沈阳市农村地区清洁取暖改造需求分析*

滕 聪 刘 辉 左雨凝

(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;3.沈阳建筑大学,沈阳)

0 引言

2017年起,财政部、住房和城乡建设部、环境保护部、国家能源局等四部委开始北方地区冬季清洁取暖试点工作[1],前期试点城市主要集中在京津冀及周边地区和汾渭平原地区。2021年,首次将东三省、内蒙古、甘肃、青海、宁夏、新疆等8个省(自治区)纳入支持范围[2],截至目前,已评选出5批共计88个试点城市。

由于农村基础设施、能源供应及农户经济条件等限制,农村供热清洁化改造成为清洁取暖工作的重点和难点。许多学者就农村地区清洁取暖技术措施适宜性[3-5]、试点城市政策实施与经验总结[6-8]、清洁能源供热系统应用效果[9-12]等方面展开了研究,但鲜有针对东北农村地区清洁取暖改造需求的全面分析。东北地区冬季室外温度相较京津冀、汾渭平原等地区低,对取暖设备性能、供热效果、使用成本等都提出了更高要求,且东北地区纳入国家支持范围时间较短,暂无大规模实施清洁取暖改造的成熟经验可循。因此,明确严寒地区农村供热需求,对选择确定适用的清洁取暖技术路径、科学合理推进东北农村地区清洁取暖工作、确保改造长效可持续尤为重要。

本文首先开展现状调研,针对农村常住人口、房屋建设年代、围护结构特点、供暖方式、供暖成本等内容进行大规模问卷调查和现场调研,并对供暖季室内温度进行了监测;其次,通过构建典型农房模型分析计算供暖负荷;然后,根据沈阳地区供暖季室外温度特点,分析了空气源热泵在东北地区的适用性;最后,归纳总结了沈阳农村地区清洁取暖需求,为清洁取暖改造方式和设备选型提供准确依据和技术指导。

1 现状调研

笔者所在课题组在沈阳市辽中区、新民市、康平县、法库县4个远郊区(县、市)开展调研,在市、区两级政府部门的配合下,共发放调研问卷818份,收回有效问卷746份。调研涉及基本信息、建筑围护结构形式、供暖现状及成本。

1.1 基本信息

根据调研结果统计,沈阳市农村地区每户常住人口普遍为2人,占比59.7%,常住人口以50岁以上中老年人居多。农户家庭年总收入大多在 2万～4万元。房屋建设年代以20世纪80年代和90年代为主,面积大多为70～110 m2,占比68.5%。普遍为坐北朝南单层建筑,主要为两间卧室加过厅的三开间布局,将厨房等辅助房间置于建筑北侧,减少卧室北墙冷风渗透。

1.2 建筑围护结构形式

农房围护结构调研结果如表1所示。其中,砖混形式建筑占比达到89.6%,外墙厚度绝大部分为370 mm,大多无外保温,外窗以双层塑钢窗居多。为增加房屋保温防风性能,约40%的农户采取了增设门斗或阳光间等方式提高冬季室内温度。此外,调研中发现很多农户在冬季采用塑料薄膜对外门、窗进行密封,以减少室内热量散失。

表1 农房围护结构调研结果

1.3 供暖现状及成本

沈阳位于严寒C区,供暖季为11月1日至3月31日,共151 d,根据EnergyPlus导出的气象参数,沈阳市典型年室外最低温度为-23.4 ℃。

调研发现,沈阳农村地区绝大多数农户采用户用小锅炉取暖,以散煤和秸秆为燃料,多数仅在卧室及过厅设置散热器。小锅炉排烟与炊事灶台烟气通过炕下烟道向卧室补充热量,供暖系统如图1、2所示。农户冬季取暖散煤用量基本在2～3 t范围内,按照2020年沈阳市供暖季散煤价格650元/t计算,农户冬季购置散煤费用约为1 300～1 950元,大多数农户冬季散煤取暖费用在2 000元以下,结合基本信息调研中家庭年收入的调研结果,农户年供暖费用基本占家庭年总收入的5%左右,一般不超过8%。

图1 沈阳农村地区传统供暖小煤炉

图2 沈阳农村地区传统供暖系统原理图[13]

2 供暖效果监测

为评估传统供暖形式的实际供暖效果,选择5户代表性农户开展供暖季室内温度监测,监测户建筑围护结构形式均为370 mm实心砖墙及塑钢双层外窗,面积均为90～100 m2,监测仪器放置在常住卧室距离地面1.5 m处,数据采集间隔为30 min。监测农户的具体情况见表2。

表2 监测农户概况

沈阳市供暖季从11月1日开始,但很多农户出于经济性考虑,11月取暖设备使用时间很短,故选取12月至次年3月的监测结果进行分析(见图3)。

图3 温度监测结果

从图3可以看出,12月为供暖季初期,室外月平均温度为-1.3 ℃,室内平均温度为14.7 ℃;1、2月为供暖季中期,极寒天气较多,室外月平均温度分别为-11.4、-10.6 ℃,室内平均温度分别为11.7、12.1 ℃;3月为供暖季末期,室外平均温度为0.6 ℃,室内平均温度为14.3 ℃。GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》规定,严寒地区主要功能房间的冬季室内计算温度为14 ℃[14]。可是,尽管供暖季初、末期的室内温度可以达到14 ℃,但农户依然穿着毛衣、棉衣及棉裤,并感觉室内较凉。

3 典型建筑供暖负荷计算

根据调研结果,构建典型农宅模型进行供暖负荷模拟计算。典型农宅总面积约90 m2、层高3 m,建筑布局见图4,围护结构相关参数见表3。沈阳市供暖室外计算温度为-16.9 ℃,根据GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》[14]和GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[15]关于主要房间供暖室内设计温度不低于14 ℃和18 ℃的不同要求,分别进行负荷计算。

图4 典型建筑示意图

表3 典型建筑围护结构热工参数

典型建筑的供暖设计负荷计算结果如表4所示。当室内设计温度为14 ℃时,平均热负荷指标为110.81 W/m2,总供暖负荷为7.29 kW;当室内设计温度为18 ℃时,平均热负荷指标为132.85 W/m2,总供暖负荷为8.74 kW。

表4 典型建筑供暖负荷

4 空气源热泵结霜分析

空气源热泵在京津冀农村地区清洁取暖改造中得到广泛应用[16],在燃气壁挂炉、蓄热式电暖气等常见的农村分散取暖清洁化改造方式中,其经济性最好、返煤风险最低[17]。近年来随着技术进步,低温型空气源热泵发展迅速[18],我国也制定了相关标准规范并提出了性能要求[19-20],应用区域逐步向东北、内蒙古等严寒地区扩展。但空气源热泵的结霜问题直接影响设备性能,成为严寒地区推广应用时需考虑的重点问题之一。

北京供暖季结霜时间为1 034 h,占供暖季时长比例为35.03%;西安作为北方典型的高湿度城市,供暖季结霜时间为1 414 h,占供暖季时长比例为58.92%[21]。2021年沈阳市供暖季室外温度和相对湿度小时数见图5,沈阳地区变频空气源热泵结霜分布图谱见图6,整个供暖季结霜时间为746 h,占供暖季时长比例为20.59%。

图5 2021年沈阳市供暖季室外温度和相对湿度小时数

图6 沈阳地区变频空气源热泵的结霜分布图谱

5 结论与建议

随着清洁取暖逐步从京津冀及周边地区和汾渭平原地区扩展到东北等地区,选择确定适合严寒地区的农村清洁取暖技术路径对于改善大气质量,促进农村清洁取暖长效可持续发展尤为重要。本文通过研究分析,针对沈阳农村地区清洁取暖改造需求提出如下结论和建议:

1) 沈阳典型年室外最低温度为-23.4 ℃,而2010—2019年期间,包括沈阳在内的辽中南城市群热岛强度在2 ℃左右波动[22],结合相关规范要求,沈阳市农村地区的清洁取暖设备在采购时,应严格把关设备效率,确保在-25 ℃时能正常工作。

2) 根据沈阳市农村居民经济条件和取暖支出现状的调研结果,结合宋玲玲等人关于京津冀等重点地区35个清洁取暖试点城市农村居民可承受的平均取暖支出的研究结论[23],建议清洁取暖改造后,农户每个供暖季运行费用宜保持在2 000元以下,使农户实际承担的费用与现有供暖成本接近,否则应设置相应的运行补贴政策,以确保清洁取暖改造可承受、可持续。

3) 根据调研数据及供暖季室内温度监测结果,同时考虑农村居民对室内热舒适要求会随着社会发展逐渐提高,建议对农村建筑进行负荷计算时,供暖室内设计温度采用18 ℃,并参考平均热负荷指标(132.85 W/m2)来进行清洁取暖设备选型。

4) 随着技术进步,低环境温度下空气源热泵机组性能已得到了很大提高。在沈阳农村,变频空气源热泵机组结霜时长比例相较于北京、西安显著降低,具有一定的适用性和推广优势。