北方農村地區采暖技術碳排放比較分析★

王子博，苑 翔，陳 斌，楊銘遠，符 天

(北方工業大學,北京 100144)

“雙碳”目標提出以來,社會各行業都為目標的實現制訂行之有效的技術路徑和行動方案。建筑領域是碳排放的重點領域之一,根據中國建筑節能協會《中國建筑能耗研究報告(2020)》顯示,2018年全國建筑全過程能耗總量21.47億噸標準煤,占全國能源消費總量的46.5%,2018年全國建筑全過程碳排放總量49.3億噸二氧化碳,占全國碳排放比重的51.3%。實現建筑領域的碳中和,對我國完成雙碳目標至關重要。

我國建筑運行能耗一直維持在社會總能耗的20%～25%,北方城鎮建筑采暖和農村生活用煤約為1.6億噸標煤/a,北方城鎮采暖能耗約占全國建筑總能耗的36%,為建筑能源消耗的最大組成部分[1]。據不完全統計,在我國1.6億戶農村居民家庭中,采取分散采暖模式的約有9 300萬戶,其中燃煤采暖約6 600萬戶,年散煤使用量約2億t～3億t,占到煤炭終端消費量的10%左右[2]。解決北方農村采暖中的散煤治理不僅是環境治理的需要,也是改善農村生活水平,加強農村建設的需要。近年來,針對農村散煤治理問題,替代散煤燃燒的新型采暖技術不斷的實踐,根據實際的技術應用效果來看,沒有一項單一的技術能夠完全解決散煤問題[3]。

本文針對農村采暖技術,選取目前應用較為廣泛的幾項技術,即散煤燃燒、燃氣壁掛爐、生物質顆粒爐、蓄熱式電采暖、空氣源熱泵和生物質-空氣源耦合系統等6項技術,從經濟性和碳排放量的角度,對比分析各項采暖技術的優勢和劣勢,為農村采暖的散煤治理問題提供技術參考。

1 技術原理分析

1)天然氣采暖技術。農村地區可采用的天然氣采暖主要采用天然氣壁掛爐的形式,此系統通過燃氣燃燒提供合適的熱水供給散熱設備和熱水,系統簡單,易控制,室溫控制好,沒有灰渣。但是在沒有燃氣管道的農村地區,需要重新鋪設室外天然氣干管和引至農戶室內的支管,有時需要用LNG,且燃氣價格貴,采暖費用高。

2)生物質顆粒采暖爐。該生產技術及設備的研發已經發展成熟,系統簡單,初投資少,顆粒燃燒后有灰渣,是散煤采暖爐的理想替代品,有的地區甚至直接用散煤采暖爐來燃燒生物質顆粒來采暖,生物質顆粒的熱值與散煤相當,價格比散煤稍貴。

農村小型生物質顆粒小型爐具的能效只有20%～30%左右,不超過40%,系統能效低,另外,由于中國糧食安全問題,生物質原料的來源一直是生物質能利用的瓶頸問題,因此,采用以固體生物質能為主,其他可再生能源相補充的互補型能源系統,是一項實用并符合國情的技術選擇[4-5]。

3)蓄熱式電采暖。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。從節能原理來講,直接用電采暖并不是一項節能技術。系統簡單、初投資少、對電力容量要求高、系統耗電量大、采暖費用高、系統無污染、無排放物。在電力不充足的地區不適宜大規模應用。

4)空氣源熱泵采暖。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,系統與家用空調原理相同,系統簡單、初投資高、系統設計技術要求高。影響空氣源熱泵機組性能的主要因素包括運行環境條件和冷凝溫度,室外空氣溫度低的情況下,系統COP值較低,采暖費用主要為電費,如果運行效果不好的情況下,采暖費較高。另外,若初選設備容量較大,則不僅初投資費用增加,運行效果也不好,采暖費也較高。

5)生物質-空氣源耦合系統采暖。采用空氣源熱泵機組、生物質燃燒裝置耦合集成系統,由電力驅動熱泵,聯合生物質燃燒供熱系統,通過煙氣-水換熱器進行低溫煙氣的熱回收,采用熱泵技術進行溫度的提升,可利用峰谷電價差,節省供熱總費用,系統熱能利用率高,節能效果明顯,能夠廣泛的推廣應用于中小型供熱系統。生物質燃燒爐-空氣源熱泵耦合系統見圖1。

系統集成了各能源的優勢,可以實現優勢互補,充分利用了生物質成型燃料的熱能,既提高了生物質燃料的利用率,同時還提高了空氣源熱泵的效率,缺點是生物質來源不穩定,系統控制難度大,初投資較高。

另外,采用太陽能采暖也是一項重要的選型,但是由于太陽能的利用只能在太陽能充足地區,太陽能熱密度小,不適合單獨作為一項采暖技術,可以作為輔助采暖技術。

表1提供了各單項技術的評價指標。評價指標從能源資源量和獲取、技術性能、經濟效益和政策適應性等幾個方面進行設置。

表1 農村清潔采暖技術評價

從表1的評價中可以看出,農村地區的供暖系統應遵循簡單適用、安全可靠和經濟運行的原則,并不是越復雜的系統越具有優勢,單一的技術優缺點比較明顯,因此,能源互補的方式更具有優勢。

2 碳排放計算模型

以“聯合國政府間氣候變化專門委員會”(Intergovernmental Panel on Climate Change,以下簡稱IPCC)所提出的碳排放計算模型最為廣泛認可,其具體形式如下:

排放量=活動水平×活動因子。

根據IPCC的碳排放計算模型,能源消費碳排放量可以表示為:

C=Q×EF

(1)

其中,C為能源消費的碳排放量,kgCO2;Q為能源消耗量;EF為對應能源的碳排放因子。

以農村建筑的采暖散煤量為基準,其他的采暖技術所消耗的能耗量與基準量進行對比,則某項技術消耗的能耗量為:

Qi=βQ0/η

(2)

其中,Qi為第i類采暖技術的能耗量;β為不同種類能源轉換系數;Q0為以散煤為采暖能源的能耗量,kgce;η為采用第i類采暖能源形式時的設備效率。

把不同種類的能源形式的能耗量轉換為統一的能源單位,通過分析碳排放量,結合各類能源利用形式的經濟性,可分析各類采暖技術的適用性。

3 實例分析

以北方寒冷地區某農村的100 m2居住建筑為例,根據實際測試數據,該建筑的采暖季的采暖能耗量為8.4 t原煤(煙煤),按照其低位熱值5 000大卡/kg來估算,其采暖季的熱量為6 t標煤的熱量,以6 t標煤的熱量再去計算其他供暖技術的能耗量。原煤的供暖設備采用小型采暖爐,其熱效率取市場上比較高的效率值60%來計算,原煤的市場價格按照500元/t來計算。如表2所示為不同采暖技術的年能耗量及能源費用比較表。

表2中列舉了煙煤采暖、天然氣采暖、空氣源熱泵采暖、生物質(秸稈)、生物質(硬木)和生物質(硬木)+空氣能等6種采暖形式,以實際統計數據的煙煤能耗量為基準,換算成標煤,然后再換算成各種形式燃料的消耗量。其中,天然氣壁掛爐的設備效率采用市場上比較高的75%的效率;空氣源熱泵采暖形式的COP值選取設備較高值3,以空氣源熱泵的最大優勢參與比較;生物質(硬木)+空氣能采暖系統按照生物質與空氣能承擔負荷比例為2∶1的設定值來計算,其系統綜合效率可達到85%。

根據表2中計算出來的燃料能耗量,計算各燃料的碳排放量。首先需要確定碳排放因子:

1)煙煤和天然氣的碳排放因子根據《建筑碳排放計算方法》中規定取值[6]。2)發電的碳排放因子根據生態環境部最新公布的《關于做好2023—2025年發電行業企業溫室氣體排放報告管理有關工作的通知》(環辦氣候函[2023]43號)取值[7],文件中公布的全國電網平均碳排放因子為0.570 3 t CO2/(MW·h)。3)固體生物質的取值按照《建筑碳排放計算方法》中的規定,低值為84.7 t CO2/TJ,高值為117 t CO2/TJ,標準中規定的值為固體生物質燃燒時排放的CO2量,但是固體生物質燃料在生長過程中吸收CO2,燃料完全燃燒時,吸收量和排放量是相等的,只在生產和運輸中有少量的CO2產生,根據統計,其生產和運輸過程中占燃燒時的量為5%～10%[8-9],因此,取燃燒時CO2排放量的10%作為固體生物質全生命周期的碳排放量,秸稈生物質取低值,硬木生物質取高值。各類燃料的碳排放計算結果如表3所示。

表3 各類燃料的碳排放計算表

綜合表2,表3的計算結果可以看出,煙煤碳排放量是15.6 t,在所有對比的燃料種類中碳排放量是最大的,采用空氣源熱泵的碳排放量比煙煤排放量要小,但是比天然氣的碳排放量要大,這是由于我國的電網發電主要是以煤為主的能源結構,而天然氣的碳排放量比煙煤的排放量要減少50%左右。在所對比的燃料中,固體生物質能的碳排放量是最小的,這是因為生物質燃料在全生命周期內的碳排放接近于零碳排放。生物質(硬木)+空氣能采暖系統的碳排放比單純采用生物質能的采暖形式要減少50%左右。從經濟性來看,雖然天然氣的碳排放量比較低,但是年能源費用是最高的,采用空氣源熱泵的能源費用次之,生物質(硬木)+空氣能的系統能源效率較高,因此其能源費用要低于生物質能和空氣源熱泵,而碳排放量最高的煙煤的年能源費用是最低的。

4 結語

通過對不同種類的北方農村地區采暖技術進行碳排放量和經濟性比較,可以看出,采用煙煤的采暖形式,其排放量是最高的,采用生物質能的采暖技術,其碳排放量最低,但是由于生物質能的小型采暖設備效率比較低,生物質的可獲取量相對較小,其經濟性比生物質+空氣能采暖技術差,綜合碳排放量和經濟性兩種因素考慮,采用能源互補型的生物質+空氣能技術是一種比較適宜北方農村地區的采暖技術。