夏热冬冷地区农宅冬季清洁采暖方案对比分析★
时间：2023-03-02 14:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
张雨秋，金 星，张 嵩，周 欣，石 邢
（1.东南大学建筑学院，江苏 南京 210096；
2.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092）
2021年2月21日，中央一号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》［1］正式发布，为加快我国农村生产生活方式绿色转型提供了坚强有力的保障。农村地区能源变革与农村的发展息息相关，在开展乡村振兴战略的新时代，农村能源革命是重要的着力点，在乡村振兴的宏伟蓝图中将占据重要位置。其中，农村清洁采暖问题是农村能源变革的关键。
相对于南方夏热冬冷地区而言，北方农村的清洁采暖工作已经初见成效。以京津冀及周边典型华北寒冷地区为例，其所采用的清洁热源替代方式以 “煤改气” “煤改电” 为主，辅以 “煤改生物质” 等方案［2-3］。相对而言，南方夏热冬冷地区冬季清洁采暖工作则发展较缓，该地区冬季采暖问题未受到足够重视。这是由于大多数南方地区冬季时间较短，部分地区不足一个月，然后就逐渐进入春季。然而，随着人民生活水平的日益提高，南方地区采暖问题的关注点已经从是否需要采暖逐渐转移到如何实现采暖，以及选择何种方案等实践应用层面［4］。但同时需要认识到，不同于北方地区应用较为广泛的集中采暖模式，南方大多数地区采用分户式采暖模式。而且相比于北方地区，我国南方地区农村住宅围护结构的保温性能普遍较差。因此，针对该地区的特殊需求和实际情况，在兼顾清洁性与适宜性的同时，选择何种采暖方案是一个急需解决的问题。
基于上述分析，本文将以浙南某农村地区的典型农宅为例，根据其冬季采暖需求，提供几种便于农户自主改造的采暖方案作为选择，并对其经济性、污染物与碳排放量以及地区适宜性等方面进行详细分析，最终优选得到适宜可行的采暖方案，以期为我国南方夏热冬冷地区农村冬季采暖方案的选择和确定提供参考和借鉴。
1.1 典型农宅
本文以位于浙江省丽水市的某典型砖木结构农宅为模拟对象，如图1所示。该典型农宅坐北朝南，占地面积为88 m2，共计4个房间，分别为客厅（24 m2），餐厨用房（24 m2），卧室1（20 m2），卧室2（20 m2），其中，客厅与卧室均有采暖需求，餐厨用房无采暖需求。具体设定的围护结构热工参数如表1所示。
图1 典型农宅平面图
表1 典型农宅围护结构热工参数
1.2 采暖方案
目前市面上常见的清洁采暖方案主要有如下几类：空气源热泵、电辐射采暖设备、燃料型采暖设备、光伏采暖设备等。首先，绝大多数南方农村地区无燃气管道入户，且分户式燃气采暖在该地区推广性较差，故而燃料型采暖设备方案中排除了燃气采暖；
其次，由于所选取的浙南农村地区具有多云等气候条件特征，全年平均云覆盖比例约为45%，从而导致该地区全年平均太阳辐射量较低，不适宜利用太阳能，因此本研究也排除了光伏采暖设备。
空气源热泵技术是一种以消耗一部分高品位能源为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其安装步骤简单，使用操作方便。对于长江以南的夏热冬冷地区，其冬季平均气温约在5℃，此气候特点有利于空气源热泵的使用［5］。
辐射式采暖设备是一种以红外辐射热的形式进行加热的采暖装置。具有轻便灵活、体积小、重量轻、易于拆装搬运且升温加热速度快等特点，契合农村用户不同时间段在农宅内不同房间的间歇性采暖需求。
燃料采暖设备种类较多，除燃气型采暖设备之外，其余按照所使用的燃料类型不同，可分为洁净型煤采暖设备与生物质颗粒采暖设备两种。洁净型煤是指将粉碎的煤料与固硫剂、黏结剂等通过合理配比混合从而改变原煤理化性质，经适当的工艺和设备加工成型，使其成为具有一定几何形状和尺寸的煤制品。由于物理性质和化学性质的改变，洁净型煤燃烧能够充分燃烧，降低污染物排放，是散煤替代的重要燃料。生物质颗粒是利用农林废弃物为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺制作成型，且可直接燃烧的一种新型清洁燃料。以上两类燃料型采暖炉适用于面积不太大的房间冬季采暖，其主要特点是需要在采暖炉之外再安装烟囱管道，以此将燃料燃烧过程中产生的烟气排至室外；
其次，燃料型采暖设备往往需要在一个采暖季开始之前购买并储存好当季所需的燃料，农村地区较大面积的住宅恰好为其提供了燃料储存所需的空间［6］。
综上所述，根据市场调查与南方夏热冬冷地区农村的区域特点，拟选择三大类共六种采暖方案，即：空气源热泵（壁挂式空气源热泵、立式空气源热泵），电辐射采暖设备（电辐射暖炉/桌、远红外电暖气），燃料采暖设备（生物质颗粒采暖炉、洁净型煤采暖炉），如图2所示。
1.3 研究方法
本文通过EnergyPlus能耗模拟软件，对上述农宅在典型气象年条件下进行能耗模拟，从而得到其冬季采暖能耗，然后根据不同类型采暖设备的热效率计算出运行能耗，由此得到所对应的运行费用，再结合采暖设备的初始投资与使用年限，可计算得到不同采暖设备的费用年值，以此作为其经济性评价指标。同时根据其运行能耗计算出不同种类的能源所产生的污染物与碳排放量，并将其用于环保性评价。
费用年值法是不同项目方案经济性对比评价的高效方法。该方法是将某一运行方案生命周期内不同阶段产生的所有费用支出，按基准收益率换算成等值的支付序列年费用，即费用现值年金化，运用该数值的大小对方案的优劣进行分析评价［7］。本文采用费用年值法对不同的现代采暖设备植入方案进行比较，将不同方案的初始投资折算为年值后再与年运行费相加得到费用年值。计算方法如式（1），式（2）所示。
其中，M为按照动态计算法计算的费用年值，元/a；
n为植入方案中采暖设备种类；
xk为采暖设备的投资效果系数，a-1；
Nk为采暖设备的初始投资资金，元；
C为采暖设备的年运行费用，元/a；
i为标准收益率；
m为采暖设备的使用年限，a。
不同采暖方案的污染物与碳排放来源主要有电力、煤炭与生物质颗粒等，本文利用排放因子法估算采暖运行过程中所耗电能间接产生或燃料燃烧直接产生的污染物排放，拟选用PM2.5，SO2，NOx，CO和CO2作为主要研究对象，计算方法如式（3），式（4）所示［8］。
其中，EFE-x为单位燃料能量排放的污染物的量，g/kJ；
EFx为单位质量燃料排放的污染物的量，g/kg；
HV为燃料热值，kJ/kg；
EFU-x为单位有效能排放的污染物的量；
η为采暖设备热效率。
综合《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》［9］与《中国电力行业年度发展报告2019》［10］中列出的排放指标以及有关排放因子的文献研究［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
2.1 能耗模拟结果
农宅所处地区为浙南地区，处于我国夏热冬冷热工分区的南部区域，冬季农宅室内温度设定为全天保持16℃，采暖时间为11月～来年1月。经过模拟计算结果所得（见图3），典型农宅冬季采暖累计耗热量为1 686.08 kW·h，整个采暖时段的平均热负荷为11.93 W/m2。
图3 典型农宅各月耗热量
2.2 经济性对比
本文主要研究对象是南方夏热冬冷地区现代采暖设备植入方案的选择，现就只针对其经济性方面展开对比分析。在确定典型农宅之后，根据所选用的六种采暖设备方案进行选择，主要影响评价参数有初始投资成本与运行成本，运行成本主要由单位燃料价格/电价，能源利用率，使用年限等条件所决定。各方案最终的经济性评价参数为其所对应的费用年值。
本文首先调研了上述六种采暖方案应用于农村市场时销量较好的各类设备品牌型号，然后以各类设备的价格中值作为每类采暖设备的初始投资成本。以图4中第一列数据为例，其初始投资成本的最大值与最小值分别位于该列的上下两端，即6 799元与1 899元；
其箱体的上下两端分别代表该组数据中的75%与25%，即该组初始投资成本中第三个四分位数4 274元与第一个四分位数2 124元。
图4 六种采暖方案的初始投资成本选值
由图4可得，壁挂式空气源热泵的初始投资成本中值为2 499元，立式空气源热泵为4 999元，电辐射暖炉/桌为599元，远红外电暖气为1 825元，生物质颗粒采暖炉为1 388元，洁净型煤采暖炉为1 600元。
作为上述采暖设备运行成本的主要影响因素，该地区的平均电价与各单位燃料价格分别如下：单位电价为0.538元/（kW·h），单位生物质颗粒燃料均价约为0.95元/kg，单位燃煤均价约为1.6元/kg。各采暖方案的经济性对比结果如表3所示。
表3 六种采暖方案的经济性对比
由表3可知，空气源热泵采暖设备的初始投资成本相对较高，额定制热功率相对于其他两类采暖设备，属于居中范围。鉴于其在南方夏热冬冷地区运行，除霜过程对空气源热泵能源利用率的影响减弱，COP值在3.2左右，从而使得其年运行成本最低，考虑到其使用寿命相对较长，因此其费用年值在上述三类采暖设备中较低，壁挂式空气源热泵与立式空气源热泵分别为475.78元与668.16元。
电辐射采暖设备的初始投资成本相对较低，但能源利用率最低，运行费用最高，且使用寿命相对较短，因此导致其费用年值最高。电辐射暖炉/桌与远红外电暖气的费用年值分别为1 225.46元与1 298.77元。
燃料采暖设备的初始投资费用相较于空气源热泵低，年运行费用与费用年值与空气源热泵费用较为相近，生物质颗粒采暖炉与洁净型煤采暖炉的费用年值分别为510.85元与521.26元。
因此，单从经济性的角度来看，壁挂式空气源热泵和生物质颗粒采暖炉的经济性最好，电辐射采暖设备的经济性最差。
2.3 污染物与碳排放量对比
上述六种采暖设备在冬季采暖运行中所产生的污染物排放情况如表4所示。其中，空气源热泵与电辐射采暖设备使用能源均为电网供电，其污染物排放为间接式排放，按照电厂侧排放因子计算。燃料采暖设备则均为直接式排放，按照直算法进行计算。
由表4可知，壁挂式空气源热泵除产生一定量的CO2，其余污染物的排放量均最少，立式空气源热泵的排放量与之相比有略微增加；
电辐射采暖设备产生的CO2排放量最高；
生物质颗粒燃料为零碳排放燃料，在冬季采暖运行时长内可视为无CO2排放，SO2的排放量也属于微量；
洁净型煤采暖炉的SO2与CO2的排放量最高。
表4 六种采暖方案污染物排放情况
因此，从污染物排放角度来看，空气源热泵和生物质颗粒采暖炉的环保性最好，电辐射采暖设备与洁净型煤采暖炉的环保性最差。
2.4 采暖方案适宜性讨论
空气源热泵作为一种成熟的采暖方案，推广应用已较为普及。可根据其不同的房间面积大小与使用需求选择与之相匹配功率的空气源热泵，且设备安装较为简单，在使用过程中，能够 “随开随用，随关随停” ，较为符合农村地区农户的间歇性供暖特征的使用模式，具有一定的节能减排之潜力。同时，相较于北方农村地区，南方农村地区的冬季温度相对较高，约在5℃，因此其空气源热泵的电辅加热频率相对较低，制热效率也相对较高，较为适合在南方农村地区运行使用。
电辐射采暖设备同样也具备即时启停的特性，符合农村用能习惯。然而，其能源使用效率较低，若只采用此类采暖设备进行冬季采暖，将造成大量的能源浪费以及较高的运行成本，其适合辅助其他两类采暖设备进行配合使用，满足农户在较短时间段内的局部采暖需求。
生物质颗粒采暖炉与洁净型煤采暖炉都属于燃料采暖设备，两者均符合传统的农村采暖用能习惯，在采暖的同时也可满足部分的炊事与生活热水需求。其中，生物质颗粒采暖炉更加契合南方农村地区生物质颗粒原材料较多的地区特性，将原本直接进行燃烧处理的秸秆树枝等原材料进行再处理，提高燃烧效率的同时，也减少了直接燃烧的大量污染排放。因此，此采暖方案适合在农林生物质资源丰富的南方农村地区推广使用。
本文通过能耗模拟与费用年值等方法，对南方农村地区较为常见的三类共计六种清洁采暖方案进行了经济性、污染物与碳排放量以及地区适宜性的对比分析。研究结论如下：
洁净型煤采暖炉虽然在经济性方面表现相对较好，但是其污染物排放量相对较大，且洁净型煤属于不可再生燃料，不符合目前推行的可持续性发展的低碳节能减排目标。
电辐射采暖设备由于其能源利用率较低，导致其运行成本与费用年值均较高，运行经济性较差，不宜于作为单独的采暖设备方案。考虑到其初始投资成本相对较低，因此可考虑与空气源热泵和生物质颗粒采暖炉进行配合使用，弥补其在局部房间的短时间采暖需求。
空气源热泵采暖方案与生物质颗粒采暖炉方案的费用年值相对较低，具有经济性方面的优势，符合大部分农村地区优先考虑价格较低的采暖方案的特点。空气源热泵在污染物排放方面表现较好，而生物质颗粒则是零碳排放燃料，两者均有利于清洁减排的可持续性目标的实现。适宜性方面，南方农村地区冬季的相对较高的温度也有利于空气源热泵的运行与能源利用效率的提高，同时，南方农村地区丰富的农林资源也为生物质颗粒提供了大量的原材料，有利于生物质颗粒采暖炉方案在该地区实现货源供应链的完整与可复制性。
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