严寒地区农村供暖现状及优化——以长春市农村地区为例

韦新东,冯亚东,王禹崴,李 妍,王京炜

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院,吉林 长春 130118)

近年来,为减少环境污染并鼓励新能源发展与利用,采暖方式从产热和导热朝向越来越环保的低碳方向发展.但大部分北方农村地区尤其是东北地区,仍采用传统采暖形式,如火炕、土暖气等.这些传统采暖方式能源利用率低,对环境产生污染且存在着一定的火灾安全隐患.本文旨在解决严寒农村地区目前所面临的采暖问题,利用现有技术设备在采暖各个环节进行改造和优化,找到一个更加清洁和安全的改造方案来改善人居环境.

1 东北农村供暖现状

1.1 供暖方式

根据青岛理工大学葛保威调查研究表明,我国北方严寒地区供暖设备的使用情况如图1所示[1].

注:每户可选不超过2项,分项之和大于100%.

由调查数据可以看出,土暖气仍是严寒农村住宅地区中最主要的采暖方式之一(图2).其主要工作原理是在冬季做饭时,在“土锅炉”内燃烧火焰,炉火燃烧为做饭、烧水提供热量的同时,也烧热了“土锅炉”的内壁,烧热了“土锅炉”内胆盛满的水,热水蒸发产生的热气通过管道传输进入散热器,在散热器中充分循环放出热量到室内,再经焊接散热器末端管路一米多高的顶部放气阀排出,这样既提高了冬季室内房间温度,也提高了冬季干燥的室内房间湿度.在温度极其寒冷时,需要采用多种采暖方式同时运行,将土暖气、火炕、火墙等采暖设施一同使用,以提高供暖效果.在这其中最常使用的方法是将经炉灶、火炕、火墙等结合起来,组成“火炕-火墙一体化”的采暖方式(图3),炉灶内生火,热烟气通过烟道加热火炕、火墙,以此增加传热面积,为室内提供更多热量.

图2 土暖气

图3 火炕-火墙一体化

1.2 供暖能源

从20世纪90年代起,农村能源消费结构发生转型,电能、太阳能和天然气逐渐成为农村生活用能的主要来源.但在冬季供暖时,能源消耗量大,新能源相较于秸秆等传统能源价格昂贵,因此部分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[2].目前,农村地区传统固体能源如秸秆、薪柴、煤炭等材料使用还比较广泛.根据2016年第三次全国农业普查主要数据公报显示,全国仍约有44%和24%的农户以柴草、煤炭作为主要炊事取暖燃料,在东北严寒农村地区,两种燃料所占比例更高,其中柴草约占84.5%,煤炭约占27.4%(表1)[3].

表1 农村主要生活能源构成[3]

1.3 围护结构

从建筑形式上看(图4),严寒地区农村大多选用单层坡顶住宅,其所占比例远大于单层平顶住宅与多层楼房.单层住宅相较于多层住宅所需的采暖设备更少,保暖性更强,坡顶住宅相较于平顶住宅而言,倾斜的屋顶更加有利于排雪,防止冬季积雪过多而压塌房屋.

图4 农村住宅形式分布

从建筑结构上来看,如图5所示,严寒地区农村的建筑多以砖木结构、砖混结构为主要结构,多使用黏土砖作为外墙的主要材料,这种砖墙保温性能差;外墙装饰面料大多使用水泥砂浆或者普通外墙涂料,极少数采用瓷砖;住宅主要选用铝合金作为外窗的主要型材;外门类型多采用单层双扇对开式;屋顶多选用实木或预制板为主要材料,大多数住宅采用平屋顶形式,少数采用吊顶;地面主要为水泥地面.

图5 农村建筑结构分布

从建设年代上划分,如图6所示,绝大多数的住宅为2000年之前建造,在这其中90年代以前建设的住宅数量占到半数以上.当时农村建设方法缺少专业性,过于追求使用面积,而忽视了保温等问题.2000年以后新建的住宅仅占少数,虽然在住宅建设的结构设计、施工技术、材料选用等方面均有所提升,但是受到传统思想理念和经济因素等方面的制约,住宅在建设与运行过程中仍存在一定问题[4].

图6 农村住宅建设年代分布

总体来说,东北农村住宅建设相对落后,保温性能差,建筑气密性差,热量流失严重,从建筑材料和建筑结构设计等方面都未能满足居民舒适性生活的要求.

2 东北农村采暖方式改进策略

2.1 改进优化方向

2.1.1 采暖方式优化

在采暖方式上,进行优化的根本是要改变传统土暖气、火墙、火炕等不节能且对环境污染较大的采暖方式,选择体量合理、资源利用率高、对环境污染小且安全可靠的取暖系统,如太阳能-空气源热泵耦合系统,以提高农村清洁取暖水平.太阳辐射在南北方城市、农村有所差别[5],北方农村太阳能资源丰富,充分发挥优势利用太阳能资源,再辅助空气源热泵机组,白天太阳能集热器工作收集热量为住宅供热,夜间空气源热泵机组接替太阳能集热器工作,持续为房间供热.

2.1.2 控制系统优化

相较于传统采暖方式,改进后的太阳能-空气源热泵耦合系统,可通过智能控制系统合理控制两个系统的运行,在适当的时候调整两系统的主次顺序,达到在不影响正常采暖的情况下节省能源的目的.同时,在夏季,太阳能系统还能够制备日常生活热水,空气源热泵系统改做制冷设备,起到空调的作用,达到一个系统冬夏两用的效果.

2.1.3 围护结构优化

对新建筑改用保温材料作为外墙材料,注意住宅内外保温,合理设计住宅结构,充分考虑建筑运行时可能会发生的各种问题,并对屋顶与屋面进行保温设计.对于老旧建筑,因住宅外墙拆除难度大等问题,更合理的方案是在外墙添加保温层,并更换外窗,增强围护结构气密性,对屋顶和地面增加保温层,充分提高保温效果,减少热量散失.

2.2 具体改进方案

2.2.1 供能装置的改进

改进供能方式可使用太阳能-空气源热泵耦合系统作为主要的供能装置.长春属于高纬度地区,冬季虽气温寒冷,但同时太阳能资源丰富,年太阳辐射量为5 016～5 195 MJ/m2,因此可利用太阳能集热器将太阳辐射转化为热能进行供暖.但因为太阳能受气候条件影响较大,且能流密度低、波动不连续,采暖特性与热用户需求不符[6],因此需要设置辅助热源用来维持系统持续且稳定的供热.空气源热泵从室外空气取/放热,可实现采暖、供冷、热水一体化,系统性能稳定、适用范围广、节能潜力巨大,具有独特的性能优势和市场前景[7].但由于空气源热泵在寒冷地区应用时,存在制热效率低、制热性能差、运行成本较高的问题[8],因此合理集成太阳能集热器与空气源热泵能使两者充分发挥优势,同时弥补各自的缺点[9].

2.2.2 控制系统的改进

将空气源热泵系统与太阳能加热系统以串、并联方式配置,即将太阳能集热器作为第一级加热设备,空气源热泵机组作为次级加热设备;太阳能集热器因为其时效性和不稳定性等特点,需要定时定量向系统水箱补充冷水;在日照时间不足的时候,通过系统水箱温度控制器检测系统水箱温度是否达到适合供暖温度,若不适合则控制打开空气源热泵运行,水泵将水箱内的水循环至空气源热泵系统进行再加热,水温达到适合供暖温度时,空气源热泵停止运行.在日照充足的时候,系统水箱内的水经过太阳能集热器加热一段时间后,温度达到适合供暖的温度,这时温度控制器及时感应水箱温度,判断无需启用空气源热泵系统,由此达到节能降耗的目的.

2.2.3 围护结构的改进

提升外墙保温性能的措施:对于新建建筑,外墙体采用更加保温的材料,如多孔砖、空心砖等,并在墙外填充保温层;对于老旧建筑,不宜拆除墙体,所以选择直接在外墙增设保温层.常用的几种保温施工方法有以下几种:第一是外挂式保温技术;第二是喷涂式保温技术;第三是保温砂浆技术[10].其中,第一种施工方式对墙体质量要求较高,一些老旧墙体可能在施工和使用过程中出现问题,第三种方式相较第二种方式材料选择更容易,且施工更简单,投入成本更低,故选择第三种外墙体保温层施工方式,通过防水抗裂砂浆和节能保温砂浆结合运用,在外墙形成保温层,可大幅提升外墙坚固性,其保温效果也非常可观.

合理设置屋顶保温层,采用吊顶保温的方式,选择PU泡沫或XPS挤塑板等保温性能好,且耐用性强的材料.其中XPS挤塑板,导热系数低、强度高、保温隔热性能好、耐腐蚀性强、无毒无味、不吸水、施工方便快捷等诸多优势,所以XPS挤塑板日益受到市场青睐[11].

增设地面保温措施,防止大量热量通过地面流失,可以采取在混凝土下方设置保温层的方法,使用的保温材料为泡沫玻璃,是由废旧玻璃、碎玻璃、改性剂及发泡剂,经过高温焙烧后制得的无机非金属玻璃材料.泡沫玻璃具有强度高、吸水率低以及导热系数低等特性,能够有效提高地面的保温效果,同时可延缓材料的开裂,减轻开裂程度[12].

提高门窗保温性能和气密性.在实际考察中发现,每户的门窗开启方式均有不同,对于固定式门窗,可在其框架和主体之间用橡胶封堵缝隙,提高整体气密性.但对于推拉式门窗,因为其底部采用滑动轨道,缝隙较大,为保证窗户能正常使用无法添加保温措施,故对于此种情况,应更改门窗类型,选用嵌入墙体的固定性门窗.

3 预期达到的效果

3.1 减少环境污染

使用太阳能-空气源热泵耦合系统做供能装置,所使用的能源均为太阳能等清洁能源,减少了传统火炕采暖所需要的煤炭、木材的使用,减少了大量秸秆焚烧带来的环境污染.太阳能-空气源热泵耦合系统方式供能,不会像传统火炕燃烧采暖那样产生大量烟尘,减少对人体呼吸道产生的危害.

3.2 提高能源利用率与室内舒适性

智能温控系统能够时刻通过传感器感知室内和室外的气温、湿度等情况,并在此基础下及时分析出当前最优的系统运行状态,大大减少了能源浪费.智能控制系统的存在可以使室内气温处于一个舒适的范围,减少气温波动,为居民持续提供最舒适的温度.

4 结论与展望

通过深入研究与探索,东北严寒地区农村采暖问题现仍存在尚未解决的问题,主要体现在传统采暖方式对环境污染和能源利用率低,居住体验感差,在极寒情况下有时传统供暖达不到舒适性要求,传统围护结构保温性能差,造成大量热量流失.通过对传统的采暖设备更换,对维护结构进行改造,可以达到更好的保温保暖效果,人体舒适性体验更佳且对环境造成的污染更小.但初期投资相较传统采暖更多,同时各种设备的使用需要科学的指导.