沈陽市農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造需求分析*

滕 聰 劉 輝 左雨凝

(1.中國建筑科學研究院有限公司,北京;2.建科環(huán)能科技有限公司,北京;3.沈陽建筑大學,沈陽)

0 引言

2017年起,財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護部、國家能源局等四部委開始北方地區(qū)冬季清潔取暖試點工作[1],前期試點城市主要集中在京津冀及周邊地區(qū)和汾渭平原地區(qū)。2021年,首次將東三省、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、寧夏、新疆等8個省(自治區(qū))納入支持范圍[2],截至目前,已評選出5批共計88個試點城市。

由于農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施、能源供應(yīng)及農(nóng)戶經(jīng)濟條件等限制,農(nóng)村供熱清潔化改造成為清潔取暖工作的重點和難點。許多學者就農(nóng)村地區(qū)清潔取暖技術(shù)措施適宜性[3-5]、試點城市政策實施與經(jīng)驗總結(jié)[6-8]、清潔能源供熱系統(tǒng)應(yīng)用效果[9-12]等方面展開了研究,但鮮有針對東北農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造需求的全面分析。東北地區(qū)冬季室外溫度相較京津冀、汾渭平原等地區(qū)低,對取暖設(shè)備性能、供熱效果、使用成本等都提出了更高要求,且東北地區(qū)納入國家支持范圍時間較短,暫無大規(guī)模實施清潔取暖改造的成熟經(jīng)驗可循。因此,明確嚴寒地區(qū)農(nóng)村供熱需求,對選擇確定適用的清潔取暖技術(shù)路徑、科學合理推進東北農(nóng)村地區(qū)清潔取暖工作、確保改造長效可持續(xù)尤為重要。

本文首先開展現(xiàn)狀調(diào)研,針對農(nóng)村常住人口、房屋建設(shè)年代、圍護結(jié)構(gòu)特點、供暖方式、供暖成本等內(nèi)容進行大規(guī)模問卷調(diào)查和現(xiàn)場調(diào)研,并對供暖季室內(nèi)溫度進行了監(jiān)測;其次,通過構(gòu)建典型農(nóng)房模型分析計算供暖負荷;然后,根據(jù)沈陽地區(qū)供暖季室外溫度特點,分析了空氣源熱泵在東北地區(qū)的適用性;最后,歸納總結(jié)了沈陽農(nóng)村地區(qū)清潔取暖需求,為清潔取暖改造方式和設(shè)備選型提供準確依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 現(xiàn)狀調(diào)研

筆者所在課題組在沈陽市遼中區(qū)、新民市、康平縣、法庫縣4個遠郊區(qū)(縣、市)開展調(diào)研,在市、區(qū)兩級政府部門的配合下,共發(fā)放調(diào)研問卷818份,收回有效問卷746份。調(diào)研涉及基本信息、建筑圍護結(jié)構(gòu)形式、供暖現(xiàn)狀及成本。

1.1 基本信息

根據(jù)調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計,沈陽市農(nóng)村地區(qū)每戶常住人口普遍為2人,占比59.7%,常住人口以50歲以上中老年人居多。農(nóng)戶家庭年總收入大多在 2萬～4萬元。房屋建設(shè)年代以20世紀80年代和90年代為主,面積大多為70～110 m2,占比68.5%。普遍為坐北朝南單層建筑,主要為兩間臥室加過廳的三開間布局,將廚房等輔助房間置于建筑北側(cè),減少臥室北墻冷風滲透。

1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)形式

農(nóng)房圍護結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果如表1所示。其中,磚混形式建筑占比達到89.6%,外墻厚度絕大部分為370 mm,大多無外保溫,外窗以雙層塑鋼窗居多。為增加房屋保溫防風性能,約40%的農(nóng)戶采取了增設(shè)門斗或陽光間等方式提高冬季室內(nèi)溫度。此外,調(diào)研中發(fā)現(xiàn)很多農(nóng)戶在冬季采用塑料薄膜對外門、窗進行密封,以減少室內(nèi)熱量散失。

表1 農(nóng)房圍護結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果

1.3 供暖現(xiàn)狀及成本

沈陽位于嚴寒C區(qū),供暖季為11月1日至3月31日,共151 d,根據(jù)EnergyPlus導(dǎo)出的氣象參數(shù),沈陽市典型年室外最低溫度為-23.4 ℃。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),沈陽農(nóng)村地區(qū)絕大多數(shù)農(nóng)戶采用戶用小鍋爐取暖,以散煤和秸稈為燃料,多數(shù)僅在臥室及過廳設(shè)置散熱器。小鍋爐排煙與炊事灶臺煙氣通過炕下煙道向臥室補充熱量,供暖系統(tǒng)如圖1、2所示。農(nóng)戶冬季取暖散煤用量基本在2～3 t范圍內(nèi),按照2020年沈陽市供暖季散煤價格650元/t計算,農(nóng)戶冬季購置散煤費用約為1 300～1 950元,大多數(shù)農(nóng)戶冬季散煤取暖費用在2 000元以下,結(jié)合基本信息調(diào)研中家庭年收入的調(diào)研結(jié)果,農(nóng)戶年供暖費用基本占家庭年總收入的5%左右,一般不超過8%。

圖1 沈陽農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)供暖小煤爐

圖2 沈陽農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)原理圖[13]

2 供暖效果監(jiān)測

為評估傳統(tǒng)供暖形式的實際供暖效果,選擇5戶代表性農(nóng)戶開展供暖季室內(nèi)溫度監(jiān)測,監(jiān)測戶建筑圍護結(jié)構(gòu)形式均為370 mm實心磚墻及塑鋼雙層外窗,面積均為90～100 m2,監(jiān)測儀器放置在常住臥室距離地面1.5 m處,數(shù)據(jù)采集間隔為30 min。監(jiān)測農(nóng)戶的具體情況見表2。

表2 監(jiān)測農(nóng)戶概況

沈陽市供暖季從11月1日開始,但很多農(nóng)戶出于經(jīng)濟性考慮,11月取暖設(shè)備使用時間很短,故選取12月至次年3月的監(jiān)測結(jié)果進行分析(見圖3)。

圖3 溫度監(jiān)測結(jié)果

從圖3可以看出,12月為供暖季初期,室外月平均溫度為-1.3 ℃,室內(nèi)平均溫度為14.7 ℃;1、2月為供暖季中期,極寒天氣較多,室外月平均溫度分別為-11.4、-10.6 ℃,室內(nèi)平均溫度分別為11.7、12.1 ℃;3月為供暖季末期,室外平均溫度為0.6 ℃,室內(nèi)平均溫度為14.3 ℃。GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定,嚴寒地區(qū)主要功能房間的冬季室內(nèi)計算溫度為14 ℃[14]?？墒?盡管供暖季初、末期的室內(nèi)溫度可以達到14 ℃,但農(nóng)戶依然穿著毛衣、棉衣及棉褲,并感覺室內(nèi)較涼。

3 典型建筑供暖負荷計算

根據(jù)調(diào)研結(jié)果,構(gòu)建典型農(nóng)宅模型進行供暖負荷模擬計算。典型農(nóng)宅總面積約90 m2、層高3 m,建筑布局見圖4,圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表3。沈陽市供暖室外計算溫度為-16.9 ℃,根據(jù)GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》[14]和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[15]關(guān)于主要房間供暖室內(nèi)設(shè)計溫度不低于14 ℃和18 ℃的不同要求,分別進行負荷計算。

圖4 典型建筑示意圖

表3 典型建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

典型建筑的供暖設(shè)計負荷計算結(jié)果如表4所示。當室內(nèi)設(shè)計溫度為14 ℃時,平均熱負荷指標為110.81 W/m2,總供暖負荷為7.29 kW;當室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃時,平均熱負荷指標為132.85 W/m2,總供暖負荷為8.74 kW。

表4 典型建筑供暖負荷

4 空氣源熱泵結(jié)霜分析

空氣源熱泵在京津冀農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造中得到廣泛應(yīng)用[16],在燃氣壁掛爐、蓄熱式電暖氣等常見的農(nóng)村分散取暖清潔化改造方式中,其經(jīng)濟性最好、返煤風險最低[17]。近年來隨著技術(shù)進步,低溫型空氣源熱泵發(fā)展迅速[18],我國也制定了相關(guān)標準規(guī)范并提出了性能要求[19-20],應(yīng)用區(qū)域逐步向東北、內(nèi)蒙古等嚴寒地區(qū)擴展。但空氣源熱泵的結(jié)霜問題直接影響設(shè)備性能,成為嚴寒地區(qū)推廣應(yīng)用時需考慮的重點問題之一。

北京供暖季結(jié)霜時間為1 034 h,占供暖季時長比例為35.03%;西安作為北方典型的高濕度城市,供暖季結(jié)霜時間為1 414 h,占供暖季時長比例為58.92%[21]。2021年沈陽市供暖季室外溫度和相對濕度小時數(shù)見圖5,沈陽地區(qū)變頻空氣源熱泵結(jié)霜分布圖譜見圖6,整個供暖季結(jié)霜時間為746 h,占供暖季時長比例為20.59%。

圖5 2021年沈陽市供暖季室外溫度和相對濕度小時數(shù)

圖6 沈陽地區(qū)變頻空氣源熱泵的結(jié)霜分布圖譜

5 結(jié)論與建議

隨著清潔取暖逐步從京津冀及周邊地區(qū)和汾渭平原地區(qū)擴展到東北等地區(qū),選擇確定適合嚴寒地區(qū)的農(nóng)村清潔取暖技術(shù)路徑對于改善大氣質(zhì)量,促進農(nóng)村清潔取暖長效可持續(xù)發(fā)展尤為重要。本文通過研究分析,針對沈陽農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造需求提出如下結(jié)論和建議:

1) 沈陽典型年室外最低溫度為-23.4 ℃,而2010—2019年期間,包括沈陽在內(nèi)的遼中南城市群熱島強度在2 ℃左右波動[22],結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,沈陽市農(nóng)村地區(qū)的清潔取暖設(shè)備在采購時,應(yīng)嚴格把關(guān)設(shè)備效率,確保在-25 ℃時能正常工作。

2) 根據(jù)沈陽市農(nóng)村居民經(jīng)濟條件和取暖支出現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果,結(jié)合宋玲玲等人關(guān)于京津冀等重點地區(qū)35個清潔取暖試點城市農(nóng)村居民可承受的平均取暖支出的研究結(jié)論[23],建議清潔取暖改造后,農(nóng)戶每個供暖季運行費用宜保持在2 000元以下,使農(nóng)戶實際承擔的費用與現(xiàn)有供暖成本接近,否則應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的運行補貼政策,以確保清潔取暖改造可承受、可持續(xù)。

3) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)及供暖季室內(nèi)溫度監(jiān)測結(jié)果,同時考慮農(nóng)村居民對室內(nèi)熱舒適要求會隨著社會發(fā)展逐漸提高,建議對農(nóng)村建筑進行負荷計算時,供暖室內(nèi)設(shè)計溫度采用18 ℃,并參考平均熱負荷指標(132.85 W/m2)來進行清潔取暖設(shè)備選型。

4) 隨著技術(shù)進步,低環(huán)境溫度下空氣源熱泵機組性能已得到了很大提高。在沈陽農(nóng)村,變頻空氣源熱泵機組結(jié)霜時長比例相較于北京、西安顯著降低,具有一定的適用性和推廣優(yōu)勢。