北方農村采暖方式的問題分析及其優化

肖雪純 馬晨辰 趙 瑾 袁夢瑤 孫曉銘

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

我國北方地區冬季有較長時間都處于溫度較低的狀態，所以需要采用一些供熱方式保持室內溫度。很大一部分的北方農村地區由于村莊分布不集中、集中供暖成本高等原因，仍然采用的是單獨采暖的方式，而傳統的取暖方式例如燒土炕、電熱炕等存在著污染大、使用不安全以及成本高等一些弊端。

近些年，取暖方式從產熱方式到導熱方式都向著越來越人性化的方向發展，不斷改進、不斷創新以求達到方便村民的使用、帶來更好的使用體驗以及對空氣環境質量更加友好的目的。本文就在為解決北方農村地區所面臨的取暖困境，利用已有技術設備在各個環節進行進一步的創新和優化，尋找最合適的改造方案來改善人居環境質量。

2 傳統采暖方式對人居環境的影響

2.1 農村人居環境質量現狀

1)空氣質量令人堪憂。

近年來,我國關于室內空氣污染的研究得到迅速發展,研究成果多以城市為主,隨著人們環保意識增強及對空氣污染關注的不斷深入,農村IAQ問題逐漸凸顯出來。事實上,農村居住建筑室內空氣污染比城市更加嚴重[1]。主要是由采暖、炊事、人員密集和吸煙及農耕、秸稈燃燒等室外空氣污染造成的[2]。這些因素直接導致了農村空氣中的含氧量降低，甲醛含量、二氧化碳含量以及顆粒物含量升高。主要是由采暖、炊事、人員密集和吸煙及農耕、秸稈燃燒等室外空氣污染造成的。

2)村容村貌管理缺失。

由于農村缺少管理，村民們經常在自家院里堆積各種雜物，亂堆亂放現象嚴重。尤其是村民們燒鍋爐用的煤炭木柴以及秸稈，量大且收管不當。北方地區玉米廣泛種植，產生的大量秸稈多以露天焚燒的方式處理。大量的能源得不到充分利用，還對環境造成嚴重污染(見圖1)。

2.2 傳統采暖方式弊端

目前，我國農村普遍使用傳統的火炕(如圖2所示)或者電熱炕作為采暖的工具。雖然火炕是目前農村使用最廣泛的采暖方式，但是它也存在著許多弊端：1)火炕多數需要使用柴草或者煤炭作為燃料，如果這兩者燃燒不充分便會產生煙塵造成對農村空氣環境的污染。2)火炕表面需要進行散熱，如果在砌筑過程中不合理會產生熱不均勻，有時過熱溫度高達50 ℃會對人身體的機能造成傷害，還容易燒焦我們的被子等。

同樣的，雖然電熱炕是目前農村先進的采暖方式，但它也存在著一定的弊端：1)電熱炕所消耗的能源主要是電能，它也有一定的輻射影響，長期的使用會對人體產生影響。2)無法確認電熱炕是否透氣，有時在使用過程中水蒸汽無法排出去，凝結在電熱炕的表面，此時如果發生導電十分危險。3)大部分農村自然條件差，經濟基礎薄弱，農戶人均純收入低，部分農戶負擔不起電熱炕消耗的電費。

通過實地調研和分析，市場上還有一種新興的水暖炕的取暖方式，多為電取暖和太陽能取暖，電取暖方式造價高使用費用高，由于東北地區冬天白天時間短，且下雪陰天時間居多，太陽能在使用地域上存在局限性。

綜上所述，我們努力尋找其中的平衡，將污染少和經濟實惠兩個優點結合在一起，并考慮到具體使用感受的因素希望與現存的水暖炕技術相結合，在解決北方農村取暖問題上有所創新和突破。

3 北方農村采暖方式的優化

3.1 改造優化方向

1)供能方式優化。

針對以上幾個原因，我們認為對采暖方式進行優化的根本就要改變傳統火炕和電熱炕污染不節能的能源方式，采用更加清潔高效的天然氣能源和生物燃料。構建規模合理、安全可靠的農村取暖系統，提高農村清潔取暖水平[3]。

2)控制系統優化。

生物燃料和天然氣兩種供能方式相結合，通過控制系統來選擇。同時，控制系統還有控制開關、缺水報警、智能加熱等功能以及控制溫度恒溫、防止干燒等優點。

3)炕板材料優化。

對現有的炕板材料進行優化，改變原有材料——紅磚土坯的導熱慢、使用年限短等缺點，選擇導熱快保溫好的、耐高溫承壓好的材料，并且考慮到使用感受方面，認為水暖的形式比傳統的固體導熱的土炕和電熱炕更加舒適。

3.2 具體優化方案

1)供能裝置的改造。

可使用秸稈高效節能爐作為主要供能裝置，天然氣加熱器作為輔助供能裝置。

秸稈高效節能爐的工作過程是將可燃物放入料箱中，經過處理后，再由給料箱輸送到反應爐中進行燃燒，然后產生大量的一氧化碳和氫氣，并將這些氣體引入凈化分離器中，以進行焦油去除，除塵和脫水的凈化程序，從而產生高質量的氣體，然后將其通過管道系統輸送到加熱裝置中。并且原料隨處可見，所有干燥的農作物秸稈、谷殼、玉米芯、雜草、木材、鋸末、曬干的牛糞及垃圾等任何可燃物均可用來生產燃氣；無煙無塵、經濟實用[4]。我國秸稈的燃燒,本就是環境治理中的一大難題，該節能爐不僅可減少秸稈燃燒對農村環境的污染，保護環境，保護大自然，又能使農戶用上便宜且高質量的燃氣來為室內供暖設備提供熱量(見圖3)。

天然氣加熱器目前已經廣泛應用于人們的日常生活中，其具有比較完備的技術。這種熱水器的工作原理是使冷水進入熱水器，燃氣經供應系統作用后進入爐膛，將燃氣熱水器燃燒器點燃：其實行程序控制，自動控制和自動保護程度較高，調節方便，燃燒穩定，維持燃燒器的正常燃燒(見圖4)。

2)控制系統的改造。

使用智能控制系統(如圖5所示)，實現傳統土炕的智控升級，即控制溫度，控制開關，供能方式自由切換等功能。改造升級后的水暖的控制系統采用了PTC水電分離加熱，超靜音水泵循環，恒溫智能控制系統作為加熱驅動端；控制器與熱炕板管路配件連接加純凈水即可使用，通過PTC管路加熱器將水加熱，輸送到熱水炕板中傳熱。控制器有防止干燒、缺水報警、智能加熱、恒溫控制等功能。

3)炕板材料的改造。

另外炕板內還采用傳導循環系統：由水泵和熱水管閥門組成，在溫控器的控制下，水泵進行循環工作，保證水溫恒定。選用鍍鋁鋅板和環保聚氨酯發泡料以及PERT地暖管和銅接頭等經濟實用的材料代替傳統的土炕所用的水泥砂漿，保證水暖炕的導熱恒溫效果，且使得該水暖炕輻射面溫度均勻,供熱半徑大,對房屋各種不同結構的適應性強,便于控制[5](見圖6)。

3.3 預期達到效果

1)減少環境污染。

秸稈高效節能爐做主要供能裝置、天然氣做輔助供能。前者所用燃料均為秸稈、玉米芯等可再生能源，減少了煤炭、木材的使用，減少了大量秸稈露天焚燒帶來的環境污染。節能爐的燃料充分燃燒，也可降低不充分燃燒產生的有毒有害氣體對人體的危害。

煙灰處理系統會自動收集煙灰并凈化除塵，不會因燃燒導致室內灰塵遍布。

2)對人體危害小。

新型水暖炕以秸稈燃燒和天然氣燃燒方式供能，不會像其他以電供能的水暖炕對人體產生輻射，也不會像電暖炕有漏電危險。亦不會因為燃燒時室內空氣干燥，給使用者帶來不適感。煙灰處理系統可清理燃燒產生的灰塵，阻止其進入人體呼吸道，對人體造成傷害。新型水暖炕的控制系統亦可防止干燒，阻止干燒帶來的一系列危害。

3)室內溫度保持恒溫。

新型水暖炕的控制系統可以恒溫智能控制，保持室內溫度穩定，不會過高或者過低，為使用者提供一個舒適的，適合居住的溫度。

4 結論和展望報告

經過深入研究及探索，我國北方農村冬季單獨供暖帶來的環境問題以及使用感受等方面的問題亟待解決，并且將國家努力改善人居環境的方針放在首位，從實際出發探索創新出真正利民惠民、環保高效的農村供暖設備，選擇綠色安全的燃料，改進傳統加熱方式、提高熱量傳輸效率還有對操作系統的人性化改進都是方案設計過程中考慮的方向和重點，才是解決目前面臨的人居環境治理難題的根本之策。