北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖方式分析

柯國華，張 濤，劉麗珍

（北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京 100011）

北京市居民生活用能及家庭用能占全市總能耗的比重不斷提高，2010-2017年，人均生活用能從650.2 kg標(biāo)煤逐年上升至781.5 kg標(biāo)煤，增幅為20.2%[1]。采暖是北京市農(nóng)村家庭耗能最大的生活項(xiàng)目，占整個(gè)生活用能的2/3[2]。

與城市不同，農(nóng)村地區(qū)受地理位置、人口密度和經(jīng)濟(jì)水平影響，不具備建設(shè)大規(guī)模集中供暖的客觀基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來，農(nóng)村地區(qū)嚴(yán)重依賴分散燃煤，采暖設(shè)備單一、能耗較高，造成了突出的環(huán)境污染問題。實(shí)施清潔能源供暖能夠充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，提高民生水平，對(duì)全面實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要意義。

本文對(duì)北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖方式進(jìn)行分析，探討目前供暖方式的特點(diǎn)及存在的問題，分析各種方式的經(jīng)濟(jì)性，希望對(duì)北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖的可持續(xù)發(fā)展具有借鑒作用。

1 北京市農(nóng)村家庭清潔能源類型

清潔能源包含兩方面內(nèi)容：一是可再生能源，消耗后可得到補(bǔ)充，不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生污染物，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?；二是非可再生能源，在生產(chǎn)消費(fèi)過程中盡可能減少對(duì)環(huán)境污染，包括使用低污染化石能源（如天然氣）和利用清潔能源技術(shù)處理過的化石能源，如潔凈煤等。

北京農(nóng)村家庭生活消費(fèi)的清潔能源主要有電能、地?zé)崮?、太陽能、天然氣等。隨著改造工程的深入推進(jìn)，農(nóng)村家庭能源結(jié)構(gòu)也在發(fā)生巨大變化，煤炭用量下降顯著，電力和天然氣用量大幅上升，液化石油用量明顯增加，其他能源用量也有所增長(zhǎng)。

2 北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖方式分析

2.1 北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖實(shí)施情況

北京市于2016-2018年集中在農(nóng)村地區(qū)實(shí)施“煤改清潔能源”。自2013年以來，全市已累計(jì)完成2 237個(gè)村莊、約90萬戶住戶的“無煤化”改造任務(wù)，減少散煤燃燒約270萬t[3]。

2018年，北京繼續(xù)實(shí)施農(nóng)村地區(qū)冬季清潔取暖工作，完成農(nóng)村地區(qū)450個(gè)村莊的“煤改清潔能源”任務(wù)[4]。至2018年底，北京市累計(jì)完成2 700個(gè)村莊、約110萬戶改造工作，基本完成平原地區(qū)村莊的“煤改清潔能源”任務(wù)，提前完成2020年基本實(shí)現(xiàn)平原地區(qū)村莊無煤化的工作目標(biāo)，并積極推進(jìn)山區(qū)村莊試點(diǎn)工作。

2.2 北京市農(nóng)村家庭清潔能源供暖方式及特點(diǎn)

北京市是典型的大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，太陽輻照較豐富，冬季寒冷干燥。在政策支持和市場(chǎng)需求共同推動(dòng)下，農(nóng)村地區(qū)開始探索能源利用新方式并大規(guī)模運(yùn)用清潔能源。

2.2.1 空氣源熱泵供暖

按散熱末端不同，空氣源熱泵分為熱水型和熱風(fēng)型[5]。前者散熱末端對(duì)應(yīng)采暖散熱器、地暖，后者對(duì)應(yīng)落地式風(fēng)機(jī)盤管。熱水型供暖是北京市采用的主要形式。該技術(shù)以室外空氣為熱源，高效節(jié)能、全生命周期成本費(fèi)用低，具有操作簡(jiǎn)單、清潔衛(wèi)生，電網(wǎng)升級(jí)費(fèi)用低等特點(diǎn)。

2.2.2 淺層地?zé)崮軣岜霉┡?/p>

淺層地?zé)崮軣岜霉┡譃榈叵滤礋岜孟到y(tǒng)和土壤源地埋管熱泵系統(tǒng)。淺層地?zé)峋哂新癫販\、分布廣、資源量大、便于開發(fā)、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)[6]。能效高，對(duì)電網(wǎng)增容要求不高，通過熱泵機(jī)組消耗1 kW的電能可形成3～4 kW熱能，效率高（300%～400%）。此外，淺層地?zé)崮苄阅茌^穩(wěn)定，受環(huán)境溫度變化影響小。

2.2.3 太陽能熱水集熱器+電輔助供暖

在光照充足時(shí)，以太陽能熱水集熱器實(shí)現(xiàn)供暖。當(dāng)陰雨天、光照不足或夜間時(shí)，采暖系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電輔助加熱使儲(chǔ)水箱內(nèi)水溫上升，當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電輔助加熱自動(dòng)關(guān)閉。該技術(shù)具有綠色環(huán)保、智能控制、能源互補(bǔ)等特點(diǎn)。

2.2.4 蓄能式電暖器供暖

蓄能式電暖器利用夜間谷電在8～10 h內(nèi)完成電、熱能量轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存，在峰電時(shí)段，以輻射、對(duì)流方式將熱量釋放出來，以實(shí)現(xiàn)全天室內(nèi)供暖，達(dá)到低谷蓄能、峰時(shí)供暖的目的。蓄能式電暖器產(chǎn)品的價(jià)格便宜，初投資費(fèi)用較低，安裝方便，調(diào)控靈活。與直熱式電暖器所耗電能差不多，但可利用低價(jià)谷電，故總體經(jīng)濟(jì)性較好。

2.2.5 燃?xì)獗趻鞝t供暖

燃?xì)獗趻鞝t采暖是一種單元化、獨(dú)立式的采暖方式，按用途分為單采暖型和采暖熱水兩用型，當(dāng)天然氣或液化石油氣燃燒充分時(shí)，對(duì)環(huán)境的影響較小。壁掛爐采暖不受傳統(tǒng)采暖時(shí)間限制，技術(shù)成熟，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，能適應(yīng)頻繁啟停的要求。

2.2.6 優(yōu)質(zhì)燃煤供暖

燃煤采暖爐爐體放置在室外或太陽房?jī)?nèi)，可解決燃煤爐易使人煤氣中毒的問題。暖氣片散熱可避免室內(nèi)不衛(wèi)生的缺點(diǎn)，而且不占空間。該技術(shù)的初期投資非常低，且無需電力改造、燃?xì)馀渌?，適合遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的偏遠(yuǎn)村莊。

2.3 使用情況及存在問題

2.3.1 空氣源熱泵供暖

北京市2016年“煤改電”19.8萬戶中有15.1萬戶使用空氣源熱泵，約占全市“煤改清潔能源”總量的66.5%，占改電總戶數(shù)的76.3%，裝機(jī)16.1萬臺(tái)套，且有約95%農(nóng)戶采用各類采暖散熱器作為散熱末端。2017年，北京市“煤改電”27.2萬戶，約占全市“煤改清潔能源”總量的73.7%，熱泵類產(chǎn)品裝機(jī)36.9萬臺(tái)套。

實(shí)際運(yùn)行中，空氣源熱泵存在無霜除霜、有霜不除、除霜不盡等現(xiàn)象，有的機(jī)組一天除霜達(dá)到20次以上，有的機(jī)組一天零除霜，造成機(jī)組制熱量衰減，能效下降，耗電量增加。若機(jī)組安裝在院內(nèi)且靠近臥室處，噪聲問題不可忽視[7]。

2.3.2 淺層地?zé)崮軣岜霉┡?/p>

北京市農(nóng)村“煤改電”項(xiàng)目地源熱泵市場(chǎng)集中在海淀區(qū)和門頭溝區(qū)。2016年，“煤改電”地源熱泵2 139戶，占總改電戶數(shù)的1.07%。2017年，地源熱泵產(chǎn)品約6 700臺(tái)套，含159臺(tái)700 kW大型地源熱泵機(jī)組，約占改電總量的1.8%。

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用初始投資主要涵蓋土建、設(shè)備、安裝等，其綜合成本相對(duì)較高，每平方米初始投資在300～400元。淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用在規(guī)劃、政策、標(biāo)準(zhǔn)等方面有待完善。

2.3.3 太陽能熱水集熱器+電輔助供暖

北京市農(nóng)村地區(qū)冬季清潔取暖中對(duì)太陽能熱利用有明確的支持政策，在大興、平谷等區(qū)安裝了太陽能熱水集熱器+電輔助供暖系統(tǒng)，目前北京市共有約7 000戶采用該種供暖方式。太陽能具有間歇性，需與輔助熱源配套使用，增加了采暖費(fèi)用。炎熱的夏季存在過熱現(xiàn)象，冬季需采取管道排空、管道強(qiáng)制循環(huán)、管路電伴熱、防凍液等方法防凍。

2.3.4 蓄能式電暖器供暖

受房屋條件及技術(shù)條件的限制，早期電采暖產(chǎn)品較單一，大多為蓄能式電暖器產(chǎn)品。自2013年起，北京市在郊區(qū)縣農(nóng)村推廣使用蓄能式電暖器。2016年完成的19.9萬戶“煤改電”中，蓄能式電暖器4.43萬戶，占總改電戶數(shù)的22.30%；2017年實(shí)施的27.2萬戶“煤改電”中已基本無蓄能式電暖器。

相對(duì)于熱泵采暖方式，蓄能式電暖器本身不節(jié)約電能，雖可利用峰谷電價(jià)，但耗電量和采暖費(fèi)用明顯偏高，蓄能能力有限，只適用于小面積房間。

2.3.5 燃?xì)獗趻鞝t供暖

2017年，北京市完成“煤改氣”201個(gè)村，9.7萬戶，約占“煤改清潔能源”總戶數(shù)的26.3%，壁掛爐使用量超過10萬臺(tái)且均以天然氣為燃料。北京市要求燃?xì)獗趻鞝t產(chǎn)品必須達(dá)到一級(jí)能效等級(jí)，氮氧化物排放控制在50 mg/（kW·h）以下。對(duì)農(nóng)村地區(qū)，由于操作方法不當(dāng)或自身安全意識(shí)不強(qiáng)等因素，使用天然氣的過程中存在安全隱患。

2.3.6 優(yōu)質(zhì)燃煤供暖

在不易施行“煤改電”和“煤改氣”的偏遠(yuǎn)村莊，可選用燃煤采暖爐與優(yōu)質(zhì)燃煤替代原有爐具和劣質(zhì)煤。目前，預(yù)計(jì)約1 200個(gè)村莊采用優(yōu)質(zhì)燃煤供暖，但存在污染物排放、使用舒適度差、安全性差和容易煤氣中毒等問題。

2.4 經(jīng)濟(jì)分析

供暖方式的經(jīng)濟(jì)分析可從供暖系統(tǒng)初投資和使用費(fèi)用兩方面考慮。為使各種供暖方式具有統(tǒng)一的比較基準(zhǔn)，供暖系統(tǒng)初始投資以供暖面積按100 m2考慮，使用費(fèi)用以“*元/（m2·供暖季）”為基準(zhǔn)，并參考近年來北京市“煤改清潔能源”工作中政府對(duì)各設(shè)備的招標(biāo)及中標(biāo)價(jià)格。設(shè)備使用壽命根據(jù)有關(guān)法規(guī)或產(chǎn)品常規(guī)使用年限而定。

表1中，空氣源熱泵、淺層地?zé)崮軣岜?、蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t的供暖費(fèi)用均根據(jù)熱泵供暖技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展高峰論壇北京市農(nóng)委提供的資料整理。在整個(gè)供暖期內(nèi)，空氣源熱泵、淺層地?zé)崮軣岜煤托钅苁诫娕鞯膯挝幻娣e供暖耗電量分別為60 kW·h/（m2·供暖季）、30 kW·h/（m2·供暖季）和190 kW·h/（m2·供暖季）。其中，峰、谷電價(jià)格分別約為0.49元/（kW·h）、0.1元/（kW·h）。

對(duì)于燃?xì)獗趻鞝t，供暖期內(nèi)單位面積消耗燃?xì)饬繛?0.8 m3/（m2·供暖季），考慮燃?xì)鈨r(jià)格補(bǔ)貼及燃?xì)庾圆膳a(bǔ)貼等政策后，增至13.8元/（m2·供暖季）。優(yōu)質(zhì)燃煤在市區(qū)兩級(jí)財(cái)政補(bǔ)貼后村民自籌部分價(jià)格不一，但均控制在300～600元/t。按平均價(jià)格450元/t來算，100 m2的采暖面積每個(gè)供暖季需優(yōu)質(zhì)燃煤約3.5 t，則供暖費(fèi)用為1 575元/供暖季。

3 結(jié)論

空氣源熱泵、淺層地?zé)崮軣岜霉┡哂休^高的舒適性、能源利用效率和較低的使用費(fèi)用，但在降低投資和保障低溫天氣高效穩(wěn)定運(yùn)行方面需進(jìn)一步開展研究?？諝庠礋岜霉┡疁剌^低，若配置輻射地板會(huì)更加舒適、節(jié)能；在地質(zhì)條件允許時(shí)，建議優(yōu)先使用淺層地?zé)崮軣岜茫茝V冬季取暖與夏季制冷并舉。

為保證夜間用能需求，應(yīng)提高太陽能熱水集熱器+電輔助系統(tǒng)集成程度和日間集熱效率。蓄能式電暖器耗能過高，不具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)，不適于采暖面積較大的農(nóng)村家庭。燃?xì)獗趻鞝t采暖具有環(huán)保、靈活等特點(diǎn)，需進(jìn)一步明確農(nóng)村家庭燃?xì)獠膳a(bǔ)貼相關(guān)政策；對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施欠發(fā)達(dá)地區(qū)，可推廣以液化石油氣為燃料的壁掛爐，并制定相關(guān)補(bǔ)貼政策。優(yōu)質(zhì)燃煤采暖投資低，但污染是所有供暖方式中最為嚴(yán)重的，只可作為北京市嚴(yán)寒山區(qū)的過渡供暖方式。人們應(yīng)積極開展環(huán)保、高效采暖技術(shù)和設(shè)備研發(fā)，逐步替代燃煤采暖。由于每種清潔能源采暖方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，建議開展多種清潔能源綜合利用供暖的研究，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以更有利于節(jié)能和環(huán)保。