基于既有农村住宅能效提升的常规清洁取暖方式经济性分析*

袁 静 王 选 马 骊 王天生 李 骥

(1.中国建筑科学研究院有限公司,北京;2.建科环能科技有限公司,北京)

0 引言

北方地区清洁取暖工作自2017年开始至今,已确定了5批共88个清洁取暖城市。《住房城乡建设部 国家发展改革委 财政部 能源局关于推进北方采暖地区城镇清洁供暖的指导意见》指出:除“热源侧”热源清洁化改革之外,大力提高热用户端能效,也是清洁取暖的重点工作之一;推进建筑节能,新建建筑严格执行建筑节能标准,在有条件的地区推行超低能耗建筑和近零能耗建筑示范,加快推进既有建筑节能改造,优先改造采取清洁供暖方式的既有建筑[1]。通过提高“用户侧”建筑能效,可有效降低供暖能耗,进一步减少居民供暖成本,对于形成“居民可承受”的清洁取暖模式非常重要[2]。其中,建筑能效提升率为清洁取暖城市工作绩效考核指标,要求能效提升完成后建筑能效水平较改造前提升30%以上。在农村地区,因缺少集中供热热源,多采用分户式“电代煤”“气代煤”等清洁取暖改造形式。若在清洁取暖改造的基础上,同步开展农房的建筑能效提升,更有利于减少居民供暖成本,以保障“清洁供”“节约用”,使农村清洁取暖工作可持续。

关于农村清洁取暖及影响,国内部分学者进行了一些研究。周淑慧等人从技术、经济和环保3个维度对农村地区主要的清洁取暖方式进行了对比分析并提出了建议[3];侯隆澍等人分析了不同清洁取暖技术路径的碳减排效益,结果表明清洁取暖对农村住宅领域直接碳排放的降低有显著作用,并对以碳减排为导向的农村地区清洁取暖技术路径的优化提出了建议[4];黄雅梅等人研究了降低寒冷地区农村住宅热泵供暖电费的技术策略[5];谢慧等人以冀东地区既有农宅为基础,计算了6种改造方案的碳排放量和经济回收期,结果表明围护结构节能改造后农宅碳排放量可降低52.85%～86.72%,并在此基础上对3种不同热源的改造经济效益进行了分析[6]。

承德市2021年入围北方地区清洁取暖城市,本文以承德市某典型农宅为例,以清洁取暖设备现场运行检测数据为依据,分析农宅节能改造前后采用几种常见的清洁取暖方式的经济性。

1 清洁取暖设备运行测试数据分析

因气源保障能力不足,承德市农村多采用“电代煤”及“生物质代煤”的清洁取暖改造形式,2021—2022年承德市农村地区共完成7.42万户清洁取暖改造,其中“电代煤”3.01万户、“生物质代煤”4.41万户。“电代煤”设备涵盖空气源热泵热水机、空气源热泵热风机、蓄热式电锅炉,其中空气源热泵热水机占比83.1%、蓄热式电锅炉占比9.7%。

为验证承德市农村冬季清洁取暖改造项目的实际运行效果,在2021—2022年供暖季对承德市部分农户清洁取暖项目开展了现场实际供暖性能测试。根据测试结果可知:采用空气源热泵供暖系统的农户供暖房间室内温度在15.9～21.8 ℃之间,平均室内温度为19.3 ℃;系统制热性能系数在1.62～2.83之间,平均系统制热性能系数为2.03,如图1所示。

图1 农户空气源热泵供暖系统实际运行情况

根据测试结果可知:采用电锅炉供暖系统的农户供暖房间室内温度在17.5～19.7 ℃之间,平均室内温度为18.5 ℃;系统热输出效率在0.90～0.96之间,平均系统热输出效率为0.92,如图2所示。

图2 农户电锅炉供暖系统实际运行情况

根据GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》,严寒和寒冷地区农村居住建筑的卧室、起居室等主要功能房间,节能计算时冬季室内计算温度应取14 ℃[7];根据GB/T 18883—2022《室内空气质量标准》,冬季供暖室内温度标准值为16～24 ℃[8]。根据农户供暖房间室内温度的测试结果,采用空气源热泵供暖系统和采用电锅炉供暖系统的农户供暖房间室内温度均可达到14 ℃以上。其中,采用电锅炉供暖系统的农户供暖房间室内最低温度均可达到16 ℃以上,而采用空气源热泵供暖系统的农户供暖房间室内最低温度达到16 ℃以上的比例为97%。相比采用电锅炉供暖系统,采用空气源热泵供暖系统的室内最低温度更低,与空气源热泵机组在极端低温天气条件下效率较低、制热量下降及用户设定温度较低、取暖习惯等有关。

根据调研可知,受取暖习惯、取暖面积、系统本身性能系数、农宅本身围护结构热工性能等因素影响,不同农户之间供暖季供暖能耗及供暖费用差别较大。根据承德市某村289户采用空气源热泵供暖系统的农户清洁取暖用电量监测数据,户均供暖季供暖用电量为6 961 kW·h,其中用电量在4 000 kW·h以内的农户共36户,4 001～8 000 kW·h的农户共166户,8 001 kW·h以上的农户共87户。根据承德市某村143户采用电锅炉供暖系统的农户清洁取暖用电量监测数据,户均供暖季供暖用电量为11 283 kW·h,其中用电量在10 000 kW·h以内的农户共73户,10 001～20 000 kW·h的农户共56户,20 001 kW·h以上的农户共14户,不同农户间用电量差异较大。采用电锅炉供暖系统的农户与采用空气源热泵供暖系统的农户相比供暖用电量较高,会导致运行费用较高,居民可承受性较差,取暖设备开启率较低,但在极端低温天气下供暖效果较好。其中,部分围护结构热工性能较好的农宅,如外墙或屋顶有保温层、外门窗采用双层玻璃等,供暖效果相对较好。

2 典型农宅能效提升前后供暖热需求计算

以承德市围场县某典型农宅为例,该农宅层数为1层,详细建筑参数、围护结构热工性能参数见表1、2,建筑模型图、平面图见图3、4。

表1 典型农宅建筑参数

表2 典型农宅改造前围护结构类型

图3 典型农宅模型图

图4 典型农宅平面图

该农宅室内面积86.45 m2,主要供暖房间为客厅、主卧、次卧、客卧、餐厅及过道,主要供暖房间面积69.65 m2,其中卧室面积32.55 m2,客厅、餐厅及过道面积37.10 m2。

根据DB 13(J)185—2020《河北省居住建筑节能设计标准(节能75%)》[9],对该典型农宅进行能耗分析,得到该典型农宅改造前单位建筑面积耗热量指标为90.94 W/m2。对该典型农宅进行能效提升,对建筑四面外墙实施外保温改造,外墙外保温采用80 mm厚挤塑聚苯板。改造后进行能耗模拟,得到该典型农宅改造后单位建筑面积耗热量指标为63.32 W/m2,提升率为30.37%。改造前后逐时(11月1日00:00至3月31日24:00)供暖负荷如图5所示。2022年1月29日07:00的供暖负荷为最大负荷,改造前为18.18 kW,改造后为13.42 kW。

图5 典型农宅改造前后逐时供暖负荷

3 供暖设备选型

本文主要对比在典型农宅能效提升前后,采用空气源热泵供暖系统或蓄热式电锅炉供暖系统2种形式下的供暖能耗及运行费用。根据该典型农宅的负荷计算结果进行设备选型。采用空气源热泵供暖系统的主要设备参数如表3所示,采用蓄热式电锅炉供暖系统的主要设备参数如表4所示。

表3 空气源热泵供暖系统主要设备参数

表4 蓄热式电锅炉供暖系统主要设备参数

4 供暖系统能耗分析

对典型农宅供暖系统能耗模拟分析分为以下4种情景。情景1:能效提升前安装空气源热泵供暖;情景2:能效提升后安装空气源热泵供暖;情景3:能效提升前安装蓄热式电锅炉供暖;情景4:能效提升后安装蓄热式电锅炉供暖。

从农宅的建筑形式及实际的建筑供暖空间使用模式、热舒适特征、供暖需求来看,为匹配农宅的实际负荷特性,应考虑“部分时间、部分空间”的取暖模式[10]。因此,按照分时段局部供暖模拟计算4种情景下典型农宅供暖系统的能耗,农户主要供暖房间的供暖时段及供暖设备开启率如表5所示。

表5 农户主要供暖房间的供暖时段及供暖设备开启率

通过模拟计算可知:情景1整个供暖季能耗为7 492.48 kW·h,单位取暖面积能耗为107.57 kW·h /m2;情景2整个供暖季能耗为5 344.73 kW·h,单位取暖面积能耗为76.74 kW·h /m2;情景3整个供暖季能耗为15 773.64 kW·h,单位取暖面积能耗为226.15 kW·h /m2;情景4整个供暖季能耗为11 252.07 kW·h,单位取暖面积能耗为161.55 kW·h /m2。4种情景下典型农宅供暖系统逐月能耗如表6所示。

表6 4种情景下的逐月供暖能耗 kW·h

5 改造成本及运行费用分析

5.1 总体改造成本分析

对该典型农宅选型的设备安装购置费用、农宅改造费用、电网改造费用等进行了市场询价及调研,4种情景总体改造成本如表7所示。

表7 4种情景总体改造成本 元

5.2 供暖运行费用分析

承德市清洁取暖采用峰谷电价方式对居民电供暖用电给予一定的运行补贴,如表8所示。考虑峰谷电价,根据前文模拟的逐时能耗计算4种情景下供暖季运行费用。

表8 承德市居民电供暖峰谷电价[11]

通过计算可知:情景1整个供暖季运行费用为2 873.07元,单位取暖面积运行费用为41.25元/m2;情景2整个供暖季运行费用为2 023.10元,单位取暖面积运行费用为29.05元/m2;情景3整个供暖季运行费用为6 048.57元,单位取暖面积运行费用为86.84元/m2;情景4整个供暖季运行费用为4 259.16元,单位取暖面积运行费用为61.15元/m2。据了解,承德市对清洁取暖改造制定了补贴政策,其中对于采取“电代煤”供暖的农户,给予每个供暖季1 200元/户的运行补贴[12]。4种情景下典型农宅供暖系统运行费用如表9所示。

表9 4种情景供暖运行费用 元

5.3 经济性分析

对该典型农宅4种情景下的总体改造成本与运行费用进行分析可知:情景1与情景2相比,增加对该农宅的节能改造后,总体改造成本增加5 933元,每个供暖季可节约运行费用849.97元,回收期为7.0 a;情景3与情景4相比,增加对该农宅的节能改造后,总体改造成本增加5 933元,每个供暖季可节约运行费用1 789.41元,回收期为3.3 a;情景1与情景3相比,采用空气源热泵供暖系统总体改造成本增加15 000元,每个供暖季可节约运行费用3 175.5元,回收期为4.7 a;情景2与情景4相比,采用空气源热泵供暖系统总体改造成本增加15 000元,每个供暖季可节约运行费用2 236.06元,回收期为6.7 a。

此外,承德市对清洁取暖的设备购置安装及户内线路改造均制定了补贴标准,承德市高新区清洁取暖补贴标准为:采取空气源热泵和集中式相变谷电蓄热锅炉改造的农户,根据设备购置安装费用(含户内线路改造),每户最高补贴金额不超过13 700元(设备安装以实际取暖户为准。设备款不足13 700元的政府补贴90%);同时,承德市农村用户侧能效提升除更换外门窗需居民自筹资金解决外,外墙和屋面改造均由清洁取暖专项资金承担[12]。因此,考虑政府补贴政策后,对农户承担的改造成本与运行费用进行分析可知:情景1与情景2相比,增加对该农宅的节能改造后,不增加农户承担的改造成本,每个供暖季可节约运行费用849.97元;情景3与情景4相比,增加对该农宅的节能改造后,不增加农户承担的改造成本,每个供暖季可节约运行费用1 789.41元;情景1与情景3相比,农户承担的改造成本增加8 500元,每个供暖季可节约运行费用3 175.5元,回收期为2.7 a;情景2与情景4相比,农户承担的改造成本增加8 500元,每个供暖季可节约运行费用2 236.06元,回收期为3.8 a。

4种情景总体增加的改造成本和节约的运行费用,以及考虑政府补贴政策后农户承担的改造成本和节约的运行费用如表10所示。

表10 4种情景经济性分析

6 结论

以承德市某典型农宅为例,以承德市清洁取暖设备现场运行检测数据为依据,分析了农宅节能改造前后采用几种常见的清洁取暖方式的经济性,主要结论如下:

1) 承德市典型农宅采用空气源热泵供暖系统比采用蓄热式电锅炉供暖系统整个供暖季能耗可降低约52.5%;安装相同的供暖设备时,若进一步对该典型农宅进行能效提升,整个供暖季能耗可降低约28.7%。

2) 典型农宅采用空气源热泵供暖与采用蓄热式电锅炉供暖相比,采用系统能效系数更高的空气源热泵机组回收期均在7 a以内;仅考虑农户承担的改造成本,采用空气源热泵机组回收期均在4 a以内,具有较好的经济性。

3) 采用空气源热泵供暖同时对农宅进行能效提升,每个供暖季农户承担的供暖运行费用可降低50.8%;采用蓄热式电锅炉供暖同时对农宅进行能效提升,每个供暖季农户承担的供暖运行费用可降低36.9%。在对农户进行清洁取暖改造的同时,同步开展农宅能效提升可以大幅度减少居民供暖成本。

因此,在农村地区开展清洁取暖时,为降低取暖能耗并减轻农户取暖负担,应选择系统能效系数更高的供暖形式,且在热源测改造的基础上同步开展既有农宅的能效提升。