北方農村煤改清潔能源不同技術的經濟性和排放性能對比

單明，劉彥青，馬榮江，鄧夢思，丁星利，楊旭東，章永潔，葉建東

(1.清華大學建筑學院，北京 100084；2.北京市可持續發展促進會，北京 100084)

2016年12月21日習近平總書記在原中央財經領導小組第十四次會議上提出，“推進北方地區冬季清潔取暖，關系北方地區廣大群眾溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容；要按照企業為主、政府推動、居民可承受的方針，盡可能利用清潔能源，加快提高清潔取暖比重”[1]。北方農村既有取暖方式主要以低效高污染的散煤燃燒為主，在浪費大量化石能源的同時，還造成嚴重的室內外空氣污染，故在北方農村推進清潔取暖對于降低取暖能耗、提高能源利用效率、打贏藍天保衛戰意義重大。

2017年5 月，財政部、住房和城鄉建設部、原環境保護部和國家能源局4部委聯合發布《關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》(財建〔2017〕238號)[2]，北方地區冬季清潔取暖國家試點工作正式開始。2017年12月，國家10部委又印發了《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》[3]，其中對清潔取暖所涉及的能源種類、技術方案，以及未來4年內的整體實施目標等都做了一定的指導。但這些文件所給出的多為總體性建議原則，有關省區市農村地區在能源稟賦、氣候特點、建筑形式、使用模式等都存在很大的差異性，還應結合本地資金投入潛力和農民意愿等因素的實際情況開展工作。因此，各地基本都是采取邊摸索、邊推進的工作模式。

不同地區的農宅采用不同清潔取暖技術時的實際運行效果、經濟性和對環境的影響也各不相同。目前，北方農村地區清潔取暖工作仍在大規模進行中，針對不同技術開展科學、有效的評估，對各地區科學合理地選擇后續清潔取暖技術路徑，確保清潔取暖工作的順利開展和取得長期實效都至關重要。本文結合過去幾年所開展的深入研究和實地工作，對其進行詳細分析。

1 北方農村煤改清潔能源主要技術

根據公開資料[4]，截至2018年底，京津冀及周邊地區、汾渭平原共完成清潔取暖改造1372.65萬戶，各試點省(市)清潔取暖改造完成情況如表1所示。從所采用的技術方案看，試點城市采用的清潔熱源替代方式以“煤改氣”“煤改電”為主，其他形式如“煤改熱”“煤改生物質”等僅有少量試點。

本文將北方農村地區目前所涉及的主流清潔取暖技術方案分為燃燒型、電驅動型和多系統耦合型三種類型，其中燃燒型取暖系統包括燃氣熱水鍋爐(俗稱天然氣壁掛爐)、生物質顆粒燃料取暖爐；電驅動型取暖系統包括蓄熱式電暖氣、低溫空氣源熱泵熱水機和低溫空氣源熱泵熱風機；多系統耦合型包括太陽能集熱器+低溫空氣源熱泵熱水機。下面分別對這幾種系統的工作原理做一簡單介紹。

(1)技術方案一：天然氣壁掛爐

該系統利用商品化天然氣壁掛爐設備通過燃燒外網供應的天然氣來加熱循環介質(一般是水)并將其輸送至散熱末端進行取暖。天然氣壁掛爐多安裝在廚房，煙囪連通室外以排放燃燒所產生的煙氣，如圖1所示；散熱末端一般采用農宅既有的或改造后的散熱器或輻射地板。通常農村地區沒有既有的天然氣輸送管網，需要重新鋪設室外天然氣干管和引至農戶室內的支管，氣源有管道天然氣和撬裝式液化天然氣(LNG)兩類。

表1 北方7省(市)完成清潔取暖改造情況(截至2018年底)

圖1 燃氣壁掛爐取暖系統原理圖

(2)技術方案二：生物質顆粒燃料取暖爐

圖2 生物質顆粒燃料

該系統采用燃燒生物質顆粒燃料(是指把不規則的農林剩余物經過處理加工成密實且尺寸較為一致的顆粒狀成型燃料，見圖2)的爐具加熱循環熱水并將其輸送至散熱末端進行取暖。生物質顆粒燃料取暖爐需安裝在廚房或其他無人員長期逗留的單獨房間內，配置單獨與室外相連的煙囪以排放燃燒所產生的煙氣；散熱末端可采用農宅既有的或改造后的散熱器或輻射地板；生物質顆粒燃料可于每年取暖季開始前一次性購買后存儲在農戶室內，爐具使用時需要做到每天及時加料和清灰。系統原理如圖3所示。

圖3 生物質顆粒燃料取暖爐取暖系統原理圖

(3)技術方案三：蓄熱式電暖氣

該系統利用電阻元件直接將電能轉化成熱能進行取暖，其中配有一定量的耐火磚、鐵塊等重質材料蓄存夜間谷電所產生的熱量，待到白天進行放熱，如圖4所示。如果所配置的重質材料量不足，將導致設備蓄熱能力受限。由于其將建筑物全天的取暖需熱量壓縮到夜間時段獲取，因而所需的電加熱功率基本會翻倍，對配電容量的要求更高。

圖4 蓄熱式電暖氣取暖原理圖

(4)技術方案四：低溫空氣源熱泵熱水機

該系統采用電能驅動，利用逆卡諾循環原理吸取室外空氣中的熱量連同電能轉化的熱量，通過冷媒循環不斷加熱熱水輸送至室內散熱末端進行循環取暖，末端可采用散熱器或地板輻射管等。低溫空氣源熱泵與家用空調器的基本原理相同，但它是以冬季取暖為主要目的進行設計的，可以實現較低室外氣溫下的良好制熱并有效解決了普通空調器冬季結霜嚴重的問題。低溫空氣源熱泵整個取暖季的平均能效可達2以上，但對電力穩定性有一定要求。系統包括室內機和室外機，兩者通過冷媒銅管相連，室內機與取暖末端通過水管相連，如圖5所示。另外，低溫空氣源熱泵在低出水溫度下能效較高，其作為低溫熱源(一般出水溫度最高可達50℃以上，經濟性運行溫度約40℃，運行溫差約5℃)直接匹配既有的地板輻射管或落地式風盤可取得較好的取暖效果。對于既有的老式散熱器，需要進行增加散熱末端、輸送管道以及水泵等的技術改造。

圖5 空氣源熱泵熱水機組取暖系統原理圖

(5)技術方案五：低溫空氣源熱泵熱風機

該系統采用電能驅動，利用逆卡諾循環原理吸取室外空氣中的熱量連同電轉化的熱量通過冷媒循環直接加熱室內空氣循環取暖。空氣源熱泵熱風機室外機需安裝在通風良好的室外，室內機落地安裝在散熱良好的取暖房間，如圖6所示。空氣源熱泵熱風機在華北地區冬季氣候條件下的能效比可達2.5以上，且啟停方便、升溫快，可實現夏季供冷，不需要額外末端，具有按需靈活配置的特點，就像安裝單體壁掛空調器那樣簡單，不需要穿墻打洞敷設循環水系統。

圖6 空氣源熱泵熱風機取暖系統原理圖

(6)技術方案六：太陽能集熱器+低溫空氣源熱泵熱水機耦合系統

采用太陽能真空管加熱熱水輸送至室內循環取暖，不足部分由低溫空氣源熱泵熱水機補充，末端可采用散熱器或地板輻射供暖，系統工作原理如圖7所示。由于太陽能的不穩定性且夜間無法使用，空氣源熱泵熱水機需滿負荷匹配。

圖7 太陽能熱水采暖系統運行原理圖

2 研究方法

2.1 調研與實測

本文采用實地調研、現場示范和測試、數值模擬相結合的研究方法，通過將各種技術方案在實際農宅中進行示范和測試，獲取真實的農宅基礎參數、初始投資和運行數據等，所要對比分析的6種技術方案實際示范戶的基本情況如下：

方案1示范戶位于北京市大興區農村，北向墻體采用50mm擠塑聚苯板保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗，取暖熱源為1臺22kW燃氣壁掛爐，以低溫輻射地板作為供暖末端，整個取暖季天然氣消耗總量約為1391m3(不含炊事與生活熱水的燃氣消耗)。

方案2示范戶位于山東省濟南市農村，無保溫，取暖熱源為1臺15kW生物質顆粒燃料取暖爐，以暖氣片作為供暖末端，整個取暖季消耗花生殼顆粒燃料2175kg。

方案3示范戶位于北京市海淀區農村，取暖熱源為蓄熱式電暖氣，設備總功率為18kW，農宅除南墻以外的其他外墻都做了50mm聚氨酯泡沫板外保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗。整個取暖季共耗電4081.2kWh，其中包含平段用電2267.8kWh和谷段用電1813.4kWh。

方案4示范戶位于北京市密云區農村，取暖熱源為低溫空氣源熱泵熱水機，以低溫輻射地板作為供暖末端。該建筑為節能65%的新建小高層居民樓，整個取暖季總電耗為3700kWh。

方案5示范戶位于北京市房山區農村，無保溫，其主臥和客廳各安裝1臺采用準雙級壓縮機的壁掛式低溫空氣源熱泵熱風機，設備運行期間禁用電輔熱功能，整個取暖季總電耗為747kWh。

方案6示范戶位于北京市平谷區農村，墻體采用50mm擠塑聚苯板保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗，取暖系統為太陽能熱水集熱系統+4kW直流變頻低溫空氣源熱泵熱水機(輔助)，室內末端采用低溫輻射地板，整個取暖季太陽能熱水循環泵耗電約151kWh，低溫空氣源熱泵熱水系統耗電6104kWh。

上述六種不同取暖方案示范戶的運行情況如表2所示。

2.2 模擬評價

2.2.1 評價方法

由于農宅取暖的熱負荷需求受到室外溫度、室內溫度、圍護結構熱性能、室內層高、取暖面積、換氣次數、系統運行時長、農戶使用模式等多種因素的影響，在實際中很難找到兩個或兩個以上在這些方面都具有完全相同條件的農宅，所以無法對多種取暖設備的實際能耗情況進行直接對比，故又進一步采用動態模擬的方法將所有設備折算到典型農宅的統一工況下進行對比分析，具體流程如圖8所示。首先對典型農宅進行能耗模擬得到基礎取暖負荷，然后根據不同類型取暖設備的熱效率計算得到運行能耗，由此得到所對應的運行費和污染物排放量；再結合取暖系統的初始投資，可以計算得到系統的費用年值。

表2 六種技術方案示范戶的取暖費用

圖8 典型農宅不同取暖方式的評價流程

2.2.2 典型農宅模型

圖9 典型農宅平面圖

根據筆者團隊對京津冀地區所做的大規模調研結果[5]，匯總出的一個典型農宅模型如圖9所示。由于廚房一般位于配房且不取暖，故未體現在典型農宅平面圖中。該典型農宅坐北朝南，每戶含3間房，客廳位于中間，東、西側為臥室，取暖總面積為80m2，外墻材料為20mm水泥砂漿+370mm實心黏土磚墻，門窗為塑鋼材料，屋頂為灰泥坡屋頂。

本文采用DeST-h軟件進行典型農宅能耗模擬，其基礎算法基于清華大學于20世紀80年代初提出的用于分析建筑熱狀況的狀態空間法[6]。該軟件對不同氣候區農宅能耗模擬方面的可靠性已在很多研究中得到了驗證[7-9]，并于2019年12月順利通過了國際權威標準美國暖通空調工程師協會(ASHRAE)140標準(Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs)的全部案例測試，正式獲得國際認證的建筑能耗模擬軟件性能標識[10]。基于對多種農宅圍護結構熱工性能的現場測試結果，設定圍護結構熱工模擬參數如表3所示。

表3 典型農宅圍護結構熱工參數

農宅所處地區為以北京為代表的寒冷地區，取暖時間為11月15日至來年3月15日，農宅室內溫度設定為全天保持16℃，最終模擬結果為整個取暖季的平均熱負荷為23.53W/m2，一個取暖季累計耗熱量為6040.4kWh，約合2.17×104MJ。

2.3 費用年值法

在進行不同技術方案的經濟性比較時，一般需要考慮設備初始投資和年運行費兩部分。初始投資和運行費是兩項性質不同的費用，因此不能將兩者的費用簡單相加來計算技術方案費用。本文采用費用年值法[11]將參與比較的各個技術方案的初始投資折算成與年運行費相類似的費用，然后再與運行費相加得到費用年值。取暖系統初始投資折算年值(C)為系統中全部取暖(或末端)設備壽命周期內折算年值之和，利用下式計算：

式中，n為供暖系統中供暖(或末端)設備的數量；i為基準折現率，i=(u-f)/(1+f)，其中u為銀行5年以上利率(對公用設施取投資利息，對住戶自購的設備取儲蓄利息)，f為通貨膨脹率；m為供暖(或末端)設備j的使用壽命，綜合考慮各設備使用壽命情況，本文中m取為10年；K為供暖(或末端)設備j的初始投資，C為取暖系統的年運行費。

根據典型農宅的熱負荷進行設備選型，設備僅熱源部分的初始投資、年運行費用及折算費用年值見表4。

2.4 主要污染物及碳排放計算

不同取暖方式的污染物及碳排放分本地排放和綜合排放，且由于能源輸送過程復雜，故本文僅計算取暖運行過程中電能生產間接產生或燃料燃燒直接產生的污染物排放。上述6種取暖方式產生的大氣污染物PM2.5、SO2、NOx、CO和溫室氣體CO2的排放量通過燃料消耗量和所對應的排放因子進行計算，其中傳統散煤爐、天然氣壁掛爐和生物質顆粒燃料采暖爐的排放因子以已發表文獻中測得的數據為準[12]；電取暖的本地排放為零，其發電排放采用《中國電力行業年度發展報告2019》[13]中所提供的電廠側發電排放因子。表5給出了各方案使用不同能源類型時的排放因子。

表4 六種供暖方案的經濟性對比

表5 不同能源所對應的排放因子

3 結果對比分析

3.1 經濟性

針對上述80m2的典型農宅，采用6種取暖方案的系統初始投資折算年值、年運行費用與折算費用年值對比如表4所示。單純從經濟性分析6種方案如下。

(1)天然氣壁掛爐除了設備初始投資之外，還需要配套管網及“開口費”(部分地區不收取或部分收取)，且運行費偏高，經濟性較差，需要政府長期的運行補貼，故在一般地區不適合大規模推廣利用；

(2)生物質顆粒取暖爐的初投資和運行費都較低，折算的費用年值最低，在具有相對豐富的秸稈或樹枝等資源的北方地區，可作為農村清潔取暖大規模推廣應用的主要技術方案之一；

(3)蓄熱式電暖氣初始投資較低，運行費用高，年費中等，但需要配備相當高的電容量，即使小規模的推廣也需要電力擴容，不宜直接推廣，取暖需求較弱地區的用戶可根據需求自行購買；

(4)低溫空氣源熱泵熱水機初始投資較高，且需要較大的電網容量，但運行費相對較低，可在政府補貼部分初始投資的情況下，在經濟條件較好的農戶中推廣應用；

(5)低溫空氣源熱泵熱風機的初始投資和運行費都較低，但需要當地電網有一定的容量，在具有相對豐富電力資源的北方地區，應作為農村清潔取暖大規模推廣應用的主要技術方案之一；

(6)太陽能熱水系統+熱水型低溫空氣源熱泵初投資很高，超出了農戶的承受范圍，雖然年運行費相對較低，整體費用年值還是最高的。但考慮到太陽能資源的可再生性及其未來的發展空間，建議作為技術方案儲備，在政府補貼下進行試點性應用。

3.2 排放特性

表6給出了不同技術方案在一個取暖季的直接和間接排放數據。可以看出，每種熱源都會直接或間接地產生一定數量的污染物排放。天然氣壁掛爐的排放主要是NOx和少量的PM2.5和SO2；蓄熱式電暖器和電驅熱泵消耗電能，所耗電能間接產生(發電過程)PM2.5、CO2、SO2和NOx等排放；生物質顆粒燃料取暖爐直接排放PM2.5、NOx和微量SO2。本研究未測算揮發性有機物(VOCs)的排放。

表6 不同取暖方案污染物排放情況

對于大部分地區，可根據當地的總體排放特征和環境容量等特點，綜合考慮直接排放和間接排放情況進行對比分析。例如，對于環境質量管理要求較高的重點區域，可適當以本地排放作為衡量和限定標準。

3.3 適宜性分析

3.3.1 農村與城市取暖的差異性

我國農村地區的建筑形式、人口構成以及固有的生活方式、人員活動類型、資源特性、人員經濟行為等都決定了農村人口與集中的城市人口不同的建筑使用模式、行為模式、室內熱環境和技術適宜性需求。目前北方城市住宅的冬季供暖設計溫度是18 ℃，但大多數居民期望的舒適室溫都在20℃甚至更高，這種溫度要求和城鎮居民每天進出室內次數少、進出房間的同時需要更換服裝是一致的。而農村居民由于生產與生活習慣等原因，人們連續長時間待在同一個房間的概率較低，會頻繁進出房間，若每次出入房間都更換衣服將會給農戶的生活帶來極大的不便。所以，農戶的衣著水平應以室外短期活動不會感到冷作為標準。大量調研結果顯示[14]，多數北方農民認為冬季室內外溫差不能過大，農村居民冬季在室內的衣裝量大于城市居民冬季在室內的衣裝量，起居室和臥室平均溫度比城市的低4℃～6℃，而且允許晝夜的室內溫度有較大波動：夜間睡眠時維持在約10℃即可，日間靜坐時約16℃。農村用戶在建筑物的使用上也并非所有房間均有取暖需求，體現出與取暖方式相匹配的較為節儉的功能空間使用模式。例如冬季將活動空間集中在一到兩個房間來合并房間功能，使客廳兼具餐廳功能、臥室兼具客廳功能等，以便更加有利于節能。因此，農村清潔取暖技術能否在保證效率高、經濟性好、污染排放低等性能的基本前提下，更好地滿足上述“部分空間、部分時間”的使用需求，將是決定其能否在農村地區實現大規模應用的關鍵。

3.3.2 不同技術方案適宜性分析

低溫空氣源熱泵熱風機設備自身即是取暖系統，可以迅速提高房間氣溫，直接加熱房間空氣，不需要加裝散熱器、地暖等末端設施而使室溫升高，不會出現熱水熱泵取暖工程中的跑冒滴漏等問題，且戶內多臺熱泵熱風機均可按單間獨立控制、獨立運行，更加適用于非連續取暖場合；即時啟停的特性更容易匹配農戶部分空間和部分時間的使用需求，可凸顯行為節能的優勢，在節能和減排方面具有很大潛力；而且通過室內末端落地化和上下出熱口的氣流組織優化設計，可以為農戶提供類似地板采暖的舒適性和風機盤管的快速升溫性。

生物質顆粒取暖爐在將生物質尤其是秸稈、樹枝等作為燃料消納的同時，一方面可以取代散煤，另一方面可以進一步減少秸稈、樹枝野外堆存占地、焚燒所帶來的大量污染，而且生物質能還可以解決取暖之外的炊事與生活熱水需求，符合農戶的傳統使用習慣，適合農林生物質資源豐富的大部分地區規模化應用。

燃氣壁掛爐可滿足取暖、炊事以及生活用熱水需求且操作簡單，但由于大部分農村區域用戶分散、距離氣源遠且用量有限，同時存在較多的安全隱患，其適用于氣源充足、用戶相對集中的城市近郊地區整村推進。

蓄熱式電暖氣適合于電力特別充裕、有明顯峰谷電價且實際取暖時間偏短的用戶。

空氣源熱泵熱水機組適用于當地電力資源充裕穩定且經濟實力雄厚的地區，如北京市由于財政補貼力度大，且進行了整體的電網升級和農宅圍護結構保溫改造，因此主要以空氣源熱泵熱水機組為主且取暖效果良好。

太陽能光熱+空氣源熱泵輔助系統適合在太陽能資源豐富、太陽能取暖保證率較高的地區應用。

4 結論及建議

利用現場實測和數值模擬等方法，對北方地區常見的6種農村清潔取暖技術方案的經濟性、減排性和適宜性等進行了深入分析，得出如下結論：

(1)不同清潔取暖方案在經濟性方面差別較大。綜合考量初始投資和運行費用的費用年值法評估結果，生物質顆粒取暖爐及低溫空氣源熱泵熱風機在經濟性上具有明顯優勢；再綜合考慮兩者在農村地區的適宜性，在北方農村地區有較為廣泛的適用性和可持續性。

(2)低溫空氣源熱泵熱水機初始投資較高，且需要較大的電網容量，但運行費相對較低。在政府補貼部分初始投資的情況下，適合在經濟條件較好的農戶中推廣應用。

(3)天然氣壁掛爐除了設備初始投資之外，還需要配套管網及“開口費”，且運行費用偏高，經濟性較差，需要政府長期的運行補貼，適用于氣源充足且經濟條件好的相對集中居住的城市近郊地區。

(4)蓄電式電暖氣對電力要求高，運行經濟性差，且儲熱調節能力弱，在局部電力充足且價格較低的地區，或少量非長期取暖的用戶可以使用，不宜大面積使用。

(5)太陽能熱水系統+熱水型低溫空氣源熱泵初期投資很高，超出了農戶的承受范圍，雖然年運行費相對較低，整體費用年均額還是最高的，但考慮到太陽能資源的可再生性以及其未來的發展空間，現階段建議作為技術方案儲備，在政府補貼下進行試點性應用。

綜上所述，農村清潔取暖技術路徑的制定、節能技術的開發及室內熱環境的改善不能沿襲“城鎮路線”，需要另辟蹊徑，在充分考慮地區發展水平、空氣質量要求、群眾取暖需求、能源供應條件和潛力等基礎上走出一條符合我國農村實際的可持續發展之路。