邯鄲市農(nóng)村冬季清潔采暖現(xiàn)狀和技術(shù)路線探究

南京林洋電力科技有限公司 ■ 齊寧寧 張繼皇

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司 ■ 魏曉蔚 岳玉先

0 引言

河北農(nóng)村家庭供暖方式以分散自供暖為主，在積極開(kāi)展的“煤改清潔能源”工作中，主要是以“煤改電”和“煤改氣”作為技術(shù)路徑。由于受燃?xì)夤芫W(wǎng)鋪設(shè)的限制，以及考慮到 管網(wǎng)的成本、安全可靠性、氣源穩(wěn)定性、低氮排放的合格性等多方面的因素，“煤改氣”并非最科學(xué)、精準(zhǔn)的選擇。在“煤改電”不斷推進(jìn)的過(guò)程中，各種電采暖方式各有利弊，需因地制宜[1]。而且，隨著電采暖的規(guī)模不斷擴(kuò)大，單一的采暖方式使得電網(wǎng)公司出現(xiàn)短時(shí)電力供應(yīng)緊張的情況，由此也反映出農(nóng)村清潔采暖存在缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)管理等問(wèn)題。

在不斷探索清潔采暖方式的過(guò)程中，為破解目前能源單一及電力供應(yīng)緊張的難題，2018年，河北省出臺(tái)了《河北省農(nóng)村地區(qū)太陽(yáng)能取暖試點(diǎn)實(shí)施方案》，希望通過(guò)科學(xué)試點(diǎn)示范，形成可靠性好、性價(jià)比高、適宜推廣的農(nóng)村清潔采暖解決方案；同時(shí)，河北省擬定完成試點(diǎn)“太陽(yáng)能光伏+采暖”8500戶，“煤改電”31.9萬(wàn)戶的目標(biāo)。在此政策的推動(dòng)下，河北省農(nóng)戶承受的清潔采暖壓力大的問(wèn)題一定會(huì)有所改善。但是，農(nóng)戶能源利用效率低及農(nóng)村地區(qū)“一刀切”的采暖技術(shù)仍存在一定弊端，依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)電力供需平衡和保障重點(diǎn)用戶用電等問(wèn)題。

為有效緩解農(nóng)戶冬季采暖負(fù)荷大及改善可能出現(xiàn)的短時(shí)供應(yīng)緊張的情況，本著“按需采暖、精準(zhǔn)供熱、科學(xué)用電、減少投資、減低能耗”的原則，本文通過(guò)對(duì)邯鄲市農(nóng)村家庭采暖現(xiàn)狀的調(diào)研，并對(duì)5種分散型清潔采暖技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出了合理的可復(fù)制、可推廣的示范性項(xiàng)目方案。以邯鄲市農(nóng)村的情況為例，可為河北省的冬季清潔采暖解決方案提供參考。

1 邯鄲市農(nóng)村采暖現(xiàn)狀調(diào)研情況

1.1 調(diào)研現(xiàn)狀及結(jié)果

河北農(nóng)村地區(qū)基本無(wú)集中采暖，主要是以分散型供暖為主[2]。通過(guò)對(duì)邯鄲市農(nóng)村中具有一定普遍性和代表性的肥鄉(xiāng)區(qū)田寨村的520戶農(nóng)戶進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)研，了解了居民現(xiàn)有的房屋結(jié)構(gòu)、采暖現(xiàn)狀及用戶的采暖費(fèi)用等信息情況。

1)地區(qū)概況：田寨村位于邯鄲市以東15 km，全村共520戶居民，常住人口約2100人，人均年收入為 12500元(全省農(nóng)村人均年收入為12881元)。

2)房屋結(jié)構(gòu)：全村468戶為近20年內(nèi)建成的磚瓦房，主要為主房加耳房結(jié)構(gòu)，屋內(nèi)高度為4 m，墻體以37墻磚混結(jié)構(gòu)、木窗和鋁合金單層窗戶為主，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫質(zhì)量較差。

3)采暖形式：全村以燃煤采暖為主，以電空調(diào)采暖為輔。以燃煤為熱源的末端有小煤爐、暖氣片和地暖3種形式。圖1為居民采暖形式比例分布情況，其中，燃煤占94%。

圖1 居民采暖形式比例分布圖

4)室內(nèi)平均溫度：采暖季室內(nèi)平均溫度約為12 ℃，采暖質(zhì)量較差。

5)用戶采暖面積：全村采暖面積不等。圖2為所調(diào)研520戶居民的實(shí)際采暖面積比例分布圖。由圖可以看出，居民采暖面積大多低于100 m2。

圖2 居民實(shí)際采暖面積比例分布圖

6)采暖費(fèi)用：每戶居民的采暖燃煤約為1～2.5 t/年，采暖費(fèi)用約為1000～2500元/年。采用電采暖的用戶的電費(fèi)超過(guò)2500元/年，較費(fèi)電。

7)采暖時(shí)長(zhǎng)：約120天。

以上信息可代表邯鄲市農(nóng)村用戶的基本現(xiàn)狀，為加大河北省農(nóng)村地區(qū)清潔采暖能源方案的普及和實(shí)施提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。

1.2 調(diào)研結(jié)果分析

田寨村農(nóng)戶的采暖方式多樣，但仍以燃煤為主，由此可見(jiàn)，農(nóng)村采暖存在很大的可優(yōu)化空間，對(duì)農(nóng)村實(shí)施清潔采暖的任務(wù)迫在眉睫。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，室內(nèi)采暖溫度僅約為12 ℃，這也是采暖成本低的主要因素。此外，房屋的空心化比例高，一些房屋長(zhǎng)期無(wú)人居住，住戶只在春節(jié)期間回家小住?？紤]到農(nóng)村居民采暖需求受經(jīng)濟(jì)條件的限制，以及采暖費(fèi)用受房屋保溫質(zhì)量和村民生活習(xí)性等因素的影響，因此，應(yīng)根據(jù)居民的實(shí)際情況來(lái)選擇合適的采暖模式。

2 5種主要的分散型清潔采暖技術(shù)的應(yīng)用分析

現(xiàn)有的分散型清潔采暖技術(shù)主要有：蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)、熱泵熱風(fēng)機(jī)、熱水型空氣源熱泵系統(tǒng)、碳晶電熱板和電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)，下文對(duì)這5種技術(shù)路徑的供暖特性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

1)蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)相變蓄能模塊連接一次側(cè)空氣源熱泵模塊和二次側(cè)水源熱泵模塊，可有效緩解空氣源熱泵低溫環(huán)境能效低、水源熱泵受區(qū)域限制及成本高等問(wèn)題，提高設(shè)備的可靠性及壓縮機(jī)的壽命，降低設(shè)備的運(yùn)行成本，同時(shí)可解決極寒天氣的采暖問(wèn)題。

此系統(tǒng)適用于集中供暖地區(qū)，能效高、運(yùn)行成本低，在室外溫度為-12 ℃、出水溫度為45 ℃時(shí)，能效比(COP)為2.3，比空氣源熱泵高30%。系統(tǒng)在室外溫度為-25 ℃時(shí)可穩(wěn)定運(yùn)行，解決了極寒天氣運(yùn)行難的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的低溫適應(yīng)能力；系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)出水溫度為60 ℃，既適用于鑄鐵暖氣片，也適用于地暖和風(fēng)機(jī)盤管等末端，提高了舒適性；同時(shí)系統(tǒng)可夏季制冷、冬季制熱，制冷時(shí)COP比空氣源熱泵高30%，省去了空調(diào)的設(shè)備成本，一機(jī)兩用[3]。

2)熱泵熱風(fēng)機(jī)。該設(shè)備利用壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，通過(guò)冷媒將吸收的室外空氣中的熱量傳輸?shù)绞覂?nèi)產(chǎn)生熱風(fēng)。設(shè)備形式有“一拖一”型、“一拖二”型及“一拖多”型3種。其中，“一拖二”型是指由1臺(tái)室外機(jī)連接2臺(tái)室內(nèi)機(jī)，各室內(nèi)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，可根據(jù)室內(nèi)溫度、時(shí)間等參數(shù)來(lái)控制設(shè)備啟停、風(fēng)量大小。

由于設(shè)備直接出熱風(fēng)，不需要經(jīng)過(guò)熱水換熱，因此其COP相對(duì)于熱水型空氣源熱泵較高，在室外溫度為-12 ℃、出風(fēng)溫度為35 ℃時(shí)，其COP為2.3。機(jī)組無(wú)需增設(shè)采暖末端，既降低了工程安裝難度，又降低了成本；由于室內(nèi)多臺(tái)熱風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立控制，可靈活調(diào)節(jié)室溫，有人即開(kāi)，無(wú)人即關(guān)，運(yùn)行省電；同時(shí)，制冷劑為能量輸配介質(zhì)，無(wú)凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)室內(nèi)機(jī)直接加熱空氣，出熱迅速[4]。

本文以“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行分析。

3)熱水型空氣源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)制熱時(shí)通過(guò)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，以極少的電能，吸收空氣中的熱量對(duì)水進(jìn)行加熱，再通過(guò)熱水在采暖末端的循環(huán)提升室內(nèi)溫度[5]。由于選用低溫補(bǔ)氣增焓型壓縮機(jī)，因此該系統(tǒng)的COP高、低溫性能較好，通常在室外溫度為-12 ℃、出水溫度為45 ℃時(shí)，其COP為2.0。系統(tǒng)相對(duì)出水溫度的理論值可達(dá)60 ℃，實(shí)際也可達(dá)55 ℃左右。

4)碳晶電熱板。該設(shè)備為一種新型的采暖設(shè)備，通過(guò)碳原子之間摩擦、碰撞產(chǎn)生大量熱量，再經(jīng)過(guò)紅外發(fā)射劑將熱量傳遞到室內(nèi)。其通電10～15 min就可達(dá)到設(shè)定溫度，熱效率高。

該設(shè)備的主要特點(diǎn)是精準(zhǔn)用電、恒溫運(yùn)行；設(shè)備的發(fā)熱板、隔熱層均為環(huán)保材料，使用中無(wú)任何有害物質(zhì)排放，能給用戶提供一個(gè)舒適安全的環(huán)境[6]。

5)電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)。該技術(shù)主要以相變潛熱方式蓄熱，在谷電時(shí)段開(kāi)啟電加熱，往室內(nèi)供熱，同時(shí)蓄熱，蓄熱完成后，停止電加熱；在非谷電時(shí)段，利用儲(chǔ)存的熱量向室內(nèi)供熱，保證用戶在減少電費(fèi)支出的同時(shí)，獲得持續(xù)穩(wěn)定的供熱，以達(dá)到既經(jīng)濟(jì)節(jié)能又舒適的效果。

該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可將低谷時(shí)段的負(fù)荷需求轉(zhuǎn)移到高峰時(shí)段，適用于峰谷電價(jià)差大、低谷時(shí)段電價(jià)較低的區(qū)域，可大幅度降低用戶的運(yùn)行費(fèi)用[7]。同時(shí)系統(tǒng)的相變蓄熱材料選用相變石蠟，占地面積小；系統(tǒng)出水溫度高，可達(dá)70 ℃，適合暖氣片、風(fēng)機(jī)盤管和地暖等末端方式，可取得良好的采暖效果。

3 試驗(yàn)情況及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本文根據(jù)5種清潔采暖技術(shù)的特點(diǎn)，選取了13戶住宅進(jìn)行研究。具體選取情況如下：

1)選取6戶位置相對(duì)集中的用戶，采用蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)由1臺(tái)15 kW室外機(jī)提供動(dòng)力，控制6臺(tái)2.2 kW室內(nèi)機(jī)；2)選取1戶采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)，設(shè)備功率為2 kW；3)選取1戶采用電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)，設(shè)備功率為12 kW；4)選取4戶采用碳晶電熱板，每戶設(shè)備平均功率為3 kW；5)選取1戶采用熱水型空氣源熱泵系統(tǒng)，設(shè)備功率為4.6 kW。

對(duì)采暖季2018年2月8日～3月9日共計(jì)30天的室內(nèi)溫度和設(shè)備耗電量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)，設(shè)定室內(nèi)溫度為15±1 ℃(若居民燒煤，室內(nèi)平均溫度約為12 ℃；根據(jù)調(diào)研結(jié)果，絕大數(shù)居民認(rèn)為室內(nèi)溫度為15 ℃較為滿意)。在采暖房間中心位懸掛溫度計(jì)記錄室內(nèi)溫度變化，每天09:00、12:00、18:00共記錄3次，30天的數(shù)據(jù)求平均值得出室內(nèi)平均溫度；按居民峰時(shí)電價(jià)0.55/kWh、谷時(shí)電價(jià)0.3元/kWh得出測(cè)試期總電費(fèi)。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 5種采暖技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總

3.2 試驗(yàn)分析

基于測(cè)試期合理的耗電量推算，同時(shí)需考慮測(cè)試期和整個(gè)采暖季的室內(nèi)外平均溫差，采用溫差比對(duì)采暖耗電量進(jìn)行修正。具體修正方式為：

其中，采暖季室內(nèi)外平均溫差的計(jì)算式為：

式中，室內(nèi)平均溫度取15 ℃；室外溫度根據(jù)氣象臺(tái)提供的邯鄲市肥鄉(xiāng)地區(qū)2017年11月15日～2018年3月15日的氣象數(shù)據(jù)，取平均氣溫2 ℃。

按照當(dāng)?shù)夭膳?xí)慣，當(dāng)日均氣溫超過(guò)10 ℃時(shí)，為節(jié)約電費(fèi)，村民會(huì)停止采暖設(shè)備運(yùn)行。按氣象臺(tái)提供的數(shù)據(jù)，肥鄉(xiāng)地區(qū)在2017年11月15日～2018年3月15日期間，日均氣溫小于10℃的日數(shù)共計(jì)115天。

由此分析得出5種采暖技術(shù)的年運(yùn)行成本情況，具體如表2所示。

表2 5種采暖技術(shù)的年運(yùn)行成本情況

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比

不考慮電網(wǎng)增容成本時(shí)，僅從采暖單位面積年運(yùn)行成本及設(shè)備投資成本分析發(fā)現(xiàn)，5種采暖技術(shù)的單位面積年綜合運(yùn)行成本差別較大，單位面積年綜合運(yùn)行成本從低到高依次為蓄聯(lián)熱泵、“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)、熱水型空氣源熱泵、碳晶電熱板、電磁加熱式相變蓄熱，具體如圖3所示。

若將電網(wǎng)增容成本均攤到供暖設(shè)備壽命期內(nèi)，5種采暖技術(shù)的單位面積年綜合運(yùn)行成本從低到高依次為：蓄聯(lián)熱泵、“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)、熱水型空氣源熱泵、碳晶電熱板、電磁加熱式相變蓄熱，具體如圖4所示。

圖3 不考慮電網(wǎng)增容成本時(shí)，5種采暖技術(shù)的單位面積年綜合運(yùn)行成本情況

圖4 考慮電網(wǎng)增容成本時(shí)，5種采暖技術(shù)的單位面積年綜合運(yùn)行成本情況

3.4 5種采暖技術(shù)試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)上述分析可知，每種采暖方式適用范圍和條件各不相同。由于蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的室外機(jī)屬于集中供暖設(shè)備，其運(yùn)行所產(chǎn)生的電費(fèi)需由用戶分?jǐn)?，并且設(shè)備需由專人進(jìn)行管理維護(hù)，因此不適用于分散采暖的農(nóng)村地區(qū)，但適用于學(xué)校、城鎮(zhèn)小區(qū)、商業(yè)大樓等集中供熱區(qū)域，且設(shè)備的年綜合能效最高。“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)適用于采暖面積在60 m2以下的農(nóng)戶，是農(nóng)村“煤改電”最經(jīng)濟(jì)的選擇。熱水型空氣源熱泵適用于采暖面積在80 m2以上的農(nóng)戶，能效比高，采暖舒適性好。這3種系統(tǒng)由于具有較高的能效比，故電網(wǎng)增容小且電網(wǎng)增容成本低，尤其是“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)，冬季采暖季每戶只需要增加2 kW的負(fù)荷。而電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)和碳晶電熱板都屬于直熱式加熱方式，性價(jià)比不高，電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)適用于峰谷電價(jià)差較大的地區(qū)，碳晶電熱板技術(shù)適用于家中長(zhǎng)期無(wú)人或偶爾需要采暖的用戶或?qū)W校，投資成本低。

4 農(nóng)村可行性實(shí)施原則

4.1 農(nóng)村“煤改電”解決方案

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的年綜合運(yùn)行成本最低，但其只適用于城鎮(zhèn)住宅小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、商業(yè)辦公樓、黨政機(jī)關(guān)等集中供熱區(qū)域。碳晶電熱板屬于直熱式技術(shù)，生產(chǎn)成本低，運(yùn)行成本高，適用于偶爾需要采暖或夜間采暖的用戶。“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)的性價(jià)比最高，不但電網(wǎng)增容量小，戶內(nèi)也無(wú)需增容換線，而且1臺(tái)室外機(jī)帶動(dòng)2臺(tái)室內(nèi)機(jī)，可滿足農(nóng)村用戶2個(gè)和2個(gè)以上房間的采暖需求，大幅降低了產(chǎn)品的成本。因此，采暖面積60 m2以下的農(nóng)戶，建議選用1臺(tái)“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)；對(duì)于采暖面積為60～80 m2的用戶，可采用1臺(tái)“‘一拖二'低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)+碳晶電熱板”的方式。對(duì)于采暖面積為80～100 m2的用戶，可選用2臺(tái)“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)或1臺(tái)熱水型空氣源熱泵。具體解決方案如表3所示。

表3 農(nóng)村采暖組合式解決方案的經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于具體的采暖方式，可根據(jù)農(nóng)戶的實(shí)際情況進(jìn)行組合，按需采暖，靈活選取不同技術(shù)，由此得到設(shè)計(jì)投資最小、效果最好的節(jié)約能源技術(shù)優(yōu)化組合方案。

4.2 實(shí)施“煤改電”節(jié)能減排效益

若將全村520戶居民按農(nóng)村“煤改電”解決方案中的方式分配“煤改電”技術(shù)方案：對(duì)于家中長(zhǎng)期無(wú)人的99戶住戶，考慮到地方政策補(bǔ)貼，建議采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)方案，最終采納此方式的用戶共354戶，單戶燃煤替代量達(dá)1.3 t；采用“‘一拖二'低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)+碳晶電熱板”的住戶共88戶，單戶燃煤替代量達(dá)2.1 t；采用熱水型空氣源熱泵的住戶共78戶，單戶燃煤替代量達(dá)2.7 t。單戶燃煤替代量是根據(jù)性能參數(shù)監(jiān)測(cè)得到的建筑供熱量與散煤熱值及民用水暖煤爐熱效率綜合計(jì)算得出的。全村共實(shí)現(xiàn)燃煤替代量855.6 t[8]。

5 總結(jié)與建議

本文通過(guò)對(duì)邯鄲市肥鄉(xiāng)地區(qū)田寨村520戶居民的調(diào)研分析可知，應(yīng)根據(jù)居民實(shí)際情況，針對(duì)不同的采暖方式及采暖需求，靈活選取不同技術(shù)方式，設(shè)計(jì)投資最小、效果好的節(jié)約能源技術(shù)優(yōu)化方案，不能采用“一刀切”“單一化”的采暖模式。

基于農(nóng)村5種采暖技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采暖面積小于60 m2的住戶，采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用；對(duì)于采暖面積為60～80 m2的住戶，建議采用組合型采暖方式，可采用“‘一拖二'低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)+碳晶電熱板”的組合；對(duì)于采暖面積為80～100 m2的住戶，可采用熱水型空氣源熱泵或“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機(jī)。

本文通過(guò)大量的調(diào)研及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)本著“按需采暖、精準(zhǔn)供熱、科學(xué)用電、減少投資、減低能耗”的原則，以期為河北省農(nóng)村的冬季清潔采暖解決方案提供參考。