依靠科技创新引导农村能源合理利用

文｜辽宁省科技厅

随着我国城镇化、工业化进程的加快，农民和城市居民生活方式越来越趋同，传统的能源不能满足农村生活用能。农村能源贫困却是乡村振兴战略中无法回避的问题。

一、我国农村能源问题面临哪些挑战？

1.村镇商品能源消费比例增大，化石能源消耗加速。

随着城镇化进程的加快和社会主义新农村生活水平的提高，北方村镇地区采暖用煤呈现较大增长趋势，农村建筑冬季建筑取暖能耗约占生活耗能的80%；南方农村地区夏季空调已广泛普及，长江三角、珠江三角及浙江部分农村地区已出现了农村简单复制城市用能模式的现象，这些地区农村单位建筑面积能耗高于城市建筑能耗，使用商品能源的比例大于80%。

与城市相比，农村地区煤炭、电力等商品能源消耗量虽然所占比例较小，但增长迅猛，且薪柴、秸秆等部分非商品能源陆续被燃煤等常规商品能源所替代。不同地区的农村能源消费结构有较大差异，经济愈发达、生物质资源越不丰富的地区，商品能消费比例越高。农村地区对商品能源如煤炭、电力、石油的需求增长超过了传统的非商品能源（秸秆、薪柴），农村生活用能中生物质能所占比重由1990年的79.5%下降到2014年的40%。如果农村用能简单照搬城市模式，完全依靠常规能源，则我国商品能源消耗量将再增加10%以上，建筑用能将增加50%～70%。同时对非可再生能源的依赖以及对秸秆和薪柴直接燃烧利用，对大气产生严重的危害，易于诱发和加重“雾霾”天气。

随着居民对生产生活水平的提高总量增长速度越来越快，如何充分利用村镇丰富的生物质资源和太阳能资源满足供热，照明，炊事，甚至小型电动设备储能需求，削减能源开支甚至作为附近城镇区域能源的供应区域，实现区域的清洁利用也是未来村镇绿色宜居建设重点层面。

2.村镇建筑室内热环境恶劣，建筑材料和供能设备落后，建筑用能效率低。

尽管村镇地区能源消耗逐年增加，但相对城市，村镇建筑室内热环境恶劣，采暖建筑冬季室温普遍只能到达5-15℃，南方建筑一般没有常规降温措施，夏季室温普遍高于30℃以上，居住舒适性极差。主要原因是村镇建筑外墙基本没有保温结构，建筑外门、窗热工性能和气密性较差。我国北方地区村镇的采暖方式单一，采暖设备简陋，技术落后，生活用能中燃烧效率过低在村镇是普遍存在的现象。在北方村镇地区常用的传统落地炕和土暖气效率较低，大量能源白白浪费，造成很多能量损失。多数农户直接利用未经加工的天然燃料，燃料的利用效率进一步降低。随着村镇经济的逐渐发展，农民在建新房中逐渐提高了节能意识，在2000年以后新建的住房中逐渐开始自发地加强围护结构的保温隔热措施，如外墙和屋顶加苯板保温层，采用塑钢门窗代替传统木门窗，提高门窗的气密性，开始推广使用吊炕代替传统落地炕，提高热效率等节能措施。室内环境状况稍有改善，但多数仍未达到舒适要求。因此研究如何在不明显提高村镇建筑用能水平的前提下，通过围护结构、生活方式、用能方式的优化显著改善村镇居民居住环境，是村镇建筑节能关键技术研究的主要任务。

村镇地区住宅由于用能量变化范围大，随机性大，受生活习惯的影响不同用户之间差别非常突出。对能源系统尤其炊事，供热的需求模式不能一刀切。并且村镇与城市的生活方式和基础条件不一样，比如村镇住宅房间分非采暖房间、临时采暖房间、短期居住房间、长期采暖房间等，不能像城市住宅一样保证整套房屋，其供热时间空间上的变化造成采用的技术标准和手段不能单纯仿照城市标准和做法。

3.村镇可再生能源资源丰富，但应用方式单一，利用技术水平低

广大村镇地区存在丰富多样的可再生能源资源，特别是生物质资源每年可获得相当于73亿吨标准煤的能量，全国2/3地区太阳能资源高于II类，秸秆、薪柴、粪便等生物质能源丰富，生物质能源的生成物可被充分利用，但受技术和经济条件所限，村镇可再生能源的应用还处在一个相当低的水平,村镇的秸秆和树木等生物质能源大部分通过直接燃烧来做饭和取暖，能源利用率很低，只有10%-15%，资源浪费严重。太阳能利用多局限于太阳能热水系统，生物质能源除秸秆等直接燃烧和沼气外，缺乏其他高效环保的应用方式。

目前可再生建筑应用的发展已进入瓶颈阶段，可再生能源在建筑中的实际应用效果并不显著，表现为用能效率较低；技术堆砌现象严重，集成水平低；技术应用配套水平低；可再生能源前沿技术应用水平低。

供能方式受到环境和资源的影响，均有一定的局限性，会受制于某项技术发展的瓶颈，难以实现能源的分段梯级利用，得到最大的经济收益，进而进行推广应用。而结合多种可再生能源各自的优点，采用太阳能、相变储能和地热能耦合互补，进行村镇建筑物供暖以及生活热水应用，可实现建筑用能的全部可再生化，并最大限度地进行能源梯级利用，提高建筑用能的能效比，这方面的研究尚不多见，存在很大技术空白，且在多种可再生能源技术的耦合、控制、评估和监测技术的应用和工程化方面的问题亟待解决。

我国村镇住宅建筑能耗增长迅速，能源利用形式单一、建筑室内舒适性差，如不采取有效措施降低村镇地区的商品能源消耗，将会出现村镇与城市争夺煤炭、电力等有限商品能源的局面，对整个中国的能源安全造成冲击。村镇能源供应形势非常严峻，村镇用能已成为制约我国村镇经济、社会、环境和持续发展的重要瓶颈之一，随着我国城镇化进程的快速发展，这一问题会更加突出。

二、北方地区村镇能源利用技术创新取得哪些进展？

辽宁省科技厅组织科技人员针对北方地区的村镇住宅用能方式、蓄能材料优选和封装、能源系统优化集成和室内通风、不同经济条件水平的村镇住宅冬季供热采暖技术等方面开展联合攻关，研究了高效蓄热火炕、高效蓄热火墙、高效相变蓄热火炕火墙耦合供暖系统、相变蓄能火炕联合毛细管网型太阳能辅热系统供暖系统、低能耗通风换气技术、适用于老旧住宅单独房间的火墙式火炕供热采暖技术、内置集热器火墙式火炕热水采暖复合供热技术、内置集热器柴灶+火炕+热水采暖复合供热技术（开发的第二代一体化柴灶，炊事采暖一体化解决方案使生物质能源利用率可达到80%）、村镇太阳能建筑蓄热地面采暖技术、太阳能生物质能互补集成供热技术等。

1.完成了中华人民共和国行业标准《农村火炕系统通用技术规程》的编制和实施工作。

依据该技术规程指导新建或改造火炕系统在辽宁省由县到村得到了大力推广，培训了一批村镇火炕技术人员，其中采用高效蓄热火炕、高效蓄热火墙、高效相变蓄热火炕火墙耦合供暖系统、相变蓄能火炕联合毛细管网型太阳能辅热系统供暖系统和低能耗通风换气技术在辽宁省丹东、辽中、朝阳等地八个县二十个村进行了推广。以上技术的推广，可以有效促进可持续能源的利用，降低了不可再生能源的消耗，节约传统能源16%，明显改善居民的生活水平，取得了显著的经济效益和社会效益，为最终实现主动式可再生能源利用、房屋被动式节能技术与房屋设计相协调，形成村镇绿色宜居建筑综合解决方案奠定基础。

2.在生物质气化方面，开展了秸秆发电的项目。该项目以秸秆为原料采用气化方法生产燃气，经过多重净化的燃气输送至燃气发电机组发电。燃气产自气化炉，并流经以下主要设备：气化炉——双竖管——一级电捕焦油器——洗涤塔——二级电捕焦油器——干式脱硫塔——湿式储气柜——燃气发电机。完成典型项目为高邮秸秆气化发电项目。该项目的秸秆消耗量30000 吨/年；最大产气能力10000立方米每小时；燃气热值5.740兆焦每立方米(1371kcal) ；发电机组容量4000千瓦；年发电量2800 万度；年上网电量2400 万度等。

3.改造燃煤锅炉，建设生物质锅炉采暖。沈阳陈相屯锅炉房、锦州义县锅炉房、清河门锅炉房因不具备电力增容施工条件，将全部拆除，然后新建生物质锅炉。陈相屯锅炉房主要供陈相屯火车站及周边家属楼，采暖面积约为7400平方米；义县锅炉房主要供义县火车站及周边家属楼，采暖面积约为32656平方米；清河门锅炉房主要供清河门火车站及周边家属楼，采暖面积约为10627平方米。依据地方供热概算指标，结合管网热损情况，陈相屯锅炉房及清河门锅炉房新建生物质锅炉，额定功率均初步选定为1.4兆瓦，义县锅炉房新建生物质锅炉额定功率初步选定为4.2MW。这将形成有效的示范作用。

4.在村镇固体电蓄热供热系统采暖研究方面，完成了多个锅炉房系统改建。新建锅炉房均将采用固体电蓄热供热系统，利用夜间10小时谷电时间进行蓄热，实现削峰填谷。

三、面向乡村振兴战略，面对农村能源形式，必须展开科技创新，需要从哪些方面推进？

面向我国能源发展战略和乡村振兴战略发展的需求，研究我国能源建设、村镇发展具有重大影响和应用前景的村镇新能源开发与节能关键技术，开发适合我国北方村镇特点的可再生能源利用集成模式、村镇生物质能综合利用方法和节能产品、低碳建筑围护结构体系、能量转换关键技术。整体提升可再生能源建筑一体化设计水平，提高可再生能源在更高节能目标建筑中的能源效率。建立多种可再生能源互补耦合、供能系统优化控制和评价体系，实现太阳能、地（水）源热泵、空气源热泵、生物质能等可再生能源产业升级。通过多种可再生能源示范项目进行集成示范，实现可再生能源在建筑中的高效应用，提高可再生能源在建筑领域中的比重，减少碳排放，实现低碳化绿色建筑节能示范，为城镇化建设提供多种用能系统解决方案。初步构建我国村镇新能源利用和节能技术体系，扩大可再生能源的利用规模，为村镇能源供应开创出一条新路。

具体可以通过开展以下技术创新性工作，推进绿色宜居村镇建设。

1.村镇清洁可再生能源开发利用集成模式研究。

通过实现对村镇地区能源需求预测分析，与能源可持续供应规划设计，以太阳能、热泵、天然气和生物质为核心，以相变储能技术为桥梁，依据“因地制宜、多能互补、综合利用、讲求效益”的十六字方针，同时贯彻“节约与开发并重”的原则为村镇做出综合利用研究及分析。可将太阳能与热泵、地道风与热泵、燃气暖风与相变火炕等进行热集成耦合得到高效、低排放、经济的供能系统，分别对各个供能系统进行功能设计、性能分析和优化、运行策略、节能减排效益、综合评价方法和应用效果评价等方面进行关键技术攻关，实现对村镇小型分布式能源站系统集成及优化设计，提出适宜村镇热集成耦合供能系统，如基于相变储能的热泵与太阳能耦合供能系统、燃气暖风与相变火炕耦合集成供暖系统和地道风与空气源热泵耦合供能系统、村镇固体电蓄热供热系统采暖等。

2.村镇生物质能综合利用关键技术研究。

结合北方村镇的自然条件、资源条件和技术条件，充分发挥生物质能易获得、低污染等特性，相对传统村镇采暖形式，实现村镇高效生物质用能设备开发及多元化系统集成研发，提出村镇生物质气化发电系统、村镇生物质锅炉采暖、基于生物质成型燃料炉的农居一体化供暖系统等。采用理论分析、实验测试、模拟分析、综合评价等手段，研究分析村镇生物质气化发电系统、村镇生物质锅炉采暖、基于生物质成型燃料炉的农居一体化供暖系统的可行性与效果，同时研究生物质成型燃料，生物质成型燃料炉，水暖床联合供暖时的末端设备的性能以及系统对室内温度和舒适度的影响，提出科学合理的生物质能利用方式与村镇采暖节能新方案。

3.村镇低碳建筑被动式结构体系关键技术研究与示范

通过调研总结分析我国各典型气候区村镇民用建筑围护结构特点和存在问题，基于现行被动式建筑体系并结合墙体热湿耦合迁移基本理论，建立具有动态调控温湿性能的低碳复合围护结构，研究新型低碳复合围护结构体系综合性能，提出适宜于村镇建筑低碳建筑围护结构体系；通过对围护结构各影响因素的分析，基于层次分析法，建立村镇低碳围护结构综合性能评价体系和应用效果评价，对围护结构进行设计、施工和运行不同阶段综合性能进行评估。

4.村镇低碳建筑能量转换关键技术研究与示范

基于低碳环保的基本原则，设计和优化适宜于村镇建筑的新型供暖系统形式；设计和优化低碳建筑太阳能热水器蓄热系统；对蓄热系统中相变材料优选方法和封装方式进行研究，确定最佳封装方式，并对其增强传热性能、稳定性、安全性、经济和环保性措施进行综合性研究；开发研究一种适宜于村镇建筑的高效节能环保的低碳建筑高效火炕/火墙技术，提出适宜于火炕/火墙系统的相变材料优选和封装方案；优化火炕/火墙系统，提高其效率和经济性，形成成套技术体系；设计火炕/火墙系统与其他可再生能源有效耦合热集成技术，形成适用于村镇建筑新型用能系统。

5.户用型村镇住宅可再生能源微网热电冷三联供系统研究与示范

充分利用清洁、可再生的风能、太阳能，将风电和光伏发电作为供暖电源，以远红外碳纤维发热软板作为能量转换载体，腰炕（或地砖、地板）底下卵石层作为储热介质，建立村镇住宅采暖系统新方案；冬季采暖，夏季并网发电，创建户用型村镇住宅微网热电联供系统。