北方農(nóng)村地區(qū)采暖技術(shù)碳排放比較分析★

王子博，苑 翔，陳 斌，楊銘遠(yuǎn)，符 天

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

“雙碳”目標(biāo)提出以來(lái),社會(huì)各行業(yè)都為目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)制訂行之有效的技術(shù)路徑和行動(dòng)方案。建筑領(lǐng)域是碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域之一,根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告(2020)》顯示,2018年全國(guó)建筑全過(guò)程能耗總量21.47億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,占全國(guó)能源消費(fèi)總量的46.5%,2018年全國(guó)建筑全過(guò)程碳排放總量49.3億噸二氧化碳,占全國(guó)碳排放比重的51.3%。實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域的碳中和,對(duì)我國(guó)完成雙碳目標(biāo)至關(guān)重要。

我國(guó)建筑運(yùn)行能耗一直維持在社會(huì)總能耗的20%～25%,北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農(nóng)村生活用煤約為1.6億噸標(biāo)煤/a,北方城鎮(zhèn)采暖能耗約占全國(guó)建筑總能耗的36%,為建筑能源消耗的最大組成部分[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在我國(guó)1.6億戶農(nóng)村居民家庭中,采取分散采暖模式的約有9 300萬(wàn)戶,其中燃煤采暖約6 600萬(wàn)戶,年散煤使用量約2億t～3億t,占到煤炭終端消費(fèi)量的10%左右[2]。解決北方農(nóng)村采暖中的散煤治理不僅是環(huán)境治理的需要,也是改善農(nóng)村生活水平,加強(qiáng)農(nóng)村建設(shè)的需要。近年來(lái),針對(duì)農(nóng)村散煤治理問(wèn)題,替代散煤燃燒的新型采暖技術(shù)不斷的實(shí)踐,根據(jù)實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用效果來(lái)看,沒(méi)有一項(xiàng)單一的技術(shù)能夠完全解決散煤?jiǎn)栴}[3]。

本文針對(duì)農(nóng)村采暖技術(shù),選取目前應(yīng)用較為廣泛的幾項(xiàng)技術(shù),即散煤燃燒、燃?xì)獗趻鞝t、生物質(zhì)顆粒爐、蓄熱式電采暖、空氣源熱泵和生物質(zhì)-空氣源耦合系統(tǒng)等6項(xiàng)技術(shù),從經(jīng)濟(jì)性和碳排放量的角度,對(duì)比分析各項(xiàng)采暖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),為農(nóng)村采暖的散煤治理問(wèn)題提供技術(shù)參考。

1 技術(shù)原理分析

1)天然氣采暖技術(shù)。農(nóng)村地區(qū)可采用的天然氣采暖主要采用天然氣壁掛爐的形式,此系統(tǒng)通過(guò)燃?xì)馊紵峁┖线m的熱水供給散熱設(shè)備和熱水,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,易控制,室溫控制好,沒(méi)有灰渣。但是在沒(méi)有燃?xì)夤艿赖霓r(nóng)村地區(qū),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,有時(shí)需要用LNG,且燃?xì)鈨r(jià)格貴,采暖費(fèi)用高。

2)生物質(zhì)顆粒采暖爐。該生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)已經(jīng)發(fā)展成熟,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,初投資少,顆粒燃燒后有灰渣,是散煤采暖爐的理想替代品,有的地區(qū)甚至直接用散煤采暖爐來(lái)燃燒生物質(zhì)顆粒來(lái)采暖,生物質(zhì)顆粒的熱值與散煤相當(dāng),價(jià)格比散煤稍貴。

農(nóng)村小型生物質(zhì)顆粒小型爐具的能效只有20%～30%左右,不超過(guò)40%,系統(tǒng)能效低,另外,由于中國(guó)糧食安全問(wèn)題,生物質(zhì)原料的來(lái)源一直是生物質(zhì)能利用的瓶頸問(wèn)題,因此,采用以固體生物質(zhì)能為主,其他可再生能源相補(bǔ)充的互補(bǔ)型能源系統(tǒng),是一項(xiàng)實(shí)用并符合國(guó)情的技術(shù)選擇[4-5]。

3)蓄熱式電采暖。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。從節(jié)能原理來(lái)講,直接用電采暖并不是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。系統(tǒng)簡(jiǎn)單、初投資少、對(duì)電力容量要求高、系統(tǒng)耗電量大、采暖費(fèi)用高、系統(tǒng)無(wú)污染、無(wú)排放物。在電力不充足的地區(qū)不適宜大規(guī)模應(yīng)用。

4)空氣源熱泵采暖。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(guò)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,系統(tǒng)與家用空調(diào)原理相同,系統(tǒng)簡(jiǎn)單、初投資高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求高。影響空氣源熱泵機(jī)組性能的主要因素包括運(yùn)行環(huán)境條件和冷凝溫度,室外空氣溫度低的情況下,系統(tǒng)COP值較低,采暖費(fèi)用主要為電費(fèi),如果運(yùn)行效果不好的情況下,采暖費(fèi)較高。另外,若初選設(shè)備容量較大,則不僅初投資費(fèi)用增加,運(yùn)行效果也不好,采暖費(fèi)也較高。

5)生物質(zhì)-空氣源耦合系統(tǒng)采暖。采用空氣源熱泵機(jī)組、生物質(zhì)燃燒裝置耦合集成系統(tǒng),由電力驅(qū)動(dòng)熱泵,聯(lián)合生物質(zhì)燃燒供熱系統(tǒng),通過(guò)煙氣-水換熱器進(jìn)行低溫?zé)煔獾臒峄厥?采用熱泵技術(shù)進(jìn)行溫度的提升,可利用峰谷電價(jià)差,節(jié)省供熱總費(fèi)用,系統(tǒng)熱能利用率高,節(jié)能效果明顯,能夠廣泛的推廣應(yīng)用于中小型供熱系統(tǒng)。生物質(zhì)燃燒爐-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)集成了各能源的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),充分利用了生物質(zhì)成型燃料的熱能,既提高了生物質(zhì)燃料的利用率,同時(shí)還提高了空氣源熱泵的效率,缺點(diǎn)是生物質(zhì)來(lái)源不穩(wěn)定,系統(tǒng)控制難度大,初投資較高。

另外,采用太陽(yáng)能采暖也是一項(xiàng)重要的選型,但是由于太陽(yáng)能的利用只能在太陽(yáng)能充足地區(qū),太陽(yáng)能熱密度小,不適合單獨(dú)作為一項(xiàng)采暖技術(shù),可以作為輔助采暖技術(shù)。

表1提供了各單項(xiàng)技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)從能源資源量和獲取、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益和政策適應(yīng)性等幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)置。

表1 農(nóng)村清潔采暖技術(shù)評(píng)價(jià)

從表1的評(píng)價(jià)中可以看出,農(nóng)村地區(qū)的供暖系統(tǒng)應(yīng)遵循簡(jiǎn)單適用、安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原則,并不是越復(fù)雜的系統(tǒng)越具有優(yōu)勢(shì),單一的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯,因此,能源互補(bǔ)的方式更具有優(yōu)勢(shì)。

2 碳排放計(jì)算模型

以“聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)”(Intergovernmental Panel on Climate Change,以下簡(jiǎn)稱IPCC)所提出的碳排放計(jì)算模型最為廣泛認(rèn)可,其具體形式如下:

排放量=活動(dòng)水平×活動(dòng)因子。

根據(jù)IPCC的碳排放計(jì)算模型,能源消費(fèi)碳排放量可以表示為:

C=Q×EF

(1)

其中,C為能源消費(fèi)的碳排放量,kgCO2;Q為能源消耗量;EF為對(duì)應(yīng)能源的碳排放因子。

以農(nóng)村建筑的采暖散煤量為基準(zhǔn),其他的采暖技術(shù)所消耗的能耗量與基準(zhǔn)量進(jìn)行對(duì)比,則某項(xiàng)技術(shù)消耗的能耗量為:

Qi=βQ0/η

(2)

其中,Qi為第i類(lèi)采暖技術(shù)的能耗量;β為不同種類(lèi)能源轉(zhuǎn)換系數(shù);Q0為以散煤為采暖能源的能耗量,kgce;η為采用第i類(lèi)采暖能源形式時(shí)的設(shè)備效率。

把不同種類(lèi)的能源形式的能耗量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能源單位,通過(guò)分析碳排放量,結(jié)合各類(lèi)能源利用形式的經(jīng)濟(jì)性,可分析各類(lèi)采暖技術(shù)的適用性。

3 實(shí)例分析

以北方寒冷地區(qū)某農(nóng)村的100 m2居住建筑為例,根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù),該建筑的采暖季的采暖能耗量為8.4 t原煤(煙煤),按照其低位熱值5 000大卡/kg來(lái)估算,其采暖季的熱量為6 t標(biāo)煤的熱量,以6 t標(biāo)煤的熱量再去計(jì)算其他供暖技術(shù)的能耗量。原煤的供暖設(shè)備采用小型采暖爐,其熱效率取市場(chǎng)上比較高的效率值60%來(lái)計(jì)算,原煤的市場(chǎng)價(jià)格按照500元/t來(lái)計(jì)算。如表2所示為不同采暖技術(shù)的年能耗量及能源費(fèi)用比較表。

表2中列舉了煙煤采暖、天然氣采暖、空氣源熱泵采暖、生物質(zhì)(秸稈)、生物質(zhì)(硬木)和生物質(zhì)(硬木)+空氣能等6種采暖形式,以實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的煙煤能耗量為基準(zhǔn),換算成標(biāo)煤,然后再換算成各種形式燃料的消耗量。其中,天然氣壁掛爐的設(shè)備效率采用市場(chǎng)上比較高的75%的效率;空氣源熱泵采暖形式的COP值選取設(shè)備較高值3,以空氣源熱泵的最大優(yōu)勢(shì)參與比較;生物質(zhì)(硬木)+空氣能采暖系統(tǒng)按照生物質(zhì)與空氣能承擔(dān)負(fù)荷比例為2∶1的設(shè)定值來(lái)計(jì)算,其系統(tǒng)綜合效率可達(dá)到85%。

根據(jù)表2中計(jì)算出來(lái)的燃料能耗量,計(jì)算各燃料的碳排放量。首先需要確定碳排放因子:

1)煙煤和天然氣的碳排放因子根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算方法》中規(guī)定取值[6]。2)發(fā)電的碳排放因子根據(jù)生態(tài)環(huán)境部最新公布的《關(guān)于做好2023—2025年發(fā)電行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理有關(guān)工作的通知》(環(huán)辦氣候函[2023]43號(hào))取值[7],文件中公布的全國(guó)電網(wǎng)平均碳排放因子為0.570 3 t CO2/(MW·h)。3)固體生物質(zhì)的取值按照《建筑碳排放計(jì)算方法》中的規(guī)定,低值為84.7 t CO2/TJ,高值為117 t CO2/TJ,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值為固體生物質(zhì)燃燒時(shí)排放的CO2量,但是固體生物質(zhì)燃料在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收CO2,燃料完全燃燒時(shí),吸收量和排放量是相等的,只在生產(chǎn)和運(yùn)輸中有少量的CO2產(chǎn)生,根據(jù)統(tǒng)計(jì),其生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中占燃燒時(shí)的量為5%～10%[8-9],因此,取燃燒時(shí)CO2排放量的10%作為固體生物質(zhì)全生命周期的碳排放量,秸稈生物質(zhì)取低值,硬木生物質(zhì)取高值。各類(lèi)燃料的碳排放計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各類(lèi)燃料的碳排放計(jì)算表

綜合表2,表3的計(jì)算結(jié)果可以看出,煙煤碳排放量是15.6 t,在所有對(duì)比的燃料種類(lèi)中碳排放量是最大的,采用空氣源熱泵的碳排放量比煙煤排放量要小,但是比天然氣的碳排放量要大,這是由于我國(guó)的電網(wǎng)發(fā)電主要是以煤為主的能源結(jié)構(gòu),而天然氣的碳排放量比煙煤的排放量要減少50%左右。在所對(duì)比的燃料中,固體生物質(zhì)能的碳排放量是最小的,這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料在全生命周期內(nèi)的碳排放接近于零碳排放。生物質(zhì)(硬木)+空氣能采暖系統(tǒng)的碳排放比單純采用生物質(zhì)能的采暖形式要減少50%左右。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看,雖然天然氣的碳排放量比較低,但是年能源費(fèi)用是最高的,采用空氣源熱泵的能源費(fèi)用次之,生物質(zhì)(硬木)+空氣能的系統(tǒng)能源效率較高,因此其能源費(fèi)用要低于生物質(zhì)能和空氣源熱泵,而碳排放量最高的煙煤的年能源費(fèi)用是最低的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)的北方農(nóng)村地區(qū)采暖技術(shù)進(jìn)行碳排放量和經(jīng)濟(jì)性比較,可以看出,采用煙煤的采暖形式,其排放量是最高的,采用生物質(zhì)能的采暖技術(shù),其碳排放量最低,但是由于生物質(zhì)能的小型采暖設(shè)備效率比較低,生物質(zhì)的可獲取量相對(duì)較小,其經(jīng)濟(jì)性比生物質(zhì)+空氣能采暖技術(shù)差,綜合碳排放量和經(jīng)濟(jì)性兩種因素考慮,采用能源互補(bǔ)型的生物質(zhì)+空氣能技術(shù)是一種比較適宜北方農(nóng)村地區(qū)的采暖技術(shù)。