以南的全部區(qū)域。上世紀(jì)50年代，由于當(dāng)時(shí)“能源奇缺”，周恩來(lái)親自主導(dǎo)以秦嶺、淮河為界，劃定北方為集中供暖區(qū)，南方不集中供暖，此即為南北供暖線。劃定理由是年日均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)大于或等于90天被界定為集中供暖的地區(qū)，主要包括華北、東北、西北等[1]。
由于歷史原因，南方地區(qū)的城市集中供暖基礎(chǔ)設(shè)施基本為零。若要像北方一樣，全面建立起取暖管道、供暖泵房等基礎(chǔ)設(shè)施，需要大量的經(jīng)濟(jì)投入。不僅如此，傳統(tǒng)的南方住宅建筑外墻還涉及到圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫等問(wèn)題，這也是供暖計(jì)劃中必須考慮的細(xì)節(jié)。
2南方供暖方式現(xiàn)狀
清華大學(xué)2009年對(duì)該地區(qū)的上海、蘇州和武漢分別開(kāi)展了針對(duì)生活方式和居住能耗的社會(huì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，調(diào)研獲得1861份有效問(wèn)卷[2]。經(jīng)調(diào)查顯示，目前南方城鎮(zhèn)居民使用較多的供暖方式主要有以下三種類(lèi)型。
1) 空氣源熱泵供暖：在房間內(nèi)安裝空調(diào)器，夏季送冷風(fēng)，冬季送熱風(fēng)；也可加裝輻射地板，夏季利用房間空調(diào)器送冷風(fēng)，冬季通過(guò)空氣源熱泵制備出的熱水進(jìn)入輻射地板，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的供暖；
2) 燃?xì)獗趻鞝t供暖：每戶安裝獨(dú)立的燃?xì)獗趻旃┡癄t，燃燒天然氣產(chǎn)生熱水作為熱源，室內(nèi)通過(guò)暖氣片或地板輻射方式供暖；
3) 電熱供暖：在房間內(nèi)安裝電暖氣、電熱膜等，以通電加熱方式進(jìn)行供暖。
圖2 南方供暖方式分布圖
2012年初，對(duì)上海地區(qū)的14戶住戶的冬季供暖方式進(jìn)行的訪談與測(cè)試，訪談對(duì)象大多都安裝分體熱泵空調(diào)，但在實(shí)際使用中采用了多種不同的供暖方式，電供暖中使用較多的類(lèi)型為：小太陽(yáng)，電火箱，電暖寶，電熱毯[2]。
2013年清華大學(xué)調(diào)研了長(zhǎng)江流域761戶居民家庭設(shè)備使用情況，擁有分體空調(diào)的家庭占85%，擁有局部供暖設(shè)備的80%，小區(qū)集中供暖的不到1%。
南方的大中城市大多數(shù)住宅裝有分散
圖2 南方供暖方式分布圖 供暖設(shè)施，其中主要為冬夏兩用的空調(diào)熱泵，個(gè)別住戶采用燃?xì)獗趻鞝t或電熱供暖裝置。冬季室溫大多可達(dá)到13℃到18℃之間。實(shí)際用電量每平方米每個(gè)冬季6~8度電，折合2~2.7公斤標(biāo)煤，每平方米5元。以上海地區(qū)為例，2009年冬天785戶居民中有超過(guò)90%的居民使用空氣源熱泵供暖，使用燃?xì)獗趻鞝t的用戶為1%，較多居民采用電加熱輻射器、電暖風(fēng)機(jī)、電熱毯作為輔助取暖設(shè)備[2]。
圖3 供暖系統(tǒng)使用方式分布
圖4 長(zhǎng)江流域居民供暖設(shè)備形式
研究顯示，南方地區(qū)居民普遍的冬季供暖習(xí)慣是間歇式局部供暖，在運(yùn)行方式方面，大多數(shù)家庭采取“有人開(kāi)，無(wú)人關(guān)”的運(yùn)行方式，平均每臺(tái)空調(diào)熱泵每天開(kāi)啟不超過(guò)9個(gè)小時(shí)。也就是當(dāng)家中無(wú)人時(shí)關(guān)閉所有的供暖設(shè)施，家中有人時(shí)也只是開(kāi)啟有人的房間的供暖設(shè)施。該地區(qū)居民對(duì)于供暖需求的個(gè)體差異較大，而分散式供暖設(shè)備恰恰能夠很好地滿足這種個(gè)性化的需求，使人們可以根據(jù)自己的需要決定供暖的起止時(shí)間，保證舒適性的同時(shí)避免能源的浪費(fèi)。
綜上所述，南方地區(qū)目前主要的供暖特點(diǎn)為：1）南方地區(qū)住宅需要針對(duì)改善室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行供暖；2）目前南方地區(qū)居民大多使用分散式供暖；3）“部分時(shí)間，部分空間”的使用模式與分散式供暖方式相適應(yīng)；4）集中供暖方式不適應(yīng)于南方居民的生活方式；5）針對(duì)南方居民采用分散式供暖的特點(diǎn)，可以從：提高建筑氣密性和改善保溫性能；推廣更適宜的末端方式；改善氣流組織、推廣適宜的分散式供暖熱源幾方面努力，提高南方地區(qū)居民的供暖效果，改善居民的生活質(zhì)量。
隨著城市環(huán)保要求的日益提高，能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)逐漸變化，加之建筑節(jié)能和計(jì)量收費(fèi)改革的推進(jìn)，供熱供暖方式日益多樣化。目前存在的各種供熱方式都有其存在的合理性和適用條件，在選擇供熱供暖方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、環(huán)保要求、燃料結(jié)構(gòu)、能源效益和經(jīng)濟(jì)承受能力等因素。根據(jù)南方供熱方式的實(shí)際特點(diǎn)，選取最具代表性的熱泵供暖，燃?xì)獗趻鞝t供暖，電熱供暖，集中熱源低溫輻射供暖，共4種供暖方式進(jìn)行比較研究。
3.1 熱泵供暖
熱泵空調(diào)是以建筑物內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)(包括供熱和制冷)為目的，利用周?chē)h(huán)境作為空調(diào)冷熱源的系統(tǒng)，通常把它們分為地源熱泵和空氣源熱泵兩人類(lèi)。
我國(guó)獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造、地殼熱狀況及水文地質(zhì)條件，決定了我國(guó)地?zé)豳Y源的主要類(lèi)型為斷裂型，呈現(xiàn)出藏滇、滇川、東南沿海及臺(tái)灣等幾個(gè)地?zé)崦芗瘞АＮ覈?guó)地?zé)豳Y源分布圖顯示，南方地?zé)豳Y源較為豐富，為地?zé)峁┡瘎?chuàng)造了有利的資源條件。
圖5 我國(guó)地?zé)豳Y源分布圖
圖6 雙級(jí)耦合熱泵工作示意圖
熱泵通過(guò)做功使熱量從低溫介質(zhì)流向高溫介質(zhì)，可滿足冬季供熱和夏季制冷兩種要求。空調(diào)系統(tǒng)在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，省去了鍋爐和鍋爐房，節(jié)省了部分投資,全年僅使用無(wú)二次污染的電能，減輕了當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴荆廴居邢蛏嫌?SPAN style="FONT-FAMILY: Calibri">(電廠)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，全年能效比較高。
空氣源熱泵在我國(guó)長(zhǎng)江黃河流域應(yīng)用十分廣泛。但是，隨著室外溫度的降低，熱泵機(jī)組的COP值將明顯下降。風(fēng)冷換熱器受到環(huán)境溫度變化的影響，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)翅片表面易結(jié)霜，導(dǎo)致機(jī)組不能正常工作。因此，空氣源熱泵在結(jié)霜條件下運(yùn)行時(shí)需適時(shí)除霜。但是，受熱泵的節(jié)能特性的吸引，業(yè)內(nèi)人士極力擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，其中在南方地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的雙級(jí)耦合熱泵的概念其系統(tǒng)見(jiàn)圖6。
空氣源熱泵與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，是一種熱量循環(huán)的供暖系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，符合能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
3.2戶式燃?xì)獗趻鞝t供暖
近兩年，隨著西氣東輸三線工程的完工，在一些氣源較為充足南方地區(qū)，戶式燃?xì)鉅t供暖方式的發(fā)展方興未艾。
圖7 壁掛爐供熱示意圖
戶式燃?xì)鉅t以天然氣、液化石油氣、城市煤氣作為能源。這種供暖方式供暖靈活方便、隨開(kāi)隨熱、升溫快、供暖時(shí)間及各房間溫度可調(diào)性強(qiáng)、可獨(dú)立計(jì)量。此外，戶式燃?xì)鉅t最大的優(yōu)點(diǎn)在于可滿足市民冬季供暖和全年生活熱水的雙重需求。天然氣本身雖然是清潔燃料，所以這種供暖方式與燃煤爐供暖相比，對(duì)環(huán)境造成的污染相對(duì)較小。與各種熱泵供暖系統(tǒng)相比，運(yùn)行較為穩(wěn)定。
壁掛式燃?xì)忮仩t供暖方式主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，清潔燃燒，污染物少，效率較高、節(jié)能，均配有溫控器，無(wú)人時(shí)可降低室內(nèi)設(shè)定溫度，調(diào)節(jié)靈活，用戶可根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)室溫，計(jì)量簡(jiǎn)單，將供熱計(jì)量簡(jiǎn)化為燃?xì)庥?jì)量，無(wú)需設(shè)置外網(wǎng)，避免了管網(wǎng)熱損失。
3.3電加熱供暖
這里所說(shuō)的電加熱供暖主要包括發(fā)熱電纜地面輻射供暖、低溫輻射電熱膜電熱供暖和各種類(lèi)型的電散熱器。這些電供暖方式的優(yōu)點(diǎn)是均可實(shí)現(xiàn)分戶分室控制，可控性強(qiáng)，有利用南方供暖的行為節(jié)能。
發(fā)熱電纜和電熱膜供暖一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）舒適性：通電加熱時(shí)墻壁、家具表面吸收了能量，表面溫度高于空氣溫度，減少了環(huán)境對(duì)人體的冷輻射，室內(nèi)空氣溫度較均勻；2）安全性好：電熱膜表面溫度不高，不會(huì)發(fā)生燙傷事故，且防腐防潮；3）潔凈衛(wèi)生：室內(nèi)空氣流速低，空氣比較干凈；4）無(wú)噪音：沒(méi)有燃燒和機(jī)械設(shè)備，屬于較環(huán)保的供暖方式；5）節(jié)約用地：免去了鍋爐房、儲(chǔ)煤場(chǎng)等，減少了室外占地；不需要散熱器，減少了系統(tǒng)占用面積；6）分戶計(jì)費(fèi)：電熱膜供暖可控制和準(zhǔn)確計(jì)量用電量。但從能源品位的角度看，直接把高品位的電能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，浪費(fèi)了大量的有用能，是很大的能源浪費(fèi)。以目前我國(guó)大型火力發(fā)電廠的平均發(fā)電效率為34 %，即使直接電熱的熱電轉(zhuǎn)換效率為100%，折合燃煤效率也只有34%。
圖8 發(fā)熱電纜施工示意
3.4集中熱源低溫輻射供暖
低溫輻射地板供暖技術(shù)對(duì)作為一種新的供暖形式，近年來(lái)發(fā)展很快。與普通的熱泵驅(qū)動(dòng)的空氣循環(huán)式供暖系統(tǒng)相比，低溫輻射地板供暖將地板作為與室內(nèi)空間進(jìn)行熱交換的媒介，其中有超過(guò)50%的換熱是直接通過(guò)地板表面的長(zhǎng)波輻射進(jìn)行的。同時(shí)，由于這種系統(tǒng)對(duì)熱源溫度的要求較低，目前太陽(yáng)能、地?zé)崮艿榷喾N新能源都可以與之有較好的匹配，具有很大節(jié)能潛力。同時(shí)，由于輻射熱交換比常規(guī)供暖系統(tǒng)中占主導(dǎo)的對(duì)流熱交換更高效、反應(yīng)更快，地板供暖的舒適性也較好。
低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內(nèi)部地面進(jìn)行供暖的系統(tǒng)，以低溫?zé)崴鳠崦剑ㄟ^(guò)埋設(shè)于地板內(nèi)的管材加熱，實(shí)現(xiàn)大面積均勻地向室內(nèi)人體、家具及四周維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射換熱，輔以對(duì)流換熱來(lái)達(dá)到加熱室內(nèi)空氣，從而使其表面溫度提高，造就一種符合人體舒適要求的室內(nèi)熱環(huán)境。系統(tǒng)構(gòu)造示意圖如下。
低溫?zé)崴匕遢椛涔┡绞侥軌蛴行У乩玫臀荒茉矗哂袩嵝阅芊€(wěn)定、室溫均勻、舒適、節(jié)能、免維護(hù)、管理方便等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)供暖方式相比具有高效節(jié)能、舒適衛(wèi)生、熱穩(wěn)定性好，等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的供暖方式。在南方地區(qū)，隨著工業(yè)余熱利用程度增加，太陽(yáng)能供暖，熱泵等低溫?zé)嵩磻?yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，這種以輻射為主的供暖方式也會(huì)不斷增加。
圖9 低溫輻射供暖系統(tǒng)示意圖
3.5多種供暖方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
對(duì)不同供暖方式的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，是供熱工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的有機(jī)結(jié)合。供熱工程為本課題提供了必要的物理模型，即需要分析的對(duì)比方案，而技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)則為問(wèn)題分析提供了工具。在供暖方式的比選中，選取有代表性的方案進(jìn)行比較具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以上四種技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣的供暖方式進(jìn)行比較[3]：
? 方案1：以壁掛式燃?xì)鉅t為熱源散熱器供暖方式;
? 方案2：熱泵供暖方式;
? 方案3：電熱膜供暖方式;
? 方案4：集中熱源低溫地板輻射供暖方式。
供熱規(guī)模與熱負(fù)荷指標(biāo)不同將直接影響到供熱系統(tǒng)總投資和年運(yùn)行費(fèi)用，為了使各方案具有可比性，考慮到目前的節(jié)能建筑比重較少，另外為發(fā)展留有余地，統(tǒng)一對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)將單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)均定為64 W/m2，作為耗熱量的計(jì)算依據(jù)。
為了增強(qiáng)各對(duì)比方案間的可比性，可以設(shè)定一些所有系統(tǒng)所共有的因素:
1）建筑類(lèi)型均為住宅，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度均為18 ℃，連續(xù)供暖；
2）由于供暖熱指標(biāo)的一致性。各種熱源熱水供暖系統(tǒng)擁有同樣容量的鍋爐，以及相同規(guī)模的外網(wǎng)和室內(nèi)系統(tǒng)。
3）建筑的結(jié)構(gòu)、保溫性能均相同。
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戶式燃?xì)鉅t |
熱泵空調(diào) |
電熱膜 |
低溫?zé)崴匕遢椛?/P> |
|
熱源效率ηy |
0.81 |
COP=3 |
0.98 |
0.82 |
|
熱網(wǎng)效率ηw |
1 |
0.98 |
1 |
1 |
表2 各種燃料的低位發(fā)熱量表
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燃料類(lèi)型 |
煤 |
天然氣 |
電 |
|
熱值 |
20934（kJ/kg） |
35587.8（KJ/Nm3） |
3617.4（kj/KWh） |
假定：l、熱電聯(lián)產(chǎn)、集中鍋爐房及戶式燃?xì)鉅t供暖方式中均采用相同型號(hào)的散熱器；
2、低溫?zé)崴匕遢椛涔┡绞街械孛娌捎脧?fù)合木地板；
3、假定對(duì)比方案的收益率均按i=12%計(jì)算，壽命期按20年計(jì)算；
4、電價(jià)按照0.6元/Kwh計(jì)算，燃煤價(jià)格為600元/t，天然氣價(jià)格為2.2元/Nm3。
5、低溫輻射供暖的熱源為燃煤鍋爐。
各種方案的初始投資分布如下：
? 方案一：不需要室外部分，所以室外投資為0。室內(nèi)部分參考市場(chǎng)價(jià)格，100m2建筑使用一臺(tái)價(jià)值7000元的壁掛式燃?xì)鉅t，散熱器和室內(nèi)管線及各種附件的綜合投資為28元/m2，為98元/m2；
? 方案二：取空氣源熱泵為分析對(duì)象，室外投資為0。室內(nèi)部分鑒于普通住宅中采用中央空調(diào)的很少，本文考慮100m2的房子采用一臺(tái)柜式空調(diào)器(雙工況)(按3500元/臺(tái))和三臺(tái)壁掛式空調(diào)器(雙制)(按1500元/臺(tái)計(jì))，總價(jià)為80元/m2；
? 方案三：室外投資為0，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的數(shù)據(jù)可知;室內(nèi)投資為107元/m2；
? 方案四：此方案采用集中熱源，室外投資同集中供熱系統(tǒng)，為52.29元/m2。借鑒參考相關(guān)文獻(xiàn)[6]數(shù)據(jù)可知：室內(nèi)投資為70元/m2。合計(jì)為122.29元/m2。
經(jīng)計(jì)算得出，方案1~4的初投資，并計(jì)算20年初投資的費(fèi)用年值，和4個(gè)典型供暖系統(tǒng)的年運(yùn)行能耗，及運(yùn)行年費(fèi)用，分布如下表，
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方案編號(hào) |
1 |
2 |
3 |
4 |
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初投資（元/m2） |
98 |
80 |
107 |
122.29 |
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初投資年值（元/m2a） |
1.36 |
1.11 |
1.49 |
1.7 |
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年運(yùn)行能耗 |
14（Nm3/m2a） |
37.66(kwh/ m2a) |
112.98(kwh/ m2a) |
0.024(t/ m2a) |
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年燃料費(fèi)用（元/ m2a） |
30.8 |
22.6 |
67.8 |
14.4 |
|
系統(tǒng)年費(fèi)用（元/ m2a） |
32.16 |
23.71 |
69.29 |
16.1 |
由計(jì)算可以看出，集中熱源低溫地板輻射供暖方式為最佳方案，之后依次為：熱泵供暖、分戶式燃?xì)鉅t供暖、電熱膜供暖?？梢钥闯?，雖然傳統(tǒng)的集中供暖方式存在很多不利因素，但是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度而言，其它所有熱源形式的供暖系統(tǒng)都與之相差甚遠(yuǎn)。因此。當(dāng)我們?cè)诤芎媒鉀Q熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房中的節(jié)能、環(huán)保等問(wèn)題以后，該熱源形式具有巨大市場(chǎng)潛力。對(duì)于采用高品位能源如電能或天然氣供暖的系統(tǒng)，其高額的運(yùn)行費(fèi)用。以上分析并沒(méi)有考慮分散式供暖具有靈活的調(diào)節(jié)性能等因素，僅為從能源效率上分析得出的結(jié)果，在評(píng)價(jià)一種供熱方式的市場(chǎng)潛能上略欠客觀，全面。
在南方地區(qū)，以一次能源為熱源的低溫輻射系統(tǒng)最具經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，熱泵系統(tǒng)和分散式燃?xì)忮仩t具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，這也是目前該兩種供熱方式在南方地區(qū)應(yīng)用較為普遍的原因。以直接電熱為供暖方式的經(jīng)濟(jì)效益最差，和目前政策對(duì)其進(jìn)行限制的初衷一致。
4研究結(jié)論
本文以當(dāng)前南方供熱的熱點(diǎn)話題為切入點(diǎn)，從我國(guó)供熱的區(qū)域特點(diǎn)方面闡述了南方實(shí)現(xiàn)集中供熱所面臨的難題，并以大量文獻(xiàn)中的調(diào)研數(shù)據(jù)為依托，闡述了南方目前的供熱現(xiàn)狀；并以此為據(jù)，選擇了典型的四種供熱方式進(jìn)行了技術(shù)描述和經(jīng)濟(jì)性分析，得出了南方供熱系統(tǒng)以一次能源熱源低溫輻射供暖方式經(jīng)濟(jì)效益為最佳；熱泵和分散式燃?xì)忮仩t放次之，但效益相差不大；直接電供暖經(jīng)濟(jì)效益最差，應(yīng)盡量避免的結(jié)論。該結(jié)論也印證了當(dāng)前國(guó)家對(duì)南方供暖政策的科學(xué)性，并和目前南方供暖的實(shí)際特點(diǎn)相呼應(yīng)，具有實(shí)際的研究意義。 | 
