夏熱冬冷地區農宅冬季清潔采暖方案對比分析★

張雨秋，金 星，張 嵩，周 欣，石 邢

（1.東南大學建筑學院，江蘇 南京 210096； 2.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092）

2021年2月21日，中央一號文件《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》［1］正式發布，為加快我國農村生產生活方式綠色轉型提供了堅強有力的保障。農村地區能源變革與農村的發展息息相關，在開展鄉村振興戰略的新時代，農村能源革命是重要的著力點，在鄉村振興的宏偉藍圖中將占據重要位置。其中，農村清潔采暖問題是農村能源變革的關鍵。

相對于南方夏熱冬冷地區而言，北方農村的清潔采暖工作已經初見成效。以京津冀及周邊典型華北寒冷地區為例，其所采用的清潔熱源替代方式以 “煤改氣” “煤改電” 為主，輔以 “煤改生物質” 等方案［2-3］。相對而言，南方夏熱冬冷地區冬季清潔采暖工作則發展較緩，該地區冬季采暖問題未受到足夠重視。這是由于大多數南方地區冬季時間較短，部分地區不足一個月，然后就逐漸進入春季。然而，隨著人民生活水平的日益提高，南方地區采暖問題的關注點已經從是否需要采暖逐漸轉移到如何實現采暖，以及選擇何種方案等實踐應用層面［4］。但同時需要認識到，不同于北方地區應用較為廣泛的集中采暖模式，南方大多數地區采用分戶式采暖模式。而且相比于北方地區，我國南方地區農村住宅圍護結構的保溫性能普遍較差。因此，針對該地區的特殊需求和實際情況，在兼顧清潔性與適宜性的同時，選擇何種采暖方案是一個急需解決的問題。

基于上述分析，本文將以浙南某農村地區的典型農宅為例，根據其冬季采暖需求，提供幾種便于農戶自主改造的采暖方案作為選擇，并對其經濟性、污染物與碳排放量以及地區適宜性等方面進行詳細分析，最終優選得到適宜可行的采暖方案，以期為我國南方夏熱冬冷地區農村冬季采暖方案的選擇和確定提供參考和借鑒。

1 研究對象與方法

1.1 典型農宅

本文以位于浙江省麗水市的某典型磚木結構農宅為模擬對象，如圖1所示。該典型農宅坐北朝南，占地面積為88 m2，共計4個房間，分別為客廳（24 m2），餐廚用房（24 m2），臥室1（20 m2），臥室2（20 m2），其中，客廳與臥室均有采暖需求，餐廚用房無采暖需求。具體設定的圍護結構熱工參數如表1所示。

圖1 典型農宅平面圖

表1 典型農宅圍護結構熱工參數

1.2 采暖方案

目前市面上常見的清潔采暖方案主要有如下幾類：空氣源熱泵、電輻射采暖設備、燃料型采暖設備、光伏采暖設備等。首先，絕大多數南方農村地區無燃氣管道入戶，且分戶式燃氣采暖在該地區推廣性較差，故而燃料型采暖設備方案中排除了燃氣采暖；其次，由于所選取的浙南農村地區具有多云等氣候條件特征，全年平均云覆蓋比例約為45%，從而導致該地區全年平均太陽輻射量較低，不適宜利用太陽能，因此本研究也排除了光伏采暖設備。

空氣源熱泵技術是一種以消耗一部分高品位能源為補償，使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。其安裝步驟簡單，使用操作方便。對于長江以南的夏熱冬冷地區，其冬季平均氣溫約在5℃，此氣候特點有利于空氣源熱泵的使用［5］。

輻射式采暖設備是一種以紅外輻射熱的形式進行加熱的采暖裝置。具有輕便靈活、體積小、重量輕、易于拆裝搬運且升溫加熱速度快等特點，契合農村用戶不同時間段在農宅內不同房間的間歇性采暖需求。

燃料采暖設備種類較多，除燃氣型采暖設備之外，其余按照所使用的燃料類型不同，可分為潔凈型煤采暖設備與生物質顆粒采暖設備兩種。潔凈型煤是指將粉碎的煤料與固硫劑、黏結劑等通過合理配比混合從而改變原煤理化性質，經適當的工藝和設備加工成型，使其成為具有一定幾何形狀和尺寸的煤制品。由于物理性質和化學性質的改變，潔凈型煤燃燒能夠充分燃燒，降低污染物排放，是散煤替代的重要燃料。生物質顆粒是利用農林廢棄物為原材料，經過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝制作成型，且可直接燃燒的一種新型清潔燃料。以上兩類燃料型采暖爐適用于面積不太大的房間冬季采暖，其主要特點是需要在采暖爐之外再安裝煙囪管道，以此將燃料燃燒過程中產生的煙氣排至室外；其次，燃料型采暖設備往往需要在一個采暖季開始之前購買并儲存好當季所需的燃料，農村地區較大面積的住宅恰好為其提供了燃料儲存所需的空間［6］。

綜上所述，根據市場調查與南方夏熱冬冷地區農村的區域特點，擬選擇三大類共六種采暖方案，即：空氣源熱泵（壁掛式空氣源熱泵、立式空氣源熱泵），電輻射采暖設備（電輻射暖爐/桌、遠紅外電暖氣），燃料采暖設備（生物質顆粒采暖爐、潔凈型煤采暖爐），如圖2所示。

1.3 研究方法

本文通過EnergyPlus能耗模擬軟件，對上述農宅在典型氣象年條件下進行能耗模擬，從而得到其冬季采暖能耗，然后根據不同類型采暖設備的熱效率計算出運行能耗，由此得到所對應的運行費用，再結合采暖設備的初始投資與使用年限，可計算得到不同采暖設備的費用年值，以此作為其經濟性評價指標。同時根據其運行能耗計算出不同種類的能源所產生的污染物與碳排放量，并將其用于環保性評價。

費用年值法是不同項目方案經濟性對比評價的高效方法。該方法是將某一運行方案生命周期內不同階段產生的所有費用支出，按基準收益率換算成等值的支付序列年費用，即費用現值年金化，運用該數值的大小對方案的優劣進行分析評價［7］。本文采用費用年值法對不同的現代采暖設備植入方案進行比較，將不同方案的初始投資折算為年值后再與年運行費相加得到費用年值。計算方法如式（1），式（2）所示。

其中，M為按照動態計算法計算的費用年值，元/a；n為植入方案中采暖設備種類；xk為采暖設備的投資效果系數，a-1；Nk為采暖設備的初始投資資金，元；C為采暖設備的年運行費用，元/a；i為標準收益率；m為采暖設備的使用年限，a。

不同采暖方案的污染物與碳排放來源主要有電力、煤炭與生物質顆粒等，本文利用排放因子法估算采暖運行過程中所耗電能間接產生或燃料燃燒直接產生的污染物排放，擬選用PM2.5，SO2，NOx，CO和CO2作為主要研究對象，計算方法如式（3），式（4）所示［8］。

其中，EFE-x為單位燃料能量排放的污染物的量，g/kJ；EFx為單位質量燃料排放的污染物的量，g/kg；HV為燃料熱值，kJ/kg；EFU-x為單位有效能排放的污染物的量；η為采暖設備熱效率。

綜合《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》［9］與《中國電力行業年度發展報告2019》［10］中列出的排放指標以及有關排放因子的文獻研究［11-12］，整理出部分生活能源污染物排放因子如表2所示。

表2 部分能源污染物排放因子

2 結果與分析

2.1 能耗模擬結果

農宅所處地區為浙南地區，處于我國夏熱冬冷熱工分區的南部區域，冬季農宅室內溫度設定為全天保持16℃，采暖時間為11月～來年1月。經過模擬計算結果所得（見圖3），典型農宅冬季采暖累計耗熱量為1 686.08 kW·h，整個采暖時段的平均熱負荷為11.93 W/m2。

圖3 典型農宅各月耗熱量

2.2 經濟性對比

本文主要研究對象是南方夏熱冬冷地區現代采暖設備植入方案的選擇，現就只針對其經濟性方面展開對比分析。在確定典型農宅之后，根據所選用的六種采暖設備方案進行選擇，主要影響評價參數有初始投資成本與運行成本，運行成本主要由單位燃料價格/電價，能源利用率，使用年限等條件所決定。各方案最終的經濟性評價參數為其所對應的費用年值。

本文首先調研了上述六種采暖方案應用于農村市場時銷量較好的各類設備品牌型號，然后以各類設備的價格中值作為每類采暖設備的初始投資成本。以圖4中第一列數據為例，其初始投資成本的最大值與最小值分別位于該列的上下兩端，即6 799元與1 899元；其箱體的上下兩端分別代表該組數據中的75%與25%，即該組初始投資成本中第三個四分位數4 274元與第一個四分位數2 124元。

圖4 六種采暖方案的初始投資成本選值

由圖4可得，壁掛式空氣源熱泵的初始投資成本中值為2 499元，立式空氣源熱泵為4 999元，電輻射暖爐/桌為599元，遠紅外電暖氣為1 825元，生物質顆粒采暖爐為1 388元，潔凈型煤采暖爐為1 600元。

作為上述采暖設備運行成本的主要影響因素，該地區的平均電價與各單位燃料價格分別如下：單位電價為0.538元/（kW·h），單位生物質顆粒燃料均價約為0.95元/kg，單位燃煤均價約為1.6元/kg。各采暖方案的經濟性對比結果如表3所示。

表3 六種采暖方案的經濟性對比

由表3可知，空氣源熱泵采暖設備的初始投資成本相對較高，額定制熱功率相對于其他兩類采暖設備，屬于居中范圍。鑒于其在南方夏熱冬冷地區運行，除霜過程對空氣源熱泵能源利用率的影響減弱，COP值在3.2左右，從而使得其年運行成本最低，考慮到其使用壽命相對較長，因此其費用年值在上述三類采暖設備中較低，壁掛式空氣源熱泵與立式空氣源熱泵分別為475.78元與668.16元。

電輻射采暖設備的初始投資成本相對較低，但能源利用率最低，運行費用最高，且使用壽命相對較短，因此導致其費用年值最高。電輻射暖爐/桌與遠紅外電暖氣的費用年值分別為1 225.46元與1 298.77元。

燃料采暖設備的初始投資費用相較于空氣源熱泵低，年運行費用與費用年值與空氣源熱泵費用較為相近，生物質顆粒采暖爐與潔凈型煤采暖爐的費用年值分別為510.85元與521.26元。

因此，單從經濟性的角度來看，壁掛式空氣源熱泵和生物質顆粒采暖爐的經濟性最好，電輻射采暖設備的經濟性最差。

2.3 污染物與碳排放量對比

上述六種采暖設備在冬季采暖運行中所產生的污染物排放情況如表4所示。其中，空氣源熱泵與電輻射采暖設備使用能源均為電網供電，其污染物排放為間接式排放，按照電廠側排放因子計算。燃料采暖設備則均為直接式排放，按照直算法進行計算。

由表4可知，壁掛式空氣源熱泵除產生一定量的CO2，其余污染物的排放量均最少，立式空氣源熱泵的排放量與之相比有略微增加；電輻射采暖設備產生的CO2排放量最高；生物質顆粒燃料為零碳排放燃料，在冬季采暖運行時長內可視為無CO2排放，SO2的排放量也屬于微量；潔凈型煤采暖爐的SO2與CO2的排放量最高。

表4 六種采暖方案污染物排放情況

因此，從污染物排放角度來看，空氣源熱泵和生物質顆粒采暖爐的環保性最好，電輻射采暖設備與潔凈型煤采暖爐的環保性最差。

2.4 采暖方案適宜性討論

空氣源熱泵作為一種成熟的采暖方案，推廣應用已較為普及?？筛鶕洳煌姆块g面積大小與使用需求選擇與之相匹配功率的空氣源熱泵，且設備安裝較為簡單，在使用過程中，能夠 “隨開隨用，隨關隨?！?，較為符合農村地區農戶的間歇性供暖特征的使用模式，具有一定的節能減排之潛力。同時，相較于北方農村地區，南方農村地區的冬季溫度相對較高，約在5℃，因此其空氣源熱泵的電輔加熱頻率相對較低，制熱效率也相對較高，較為適合在南方農村地區運行使用。

電輻射采暖設備同樣也具備即時啟停的特性，符合農村用能習慣。然而，其能源使用效率較低，若只采用此類采暖設備進行冬季采暖，將造成大量的能源浪費以及較高的運行成本，其適合輔助其他兩類采暖設備進行配合使用，滿足農戶在較短時間段內的局部采暖需求。

生物質顆粒采暖爐與潔凈型煤采暖爐都屬于燃料采暖設備，兩者均符合傳統的農村采暖用能習慣，在采暖的同時也可滿足部分的炊事與生活熱水需求。其中，生物質顆粒采暖爐更加契合南方農村地區生物質顆粒原材料較多的地區特性，將原本直接進行燃燒處理的秸稈樹枝等原材料進行再處理，提高燃燒效率的同時，也減少了直接燃燒的大量污染排放。因此，此采暖方案適合在農林生物質資源豐富的南方農村地區推廣使用。

3 結論

本文通過能耗模擬與費用年值等方法，對南方農村地區較為常見的三類共計六種清潔采暖方案進行了經濟性、污染物與碳排放量以及地區適宜性的對比分析。研究結論如下：

潔凈型煤采暖爐雖然在經濟性方面表現相對較好，但是其污染物排放量相對較大，且潔凈型煤屬于不可再生燃料，不符合目前推行的可持續性發展的低碳節能減排目標。

電輻射采暖設備由于其能源利用率較低，導致其運行成本與費用年值均較高，運行經濟性較差，不宜于作為單獨的采暖設備方案?？紤]到其初始投資成本相對較低，因此可考慮與空氣源熱泵和生物質顆粒采暖爐進行配合使用，彌補其在局部房間的短時間采暖需求。

空氣源熱泵采暖方案與生物質顆粒采暖爐方案的費用年值相對較低，具有經濟性方面的優勢，符合大部分農村地區優先考慮價格較低的采暖方案的特點?？諝庠礋岜迷谖廴疚锱欧欧矫姹憩F較好，而生物質顆粒則是零碳排放燃料，兩者均有利于清潔減排的可持續性目標的實現。適宜性方面，南方農村地區冬季的相對較高的溫度也有利于空氣源熱泵的運行與能源利用效率的提高，同時，南方農村地區豐富的農林資源也為生物質顆粒提供了大量的原材料，有利于生物質顆粒采暖爐方案在該地區實現貨源供應鏈的完整與可復制性。