东北农村清洁供暖适用技术研究

2023-01-05孔令令李彪铭

黑龙江科学 2022年16期

孔令令，李彪铭

(长春市规划编制研究中心，长春 130000)

1 清洁供暖政策与背景

城乡建设部、财政部、生态环境部和国家能源局自2017年起陆续出台了一系列政策文件，包括《扩大中央财政支持北方地区冬季清洁取暖城市试点的通知》《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》等。2017年6月份以来，国家陆续发放了三批财政支出，相关资金均用于北方冬季清洁取暖试点城市的运作。试点城市数量共计43个，国家财政机构根据不同试点城市情况制定了3年奖励政策，省会城市、地级城市及县级市均获得了相应补助，资金分别为10亿元、7亿元及3亿元。2017-2020年，国内北方地区的供热面积呈现出较为稳定的增长趋势，从191亿m2增加到218亿m2，其中清洁供暖面积增幅相对明显，从82亿m2增至142亿m2。到2020年，试点城市清洁供暖比例已高达65%，相比于2017年增加了22%，农村的清洁供暖比例明显提升。

2 东北农村住宅建筑概况

东北地区室内供暖情况与诸多因素息息相关，如房屋建筑的外围结构、门窗保温情况等。从农村建筑发展现状来看，大部分房屋并未设置外保温结构，一般仅有一层墙体防冻，冬天门会经常出现漏风情况，仅依靠门口挂厚帘子防冻。大部分窗户都是单层玻璃，一般单层玻璃的传热系数为6.4 W/(m2·K)，玻璃传热系数大于墙体，如果不进行保温防冻处理，极易导致漏风现象。这些建筑外围机构的热工性能相对较差，天气越冷，墙体和外界的换热量便会明显提升，增加能耗，导致冬天室内温度不能达到预期目标[1]。

3 东北农村供暖能耗现状

东北地区使用的能源种类较多，如秸秆、薪柴、电能、煤炭等都是较为常见的能源，太阳能、生物质能等清洁能源使用相对较少。东北地区的经济发展并不均衡，各省市地区的消费水平参差不齐，大连、沈阳、哈尔滨、长春等城市的收入、消费水平较省内其他城市偏高，城乡差异比其他城市要小得多，这有利于促进农村能源结构的全面改善，可带动新农村建设发展[2]。东北农村地区的家庭能源消费包括家用电器耗能、热水耗能、冬日制热、夏日制冷耗能等几大部分[3]，采暖形式不同，能源形式也会有所差异，进而会带来不同的环境影响、社会影响和经济影响，这将导致人们居住建筑的舒适度有所差异。

从20世纪90年代起，农村能源消费结构以“煤炭+薪柴或秸秆”为主，目前逐渐过渡到“电+太阳能+煤炭”的形式，薪柴、液化气已经逐渐成为辅助能源。由于农村地区存在较大的差异，发展程度大有不同，经济落后地区居民仍需要依靠秸秆、薪柴等燃料进行供暖，对传统物质能源仍存在较高的依赖性[4]。经济条件较好地区，当地居民已经逐渐放弃了传统的生物质能源手段，选择了更为便利的石油、天然气等商品性能源。商品性能源应用比例逐年提升，其中增长最快的商品能源是电力。

4 清洁能源的应用

长春、哈尔滨等东北城市正在大力推广煤改清洁能源工作。空气能、地热能、太阳能等已经逐步成为供暖能源，其成本低，获得了越来越高的重视。针对清洁能源进行了分析。

4.1 燃气

燃气经常会受到管网限制作用，一般仅在部分城郊地区方可使用。农村地区的燃气管网敷设极易受到安全性、成本的限制，通常采用液化气、压缩气能源，可以是罐装形式也可在村落地区设置小型供气站[5]。内蒙、山西等地的煤层资源相对丰富，正在尝试提纯煤气层或对天然气进行混合，将其作为清洁能源加以利用。燃气供暖的主要形式包括集中供暖、燃气壁挂炉+散热器、辐射装置供暖等。燃气供暖技术已发展到了相对成熟的阶段，市场化能力较高，可带动整个产业发展，用户也更容易接受这种方式。城市煤改清洁能源工程项目中，燃气是应用最为广泛的能源之一，燃气使用要考虑气源、供气管网可靠性等方面的影响。

4.2 电力

供暖环节中，市政电力应考虑电网容量的限制，尤其是对于电网相对薄弱的农村地区，为了保证煤改项目的顺利进行，必须及时对电网进行升级改造。部分企业认为农村地区开展的光伏扶贫工程所发出的电能相对较少，用于供暖供电存在成本偏高的问题，相比于光能利用，其能效等级较低，适应性相对较差。对于部分弃风弃光比例偏高的地区，可借助电力进行供暖处理。电力供暖包括电蓄热、电直热两种方式。常见的电直热方法有直热式电暖器、电热膜、碳纤维等，主要是户式系统。电直热控制方便、升温效果良好、施工简单，但是存在运行成本高的缺点，一般不建议采用。对于部分间歇供暖区域、局部供暖区域可选择上述方法。电蓄热是指带蓄热装置的电供暖系统，常见的电蓄热方法有蓄热电锅炉、电锅炉+水蓄热等[6]，可用于户式系统和集中供暖，其中蓄热电暖器是当下煤改电推广的主要设备之一。电蓄热系统合理利用了夜间谷电，可生产出全天的耗热量，充分利用了峰谷电价，降低了运行费用，但是该系统对电力增容提出了更高的要求，一般为电直热系统的2～3倍，系统初期投资偏大，需要采用良好的放热控制措施，方可达到最佳效果。

4.3 空气源热泵

煤改电项目中应用较多的是空气源热泵供暖系统。其工作原理是建立在卡诺循环基础上，通过输入电力从低品位的空气中获取热能，将其送到供暖装置内部。空气源热泵有热水型、热风型。热风型热泵一般需要分室设置，室内机一般放置于房间内，控制起来相对方便灵活，利于主动节能，不会有防冻方面的特殊要求，但是农户对热风系统、室内机噪音是否接受还有待考察。热水型热泵在常规热水供暖系统中一般是配套设置，一户一系统，其散热方式与土暖气大体类似，更易推广，但不利于分室处理。相比于电直接转化为热，空气源热泵的能效更高，一份电力可产生更高热量，对电网增容要求较小，在农村建筑中的推行更为简单。但是空气源热泵在低温条件下可能存在结霜融霜、性能下降的问题，需要考虑噪音影响，适应性有待考察。

4.4 地热能

地热能供暖包括中高温地热直接供暖、浅层地源热泵供暖两种。中高温地热直接供暖合理利用了地热资源进行供暖，能效高，但其应用范围、应用规模会受到地热资源的限制。地热井成本较高，地下直接换热方法对管材的承压要求相对较高，存在换热面积大、换热效率低、投资成本高的缺点。浅层地源热泵供暖和空气源热泵极为相似，能效较高，一份电力可产生多份热量，对电网的增容要求相对较低[7]。浅层地源热泵供暖体系有地下水、地表水、地埋管地源热泵三种形式。由于水资源保护方面的限制，地下水地源热泵获得许可的难度较高；地表水在冬季温度偏低、易于解冻，使用频率低；地埋管地源热泵初始投资要求高，供暖期必须充分考虑土壤热平衡、地埋管打孔等要求。

4.5 生物质能

生物质直接燃烧取暖的方式已经逐渐被淘汰，而生物质固体成型燃料高效燃烧供暖、沼气燃烧供暖等更具发展前景。借助生物质固体成型燃料进行处理，方式简单，可高效利用各类分散资源，逐步实现产业化、市场化的发展目标，但是该方法的原材料收储运难度较大，固体燃料经常掺假，如混入垃圾煤炭等，属于非环保型燃料，在部分地区受到了环保机构的抵制。生物质固体燃料具有热值偏大、价格偏高的缺点，后续供暖成本明显增加。

4.6 太阳能

太阳能的应用历史悠久，应用研究基础相对较好。太阳能供暖合理利用了太阳能，受到了业内人士的认可。太阳能供暖包括被动式供暖、主动式供暖两种，根据热媒不同，主动供暖还可分为太阳能热水供暖、太阳能空气供暖两大类。为了推行太阳能供暖模式，必须充分考虑节能设计要求，尽量保证主动被动系统的有效结合。

太阳能被动式供暖中，最为典型的应用是被动太阳房。20世纪80年代开始，该方法在北方地区得到了广泛应用，极大程度改善了东北农村室内的居住环境。被动太阳房初期投资较少，效果突出，可起到较为稳定的改善作用，为了保证室内的舒适度，必须考虑其他辅助能源的有效配合。被动太阳房要对热分配、蓄热、集热等进行综合处理和设计，以提高室内供暖效果，避免夏季过热的问题。

太阳能热水供暖系统建立在太阳能生活热水的基础上，具有良好的发展前景，其集热技术成熟，可进行分户或其他方式处理，可考虑季节影响，结合蓄热共同完成供暖。考虑到集热器是暴露在室外环境中，因此必须充分考虑防冻要求，非供暖期则要避免设备过热。严寒期地下土壤过冷，可结合地埋管热泵系统，利用太阳能在夏季进行地下补热，实现太阳能的全年综合利用。

近年来，为了合理利用单层、闲置的易冻房屋，业内逐渐增加了太阳能空气供暖系统。这一系统以空气为媒介，具有结构简单、价格便宜的优势，不存在冬季冻结、非供暖期过热的问题。非供暖期还可积极进行室内通风，改善室内环境。但以空气为介质，集热效率相对较小，极易导致空气流道积尘问题，因此对蓄热体要求较高。

4.7 余热

余热供暖是利用工业低品位余热进行供暖的一种模式。其热源成本较低，技术方面、经济方面的可行性较高。该方法要求余热资源必须具有足够的稳定性，余热资源和生产工艺息息相关，可能存在稳定性差、连续性薄弱的问题。余热源和用户之间存在一定距离，必须考虑远距离输送要求，传送媒介要从经济、成本、技术等角度出发综合考虑。