北京市農村家庭清潔能源供暖方式分析

柯國華，張 濤，劉麗珍

（北京市公用事業科學研究所，北京 100011）

北京市居民生活用能及家庭用能占全市總能耗的比重不斷提高，2010-2017年，人均生活用能從650.2 kg標煤逐年上升至781.5 kg標煤，增幅為20.2%[1]。采暖是北京市農村家庭耗能最大的生活項目，占整個生活用能的2/3[2]。

與城市不同，農村地區受地理位置、人口密度和經濟水平影響，不具備建設大規模集中供暖的客觀基礎。長期以來，農村地區嚴重依賴分散燃煤，采暖設備單一、能耗較高，造成了突出的環境污染問題。實施清潔能源供暖能夠充分利用當地資源，提高民生水平，對全面實施鄉村振興戰略具有重要意義。

本文對北京市農村家庭清潔能源供暖方式進行分析，探討目前供暖方式的特點及存在的問題，分析各種方式的經濟性，希望對北京市農村家庭清潔能源供暖的可持續發展具有借鑒作用。

1 北京市農村家庭清潔能源類型

清潔能源包含兩方面內容：一是可再生能源，消耗后可得到補充，不產生或極少產生污染物，如太陽能、風能、地熱能等；二是非可再生能源，在生產消費過程中盡可能減少對環境污染，包括使用低污染化石能源（如天然氣）和利用清潔能源技術處理過的化石能源，如潔凈煤等。

北京農村家庭生活消費的清潔能源主要有電能、地熱能、太陽能、天然氣等。隨著改造工程的深入推進，農村家庭能源結構也在發生巨大變化，煤炭用量下降顯著，電力和天然氣用量大幅上升，液化石油用量明顯增加，其他能源用量也有所增長。

2 北京市農村家庭清潔能源供暖方式分析

2.1 北京市農村家庭清潔能源供暖實施情況

北京市于2016-2018年集中在農村地區實施“煤改清潔能源”。自2013年以來，全市已累計完成2 237個村莊、約90萬戶住戶的“無煤化”改造任務，減少散煤燃燒約270萬t[3]。

2018年，北京繼續實施農村地區冬季清潔取暖工作，完成農村地區450個村莊的“煤改清潔能源”任務[4]。至2018年底，北京市累計完成2 700個村莊、約110萬戶改造工作，基本完成平原地區村莊的“煤改清潔能源”任務，提前完成2020年基本實現平原地區村莊無煤化的工作目標，并積極推進山區村莊試點工作。

2.2 北京市農村家庭清潔能源供暖方式及特點

北京市是典型的大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，太陽輻照較豐富，冬季寒冷干燥。在政策支持和市場需求共同推動下，農村地區開始探索能源利用新方式并大規模運用清潔能源。

2.2.1 空氣源熱泵供暖

按散熱末端不同，空氣源熱泵分為熱水型和熱風型[5]。前者散熱末端對應采暖散熱器、地暖，后者對應落地式風機盤管。熱水型供暖是北京市采用的主要形式。該技術以室外空氣為熱源，高效節能、全生命周期成本費用低，具有操作簡單、清潔衛生，電網升級費用低等特點。

2.2.2 淺層地熱能熱泵供暖

淺層地熱能熱泵供暖分為地下水源熱泵系統和土壤源地埋管熱泵系統。淺層地熱具有埋藏淺、分布廣、資源量大、便于開發、運行成本低等特點[6]。能效高，對電網增容要求不高，通過熱泵機組消耗1 kW的電能可形成3～4 kW熱能，效率高（300%～400%）。此外，淺層地熱能性能較穩定，受環境溫度變化影響小。

2.2.3 太陽能熱水集熱器+電輔助供暖

在光照充足時，以太陽能熱水集熱器實現供暖。當陰雨天、光照不足或夜間時，采暖系統自動啟動電輔助加熱使儲水箱內水溫上升，當水箱水溫達到設定值時，電輔助加熱自動關閉。該技術具有綠色環保、智能控制、能源互補等特點。

2.2.4 蓄能式電暖器供暖

蓄能式電暖器利用夜間谷電在8～10 h內完成電、熱能量轉換并儲存，在峰電時段，以輻射、對流方式將熱量釋放出來，以實現全天室內供暖，達到低谷蓄能、峰時供暖的目的。蓄能式電暖器產品的價格便宜，初投資費用較低，安裝方便，調控靈活。與直熱式電暖器所耗電能差不多，但可利用低價谷電，故總體經濟性較好。

2.2.5 燃氣壁掛爐供暖

燃氣壁掛爐采暖是一種單元化、獨立式的采暖方式，按用途分為單采暖型和采暖熱水兩用型，當天然氣或液化石油氣燃燒充分時，對環境的影響較小。壁掛爐采暖不受傳統采暖時間限制，技術成熟，可長時間連續穩定運行，能適應頻繁啟停的要求。

2.2.6 優質燃煤供暖

燃煤采暖爐爐體放置在室外或太陽房內，可解決燃煤爐易使人煤氣中毒的問題。暖氣片散熱可避免室內不衛生的缺點，而且不占空間。該技術的初期投資非常低，且無需電力改造、燃氣配送，適合遠離城鎮的偏遠村莊。

2.3 使用情況及存在問題

2.3.1 空氣源熱泵供暖

北京市2016年“煤改電”19.8萬戶中有15.1萬戶使用空氣源熱泵，約占全市“煤改清潔能源”總量的66.5%，占改電總戶數的76.3%，裝機16.1萬臺套，且有約95%農戶采用各類采暖散熱器作為散熱末端。2017年，北京市“煤改電”27.2萬戶，約占全市“煤改清潔能源”總量的73.7%，熱泵類產品裝機36.9萬臺套。

實際運行中，空氣源熱泵存在無霜除霜、有霜不除、除霜不盡等現象，有的機組一天除霜達到20次以上，有的機組一天零除霜，造成機組制熱量衰減，能效下降，耗電量增加。若機組安裝在院內且靠近臥室處，噪聲問題不可忽視[7]。

2.3.2 淺層地熱能熱泵供暖

北京市農村“煤改電”項目地源熱泵市場集中在海淀區和門頭溝區。2016年，“煤改電”地源熱泵2 139戶，占總改電戶數的1.07%。2017年，地源熱泵產品約6 700臺套，含159臺700 kW大型地源熱泵機組，約占改電總量的1.8%。

淺層地熱能開發利用初始投資主要涵蓋土建、設備、安裝等，其綜合成本相對較高，每平方米初始投資在300～400元。淺層地熱能開發利用在規劃、政策、標準等方面有待完善。

2.3.3 太陽能熱水集熱器+電輔助供暖

北京市農村地區冬季清潔取暖中對太陽能熱利用有明確的支持政策，在大興、平谷等區安裝了太陽能熱水集熱器+電輔助供暖系統，目前北京市共有約7 000戶采用該種供暖方式。太陽能具有間歇性，需與輔助熱源配套使用，增加了采暖費用。炎熱的夏季存在過熱現象，冬季需采取管道排空、管道強制循環、管路電伴熱、防凍液等方法防凍。

2.3.4 蓄能式電暖器供暖

受房屋條件及技術條件的限制，早期電采暖產品較單一，大多為蓄能式電暖器產品。自2013年起，北京市在郊區縣農村推廣使用蓄能式電暖器。2016年完成的19.9萬戶“煤改電”中，蓄能式電暖器4.43萬戶，占總改電戶數的22.30%；2017年實施的27.2萬戶“煤改電”中已基本無蓄能式電暖器。

相對于熱泵采暖方式，蓄能式電暖器本身不節約電能，雖可利用峰谷電價，但耗電量和采暖費用明顯偏高，蓄能能力有限，只適用于小面積房間。

2.3.5 燃氣壁掛爐供暖

2017年，北京市完成“煤改氣”201個村，9.7萬戶，約占“煤改清潔能源”總戶數的26.3%，壁掛爐使用量超過10萬臺且均以天然氣為燃料。北京市要求燃氣壁掛爐產品必須達到一級能效等級，氮氧化物排放控制在50 mg/（kW·h）以下。對農村地區，由于操作方法不當或自身安全意識不強等因素，使用天然氣的過程中存在安全隱患。

2.3.6 優質燃煤供暖

在不易施行“煤改電”和“煤改氣”的偏遠村莊，可選用燃煤采暖爐與優質燃煤替代原有爐具和劣質煤。目前，預計約1 200個村莊采用優質燃煤供暖，但存在污染物排放、使用舒適度差、安全性差和容易煤氣中毒等問題。

2.4 經濟分析

供暖方式的經濟分析可從供暖系統初投資和使用費用兩方面考慮。為使各種供暖方式具有統一的比較基準，供暖系統初始投資以供暖面積按100 m2考慮，使用費用以“*元/（m2·供暖季）”為基準，并參考近年來北京市“煤改清潔能源”工作中政府對各設備的招標及中標價格。設備使用壽命根據有關法規或產品常規使用年限而定。

表1中，空氣源熱泵、淺層地熱能熱泵、蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐的供暖費用均根據熱泵供暖技術應用與發展高峰論壇北京市農委提供的資料整理。在整個供暖期內，空氣源熱泵、淺層地熱能熱泵和蓄能式電暖器的單位面積供暖耗電量分別為60 kW·h/（m2·供暖季）、30 kW·h/（m2·供暖季）和190 kW·h/（m2·供暖季）。其中，峰、谷電價格分別約為0.49元/（kW·h）、0.1元/（kW·h）。

對于燃氣壁掛爐，供暖期內單位面積消耗燃氣量為10.8 m3/（m2·供暖季），考慮燃氣價格補貼及燃氣自采暖補貼等政策后，增至13.8元/（m2·供暖季）。優質燃煤在市區兩級財政補貼后村民自籌部分價格不一，但均控制在300～600元/t。按平均價格450元/t來算，100 m2的采暖面積每個供暖季需優質燃煤約3.5 t，則供暖費用為1 575元/供暖季。

3 結論

空氣源熱泵、淺層地熱能熱泵供暖具有較高的舒適性、能源利用效率和較低的使用費用，但在降低投資和保障低溫天氣高效穩定運行方面需進一步開展研究。空氣源熱泵供暖水溫較低，若配置輻射地板會更加舒適、節能；在地質條件允許時，建議優先使用淺層地熱能熱泵，推廣冬季取暖與夏季制冷并舉。

為保證夜間用能需求，應提高太陽能熱水集熱器+電輔助系統集成程度和日間集熱效率。蓄能式電暖器耗能過高，不具有節能優勢，不適于采暖面積較大的農村家庭。燃氣壁掛爐采暖具有環保、靈活等特點，需進一步明確農村家庭燃氣采暖補貼相關政策；對于基礎設施欠發達地區，可推廣以液化石油氣為燃料的壁掛爐，并制定相關補貼政策。優質燃煤采暖投資低，但污染是所有供暖方式中最為嚴重的，只可作為北京市嚴寒山區的過渡供暖方式。人們應積極開展環保、高效采暖技術和設備研發，逐步替代燃煤采暖。由于每種清潔能源采暖方式都各有優缺點，建議開展多種清潔能源綜合利用供暖的研究，取長補短，以更有利于節能和環保。