北方农村煤改清洁能源不同技术的经济性和排放性能对比

单明，刘彦青，马荣江，邓梦思，丁星利，杨旭东，章永洁，叶建东

(1.清华大学建筑学院，北京 100084；2.北京市可持续发展促进会，北京 100084)

2016年12月21日习近平总书记在原中央财经领导小组第十四次会议上提出，“推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容；要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁取暖比重”[1]。北方农村既有取暖方式主要以低效高污染的散煤燃烧为主，在浪费大量化石能源的同时，还造成严重的室内外空气污染，故在北方农村推进清洁取暖对于降低取暖能耗、提高能源利用效率、打赢蓝天保卫战意义重大。

2017年5 月，财政部、住房和城乡建设部、原环境保护部和国家能源局4部委联合发布《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》(财建〔2017〕238号)[2]，北方地区冬季清洁取暖国家试点工作正式开始。2017年12月，国家10部委又印发了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》[3]，其中对清洁取暖所涉及的能源种类、技术方案，以及未来4年内的整体实施目标等都做了一定的指导。但这些文件所给出的多为总体性建议原则，有关省区市农村地区在能源禀赋、气候特点、建筑形式、使用模式等都存在很大的差异性，还应结合本地资金投入潜力和农民意愿等因素的实际情况开展工作。因此，各地基本都是采取边摸索、边推进的工作模式。

不同地区的农宅采用不同清洁取暖技术时的实际运行效果、经济性和对环境的影响也各不相同。目前，北方农村地区清洁取暖工作仍在大规模进行中，针对不同技术开展科学、有效的评估，对各地区科学合理地选择后续清洁取暖技术路径，确保清洁取暖工作的顺利开展和取得长期实效都至关重要。本文结合过去几年所开展的深入研究和实地工作，对其进行详细分析。

1 北方农村煤改清洁能源主要技术

根据公开资料[4]，截至2018年底，京津冀及周边地区、汾渭平原共完成清洁取暖改造1372.65万户，各试点省(市)清洁取暖改造完成情况如表1所示。从所采用的技术方案看，试点城市采用的清洁热源替代方式以“煤改气”“煤改电”为主，其他形式如“煤改热”“煤改生物质”等仅有少量试点。

本文将北方农村地区目前所涉及的主流清洁取暖技术方案分为燃烧型、电驱动型和多系统耦合型三种类型，其中燃烧型取暖系统包括燃气热水锅炉(俗称天然气壁挂炉)、生物质颗粒燃料取暖炉；电驱动型取暖系统包括蓄热式电暖气、低温空气源热泵热水机和低温空气源热泵热风机；多系统耦合型包括太阳能集热器+低温空气源热泵热水机。下面分别对这几种系统的工作原理做一简单介绍。

(1)技术方案一：天然气壁挂炉

该系统利用商品化天然气壁挂炉设备通过燃烧外网供应的天然气来加热循环介质(一般是水)并将其输送至散热末端进行取暖。天然气壁挂炉多安装在厨房，烟囱连通室外以排放燃烧所产生的烟气，如图1所示；散热末端一般采用农宅既有的或改造后的散热器或辐射地板。通常农村地区没有既有的天然气输送管网，需要重新铺设室外天然气干管和引至农户室内的支管，气源有管道天然气和撬装式液化天然气(LNG)两类。

表1 北方7省(市)完成清洁取暖改造情况(截至2018年底)

图1 燃气壁挂炉取暖系统原理图

(2)技术方案二：生物质颗粒燃料取暖炉

图2 生物质颗粒燃料

该系统采用燃烧生物质颗粒燃料(是指把不规则的农林剩余物经过处理加工成密实且尺寸较为一致的颗粒状成型燃料，见图2)的炉具加热循环热水并将其输送至散热末端进行取暖。生物质颗粒燃料取暖炉需安装在厨房或其他无人员长期逗留的单独房间内，配置单独与室外相连的烟囱以排放燃烧所产生的烟气；散热末端可采用农宅既有的或改造后的散热器或辐射地板；生物质颗粒燃料可于每年取暖季开始前一次性购买后存储在农户室内，炉具使用时需要做到每天及时加料和清灰。系统原理如图3所示。

图3 生物质颗粒燃料取暖炉取暖系统原理图

(3)技术方案三：蓄热式电暖气

该系统利用电阻元件直接将电能转化成热能进行取暖，其中配有一定量的耐火砖、铁块等重质材料蓄存夜间谷电所产生的热量，待到白天进行放热，如图4所示。如果所配置的重质材料量不足，将导致设备蓄热能力受限。由于其将建筑物全天的取暖需热量压缩到夜间时段获取，因而所需的电加热功率基本会翻倍，对配电容量的要求更高。

图4 蓄热式电暖气取暖原理图

(4)技术方案四：低温空气源热泵热水机

该系统采用电能驱动，利用逆卡诺循环原理吸取室外空气中的热量连同电能转化的热量，通过冷媒循环不断加热热水输送至室内散热末端进行循环取暖，末端可采用散热器或地板辐射管等。低温空气源热泵与家用空调器的基本原理相同，但它是以冬季取暖为主要目的进行设计的，可以实现较低室外气温下的良好制热并有效解决了普通空调器冬季结霜严重的问题。低温空气源热泵整个取暖季的平均能效可达2以上，但对电力稳定性有一定要求。系统包括室内机和室外机，两者通过冷媒铜管相连，室内机与取暖末端通过水管相连，如图5所示。另外，低温空气源热泵在低出水温度下能效较高，其作为低温热源(一般出水温度最高可达50℃以上，经济性运行温度约40℃，运行温差约5℃)直接匹配既有的地板辐射管或落地式风盘可取得较好的取暖效果。对于既有的老式散热器，需要进行增加散热末端、输送管道以及水泵等的技术改造。

图5 空气源热泵热水机组取暖系统原理图

(5)技术方案五：低温空气源热泵热风机

该系统采用电能驱动，利用逆卡诺循环原理吸取室外空气中的热量连同电转化的热量通过冷媒循环直接加热室内空气循环取暖。空气源热泵热风机室外机需安装在通风良好的室外，室内机落地安装在散热良好的取暖房间，如图6所示。空气源热泵热风机在华北地区冬季气候条件下的能效比可达2.5以上，且启停方便、升温快，可实现夏季供冷，不需要额外末端，具有按需灵活配置的特点，就像安装单体壁挂空调器那样简单，不需要穿墙打洞敷设循环水系统。

图6 空气源热泵热风机取暖系统原理图

(6)技术方案六：太阳能集热器+低温空气源热泵热水机耦合系统

采用太阳能真空管加热热水输送至室内循环取暖，不足部分由低温空气源热泵热水机补充，末端可采用散热器或地板辐射供暖，系统工作原理如图7所示。由于太阳能的不稳定性且夜间无法使用，空气源热泵热水机需满负荷匹配。

图7 太阳能热水采暖系统运行原理图

2 研究方法

2.1 调研与实测

本文采用实地调研、现场示范和测试、数值模拟相结合的研究方法，通过将各种技术方案在实际农宅中进行示范和测试，获取真实的农宅基础参数、初始投资和运行数据等，所要对比分析的6种技术方案实际示范户的基本情况如下：

方案1示范户位于北京市大兴区农村，北向墙体采用50mm挤塑聚苯板保温，外窗采用双层玻璃塑钢窗，取暖热源为1台22kW燃气壁挂炉，以低温辐射地板作为供暖末端，整个取暖季天然气消耗总量约为1391m3(不含炊事与生活热水的燃气消耗)。

方案2示范户位于山东省济南市农村，无保温，取暖热源为1台15kW生物质颗粒燃料取暖炉，以暖气片作为供暖末端，整个取暖季消耗花生壳颗粒燃料2175kg。

方案3示范户位于北京市海淀区农村，取暖热源为蓄热式电暖气，设备总功率为18kW，农宅除南墙以外的其他外墙都做了50mm聚氨酯泡沫板外保温，外窗采用双层玻璃塑钢窗。整个取暖季共耗电4081.2kWh，其中包含平段用电2267.8kWh和谷段用电1813.4kWh。

方案4示范户位于北京市密云区农村，取暖热源为低温空气源热泵热水机，以低温辐射地板作为供暖末端。该建筑为节能65%的新建小高层居民楼，整个取暖季总电耗为3700kWh。

方案5示范户位于北京市房山区农村，无保温，其主卧和客厅各安装1台采用准双级压缩机的壁挂式低温空气源热泵热风机，设备运行期间禁用电辅热功能，整个取暖季总电耗为747kWh。

方案6示范户位于北京市平谷区农村，墙体采用50mm挤塑聚苯板保温，外窗采用双层玻璃塑钢窗，取暖系统为太阳能热水集热系统+4kW直流变频低温空气源热泵热水机(辅助)，室内末端采用低温辐射地板，整个取暖季太阳能热水循环泵耗电约151kWh，低温空气源热泵热水系统耗电6104kWh。

上述六种不同取暖方案示范户的运行情况如表2所示。

2.2 模拟评价

2.2.1 评价方法

由于农宅取暖的热负荷需求受到室外温度、室内温度、围护结构热性能、室内层高、取暖面积、换气次数、系统运行时长、农户使用模式等多种因素的影响，在实际中很难找到两个或两个以上在这些方面都具有完全相同条件的农宅，所以无法对多种取暖设备的实际能耗情况进行直接对比，故又进一步采用动态模拟的方法将所有设备折算到典型农宅的统一工况下进行对比分析，具体流程如图8所示。首先对典型农宅进行能耗模拟得到基础取暖负荷，然后根据不同类型取暖设备的热效率计算得到运行能耗，由此得到所对应的运行费和污染物排放量；再结合取暖系统的初始投资，可以计算得到系统的费用年值。

表2 六种技术方案示范户的取暖费用

图8 典型农宅不同取暖方式的评价流程

2.2.2 典型农宅模型

图9 典型农宅平面图

根据笔者团队对京津冀地区所做的大规模调研结果[5]，汇总出的一个典型农宅模型如图9所示。由于厨房一般位于配房且不取暖，故未体现在典型农宅平面图中。该典型农宅坐北朝南，每户含3间房，客厅位于中间，东、西侧为卧室，取暖总面积为80m2，外墙材料为20mm水泥砂浆+370mm实心黏土砖墙，门窗为塑钢材料，屋顶为灰泥坡屋顶。

本文采用DeST-h软件进行典型农宅能耗模拟，其基础算法基于清华大学于20世纪80年代初提出的用于分析建筑热状况的状态空间法[6]。该软件对不同气候区农宅能耗模拟方面的可靠性已在很多研究中得到了验证[7-9]，并于2019年12月顺利通过了国际权威标准美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)140标准(Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs)的全部案例测试，正式获得国际认证的建筑能耗模拟软件性能标识[10]。基于对多种农宅围护结构热工性能的现场测试结果，设定围护结构热工模拟参数如表3所示。

表3 典型农宅围护结构热工参数

农宅所处地区为以北京为代表的寒冷地区，取暖时间为11月15日至来年3月15日，农宅室内温度设定为全天保持16℃，最终模拟结果为整个取暖季的平均热负荷为23.53W/m2，一个取暖季累计耗热量为6040.4kWh，约合2.17×104MJ。

2.3 费用年值法

在进行不同技术方案的经济性比较时，一般需要考虑设备初始投资和年运行费两部分。初始投资和运行费是两项性质不同的费用，因此不能将两者的费用简单相加来计算技术方案费用。本文采用费用年值法[11]将参与比较的各个技术方案的初始投资折算成与年运行费相类似的费用，然后再与运行费相加得到费用年值。取暖系统初始投资折算年值(C)为系统中全部取暖(或末端)设备寿命周期内折算年值之和，利用下式计算：

式中，n为供暖系统中供暖(或末端)设备的数量；i为基准折现率，i=(u-f)/(1+f)，其中u为银行5年以上利率(对公用设施取投资利息，对住户自购的设备取储蓄利息)，f为通货膨胀率；m为供暖(或末端)设备j的使用寿命，综合考虑各设备使用寿命情况，本文中m取为10年；K为供暖(或末端)设备j的初始投资，C为取暖系统的年运行费。

根据典型农宅的热负荷进行设备选型，设备仅热源部分的初始投资、年运行费用及折算费用年值见表4。

2.4 主要污染物及碳排放计算

不同取暖方式的污染物及碳排放分本地排放和综合排放，且由于能源输送过程复杂，故本文仅计算取暖运行过程中电能生产间接产生或燃料燃烧直接产生的污染物排放。上述6种取暖方式产生的大气污染物PM2.5、SO2、NOx、CO和温室气体CO2的排放量通过燃料消耗量和所对应的排放因子进行计算，其中传统散煤炉、天然气壁挂炉和生物质颗粒燃料采暖炉的排放因子以已发表文献中测得的数据为准[12]；电取暖的本地排放为零，其发电排放采用《中国电力行业年度发展报告2019》[13]中所提供的电厂侧发电排放因子。表5给出了各方案使用不同能源类型时的排放因子。

表4 六种供暖方案的经济性对比

表5 不同能源所对应的排放因子

3 结果对比分析

3.1 经济性

针对上述80m2的典型农宅，采用6种取暖方案的系统初始投资折算年值、年运行费用与折算费用年值对比如表4所示。单纯从经济性分析6种方案如下。

(1)天然气壁挂炉除了设备初始投资之外，还需要配套管网及“开口费”(部分地区不收取或部分收取)，且运行费偏高，经济性较差，需要政府长期的运行补贴，故在一般地区不适合大规模推广利用；

(2)生物质颗粒取暖炉的初投资和运行费都较低，折算的费用年值最低，在具有相对丰富的秸秆或树枝等资源的北方地区，可作为农村清洁取暖大规模推广应用的主要技术方案之一；

(3)蓄热式电暖气初始投资较低，运行费用高，年费中等，但需要配备相当高的电容量，即使小规模的推广也需要电力扩容，不宜直接推广，取暖需求较弱地区的用户可根据需求自行购买；

(4)低温空气源热泵热水机初始投资较高，且需要较大的电网容量，但运行费相对较低，可在政府补贴部分初始投资的情况下，在经济条件较好的农户中推广应用；

(5)低温空气源热泵热风机的初始投资和运行费都较低，但需要当地电网有一定的容量，在具有相对丰富电力资源的北方地区，应作为农村清洁取暖大规模推广应用的主要技术方案之一；

(6)太阳能热水系统+热水型低温空气源热泵初投资很高，超出了农户的承受范围，虽然年运行费相对较低，整体费用年值还是最高的。但考虑到太阳能资源的可再生性及其未来的发展空间，建议作为技术方案储备，在政府补贴下进行试点性应用。

3.2 排放特性

表6给出了不同技术方案在一个取暖季的直接和间接排放数据。可以看出，每种热源都会直接或间接地产生一定数量的污染物排放。天然气壁挂炉的排放主要是NOx和少量的PM2.5和SO2；蓄热式电暖器和电驱热泵消耗电能，所耗电能间接产生(发电过程)PM2.5、CO2、SO2和NOx等排放；生物质颗粒燃料取暖炉直接排放PM2.5、NOx和微量SO2。本研究未测算挥发性有机物(VOCs)的排放。

表6 不同取暖方案污染物排放情况

对于大部分地区，可根据当地的总体排放特征和环境容量等特点，综合考虑直接排放和间接排放情况进行对比分析。例如，对于环境质量管理要求较高的重点区域，可适当以本地排放作为衡量和限定标准。

3.3 适宜性分析

3.3.1 农村与城市取暖的差异性

我国农村地区的建筑形式、人口构成以及固有的生活方式、人员活动类型、资源特性、人员经济行为等都决定了农村人口与集中的城市人口不同的建筑使用模式、行为模式、室内热环境和技术适宜性需求。目前北方城市住宅的冬季供暖设计温度是18 ℃，但大多数居民期望的舒适室温都在20℃甚至更高，这种温度要求和城镇居民每天进出室内次数少、进出房间的同时需要更换服装是一致的。而农村居民由于生产与生活习惯等原因，人们连续长时间待在同一个房间的概率较低，会频繁进出房间，若每次出入房间都更换衣服将会给农户的生活带来极大的不便。所以，农户的衣着水平应以室外短期活动不会感到冷作为标准。大量调研结果显示[14]，多数北方农民认为冬季室内外温差不能过大，农村居民冬季在室内的衣装量大于城市居民冬季在室内的衣装量，起居室和卧室平均温度比城市的低4℃～6℃，而且允许昼夜的室内温度有较大波动：夜间睡眠时维持在约10℃即可，日间静坐时约16℃。农村用户在建筑物的使用上也并非所有房间均有取暖需求，体现出与取暖方式相匹配的较为节俭的功能空间使用模式。例如冬季将活动空间集中在一到两个房间来合并房间功能，使客厅兼具餐厅功能、卧室兼具客厅功能等，以便更加有利于节能。因此，农村清洁取暖技术能否在保证效率高、经济性好、污染排放低等性能的基本前提下，更好地满足上述“部分空间、部分时间”的使用需求，将是决定其能否在农村地区实现大规模应用的关键。

3.3.2 不同技术方案适宜性分析

低温空气源热泵热风机设备自身即是取暖系统，可以迅速提高房间气温，直接加热房间空气，不需要加装散热器、地暖等末端设施而使室温升高，不会出现热水热泵取暖工程中的跑冒滴漏等问题，且户内多台热泵热风机均可按单间独立控制、独立运行，更加适用于非连续取暖场合；即时启停的特性更容易匹配农户部分空间和部分时间的使用需求，可凸显行为节能的优势，在节能和减排方面具有很大潜力；而且通过室内末端落地化和上下出热口的气流组织优化设计，可以为农户提供类似地板采暖的舒适性和风机盘管的快速升温性。

生物质颗粒取暖炉在将生物质尤其是秸秆、树枝等作为燃料消纳的同时，一方面可以取代散煤，另一方面可以进一步减少秸秆、树枝野外堆存占地、焚烧所带来的大量污染，而且生物质能还可以解决取暖之外的炊事与生活热水需求，符合农户的传统使用习惯，适合农林生物质资源丰富的大部分地区规模化应用。

燃气壁挂炉可满足取暖、炊事以及生活用热水需求且操作简单，但由于大部分农村区域用户分散、距离气源远且用量有限，同时存在较多的安全隐患，其适用于气源充足、用户相对集中的城市近郊地区整村推进。

蓄热式电暖气适合于电力特别充裕、有明显峰谷电价且实际取暖时间偏短的用户。

空气源热泵热水机组适用于当地电力资源充裕稳定且经济实力雄厚的地区，如北京市由于财政补贴力度大，且进行了整体的电网升级和农宅围护结构保温改造，因此主要以空气源热泵热水机组为主且取暖效果良好。

太阳能光热+空气源热泵辅助系统适合在太阳能资源丰富、太阳能取暖保证率较高的地区应用。

4 结论及建议

利用现场实测和数值模拟等方法，对北方地区常见的6种农村清洁取暖技术方案的经济性、减排性和适宜性等进行了深入分析，得出如下结论：

(1)不同清洁取暖方案在经济性方面差别较大。综合考量初始投资和运行费用的费用年值法评估结果，生物质颗粒取暖炉及低温空气源热泵热风机在经济性上具有明显优势；再综合考虑两者在农村地区的适宜性，在北方农村地区有较为广泛的适用性和可持续性。

(2)低温空气源热泵热水机初始投资较高，且需要较大的电网容量，但运行费相对较低。在政府补贴部分初始投资的情况下，适合在经济条件较好的农户中推广应用。

(3)天然气壁挂炉除了设备初始投资之外，还需要配套管网及“开口费”，且运行费用偏高，经济性较差，需要政府长期的运行补贴，适用于气源充足且经济条件好的相对集中居住的城市近郊地区。

(4)蓄电式电暖气对电力要求高，运行经济性差，且储热调节能力弱，在局部电力充足且价格较低的地区，或少量非长期取暖的用户可以使用，不宜大面积使用。

(5)太阳能热水系统+热水型低温空气源热泵初期投资很高，超出了农户的承受范围，虽然年运行费相对较低，整体费用年均额还是最高的，但考虑到太阳能资源的可再生性以及其未来的发展空间，现阶段建议作为技术方案储备，在政府补贴下进行试点性应用。

综上所述，农村清洁取暖技术路径的制定、节能技术的开发及室内热环境的改善不能沿袭“城镇路线”，需要另辟蹊径，在充分考虑地区发展水平、空气质量要求、群众取暖需求、能源供应条件和潜力等基础上走出一条符合我国农村实际的可持续发展之路。