北方农村地区采暖技术碳排放比较分析★

王子博，苑 翔，陈 斌，杨铭远，符 天

(北方工业大学,北京 100144)

“双碳”目标提出以来,社会各行业都为目标的实现制订行之有效的技术路径和行动方案。建筑领域是碳排放的重点领域之一,根据中国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告(2020)》显示,2018年全国建筑全过程能耗总量21.47亿吨标准煤,占全国能源消费总量的46.5%,2018年全国建筑全过程碳排放总量49.3亿吨二氧化碳,占全国碳排放比重的51.3%。实现建筑领域的碳中和,对我国完成双碳目标至关重要。

我国建筑运行能耗一直维持在社会总能耗的20%～25%,北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1.6亿吨标煤/a,北方城镇采暖能耗约占全国建筑总能耗的36%,为建筑能源消耗的最大组成部分[1]。据不完全统计,在我国1.6亿户农村居民家庭中,采取分散采暖模式的约有9 300万户,其中燃煤采暖约6 600万户,年散煤使用量约2亿t～3亿t,占到煤炭终端消费量的10%左右[2]。解决北方农村采暖中的散煤治理不仅是环境治理的需要,也是改善农村生活水平,加强农村建设的需要。近年来,针对农村散煤治理问题,替代散煤燃烧的新型采暖技术不断的实践,根据实际的技术应用效果来看,没有一项单一的技术能够完全解决散煤问题[3]。

本文针对农村采暖技术,选取目前应用较为广泛的几项技术,即散煤燃烧、燃气壁挂炉、生物质颗粒炉、蓄热式电采暖、空气源热泵和生物质-空气源耦合系统等6项技术,从经济性和碳排放量的角度,对比分析各项采暖技术的优势和劣势,为农村采暖的散煤治理问题提供技术参考。

1 技术原理分析

1)天然气采暖技术。农村地区可采用的天然气采暖主要采用天然气壁挂炉的形式,此系统通过燃气燃烧提供合适的热水供给散热设备和热水,系统简单,易控制,室温控制好,没有灰渣。但是在没有燃气管道的农村地区,需要重新铺设室外天然气干管和引至农户室内的支管,有时需要用LNG,且燃气价格贵,采暖费用高。

2)生物质颗粒采暖炉。该生产技术及设备的研发已经发展成熟,系统简单,初投资少,颗粒燃烧后有灰渣,是散煤采暖炉的理想替代品,有的地区甚至直接用散煤采暖炉来燃烧生物质颗粒来采暖,生物质颗粒的热值与散煤相当,价格比散煤稍贵。

农村小型生物质颗粒小型炉具的能效只有20%～30%左右,不超过40%,系统能效低,另外,由于中国粮食安全问题,生物质原料的来源一直是生物质能利用的瓶颈问题,因此,采用以固体生物质能为主,其他可再生能源相补充的互补型能源系统,是一项实用并符合国情的技术选择[4-5]。

3)蓄热式电采暖。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。从节能原理来讲,直接用电采暖并不是一项节能技术。系统简单、初投资少、对电力容量要求高、系统耗电量大、采暖费用高、系统无污染、无排放物。在电力不充足的地区不适宜大规模应用。

4)空气源热泵采暖。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,系统与家用空调原理相同,系统简单、初投资高、系统设计技术要求高。影响空气源热泵机组性能的主要因素包括运行环境条件和冷凝温度,室外空气温度低的情况下,系统COP值较低,采暖费用主要为电费,如果运行效果不好的情况下,采暖费较高。另外,若初选设备容量较大,则不仅初投资费用增加,运行效果也不好,采暖费也较高。

5)生物质-空气源耦合系统采暖。采用空气源热泵机组、生物质燃烧装置耦合集成系统,由电力驱动热泵,联合生物质燃烧供热系统,通过烟气-水换热器进行低温烟气的热回收,采用热泵技术进行温度的提升,可利用峰谷电价差,节省供热总费用,系统热能利用率高,节能效果明显,能够广泛的推广应用于中小型供热系统。生物质燃烧炉-空气源热泵耦合系统见图1。

系统集成了各能源的优势,可以实现优势互补,充分利用了生物质成型燃料的热能,既提高了生物质燃料的利用率,同时还提高了空气源热泵的效率,缺点是生物质来源不稳定,系统控制难度大,初投资较高。

另外,采用太阳能采暖也是一项重要的选型,但是由于太阳能的利用只能在太阳能充足地区,太阳能热密度小,不适合单独作为一项采暖技术,可以作为辅助采暖技术。

表1提供了各单项技术的评价指标。评价指标从能源资源量和获取、技术性能、经济效益和政策适应性等几个方面进行设置。

表1 农村清洁采暖技术评价

从表1的评价中可以看出,农村地区的供暖系统应遵循简单适用、安全可靠和经济运行的原则,并不是越复杂的系统越具有优势,单一的技术优缺点比较明显,因此,能源互补的方式更具有优势。

2 碳排放计算模型

以“联合国政府间气候变化专门委员会”(Intergovernmental Panel on Climate Change,以下简称IPCC)所提出的碳排放计算模型最为广泛认可,其具体形式如下:

排放量=活动水平×活动因子。

根据IPCC的碳排放计算模型,能源消费碳排放量可以表示为:

C=Q×EF

(1)

其中,C为能源消费的碳排放量,kgCO2;Q为能源消耗量;EF为对应能源的碳排放因子。

以农村建筑的采暖散煤量为基准,其他的采暖技术所消耗的能耗量与基准量进行对比,则某项技术消耗的能耗量为:

Qi=βQ0/η

(2)

其中,Qi为第i类采暖技术的能耗量;β为不同种类能源转换系数;Q0为以散煤为采暖能源的能耗量,kgce;η为采用第i类采暖能源形式时的设备效率。

把不同种类的能源形式的能耗量转换为统一的能源单位,通过分析碳排放量,结合各类能源利用形式的经济性,可分析各类采暖技术的适用性。

3 实例分析

以北方寒冷地区某农村的100 m2居住建筑为例,根据实际测试数据,该建筑的采暖季的采暖能耗量为8.4 t原煤(烟煤),按照其低位热值5 000大卡/kg来估算,其采暖季的热量为6 t标煤的热量,以6 t标煤的热量再去计算其他供暖技术的能耗量。原煤的供暖设备采用小型采暖炉,其热效率取市场上比较高的效率值60%来计算,原煤的市场价格按照500元/t来计算。如表2所示为不同采暖技术的年能耗量及能源费用比较表。

表2中列举了烟煤采暖、天然气采暖、空气源热泵采暖、生物质(秸秆)、生物质(硬木)和生物质(硬木)+空气能等6种采暖形式,以实际统计数据的烟煤能耗量为基准,换算成标煤,然后再换算成各种形式燃料的消耗量。其中,天然气壁挂炉的设备效率采用市场上比较高的75%的效率;空气源热泵采暖形式的COP值选取设备较高值3,以空气源热泵的最大优势参与比较;生物质(硬木)+空气能采暖系统按照生物质与空气能承担负荷比例为2∶1的设定值来计算,其系统综合效率可达到85%。

根据表2中计算出来的燃料能耗量,计算各燃料的碳排放量。首先需要确定碳排放因子:

1)烟煤和天然气的碳排放因子根据《建筑碳排放计算方法》中规定取值[6]。2)发电的碳排放因子根据生态环境部最新公布的《关于做好2023—2025年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知》(环办气候函[2023]43号)取值[7],文件中公布的全国电网平均碳排放因子为0.570 3 t CO2/(MW·h)。3)固体生物质的取值按照《建筑碳排放计算方法》中的规定,低值为84.7 t CO2/TJ,高值为117 t CO2/TJ,标准中规定的值为固体生物质燃烧时排放的CO2量,但是固体生物质燃料在生长过程中吸收CO2,燃料完全燃烧时,吸收量和排放量是相等的,只在生产和运输中有少量的CO2产生,根据统计,其生产和运输过程中占燃烧时的量为5%～10%[8-9],因此,取燃烧时CO2排放量的10%作为固体生物质全生命周期的碳排放量,秸秆生物质取低值,硬木生物质取高值。各类燃料的碳排放计算结果如表3所示。

表3 各类燃料的碳排放计算表

综合表2,表3的计算结果可以看出,烟煤碳排放量是15.6 t,在所有对比的燃料种类中碳排放量是最大的,采用空气源热泵的碳排放量比烟煤排放量要小,但是比天然气的碳排放量要大,这是由于我国的电网发电主要是以煤为主的能源结构,而天然气的碳排放量比烟煤的排放量要减少50%左右。在所对比的燃料中,固体生物质能的碳排放量是最小的,这是因为生物质燃料在全生命周期内的碳排放接近于零碳排放。生物质(硬木)+空气能采暖系统的碳排放比单纯采用生物质能的采暖形式要减少50%左右。从经济性来看,虽然天然气的碳排放量比较低,但是年能源费用是最高的,采用空气源热泵的能源费用次之,生物质(硬木)+空气能的系统能源效率较高,因此其能源费用要低于生物质能和空气源热泵,而碳排放量最高的烟煤的年能源费用是最低的。

4 结语

通过对不同种类的北方农村地区采暖技术进行碳排放量和经济性比较,可以看出,采用烟煤的采暖形式,其排放量是最高的,采用生物质能的采暖技术,其碳排放量最低,但是由于生物质能的小型采暖设备效率比较低,生物质的可获取量相对较小,其经济性比生物质+空气能采暖技术差,综合碳排放量和经济性两种因素考虑,采用能源互补型的生物质+空气能技术是一种比较适宜北方农村地区的采暖技术。