河北省农村地区冬季供暖污染物排放情景预测

黄超，兰玉儿，朱琳，马秀琴

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401； 2.中冀建勘集团有限公司， 河北 石家庄 050200）

河北省是一个农业大省，人口众多，农村人数占总人数的77%。乡村建筑面积多在100～300 m2，冬季采暖能耗较大。我国对于农村住宅的节能改造进程发展相对缓慢，而农村住宅采暖能耗过大不仅影响到居民的生活品质，还会因采暖效果不佳而大量使用能源，导致污染物排放较多影响大气环境。国家也意识到这个问题，近些年推出了一系列政策来控制供暖燃煤的使用。但根据国际环保组织亚洲清洁空气中心[1]发布的最新调研报告显示，在中国部分已经实行煤改气（电）的地区，仍有32%的用户在补贴后实际供暖费用超过2 000元。农村地区仍有不少居民舍不得供暖，因而可能会造成后期散煤“复燃”。因此在河北省农村地区推广清洁取暖的方式仍然是控制供暖污染物排放的必经之路。

目前已有很多学者开始了太阳能供暖的研究。NAZIR H等将太阳能与相变材料进行结合，研究相变材料在储能和供热方面的应用，通过实际案例对储能效果进行评估[2]；李楠、田昕等[3]通过走访调研了使用空气源热泵辅助太阳能供暖系统的实际用户，得到真实有效的数据，并以此分析了系统的优劣性；SIVASAMY P等[4]通过调查研究，对太阳能集热和相变材料储能发展现状进行了全面的总结，形成了一套完整的相变材料储能及应用体系；刘彦青[5]通过将太阳能集热器中加热的气体连通到建筑内空气层，不仅提高了室内温度，而且还解决了室内空气干燥、温度不均等问题。本文通过将太阳能集热技术与相变材料蓄热技术相结合，运用实验方法从相变组合材料、导热材料、保温材料以及运行方案等角度进行太阳能耦合相变材料蓄能床的供暖性能验证及优化，并通过情景分析法对此措施给农村带来的环境效益进行了预测研究。

1 河北省农村地区供暖现状

在2020年11月-2021年4月通过实地调研河北省农村的供暖现状。在充分考虑地域情况以及经济发展水平后，选择了张家口、承德、唐山、保定、廊坊、石家庄、沧州、衡水、邢台、邯郸等10个主要城市进行农村实地调研走访。共收集824份问卷，有效问卷数为709份。

1.1 供暖温度分布

由调研结果得到，由于河北省冬季天气寒冷干燥，持续时间较长，大部分农村地区供暖时间在每年的11月到次年的3月。经过对调研结果的分析计算，河北省农村地区平均供暖时间为104 d，日平均供暖时间为17.16 h，69%的农户表示室内温度仅在15～20 ℃之间，并未达到室内冬季采暖的温度要求。经过计算得到，河北省农村地区室内供暖平均温度在17.14 ℃。

1.2 供暖方式分布

在对709份问卷进行整理后不难发现，家庭取暖炊事方式在河北省农村地区可以分为采暖炊事分离与不分离的两种系统。而经过统计分析，有559家农户采用采暖炊事分离系统，占78.84%，有150家农户采用采暖炊事不分离系统，占21.16%。

在采暖炊事分离的559家用户中，采用暖气片作为末端散热设备的用户高达88.91%；采用火炕的用户达5.00%，其次为采用电暖气和空调的用户，如图1所示。

图1 采暖炊事分离系统末端设备

在采暖炊事一体的150家用户中，采用煤炉取暖且炊事的有69份，占46%；采用柴灶接火炕取暖炊事的有40家，占26.67%；采用天然气取暖且天然气灶炊事的有41份，占27.33%，如图2所示。

图2 采暖炊事一体系统末端设备

1.3 全省单位建筑面积耗热量及能源使用现状

1.3.1 单位建筑面积耗热量

河北省农村供暖使用的能源主要有秸秆、煤、电能、木柴和天然气。农村单位建筑面积耗热量是衡量农村能耗的重要指标。根据调查数据结合相关公式[6]对农村单位建筑面积耗热量进行计算。根据结果显示，各调研用户单位建筑面积的耗热量，取其平均值为197.827 MJ·m-2·a-1。

1.3.2 全省能源使用情况

由调研数据可以得到，电能在河北省农村用户中是必备能源。调研结果发现，全省人均年耗电量最大值为1 038.45 kW·h，换算成标准煤为311.54 kg。由于国家近几年大力提倡使用清洁能源，并提出要在保证农户冬季正常供暖的情况下逐步完成清洁供暖计划。河北省农村人口众多，截止到2019年年底已经有一部分地区完成了煤改气（电）改造工程或者清洁煤替代计划，但仍存在一些偏远地区还在使用煤进行冬季供暖。根据调研结果显示，仍然使用煤炭供暖的用户占比达到48.45%，人均一年煤炭用量最大值为1 t。

天然气是近几年才普及到农村的一种商品能源。经过调研可知，人均天然气一年消耗量最大值为600 m3，经济富裕的家庭人均一年天然气消耗量为281.33 m3。经过国家推行清洁取暖政策后，河北省马上响应号召，积极行动。此次调研中，使用木柴的用户在调研中占比较少，秸秆用量在多地为零，这也说明农户的意识不断提高，越来越多的清洁能源被人们所接受。太阳能是在河北省使用最广泛的可再生能源。经过调研发现，有78.9%的受访用户表示家中使用太阳能热水器制取热水。

由此可见，在河北省农村地区95%的农宅围护结构均未添加保温层，单位建筑面积耗热量较高；农户平均供暖时间为104 d·a-1，但室内供暖平均温度仅为17.14 ℃，不能达到冬季室内舒适度要求。虽然超七成的农户已转为使用电能、天然气或清洁煤，但仍有多数居民提出夜晚供暖效果不佳、供暖费用过高等问题。因此，使用可再生能源仍然是农村供暖的最佳途径。

2 太阳能耦合相变材料蓄能床研究

2.1 太阳能耦合相变蓄能床的实验原理

太阳能耦合相变材料储能床是将相变材料蓄热技术与低温辐射供暖技术相结合而设计的一种经济适用的蓄能床。它主要由两部分组成，一是太阳能集热系统，二是蓄能床系统。工作原理如图3所示。

图3 太阳能耦合相变材料蓄能床的系统原理图

通过槽式太阳能集热器收集太阳能来加热真空管中的介质-水。加热后的水在循环水泵的推动下进入集热系统的蓄热水箱，当水温上升到规定温度时，加热循环泵启动，热水流入储热床体，在床体内的盘管中流动，将热量传递给盘管附近的相变材料-石蜡。由于石蜡的蓄热特性，白天充分吸收热量，由固体变为液体；夜晚集热器停止工作后，石蜡逐渐凝固，并释放热量。这个热量可以维持床面温度恒定，满足用户睡眠阶段的热舒适性要求。同时，在传递过程中没有被石蜡吸收的热量可以通过床面与房间进行辐射换热，提高室内的温度。

当遇到阴雨天或者雪天，太阳不足以提供热量给蓄能床时，可以通过在水箱中安装辅助电加热器，对水箱中的水进行电加热，以此代替太阳能集热系统。

2.2 最佳蓄能床的热性能研究

实验主要从相变材料、导热材料、保温材料以及运行方案等方面选择最佳蓄能床。

1）最佳相变材料组合的确定

在供水温度为40 ℃、流量为1.45 L·min-1相同工况条件下对纯石蜡蓄能床和水-石蜡蓄能床进行热性能比较。

由图4可以看出，水-石蜡混合的蓄能床石蜡层温度达到热稳定阶段后保持在36.91 ℃，而纯石蜡蓄能床在热稳定阶段石蜡温度始终处于温度上升的状态，在17:30时达到了36.37 ℃，随后将加热器关闭，水-石蜡蓄能床由于在热稳定阶段吸收足够的潜热量，睡眠阶段保持石蜡温度恒定在35.96 ℃，而纯石蜡蓄能床由于热稳定阶段吸收的潜热量仅仅起到了减缓温度降低的作用，整个睡眠阶段的温度均值为31.14 ℃。水-石蜡蓄能床的床面温度高于纯石蜡蓄能床，睡眠阶段水-石蜡蓄能床的床面层温度保持在31.89 ℃，而纯石蜡蓄能床的床面温度在睡眠阶段均值为28.90 ℃，两者虽都在舒适温度范围内，但纯石蜡蓄能床的温度在睡眠阶段是下降趋势，人体舒适度不如水-石蜡蓄能床。

图4 两种蓄能床的热性能对比

2）最佳导热材料组合式的确定

在查阅大量文献后发现，在导热性能较好的材料中，多孔铝介质是研究最广泛的金属材料，但其价格普遍偏高[7]。从调研报告分析得到，河北省农村经济消费水平不高，完全使用多孔铝作为导热材料会增加农民的经济负担。而在多数实验中蜂窝活性炭不仅具有稳定的蜂窝状结构，可以吸附大量石蜡，而且蜂窝活性炭价格相对低廉，容易被大众所接受。因而本研究结合河北省农村情况，采用孔隙率为20PPI的蜂窝活性炭与泡沫铝或蜂窝铝进行组合的方法，选择适宜在河北省农村地区推广的导热材料。

从睡眠温度来看，泡沫铝组合的睡眠温度呈现最大值，且在睡眠阶段变化较为平稳。通过与热舒适性温度最小值（26.1 ℃）进行比较发现，在睡眠阶段，三种蓄能床的睡眠温度与热舒适温度最小值之差一直大于零，这说明三者一直处于热舒适的状态。而水-石蜡蓄能床睡眠温度与热舒适温度最小值的差值在睡眠阶段一直在减小，说明此时的睡眠温度在持续下降；蜂窝铝组合蓄能床的睡眠温度与热舒适温度最小值的差值在睡眠阶段前半部分保持相对平稳，但后半部分开始下降，但下降速度平缓，且温度仍处于舒适范围内，对于熟睡的人而言，影响不大；泡沫铝组合蓄能床睡眠温度与热舒适温度最小值的差值一直保持在2.69 ℃左右，热稳定性较高，能保证人的睡眠质量较好，因而从导热材料角度出发，蜂窝活性炭-泡沫铝可以作为最佳的导热组合式。详见图5和图6。

图5 睡眠温度

图6 与舒适性温度最小值之差

3）最佳保温材料的确定

蓄能床的保温材料主要填充于木质外盒与不锈钢内盒之间，防止热量向地面以及床体四周传递。因此，保温材料的优劣会直接影响石蜡层到床面层的热量传递，进而影响到各层的温度。本研究选取

最常见的保温材料进行实验。

采用珍珠岩保温板的蓄能床在热稳定阶段温度从石蜡层传递到床面层降低了2.11 ℃，从床面层到睡眠层降低了5.10 ℃；在睡眠阶段，温度从石蜡层传递到床面层降低了2.55 ℃，从床面层到睡眠层又降低了5.01 ℃。详见图7(a)和7(b)。

图7（a） 珍珠岩保温板蓄能床热稳定阶段各层温度

图7（b） 珍珠岩保温板蓄能床睡眠阶段各层温度

在蓄能床中添加酚醛板作为保温材料，热稳定阶段，温度从石蜡层传递到床面层降低了1.04 ℃，从床面层到睡眠层降低了4.90 ℃；睡眠阶段，温度从石蜡层传递到床面层降低了1.47 ℃，从床面层到睡眠层又降低了5.31 ℃。通过对比得到，采用酚醛板的蓄能床各层温度均高于采用珍珠岩保温板的蓄能床，这说明了在采用酚醛板的蓄能床中，大部分热量都从石蜡层传递给床面层，热量散失较少，可作为最佳的保温材料。详见图8(a)和8(b)。

图8（a） 酚醛保温板蓄能床热稳定阶段各层温度

图8（b） 酚醛保温板蓄能床睡眠阶段各层温度

4）最佳运行方案的确定

太阳能耦合相变材料蓄能床原则上是利用太阳能对蓄能床进行热量的提供，但在阴雨天太阳能不可以满足蓄能床的供热要求时，可以采用电辅助加热的方式对蓄能床提供热量。因此，针对电辅助加热共设置了两种运行方案进行研究。其一是全天加热运行方案，即从早上8:30至下午17:30一直开启电加热器进行加热；其二是分时段加热方案，从早上8:30至中午11:30进行加热，然后关闭电加热器，循环水泵继续工作，直到临睡前再将电加热器开启2 h。

结果表明：当蓄能床进行全天运行加热（图9）时，到达热稳定阶段后石蜡层温度约为38.57 °C，床面温度为37.53 °C，睡眠温度为32.63 °C。17:30关闭电辅助加热器，同时关闭循环水泵，各层温度开始下降，由于石蜡释放潜热量，睡眠阶段各层温度保持稳定，石蜡层温度约为37.13 °C，床面温度为35.66 °C，睡眠温度为30.35 °C。根据电表数得到，全天加热运行工况下共消耗了1.6 kW·h，若假设每个月有10 d当地太阳能资源不能提供蓄能床的热量，则整个供暖期共消耗48 kW·h，根据河北省农村地区电价进行核算，大约花费24元。

图9 全天加热运行方案

当蓄能床进行分时段加热方案（图10）时，8:30开始随着供水温度的上升，蓄能床各层温度也逐渐升高。到达11:30关闭电加热器，由于循环水泵还在运行，蓄能床中的水与保温水箱中的水继续进行热量交换，因此供水温度下降速率较为缓慢，石蜡温度、床面温度以及睡眠温度略有下降，但影响较小，可仍然视为热稳定状态，此时石蜡层温度约为38.19 ℃，床面温度为36.99 ℃，睡眠温度为32.04 ℃。19:30打开电加热器，直到21:30关闭电加热器和循环水泵。整晚石蜡层平均温度在37.30 ℃，床面温度在35.74 ℃，睡眠温度在32.01 °C。分时段加热运行方案运行1 d大约要消耗电量为1.48 kW·h。通过计算，在整个供暖期内，采用分时段加热方案要消耗电量44.4 kW·h，共花费22.2元。因此，不管从睡眠舒适性角度还是经济性角度出发，分时段加热方案都比全天加热方案更加适合。

图10 分时段加热运行方案

因此，通过以上四个方面的实验研究最终确定以蜂窝活性炭-泡沫铝的组合式为导热材料，酚醛板为保温材料的水-石蜡蓄能床为最佳复合蓄能床。并且最佳蓄能床不仅能解决夜间床面温度不佳的问题，还可以改善室内供暖温度。经过测量，在使用最佳蓄能床的实验室内，室内温度可以达到22.80 ℃，满足冬季室内采暖的要求。

3 河北省农村地区冬季供暖污染物排放情景预测

结合国家政策运用情景分析法，研究在河北省农村清洁供暖的大背景下，相变蓄能床适当推广后对2025年河北省农村清洁供暖产生的环境效益进行预测。通过运用调研得到的河北省农村地区户均供暖面积以及通过不同供暖设备的能耗分析式[8]可以大致计算出户均供暖能源消耗量，再结合《国家人口发展规划》[9]和《河北省人口发展规划2017—2035》[10]的相关规定，采用排放系数法可以计算得到各情景下的污染物排放量。研究过程设定了三个情景：其中情景模式1和情景模式2是在考虑清洁供暖政策[11-12]的影响下，根据现在清洁供暖工作的完成进度，在情景模式1和情景模式2中假定2025年河北省农村地区已基本完成清洁供暖工作，进而预测此情景下大气污染物的排放量[13]；情景模式2是根据实际情况对各供暖方式的使用配比率进行合理调整后，对大气污染物的排放量的预测；情景模式3是在情景模式2的基础上，将煤改电背景下的供暖方式进一步细化，研究推广相变蓄能床所能带来的环境效益。具体供暖设备的使用配比根据调研结果进行设置，如表1所示。

表1 各情景模式的供暖设备使用配比

计算数据得到，在情景模式3下，河北省全年农村供暖将排放0.586万t CO、5.887 万t SO2、3.439万t NOx。由图11中可以看出，在三种情景下，情景模式3下大气污染物的排放量是最少的。与情景模式1相比，CO排放量减少了19.7%，SO2排放量减少了8.8%，NOx排放量减少了10.5%。因此说明了太阳能等可再生能源是最清洁的能源，蓄能床在河北省农村地区推广后可以获得较大的环境收益。三种情景模式下大气污染物排放量，如图11。

图11 三种情景的污染物排放情况

4 结 论

在调研河北省农村地区供暖现状的基础上，设计一种经济适用的太阳能耦合相变材料蓄能床，既能充分利用可再生能源，又能解决供暖效果不佳等问题。通过实验对蓄能床的供暖性能进行研究，最终通过情景分析法预测2025年河北省农村地区供暖污染物的排放量。

首先，对河北省10个地区的农村用户进行实地走访调研，得到了全省农村单位建筑面积耗热量达197.827 MJ·m-2·a-1；农户平均供暖时间为104 d·a-1，但室内供暖平均温度仅为17.14 °C，不能达到冬季室内舒适度要求。其次，通过实验对蓄能床进行供暖性能的研究，结果得到：以蜂窝活性炭-泡沫铝的组合式为导热材料，酚醛板为保温材料的水-石蜡蓄能床为最佳复合蓄能床，分时段加热方案为最佳运行方案。当使用最佳蓄能床进行供暖时，睡眠阶段床面温度保持在35.74 °C，睡眠层温度保持在32.01 °C，室内温度保持在22.80 ℃，能够满足人体舒适性的要求。最后，运用情景分析法预测在河北省农村清洁供暖背景下河北省农村地区供暖污染物的排放量情况。结果表明：大力推广清洁取暖政策后，污染物的排放量有所减少。并且当在农村地区推广蓄能床后，CO排放量可以减少19.7%，SO2排放量可以减少8.8%，NOx排放量可以减少10.5%。