北方農(nóng)村煤改清潔能源不同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能對(duì)比

單明，劉彥青，馬榮江，鄧夢(mèng)思，丁星利，楊旭東，章永潔，葉建東

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.北京市可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)會(huì)，北京 100084)

2016年12月21日習(xí)近平總書記在原中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議上提出，“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，關(guān)系北方地區(qū)廣大群眾溫暖過冬，關(guān)系霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容；要按照企業(yè)為主、政府推動(dòng)、居民可承受的方針，盡可能利用清潔能源，加快提高清潔取暖比重”[1]。北方農(nóng)村既有取暖方式主要以低效高污染的散煤燃燒為主，在浪費(fèi)大量化石能源的同時(shí)，還造成嚴(yán)重的室內(nèi)外空氣污染，故在北方農(nóng)村推進(jìn)清潔取暖對(duì)于降低取暖能耗、提高能源利用效率、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)意義重大。

2017年5 月，財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、原環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家能源局4部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展中央財(cái)政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作的通知》(財(cái)建〔2017〕238號(hào))[2]，北方地區(qū)冬季清潔取暖國(guó)家試點(diǎn)工作正式開始。2017年12月，國(guó)家10部委又印發(fā)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》[3]，其中對(duì)清潔取暖所涉及的能源種類、技術(shù)方案，以及未來4年內(nèi)的整體實(shí)施目標(biāo)等都做了一定的指導(dǎo)。但這些文件所給出的多為總體性建議原則，有關(guān)省區(qū)市農(nóng)村地區(qū)在能源稟賦、氣候特點(diǎn)、建筑形式、使用模式等都存在很大的差異性，還應(yīng)結(jié)合本地資金投入潛力和農(nóng)民意愿等因素的實(shí)際情況開展工作。因此，各地基本都是采取邊摸索、邊推進(jìn)的工作模式。

不同地區(qū)的農(nóng)宅采用不同清潔取暖技術(shù)時(shí)的實(shí)際運(yùn)行效果、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境的影響也各不相同。目前，北方農(nóng)村地區(qū)清潔取暖工作仍在大規(guī)模進(jìn)行中，針對(duì)不同技術(shù)開展科學(xué)、有效的評(píng)估，對(duì)各地區(qū)科學(xué)合理地選擇后續(xù)清潔取暖技術(shù)路徑，確保清潔取暖工作的順利開展和取得長(zhǎng)期實(shí)效都至關(guān)重要。本文結(jié)合過去幾年所開展的深入研究和實(shí)地工作，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 北方農(nóng)村煤改清潔能源主要技術(shù)

根據(jù)公開資料[4]，截至2018年底，京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原共完成清潔取暖改造1372.65萬戶，各試點(diǎn)省(市)清潔取暖改造完成情況如表1所示。從所采用的技術(shù)方案看，試點(diǎn)城市采用的清潔熱源替代方式以“煤改氣”“煤改電”為主，其他形式如“煤改熱”“煤改生物質(zhì)”等僅有少量試點(diǎn)。

本文將北方農(nóng)村地區(qū)目前所涉及的主流清潔取暖技術(shù)方案分為燃燒型、電驅(qū)動(dòng)型和多系統(tǒng)耦合型三種類型，其中燃燒型取暖系統(tǒng)包括燃?xì)鉄崴仩t(俗稱天然氣壁掛爐)、生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐；電驅(qū)動(dòng)型取暖系統(tǒng)包括蓄熱式電暖氣、低溫空氣源熱泵熱水機(jī)和低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)；多系統(tǒng)耦合型包括太陽能集熱器+低溫空氣源熱泵熱水機(jī)。下面分別對(duì)這幾種系統(tǒng)的工作原理做一簡(jiǎn)單介紹。

(1)技術(shù)方案一：天然氣壁掛爐

該系統(tǒng)利用商品化天然氣壁掛爐設(shè)備通過燃燒外網(wǎng)供應(yīng)的天然氣來加熱循環(huán)介質(zhì)(一般是水)并將其輸送至散熱末端進(jìn)行取暖。天然氣壁掛爐多安裝在廚房，煙囪連通室外以排放燃燒所產(chǎn)生的煙氣，如圖1所示；散熱末端一般采用農(nóng)宅既有的或改造后的散熱器或輻射地板。通常農(nóng)村地區(qū)沒有既有的天然氣輸送管網(wǎng)，需要重新鋪設(shè)室外天然氣干管和引至農(nóng)戶室內(nèi)的支管，氣源有管道天然氣和撬裝式液化天然氣(LNG)兩類。

表1 北方7省(市)完成清潔取暖改造情況(截至2018年底)

圖1 燃?xì)獗趻鞝t取暖系統(tǒng)原理圖

(2)技術(shù)方案二：生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐

圖2 生物質(zhì)顆粒燃料

該系統(tǒng)采用燃燒生物質(zhì)顆粒燃料(是指把不規(guī)則的農(nóng)林剩余物經(jīng)過處理加工成密實(shí)且尺寸較為一致的顆粒狀成型燃料，見圖2)的爐具加熱循環(huán)熱水并將其輸送至散熱末端進(jìn)行取暖。生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐需安裝在廚房或其他無人員長(zhǎng)期逗留的單獨(dú)房間內(nèi)，配置單獨(dú)與室外相連的煙囪以排放燃燒所產(chǎn)生的煙氣；散熱末端可采用農(nóng)宅既有的或改造后的散熱器或輻射地板；生物質(zhì)顆粒燃料可于每年取暖季開始前一次性購(gòu)買后存儲(chǔ)在農(nóng)戶室內(nèi)，爐具使用時(shí)需要做到每天及時(shí)加料和清灰。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐取暖系統(tǒng)原理圖

(3)技術(shù)方案三：蓄熱式電暖氣

該系統(tǒng)利用電阻元件直接將電能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行取暖，其中配有一定量的耐火磚、鐵塊等重質(zhì)材料蓄存夜間谷電所產(chǎn)生的熱量，待到白天進(jìn)行放熱，如圖4所示。如果所配置的重質(zhì)材料量不足，將導(dǎo)致設(shè)備蓄熱能力受限。由于其將建筑物全天的取暖需熱量壓縮到夜間時(shí)段獲取，因而所需的電加熱功率基本會(huì)翻倍，對(duì)配電容量的要求更高。

圖4 蓄熱式電暖氣取暖原理圖

(4)技術(shù)方案四：低溫空氣源熱泵熱水機(jī)

該系統(tǒng)采用電能驅(qū)動(dòng)，利用逆卡諾循環(huán)原理吸取室外空氣中的熱量連同電能轉(zhuǎn)化的熱量，通過冷媒循環(huán)不斷加熱熱水輸送至室內(nèi)散熱末端進(jìn)行循環(huán)取暖，末端可采用散熱器或地板輻射管等。低溫空氣源熱泵與家用空調(diào)器的基本原理相同，但它是以冬季取暖為主要目的進(jìn)行設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)較低室外氣溫下的良好制熱并有效解決了普通空調(diào)器冬季結(jié)霜嚴(yán)重的問題。低溫空氣源熱泵整個(gè)取暖季的平均能效可達(dá)2以上，但對(duì)電力穩(wěn)定性有一定要求。系統(tǒng)包括室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，兩者通過冷媒銅管相連，室內(nèi)機(jī)與取暖末端通過水管相連，如圖5所示。另外，低溫空氣源熱泵在低出水溫度下能效較高，其作為低溫?zé)嵩?一般出水溫度最高可達(dá)50℃以上，經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行溫度約40℃，運(yùn)行溫差約5℃)直接匹配既有的地板輻射管或落地式風(fēng)盤可取得較好的取暖效果。對(duì)于既有的老式散熱器，需要進(jìn)行增加散熱末端、輸送管道以及水泵等的技術(shù)改造。

圖5 空氣源熱泵熱水機(jī)組取暖系統(tǒng)原理圖

(5)技術(shù)方案五：低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)

該系統(tǒng)采用電能驅(qū)動(dòng)，利用逆卡諾循環(huán)原理吸取室外空氣中的熱量連同電轉(zhuǎn)化的熱量通過冷媒循環(huán)直接加熱室內(nèi)空氣循環(huán)取暖?？諝庠礋岜脽犸L(fēng)機(jī)室外機(jī)需安裝在通風(fēng)良好的室外，室內(nèi)機(jī)落地安裝在散熱良好的取暖房間，如圖6所示?？諝庠礋岜脽犸L(fēng)機(jī)在華北地區(qū)冬季氣候條件下的能效比可達(dá)2.5以上，且啟停方便、升溫快，可實(shí)現(xiàn)夏季供冷，不需要額外末端，具有按需靈活配置的特點(diǎn)，就像安裝單體壁掛空調(diào)器那樣簡(jiǎn)單，不需要穿墻打洞敷設(shè)循環(huán)水系統(tǒng)。

圖6 空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)取暖系統(tǒng)原理圖

(6)技術(shù)方案六：太陽能集熱器+低溫空氣源熱泵熱水機(jī)耦合系統(tǒng)

采用太陽能真空管加熱熱水輸送至室內(nèi)循環(huán)取暖，不足部分由低溫空氣源熱泵熱水機(jī)補(bǔ)充，末端可采用散熱器或地板輻射供暖，系統(tǒng)工作原理如圖7所示。由于太陽能的不穩(wěn)定性且夜間無法使用，空氣源熱泵熱水機(jī)需滿負(fù)荷匹配。

圖7 太陽能熱水采暖系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

2 研究方法

2.1 調(diào)研與實(shí)測(cè)

本文采用實(shí)地調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)示范和測(cè)試、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，通過將各種技術(shù)方案在實(shí)際農(nóng)宅中進(jìn)行示范和測(cè)試，獲取真實(shí)的農(nóng)宅基礎(chǔ)參數(shù)、初始投資和運(yùn)行數(shù)據(jù)等，所要對(duì)比分析的6種技術(shù)方案實(shí)際示范戶的基本情況如下：

方案1示范戶位于北京市大興區(qū)農(nóng)村，北向墻體采用50mm擠塑聚苯板保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗，取暖熱源為1臺(tái)22kW燃?xì)獗趻鞝t，以低溫輻射地板作為供暖末端，整個(gè)取暖季天然氣消耗總量約為1391m3(不含炊事與生活熱水的燃?xì)庀?。

方案2示范戶位于山東省濟(jì)南市農(nóng)村，無保溫，取暖熱源為1臺(tái)15kW生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐，以暖氣片作為供暖末端，整個(gè)取暖季消耗花生殼顆粒燃料2175kg。

方案3示范戶位于北京市海淀區(qū)農(nóng)村，取暖熱源為蓄熱式電暖氣，設(shè)備總功率為18kW，農(nóng)宅除南墻以外的其他外墻都做了50mm聚氨酯泡沫板外保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗。整個(gè)取暖季共耗電4081.2kWh，其中包含平段用電2267.8kWh和谷段用電1813.4kWh。

方案4示范戶位于北京市密云區(qū)農(nóng)村，取暖熱源為低溫空氣源熱泵熱水機(jī)，以低溫輻射地板作為供暖末端。該建筑為節(jié)能65%的新建小高層居民樓，整個(gè)取暖季總電耗為3700kWh。

方案5示范戶位于北京市房山區(qū)農(nóng)村，無保溫，其主臥和客廳各安裝1臺(tái)采用準(zhǔn)雙級(jí)壓縮機(jī)的壁掛式低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)，設(shè)備運(yùn)行期間禁用電輔熱功能，整個(gè)取暖季總電耗為747kWh。

方案6示范戶位于北京市平谷區(qū)農(nóng)村，墻體采用50mm擠塑聚苯板保溫，外窗采用雙層玻璃塑鋼窗，取暖系統(tǒng)為太陽能熱水集熱系統(tǒng)+4kW直流變頻低溫空氣源熱泵熱水機(jī)(輔助)，室內(nèi)末端采用低溫輻射地板，整個(gè)取暖季太陽能熱水循環(huán)泵耗電約151kWh，低溫空氣源熱泵熱水系統(tǒng)耗電6104kWh。

上述六種不同取暖方案示范戶的運(yùn)行情況如表2所示。

2.2 模擬評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)方法

由于農(nóng)宅取暖的熱負(fù)荷需求受到室外溫度、室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能、室內(nèi)層高、取暖面積、換氣次數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、農(nóng)戶使用模式等多種因素的影響，在實(shí)際中很難找到兩個(gè)或兩個(gè)以上在這些方面都具有完全相同條件的農(nóng)宅，所以無法對(duì)多種取暖設(shè)備的實(shí)際能耗情況進(jìn)行直接對(duì)比，故又進(jìn)一步采用動(dòng)態(tài)模擬的方法將所有設(shè)備折算到典型農(nóng)宅的統(tǒng)一工況下進(jìn)行對(duì)比分析，具體流程如圖8所示。首先對(duì)典型農(nóng)宅進(jìn)行能耗模擬得到基礎(chǔ)取暖負(fù)荷，然后根據(jù)不同類型取暖設(shè)備的熱效率計(jì)算得到運(yùn)行能耗，由此得到所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)和污染物排放量；再結(jié)合取暖系統(tǒng)的初始投資，可以計(jì)算得到系統(tǒng)的費(fèi)用年值。

表2 六種技術(shù)方案示范戶的取暖費(fèi)用

圖8 典型農(nóng)宅不同取暖方式的評(píng)價(jià)流程

2.2.2 典型農(nóng)宅模型

圖9 典型農(nóng)宅平面圖

根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)京津冀地區(qū)所做的大規(guī)模調(diào)研結(jié)果[5]，匯總出的一個(gè)典型農(nóng)宅模型如圖9所示。由于廚房一般位于配房且不取暖，故未體現(xiàn)在典型農(nóng)宅平面圖中。該典型農(nóng)宅坐北朝南，每戶含3間房，客廳位于中間，東、西側(cè)為臥室，取暖總面積為80m2，外墻材料為20mm水泥砂漿+370mm實(shí)心黏土磚墻，門窗為塑鋼材料，屋頂為灰泥坡屋頂。

本文采用DeST-h軟件進(jìn)行典型農(nóng)宅能耗模擬，其基礎(chǔ)算法基于清華大學(xué)于20世紀(jì)80年代初提出的用于分析建筑熱狀況的狀態(tài)空間法[6]。該軟件對(duì)不同氣候區(qū)農(nóng)宅能耗模擬方面的可靠性已在很多研究中得到了驗(yàn)證[7-9]，并于2019年12月順利通過了國(guó)際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)140標(biāo)準(zhǔn)(Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs)的全部案例測(cè)試，正式獲得國(guó)際認(rèn)證的建筑能耗模擬軟件性能標(biāo)識(shí)[10]?；趯?duì)多種農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工模擬參數(shù)如表3所示。

表3 典型農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

農(nóng)宅所處地區(qū)為以北京為代表的寒冷地區(qū)，取暖時(shí)間為11月15日至來年3月15日，農(nóng)宅室內(nèi)溫度設(shè)定為全天保持16℃，最終模擬結(jié)果為整個(gè)取暖季的平均熱負(fù)荷為23.53W/m2，一個(gè)取暖季累計(jì)耗熱量為6040.4kWh，約合2.17×104MJ。

2.3 費(fèi)用年值法

在進(jìn)行不同技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，一般需要考慮設(shè)備初始投資和年運(yùn)行費(fèi)兩部分。初始投資和運(yùn)行費(fèi)是兩項(xiàng)性質(zhì)不同的費(fèi)用，因此不能將兩者的費(fèi)用簡(jiǎn)單相加來計(jì)算技術(shù)方案費(fèi)用。本文采用費(fèi)用年值法[11]將參與比較的各個(gè)技術(shù)方案的初始投資折算成與年運(yùn)行費(fèi)相類似的費(fèi)用，然后再與運(yùn)行費(fèi)相加得到費(fèi)用年值。取暖系統(tǒng)初始投資折算年值(C)為系統(tǒng)中全部取暖(或末端)設(shè)備壽命周期內(nèi)折算年值之和，利用下式計(jì)算：

式中，n為供暖系統(tǒng)中供暖(或末端)設(shè)備的數(shù)量；i為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，i=(u-f)/(1+f)，其中u為銀行5年以上利率(對(duì)公用設(shè)施取投資利息，對(duì)住戶自購(gòu)的設(shè)備取儲(chǔ)蓄利息)，f為通貨膨脹率；m為供暖(或末端)設(shè)備j的使用壽命，綜合考慮各設(shè)備使用壽命情況，本文中m取為10年；K為供暖(或末端)設(shè)備j的初始投資，C為取暖系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)。

根據(jù)典型農(nóng)宅的熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)備選型，設(shè)備僅熱源部分的初始投資、年運(yùn)行費(fèi)用及折算費(fèi)用年值見表4。

2.4 主要污染物及碳排放計(jì)算

不同取暖方式的污染物及碳排放分本地排放和綜合排放，且由于能源輸送過程復(fù)雜，故本文僅計(jì)算取暖運(yùn)行過程中電能生產(chǎn)間接產(chǎn)生或燃料燃燒直接產(chǎn)生的污染物排放。上述6種取暖方式產(chǎn)生的大氣污染物PM2.5、SO2、NOx、CO和溫室氣體CO2的排放量通過燃料消耗量和所對(duì)應(yīng)的排放因子進(jìn)行計(jì)算，其中傳統(tǒng)散煤爐、天然氣壁掛爐和生物質(zhì)顆粒燃料采暖爐的排放因子以已發(fā)表文獻(xiàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)[12]；電取暖的本地排放為零，其發(fā)電排放采用《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2019》[13]中所提供的電廠側(cè)發(fā)電排放因子。表5給出了各方案使用不同能源類型時(shí)的排放因子。

表4 六種供暖方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表5 不同能源所對(duì)應(yīng)的排放因子

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性

針對(duì)上述80m2的典型農(nóng)宅，采用6種取暖方案的系統(tǒng)初始投資折算年值、年運(yùn)行費(fèi)用與折算費(fèi)用年值對(duì)比如表4所示。單純從經(jīng)濟(jì)性分析6種方案如下。

(1)天然氣壁掛爐除了設(shè)備初始投資之外，還需要配套管網(wǎng)及“開口費(fèi)”(部分地區(qū)不收取或部分收取)，且運(yùn)行費(fèi)偏高，經(jīng)濟(jì)性較差，需要政府長(zhǎng)期的運(yùn)行補(bǔ)貼，故在一般地區(qū)不適合大規(guī)模推廣利用；

(2)生物質(zhì)顆粒取暖爐的初投資和運(yùn)行費(fèi)都較低，折算的費(fèi)用年值最低，在具有相對(duì)豐富的秸稈或樹枝等資源的北方地區(qū)，可作為農(nóng)村清潔取暖大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要技術(shù)方案之一；

(3)蓄熱式電暖氣初始投資較低，運(yùn)行費(fèi)用高，年費(fèi)中等，但需要配備相當(dāng)高的電容量，即使小規(guī)模的推廣也需要電力擴(kuò)容，不宜直接推廣，取暖需求較弱地區(qū)的用戶可根據(jù)需求自行購(gòu)買；

(4)低溫空氣源熱泵熱水機(jī)初始投資較高，且需要較大的電網(wǎng)容量，但運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低，可在政府補(bǔ)貼部分初始投資的情況下，在經(jīng)濟(jì)條件較好的農(nóng)戶中推廣應(yīng)用；

(5)低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的初始投資和運(yùn)行費(fèi)都較低，但需要當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有一定的容量，在具有相對(duì)豐富電力資源的北方地區(qū)，應(yīng)作為農(nóng)村清潔取暖大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要技術(shù)方案之一；

(6)太陽能熱水系統(tǒng)+熱水型低溫空氣源熱泵初投資很高，超出了農(nóng)戶的承受范圍，雖然年運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低，整體費(fèi)用年值還是最高的。但考慮到太陽能資源的可再生性及其未來的發(fā)展空間，建議作為技術(shù)方案儲(chǔ)備，在政府補(bǔ)貼下進(jìn)行試點(diǎn)性應(yīng)用。

3.2 排放特性

表6給出了不同技術(shù)方案在一個(gè)取暖季的直接和間接排放數(shù)據(jù)。可以看出，每種熱源都會(huì)直接或間接地產(chǎn)生一定數(shù)量的污染物排放。天然氣壁掛爐的排放主要是NOx和少量的PM2.5和SO2；蓄熱式電暖器和電驅(qū)熱泵消耗電能，所耗電能間接產(chǎn)生(發(fā)電過程)PM2.5、CO2、SO2和NOx等排放；生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐直接排放PM2.5、NOx和微量SO2。本研究未測(cè)算揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的排放。

表6 不同取暖方案污染物排放情況

對(duì)于大部分地區(qū)，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐目傮w排放特征和環(huán)境容量等特點(diǎn)，綜合考慮直接排放和間接排放情況進(jìn)行對(duì)比分析。例如，對(duì)于環(huán)境質(zhì)量管理要求較高的重點(diǎn)區(qū)域，可適當(dāng)以本地排放作為衡量和限定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 適宜性分析

3.3.1 農(nóng)村與城市取暖的差異性

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的建筑形式、人口構(gòu)成以及固有的生活方式、人員活動(dòng)類型、資源特性、人員經(jīng)濟(jì)行為等都決定了農(nóng)村人口與集中的城市人口不同的建筑使用模式、行為模式、室內(nèi)熱環(huán)境和技術(shù)適宜性需求。目前北方城市住宅的冬季供暖設(shè)計(jì)溫度是18 ℃，但大多數(shù)居民期望的舒適室溫都在20℃甚至更高，這種溫度要求和城鎮(zhèn)居民每天進(jìn)出室內(nèi)次數(shù)少、進(jìn)出房間的同時(shí)需要更換服裝是一致的。而農(nóng)村居民由于生產(chǎn)與生活習(xí)慣等原因，人們連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間待在同一個(gè)房間的概率較低，會(huì)頻繁進(jìn)出房間，若每次出入房間都更換衣服將會(huì)給農(nóng)戶的生活帶來極大的不便。所以，農(nóng)戶的衣著水平應(yīng)以室外短期活動(dòng)不會(huì)感到冷作為標(biāo)準(zhǔn)。大量調(diào)研結(jié)果顯示[14]，多數(shù)北方農(nóng)民認(rèn)為冬季室內(nèi)外溫差不能過大，農(nóng)村居民冬季在室內(nèi)的衣裝量大于城市居民冬季在室內(nèi)的衣裝量，起居室和臥室平均溫度比城市的低4℃～6℃，而且允許晝夜的室內(nèi)溫度有較大波動(dòng)：夜間睡眠時(shí)維持在約10℃即可，日間靜坐時(shí)約16℃。農(nóng)村用戶在建筑物的使用上也并非所有房間均有取暖需求，體現(xiàn)出與取暖方式相匹配的較為節(jié)儉的功能空間使用模式。例如冬季將活動(dòng)空間集中在一到兩個(gè)房間來合并房間功能，使客廳兼具餐廳功能、臥室兼具客廳功能等，以便更加有利于節(jié)能。因此，農(nóng)村清潔取暖技術(shù)能否在保證效率高、經(jīng)濟(jì)性好、污染排放低等性能的基本前提下，更好地滿足上述“部分空間、部分時(shí)間”的使用需求，將是決定其能否在農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.3.2 不同技術(shù)方案適宜性分析

低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)設(shè)備自身即是取暖系統(tǒng)，可以迅速提高房間氣溫，直接加熱房間空氣，不需要加裝散熱器、地暖等末端設(shè)施而使室溫升高，不會(huì)出現(xiàn)熱水熱泵取暖工程中的跑冒滴漏等問題，且戶內(nèi)多臺(tái)熱泵熱風(fēng)機(jī)均可按單間獨(dú)立控制、獨(dú)立運(yùn)行，更加適用于非連續(xù)取暖場(chǎng)合；即時(shí)啟停的特性更容易匹配農(nóng)戶部分空間和部分時(shí)間的使用需求，可凸顯行為節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能和減排方面具有很大潛力；而且通過室內(nèi)末端落地化和上下出熱口的氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為農(nóng)戶提供類似地板采暖的舒適性和風(fēng)機(jī)盤管的快速升溫性。

生物質(zhì)顆粒取暖爐在將生物質(zhì)尤其是秸稈、樹枝等作為燃料消納的同時(shí)，一方面可以取代散煤，另一方面可以進(jìn)一步減少秸稈、樹枝野外堆存占地、焚燒所帶來的大量污染，而且生物質(zhì)能還可以解決取暖之外的炊事與生活熱水需求，符合農(nóng)戶的傳統(tǒng)使用習(xí)慣，適合農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富的大部分地區(qū)規(guī)模化應(yīng)用。

燃?xì)獗趻鞝t可滿足取暖、炊事以及生活用熱水需求且操作簡(jiǎn)單，但由于大部分農(nóng)村區(qū)域用戶分散、距離氣源遠(yuǎn)且用量有限，同時(shí)存在較多的安全隱患，其適用于氣源充足、用戶相對(duì)集中的城市近郊地區(qū)整村推進(jìn)。

蓄熱式電暖氣適合于電力特別充裕、有明顯峰谷電價(jià)且實(shí)際取暖時(shí)間偏短的用戶。

空氣源熱泵熱水機(jī)組適用于當(dāng)?shù)仉娏Y源充裕穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的地區(qū)，如北京市由于財(cái)政補(bǔ)貼力度大，且進(jìn)行了整體的電網(wǎng)升級(jí)和農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造，因此主要以空氣源熱泵熱水機(jī)組為主且取暖效果良好。

太陽能光熱+空氣源熱泵輔助系統(tǒng)適合在太陽能資源豐富、太陽能取暖保證率較高的地區(qū)應(yīng)用。

4 結(jié)論及建議

利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬等方法，對(duì)北方地區(qū)常見的6種農(nóng)村清潔取暖技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性、減排性和適宜性等進(jìn)行了深入分析，得出如下結(jié)論：

(1)不同清潔取暖方案在經(jīng)濟(jì)性方面差別較大。綜合考量初始投資和運(yùn)行費(fèi)用的費(fèi)用年值法評(píng)估結(jié)果，生物質(zhì)顆粒取暖爐及低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)；再綜合考慮兩者在農(nóng)村地區(qū)的適宜性，在北方農(nóng)村地區(qū)有較為廣泛的適用性和可持續(xù)性。

(2)低溫空氣源熱泵熱水機(jī)初始投資較高，且需要較大的電網(wǎng)容量，但運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低。在政府補(bǔ)貼部分初始投資的情況下，適合在經(jīng)濟(jì)條件較好的農(nóng)戶中推廣應(yīng)用。

(3)天然氣壁掛爐除了設(shè)備初始投資之外，還需要配套管網(wǎng)及“開口費(fèi)”，且運(yùn)行費(fèi)用偏高，經(jīng)濟(jì)性較差，需要政府長(zhǎng)期的運(yùn)行補(bǔ)貼，適用于氣源充足且經(jīng)濟(jì)條件好的相對(duì)集中居住的城市近郊地區(qū)。

(4)蓄電式電暖氣對(duì)電力要求高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，且儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)能力弱，在局部電力充足且價(jià)格較低的地區(qū)，或少量非長(zhǎng)期取暖的用戶可以使用，不宜大面積使用。

(5)太陽能熱水系統(tǒng)+熱水型低溫空氣源熱泵初期投資很高，超出了農(nóng)戶的承受范圍，雖然年運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低，整體費(fèi)用年均額還是最高的，但考慮到太陽能資源的可再生性以及其未來的發(fā)展空間，現(xiàn)階段建議作為技術(shù)方案儲(chǔ)備，在政府補(bǔ)貼下進(jìn)行試點(diǎn)性應(yīng)用。

綜上所述，農(nóng)村清潔取暖技術(shù)路徑的制定、節(jié)能技術(shù)的開發(fā)及室內(nèi)熱環(huán)境的改善不能沿襲“城鎮(zhèn)路線”，需要另辟蹊徑，在充分考慮地區(qū)發(fā)展水平、空氣質(zhì)量要求、群眾取暖需求、能源供應(yīng)條件和潛力等基礎(chǔ)上走出一條符合我國(guó)農(nóng)村實(shí)際的可持續(xù)發(fā)展之路。