沈陽市農村地區清潔取暖改造需求分析*

滕 聰 劉 輝 左雨凝

(1.中國建筑科學研究院有限公司,北京;2.建科環能科技有限公司,北京;3.沈陽建筑大學,沈陽)

0 引言

2017年起,財政部、住房和城鄉建設部、環境保護部、國家能源局等四部委開始北方地區冬季清潔取暖試點工作[1],前期試點城市主要集中在京津冀及周邊地區和汾渭平原地區。2021年,首次將東三省、內蒙古、甘肅、青海、寧夏、新疆等8個省(自治區)納入支持范圍[2],截至目前,已評選出5批共計88個試點城市。

由于農村基礎設施、能源供應及農戶經濟條件等限制,農村供熱清潔化改造成為清潔取暖工作的重點和難點。許多學者就農村地區清潔取暖技術措施適宜性[3-5]、試點城市政策實施與經驗總結[6-8]、清潔能源供熱系統應用效果[9-12]等方面展開了研究,但鮮有針對東北農村地區清潔取暖改造需求的全面分析。東北地區冬季室外溫度相較京津冀、汾渭平原等地區低,對取暖設備性能、供熱效果、使用成本等都提出了更高要求,且東北地區納入國家支持范圍時間較短,暫無大規模實施清潔取暖改造的成熟經驗可循。因此,明確嚴寒地區農村供熱需求,對選擇確定適用的清潔取暖技術路徑、科學合理推進東北農村地區清潔取暖工作、確保改造長效可持續尤為重要。

本文首先開展現狀調研,針對農村常住人口、房屋建設年代、圍護結構特點、供暖方式、供暖成本等內容進行大規模問卷調查和現場調研,并對供暖季室內溫度進行了監測;其次,通過構建典型農房模型分析計算供暖負荷;然后,根據沈陽地區供暖季室外溫度特點,分析了空氣源熱泵在東北地區的適用性;最后,歸納總結了沈陽農村地區清潔取暖需求,為清潔取暖改造方式和設備選型提供準確依據和技術指導。

1 現狀調研

筆者所在課題組在沈陽市遼中區、新民市、康平縣、法庫縣4個遠郊區(縣、市)開展調研,在市、區兩級政府部門的配合下,共發放調研問卷818份,收回有效問卷746份。調研涉及基本信息、建筑圍護結構形式、供暖現狀及成本。

1.1 基本信息

根據調研結果統計,沈陽市農村地區每戶常住人口普遍為2人,占比59.7%,常住人口以50歲以上中老年人居多。農戶家庭年總收入大多在 2萬～4萬元。房屋建設年代以20世紀80年代和90年代為主,面積大多為70～110 m2,占比68.5%。普遍為坐北朝南單層建筑,主要為兩間臥室加過廳的三開間布局,將廚房等輔助房間置于建筑北側,減少臥室北墻冷風滲透。

1.2 建筑圍護結構形式

農房圍護結構調研結果如表1所示。其中,磚混形式建筑占比達到89.6%,外墻厚度絕大部分為370 mm,大多無外保溫,外窗以雙層塑鋼窗居多。為增加房屋保溫防風性能,約40%的農戶采取了增設門斗或陽光間等方式提高冬季室內溫度。此外,調研中發現很多農戶在冬季采用塑料薄膜對外門、窗進行密封,以減少室內熱量散失。

表1 農房圍護結構調研結果

1.3 供暖現狀及成本

沈陽位于嚴寒C區,供暖季為11月1日至3月31日,共151 d,根據EnergyPlus導出的氣象參數,沈陽市典型年室外最低溫度為-23.4 ℃。

調研發現,沈陽農村地區絕大多數農戶采用戶用小鍋爐取暖,以散煤和秸稈為燃料,多數僅在臥室及過廳設置散熱器。小鍋爐排煙與炊事灶臺煙氣通過炕下煙道向臥室補充熱量,供暖系統如圖1、2所示。農戶冬季取暖散煤用量基本在2～3 t范圍內,按照2020年沈陽市供暖季散煤價格650元/t計算,農戶冬季購置散煤費用約為1 300～1 950元,大多數農戶冬季散煤取暖費用在2 000元以下,結合基本信息調研中家庭年收入的調研結果,農戶年供暖費用基本占家庭年總收入的5%左右,一般不超過8%。

圖1 沈陽農村地區傳統供暖小煤爐

圖2 沈陽農村地區傳統供暖系統原理圖[13]

2 供暖效果監測

為評估傳統供暖形式的實際供暖效果,選擇5戶代表性農戶開展供暖季室內溫度監測,監測戶建筑圍護結構形式均為370 mm實心磚墻及塑鋼雙層外窗,面積均為90～100 m2,監測儀器放置在常住臥室距離地面1.5 m處,數據采集間隔為30 min。監測農戶的具體情況見表2。

表2 監測農戶概況

沈陽市供暖季從11月1日開始,但很多農戶出于經濟性考慮,11月取暖設備使用時間很短,故選取12月至次年3月的監測結果進行分析(見圖3)。

圖3 溫度監測結果

從圖3可以看出,12月為供暖季初期,室外月平均溫度為-1.3 ℃,室內平均溫度為14.7 ℃;1、2月為供暖季中期,極寒天氣較多,室外月平均溫度分別為-11.4、-10.6 ℃,室內平均溫度分別為11.7、12.1 ℃;3月為供暖季末期,室外平均溫度為0.6 ℃,室內平均溫度為14.3 ℃。GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》規定,嚴寒地區主要功能房間的冬季室內計算溫度為14 ℃[14]。可是,盡管供暖季初、末期的室內溫度可以達到14 ℃,但農戶依然穿著毛衣、棉衣及棉褲,并感覺室內較涼。

3 典型建筑供暖負荷計算

根據調研結果,構建典型農宅模型進行供暖負荷模擬計算。典型農宅總面積約90 m2、層高3 m,建筑布局見圖4,圍護結構相關參數見表3。沈陽市供暖室外計算溫度為-16.9 ℃,根據GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》[14]和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[15]關于主要房間供暖室內設計溫度不低于14 ℃和18 ℃的不同要求,分別進行負荷計算。

圖4 典型建筑示意圖

表3 典型建筑圍護結構熱工參數

典型建筑的供暖設計負荷計算結果如表4所示。當室內設計溫度為14 ℃時,平均熱負荷指標為110.81 W/m2,總供暖負荷為7.29 kW;當室內設計溫度為18 ℃時,平均熱負荷指標為132.85 W/m2,總供暖負荷為8.74 kW。

表4 典型建筑供暖負荷

4 空氣源熱泵結霜分析

空氣源熱泵在京津冀農村地區清潔取暖改造中得到廣泛應用[16],在燃氣壁掛爐、蓄熱式電暖氣等常見的農村分散取暖清潔化改造方式中,其經濟性最好、返煤風險最低[17]。近年來隨著技術進步,低溫型空氣源熱泵發展迅速[18],我國也制定了相關標準規范并提出了性能要求[19-20],應用區域逐步向東北、內蒙古等嚴寒地區擴展。但空氣源熱泵的結霜問題直接影響設備性能,成為嚴寒地區推廣應用時需考慮的重點問題之一。

北京供暖季結霜時間為1 034 h,占供暖季時長比例為35.03%;西安作為北方典型的高濕度城市,供暖季結霜時間為1 414 h,占供暖季時長比例為58.92%[21]。2021年沈陽市供暖季室外溫度和相對濕度小時數見圖5,沈陽地區變頻空氣源熱泵結霜分布圖譜見圖6,整個供暖季結霜時間為746 h,占供暖季時長比例為20.59%。

圖5 2021年沈陽市供暖季室外溫度和相對濕度小時數

圖6 沈陽地區變頻空氣源熱泵的結霜分布圖譜

5 結論與建議

隨著清潔取暖逐步從京津冀及周邊地區和汾渭平原地區擴展到東北等地區,選擇確定適合嚴寒地區的農村清潔取暖技術路徑對于改善大氣質量,促進農村清潔取暖長效可持續發展尤為重要。本文通過研究分析,針對沈陽農村地區清潔取暖改造需求提出如下結論和建議:

1) 沈陽典型年室外最低溫度為-23.4 ℃,而2010—2019年期間,包括沈陽在內的遼中南城市群熱島強度在2 ℃左右波動[22],結合相關規范要求,沈陽市農村地區的清潔取暖設備在采購時,應嚴格把關設備效率,確保在-25 ℃時能正常工作。

2) 根據沈陽市農村居民經濟條件和取暖支出現狀的調研結果,結合宋玲玲等人關于京津冀等重點地區35個清潔取暖試點城市農村居民可承受的平均取暖支出的研究結論[23],建議清潔取暖改造后,農戶每個供暖季運行費用宜保持在2 000元以下,使農戶實際承擔的費用與現有供暖成本接近,否則應設置相應的運行補貼政策,以確保清潔取暖改造可承受、可持續。

3) 根據調研數據及供暖季室內溫度監測結果,同時考慮農村居民對室內熱舒適要求會隨著社會發展逐漸提高,建議對農村建筑進行負荷計算時,供暖室內設計溫度采用18 ℃,并參考平均熱負荷指標(132.85 W/m2)來進行清潔取暖設備選型。

4) 隨著技術進步,低環境溫度下空氣源熱泵機組性能已得到了很大提高。在沈陽農村,變頻空氣源熱泵機組結霜時長比例相較于北京、西安顯著降低,具有一定的適用性和推廣優勢。