依靠科技創(chuàng)新引導農村能源合理利用

文｜遼寧省科技廳

隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快，農民和城市居民生活方式越來越趨同，傳統(tǒng)的能源不能滿足農村生活用能。農村能源貧困卻是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中無法回避的問題。

一、我國農村能源問題面臨哪些挑戰(zhàn)？

1.村鎮(zhèn)商品能源消費比例增大，化石能源消耗加速。

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和社會主義新農村生活水平的提高，北方村鎮(zhèn)地區(qū)采暖用煤呈現較大增長趨勢，農村建筑冬季建筑取暖能耗約占生活耗能的80%；南方農村地區(qū)夏季空調已廣泛普及，長江三角、珠江三角及浙江部分農村地區(qū)已出現了農村簡單復制城市用能模式的現象，這些地區(qū)農村單位建筑面積能耗高于城市建筑能耗，使用商品能源的比例大于80%。

與城市相比，農村地區(qū)煤炭、電力等商品能源消耗量雖然所占比例較小，但增長迅猛，且薪柴、秸稈等部分非商品能源陸續(xù)被燃煤等常規(guī)商品能源所替代。不同地區(qū)的農村能源消費結構有較大差異，經濟愈發(fā)達、生物質資源越不豐富的地區(qū)，商品能消費比例越高。農村地區(qū)對商品能源如煤炭、電力、石油的需求增長超過了傳統(tǒng)的非商品能源（秸稈、薪柴），農村生活用能中生物質能所占比重由1990年的79.5%下降到2014年的40%。如果農村用能簡單照搬城市模式，完全依靠常規(guī)能源，則我國商品能源消耗量將再增加10%以上，建筑用能將增加50%～70%。同時對非可再生能源的依賴以及對秸稈和薪柴直接燃燒利用，對大氣產生嚴重的危害，易于誘發(fā)和加重“霧霾”天氣。

隨著居民對生產生活水平的提高總量增長速度越來越快，如何充分利用村鎮(zhèn)豐富的生物質資源和太陽能資源滿足供熱，照明，炊事，甚至小型電動設備儲能需求，削減能源開支甚至作為附近城鎮(zhèn)區(qū)域能源的供應區(qū)域，實現區(qū)域的清潔利用也是未來村鎮(zhèn)綠色宜居建設重點層面。

2.村鎮(zhèn)建筑室內熱環(huán)境惡劣，建筑材料和供能設備落后，建筑用能效率低。

盡管村鎮(zhèn)地區(qū)能源消耗逐年增加，但相對城市，村鎮(zhèn)建筑室內熱環(huán)境惡劣，采暖建筑冬季室溫普遍只能到達5-15℃，南方建筑一般沒有常規(guī)降溫措施，夏季室溫普遍高于30℃以上，居住舒適性極差。主要原因是村鎮(zhèn)建筑外墻基本沒有保溫結構，建筑外門、窗熱工性能和氣密性較差。我國北方地區(qū)村鎮(zhèn)的采暖方式單一，采暖設備簡陋，技術落后，生活用能中燃燒效率過低在村鎮(zhèn)是普遍存在的現象。在北方村鎮(zhèn)地區(qū)常用的傳統(tǒng)落地炕和土暖氣效率較低，大量能源白白浪費，造成很多能量損失。多數農戶直接利用未經加工的天然燃料，燃料的利用效率進一步降低。隨著村鎮(zhèn)經濟的逐漸發(fā)展，農民在建新房中逐漸提高了節(jié)能意識，在2000年以后新建的住房中逐漸開始自發(fā)地加強圍護結構的保溫隔熱措施，如外墻和屋頂加苯板保溫層，采用塑鋼門窗代替?zhèn)鹘y(tǒng)木門窗，提高門窗的氣密性，開始推廣使用吊炕代替?zhèn)鹘y(tǒng)落地炕，提高熱效率等節(jié)能措施。室內環(huán)境狀況稍有改善，但多數仍未達到舒適要求。因此研究如何在不明顯提高村鎮(zhèn)建筑用能水平的前提下，通過圍護結構、生活方式、用能方式的優(yōu)化顯著改善村鎮(zhèn)居民居住環(huán)境，是村鎮(zhèn)建筑節(jié)能關鍵技術研究的主要任務。

村鎮(zhèn)地區(qū)住宅由于用能量變化范圍大，隨機性大，受生活習慣的影響不同用戶之間差別非常突出。對能源系統(tǒng)尤其炊事，供熱的需求模式不能一刀切。并且村鎮(zhèn)與城市的生活方式和基礎條件不一樣，比如村鎮(zhèn)住宅房間分非采暖房間、臨時采暖房間、短期居住房間、長期采暖房間等，不能像城市住宅一樣保證整套房屋，其供熱時間空間上的變化造成采用的技術標準和手段不能單純仿照城市標準和做法。

3.村鎮(zhèn)可再生能源資源豐富，但應用方式單一，利用技術水平低

廣大村鎮(zhèn)地區(qū)存在豐富多樣的可再生能源資源，特別是生物質資源每年可獲得相當于73億噸標準煤的能量，全國2/3地區(qū)太陽能資源高于II類，秸稈、薪柴、糞便等生物質能源豐富，生物質能源的生成物可被充分利用，但受技術和經濟條件所限，村鎮(zhèn)可再生能源的應用還處在一個相當低的水平,村鎮(zhèn)的秸稈和樹木等生物質能源大部分通過直接燃燒來做飯和取暖，能源利用率很低，只有10%-15%，資源浪費嚴重。太陽能利用多局限于太陽能熱水系統(tǒng)，生物質能源除秸稈等直接燃燒和沼氣外，缺乏其他高效環(huán)保的應用方式。

目前可再生建筑應用的發(fā)展已進入瓶頸階段，可再生能源在建筑中的實際應用效果并不顯著，表現為用能效率較低；技術堆砌現象嚴重，集成水平低；技術應用配套水平低；可再生能源前沿技術應用水平低。

供能方式受到環(huán)境和資源的影響，均有一定的局限性，會受制于某項技術發(fā)展的瓶頸，難以實現能源的分段梯級利用，得到最大的經濟收益，進而進行推廣應用。而結合多種可再生能源各自的優(yōu)點，采用太陽能、相變儲能和地熱能耦合互補，進行村鎮(zhèn)建筑物供暖以及生活熱水應用，可實現建筑用能的全部可再生化，并最大限度地進行能源梯級利用，提高建筑用能的能效比，這方面的研究尚不多見，存在很大技術空白，且在多種可再生能源技術的耦合、控制、評估和監(jiān)測技術的應用和工程化方面的問題亟待解決。

我國村鎮(zhèn)住宅建筑能耗增長迅速，能源利用形式單一、建筑室內舒適性差，如不采取有效措施降低村鎮(zhèn)地區(qū)的商品能源消耗，將會出現村鎮(zhèn)與城市爭奪煤炭、電力等有限商品能源的局面，對整個中國的能源安全造成沖擊。村鎮(zhèn)能源供應形勢非常嚴峻，村鎮(zhèn)用能已成為制約我國村鎮(zhèn)經濟、社會、環(huán)境和持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，這一問題會更加突出。

二、北方地區(qū)村鎮(zhèn)能源利用技術創(chuàng)新取得哪些進展？

遼寧省科技廳組織科技人員針對北方地區(qū)的村鎮(zhèn)住宅用能方式、蓄能材料優(yōu)選和封裝、能源系統(tǒng)優(yōu)化集成和室內通風、不同經濟條件水平的村鎮(zhèn)住宅冬季供熱采暖技術等方面開展聯合攻關，研究了高效蓄熱火炕、高效蓄熱火墻、高效相變蓄熱火炕火墻耦合供暖系統(tǒng)、相變蓄能火炕聯合毛細管網型太陽能輔熱系統(tǒng)供暖系統(tǒng)、低能耗通風換氣技術、適用于老舊住宅單獨房間的火墻式火炕供熱采暖技術、內置集熱器火墻式火炕熱水采暖復合供熱技術、內置集熱器柴灶+火炕+熱水采暖復合供熱技術（開發(fā)的第二代一體化柴灶，炊事采暖一體化解決方案使生物質能源利用率可達到80%）、村鎮(zhèn)太陽能建筑蓄熱地面采暖技術、太陽能生物質能互補集成供熱技術等。

1.完成了中華人民共和國行業(yè)標準《農村火炕系統(tǒng)通用技術規(guī)程》的編制和實施工作。

依據該技術規(guī)程指導新建或改造火炕系統(tǒng)在遼寧省由縣到村得到了大力推廣，培訓了一批村鎮(zhèn)火炕技術人員，其中采用高效蓄熱火炕、高效蓄熱火墻、高效相變蓄熱火炕火墻耦合供暖系統(tǒng)、相變蓄能火炕聯合毛細管網型太陽能輔熱系統(tǒng)供暖系統(tǒng)和低能耗通風換氣技術在遼寧省丹東、遼中、朝陽等地八個縣二十個村進行了推廣。以上技術的推廣，可以有效促進可持續(xù)能源的利用，降低了不可再生能源的消耗，節(jié)約傳統(tǒng)能源16%，明顯改善居民的生活水平，取得了顯著的經濟效益和社會效益，為最終實現主動式可再生能源利用、房屋被動式節(jié)能技術與房屋設計相協(xié)調，形成村鎮(zhèn)綠色宜居建筑綜合解決方案奠定基礎。

2.在生物質氣化方面，開展了秸稈發(fā)電的項目。該項目以秸稈為原料采用氣化方法生產燃氣，經過多重凈化的燃氣輸送至燃氣發(fā)電機組發(fā)電。燃氣產自氣化爐，并流經以下主要設備：氣化爐——雙豎管——一級電捕焦油器——洗滌塔——二級電捕焦油器——干式脫硫塔——濕式儲氣柜——燃氣發(fā)電機。完成典型項目為高郵秸稈氣化發(fā)電項目。該項目的秸稈消耗量30000 噸/年；最大產氣能力10000立方米每小時；燃氣熱值5.740兆焦每立方米(1371kcal) ；發(fā)電機組容量4000千瓦；年發(fā)電量2800 萬度；年上網電量2400 萬度等。

3.改造燃煤鍋爐，建設生物質鍋爐采暖。沈陽陳相屯鍋爐房、錦州義縣鍋爐房、清河門鍋爐房因不具備電力增容施工條件，將全部拆除，然后新建生物質鍋爐。陳相屯鍋爐房主要供陳相屯火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為7400平方米；義縣鍋爐房主要供義縣火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為32656平方米；清河門鍋爐房主要供清河門火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為10627平方米。依據地方供熱概算指標，結合管網熱損情況，陳相屯鍋爐房及清河門鍋爐房新建生物質鍋爐，額定功率均初步選定為1.4兆瓦，義縣鍋爐房新建生物質鍋爐額定功率初步選定為4.2MW。這將形成有效的示范作用。

4.在村鎮(zhèn)固體電蓄熱供熱系統(tǒng)采暖研究方面，完成了多個鍋爐房系統(tǒng)改建。新建鍋爐房均將采用固體電蓄熱供熱系統(tǒng)，利用夜間10小時谷電時間進行蓄熱，實現削峰填谷。

三、面向鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，面對農村能源形式，必須展開科技創(chuàng)新，需要從哪些方面推進？

面向我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略發(fā)展的需求，研究我國能源建設、村鎮(zhèn)發(fā)展具有重大影響和應用前景的村鎮(zhèn)新能源開發(fā)與節(jié)能關鍵技術，開發(fā)適合我國北方村鎮(zhèn)特點的可再生能源利用集成模式、村鎮(zhèn)生物質能綜合利用方法和節(jié)能產品、低碳建筑圍護結構體系、能量轉換關鍵技術。整體提升可再生能源建筑一體化設計水平，提高可再生能源在更高節(jié)能目標建筑中的能源效率。建立多種可再生能源互補耦合、供能系統(tǒng)優(yōu)化控制和評價體系，實現太陽能、地（水）源熱泵、空氣源熱泵、生物質能等可再生能源產業(yè)升級。通過多種可再生能源示范項目進行集成示范，實現可再生能源在建筑中的高效應用，提高可再生能源在建筑領域中的比重，減少碳排放，實現低碳化綠色建筑節(jié)能示范，為城鎮(zhèn)化建設提供多種用能系統(tǒng)解決方案。初步構建我國村鎮(zhèn)新能源利用和節(jié)能技術體系，擴大可再生能源的利用規(guī)模，為村鎮(zhèn)能源供應開創(chuàng)出一條新路。

具體可以通過開展以下技術創(chuàng)新性工作，推進綠色宜居村鎮(zhèn)建設。

1.村鎮(zhèn)清潔可再生能源開發(fā)利用集成模式研究。

通過實現對村鎮(zhèn)地區(qū)能源需求預測分析，與能源可持續(xù)供應規(guī)劃設計，以太陽能、熱泵、天然氣和生物質為核心，以相變儲能技術為橋梁，依據“因地制宜、多能互補、綜合利用、講求效益”的十六字方針，同時貫徹“節(jié)約與開發(fā)并重”的原則為村鎮(zhèn)做出綜合利用研究及分析?？蓪⑻柲芘c熱泵、地道風與熱泵、燃氣暖風與相變火炕等進行熱集成耦合得到高效、低排放、經濟的供能系統(tǒng)，分別對各個供能系統(tǒng)進行功能設計、性能分析和優(yōu)化、運行策略、節(jié)能減排效益、綜合評價方法和應用效果評價等方面進行關鍵技術攻關，實現對村鎮(zhèn)小型分布式能源站系統(tǒng)集成及優(yōu)化設計，提出適宜村鎮(zhèn)熱集成耦合供能系統(tǒng)，如基于相變儲能的熱泵與太陽能耦合供能系統(tǒng)、燃氣暖風與相變火炕耦合集成供暖系統(tǒng)和地道風與空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)、村鎮(zhèn)固體電蓄熱供熱系統(tǒng)采暖等。

2.村鎮(zhèn)生物質能綜合利用關鍵技術研究。

結合北方村鎮(zhèn)的自然條件、資源條件和技術條件，充分發(fā)揮生物質能易獲得、低污染等特性，相對傳統(tǒng)村鎮(zhèn)采暖形式，實現村鎮(zhèn)高效生物質用能設備開發(fā)及多元化系統(tǒng)集成研發(fā)，提出村鎮(zhèn)生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)、村鎮(zhèn)生物質鍋爐采暖、基于生物質成型燃料爐的農居一體化供暖系統(tǒng)等。采用理論分析、實驗測試、模擬分析、綜合評價等手段，研究分析村鎮(zhèn)生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)、村鎮(zhèn)生物質鍋爐采暖、基于生物質成型燃料爐的農居一體化供暖系統(tǒng)的可行性與效果，同時研究生物質成型燃料，生物質成型燃料爐，水暖床聯合供暖時的末端設備的性能以及系統(tǒng)對室內溫度和舒適度的影響，提出科學合理的生物質能利用方式與村鎮(zhèn)采暖節(jié)能新方案。

3.村鎮(zhèn)低碳建筑被動式結構體系關鍵技術研究與示范

通過調研總結分析我國各典型氣候區(qū)村鎮(zhèn)民用建筑圍護結構特點和存在問題，基于現行被動式建筑體系并結合墻體熱濕耦合遷移基本理論，建立具有動態(tài)調控溫濕性能的低碳復合圍護結構，研究新型低碳復合圍護結構體系綜合性能，提出適宜于村鎮(zhèn)建筑低碳建筑圍護結構體系；通過對圍護結構各影響因素的分析，基于層次分析法，建立村鎮(zhèn)低碳圍護結構綜合性能評價體系和應用效果評價，對圍護結構進行設計、施工和運行不同階段綜合性能進行評估。

4.村鎮(zhèn)低碳建筑能量轉換關鍵技術研究與示范

基于低碳環(huán)保的基本原則，設計和優(yōu)化適宜于村鎮(zhèn)建筑的新型供暖系統(tǒng)形式；設計和優(yōu)化低碳建筑太陽能熱水器蓄熱系統(tǒng)；對蓄熱系統(tǒng)中相變材料優(yōu)選方法和封裝方式進行研究，確定最佳封裝方式，并對其增強傳熱性能、穩(wěn)定性、安全性、經濟和環(huán)保性措施進行綜合性研究；開發(fā)研究一種適宜于村鎮(zhèn)建筑的高效節(jié)能環(huán)保的低碳建筑高效火炕/火墻技術，提出適宜于火炕/火墻系統(tǒng)的相變材料優(yōu)選和封裝方案；優(yōu)化火炕/火墻系統(tǒng)，提高其效率和經濟性，形成成套技術體系；設計火炕/火墻系統(tǒng)與其他可再生能源有效耦合熱集成技術，形成適用于村鎮(zhèn)建筑新型用能系統(tǒng)。

5.戶用型村鎮(zhèn)住宅可再生能源微網熱電冷三聯供系統(tǒng)研究與示范

充分利用清潔、可再生的風能、太陽能，將風電和光伏發(fā)電作為供暖電源，以遠紅外碳纖維發(fā)熱軟板作為能量轉換載體，腰炕（或地磚、地板）底下卵石層作為儲熱介質，建立村鎮(zhèn)住宅采暖系統(tǒng)新方案；冬季采暖，夏季并網發(fā)電，創(chuàng)建戶用型村鎮(zhèn)住宅微網熱電聯供系統(tǒng)。