北方农村采暖方式的问题分析及其优化

肖雪纯 马晨辰 赵 瑾 袁梦瑶 孙晓铭

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 概述

我国北方地区冬季有较长时间都处于温度较低的状态，所以需要采用一些供热方式保持室内温度。很大一部分的北方农村地区由于村庄分布不集中、集中供暖成本高等原因，仍然采用的是单独采暖的方式，而传统的取暖方式例如烧土炕、电热炕等存在着污染大、使用不安全以及成本高等一些弊端。

近些年，取暖方式从产热方式到导热方式都向着越来越人性化的方向发展，不断改进、不断创新以求达到方便村民的使用、带来更好的使用体验以及对空气环境质量更加友好的目的。本文就在为解决北方农村地区所面临的取暖困境，利用已有技术设备在各个环节进行进一步的创新和优化，寻找最合适的改造方案来改善人居环境质量。

2 传统采暖方式对人居环境的影响

2.1 农村人居环境质量现状

1)空气质量令人堪忧。

近年来,我国关于室内空气污染的研究得到迅速发展,研究成果多以城市为主,随着人们环保意识增强及对空气污染关注的不断深入,农村IAQ问题逐渐凸显出来。事实上,农村居住建筑室内空气污染比城市更加严重[1]。主要是由采暖、炊事、人员密集和吸烟及农耕、秸秆燃烧等室外空气污染造成的[2]。这些因素直接导致了农村空气中的含氧量降低，甲醛含量、二氧化碳含量以及颗粒物含量升高。主要是由采暖、炊事、人员密集和吸烟及农耕、秸秆燃烧等室外空气污染造成的。

2)村容村貌管理缺失。

由于农村缺少管理，村民们经常在自家院里堆积各种杂物，乱堆乱放现象严重。尤其是村民们烧锅炉用的煤炭木柴以及秸秆，量大且收管不当。北方地区玉米广泛种植，产生的大量秸秆多以露天焚烧的方式处理。大量的能源得不到充分利用，还对环境造成严重污染(见图1)。

2.2 传统采暖方式弊端

目前，我国农村普遍使用传统的火炕(如图2所示)或者电热炕作为采暖的工具。虽然火炕是目前农村使用最广泛的采暖方式，但是它也存在着许多弊端：1)火炕多数需要使用柴草或者煤炭作为燃料，如果这两者燃烧不充分便会产生烟尘造成对农村空气环境的污染。2)火炕表面需要进行散热，如果在砌筑过程中不合理会产生热不均匀，有时过热温度高达50 ℃会对人身体的机能造成伤害，还容易烧焦我们的被子等。

同样的，虽然电热炕是目前农村先进的采暖方式，但它也存在着一定的弊端：1)电热炕所消耗的能源主要是电能，它也有一定的辐射影响，长期的使用会对人体产生影响。2)无法确认电热炕是否透气，有时在使用过程中水蒸汽无法排出去，凝结在电热炕的表面，此时如果发生导电十分危险。3)大部分农村自然条件差，经济基础薄弱，农户人均纯收入低，部分农户负担不起电热炕消耗的电费。

通过实地调研和分析，市场上还有一种新兴的水暖炕的取暖方式，多为电取暖和太阳能取暖，电取暖方式造价高使用费用高，由于东北地区冬天白天时间短，且下雪阴天时间居多，太阳能在使用地域上存在局限性。

综上所述，我们努力寻找其中的平衡，将污染少和经济实惠两个优点结合在一起，并考虑到具体使用感受的因素希望与现存的水暖炕技术相结合，在解决北方农村取暖问题上有所创新和突破。

3 北方农村采暖方式的优化

3.1 改造优化方向

1)供能方式优化。

针对以上几个原因，我们认为对采暖方式进行优化的根本就要改变传统火炕和电热炕污染不节能的能源方式，采用更加清洁高效的天然气能源和生物燃料。构建规模合理、安全可靠的农村取暖系统，提高农村清洁取暖水平[3]。

2)控制系统优化。

生物燃料和天然气两种供能方式相结合，通过控制系统来选择。同时，控制系统还有控制开关、缺水报警、智能加热等功能以及控制温度恒温、防止干烧等优点。

3)炕板材料优化。

对现有的炕板材料进行优化，改变原有材料——红砖土坯的导热慢、使用年限短等缺点，选择导热快保温好的、耐高温承压好的材料，并且考虑到使用感受方面，认为水暖的形式比传统的固体导热的土炕和电热炕更加舒适。

3.2 具体优化方案

1)供能装置的改造。

可使用秸秆高效节能炉作为主要供能装置，天然气加热器作为辅助供能装置。

秸秆高效节能炉的工作过程是将可燃物放入料箱中，经过处理后，再由给料箱输送到反应炉中进行燃烧，然后产生大量的一氧化碳和氢气，并将这些气体引入净化分离器中，以进行焦油去除，除尘和脱水的净化程序，从而产生高质量的气体，然后将其通过管道系统输送到加热装置中。并且原料随处可见，所有干燥的农作物秸秆、谷壳、玉米芯、杂草、木材、锯末、晒干的牛粪及垃圾等任何可燃物均可用来生产燃气；无烟无尘、经济实用[4]。我国秸秆的燃烧,本就是环境治理中的一大难题，该节能炉不仅可减少秸秆燃烧对农村环境的污染，保护环境，保护大自然，又能使农户用上便宜且高质量的燃气来为室内供暖设备提供热量(见图3)。

天然气加热器目前已经广泛应用于人们的日常生活中，其具有比较完备的技术。这种热水器的工作原理是使冷水进入热水器，燃气经供应系统作用后进入炉膛，将燃气热水器燃烧器点燃：其实行程序控制，自动控制和自动保护程度较高，调节方便，燃烧稳定，维持燃烧器的正常燃烧(见图4)。

2)控制系统的改造。

使用智能控制系统(如图5所示)，实现传统土炕的智控升级，即控制温度，控制开关，供能方式自由切换等功能。改造升级后的水暖的控制系统采用了PTC水电分离加热，超静音水泵循环，恒温智能控制系统作为加热驱动端；控制器与热炕板管路配件连接加纯净水即可使用，通过PTC管路加热器将水加热，输送到热水炕板中传热。控制器有防止干烧、缺水报警、智能加热、恒温控制等功能。

3)炕板材料的改造。

另外炕板内还采用传导循环系统：由水泵和热水管阀门组成，在温控器的控制下，水泵进行循环工作，保证水温恒定。选用镀铝锌板和环保聚氨酯发泡料以及PERT地暖管和铜接头等经济实用的材料代替传统的土炕所用的水泥砂浆，保证水暖炕的导热恒温效果，且使得该水暖炕辐射面温度均匀,供热半径大,对房屋各种不同结构的适应性强,便于控制[5](见图6)。

3.3 预期达到效果

1)减少环境污染。

秸秆高效节能炉做主要供能装置、天然气做辅助供能。前者所用燃料均为秸秆、玉米芯等可再生能源，减少了煤炭、木材的使用，减少了大量秸秆露天焚烧带来的环境污染。节能炉的燃料充分燃烧，也可降低不充分燃烧产生的有毒有害气体对人体的危害。

烟灰处理系统会自动收集烟灰并净化除尘，不会因燃烧导致室内灰尘遍布。

2)对人体危害小。

新型水暖炕以秸秆燃烧和天然气燃烧方式供能，不会像其他以电供能的水暖炕对人体产生辐射，也不会像电暖炕有漏电危险。亦不会因为燃烧时室内空气干燥，给使用者带来不适感。烟灰处理系统可清理燃烧产生的灰尘，阻止其进入人体呼吸道，对人体造成伤害。新型水暖炕的控制系统亦可防止干烧，阻止干烧带来的一系列危害。

3)室内温度保持恒温。

新型水暖炕的控制系统可以恒温智能控制，保持室内温度稳定，不会过高或者过低，为使用者提供一个舒适的，适合居住的温度。

4 结论和展望报告

经过深入研究及探索，我国北方农村冬季单独供暖带来的环境问题以及使用感受等方面的问题亟待解决，并且将国家努力改善人居环境的方针放在首位，从实际出发探索创新出真正利民惠民、环保高效的农村供暖设备，选择绿色安全的燃料，改进传统加热方式、提高热量传输效率还有对操作系统的人性化改进都是方案设计过程中考虑的方向和重点，才是解决目前面临的人居环境治理难题的根本之策。