河北省農(nóng)村地區(qū)冬季供暖污染物排放情景預(yù)測

黃超，蘭玉兒，朱琳，馬秀琴

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401； 2.中冀建勘集團(tuán)有限公司， 河北 石家莊 050200）

河北省是一個農(nóng)業(yè)大省，人口眾多，農(nóng)村人數(shù)占總?cè)藬?shù)的77%。鄉(xiāng)村建筑面積多在100～300 m2，冬季采暖能耗較大。我國對于農(nóng)村住宅的節(jié)能改造進(jìn)程發(fā)展相對緩慢，而農(nóng)村住宅采暖能耗過大不僅影響到居民的生活品質(zhì)，還會因采暖效果不佳而大量使用能源，導(dǎo)致污染物排放較多影響大氣環(huán)境。國家也意識到這個問題，近些年推出了一系列政策來控制供暖燃煤的使用。但根據(jù)國際環(huán)保組織亞洲清潔空氣中心[1]發(fā)布的最新調(diào)研報告顯示，在中國部分已經(jīng)實(shí)行煤改氣（電）的地區(qū)，仍有32%的用戶在補(bǔ)貼后實(shí)際供暖費(fèi)用超過2 000元。農(nóng)村地區(qū)仍有不少居民舍不得供暖，因而可能會造成后期散煤“復(fù)燃”。因此在河北省農(nóng)村地區(qū)推廣清潔取暖的方式仍然是控制供暖污染物排放的必經(jīng)之路。

目前已有很多學(xué)者開始了太陽能供暖的研究。NAZIR H等將太陽能與相變材料進(jìn)行結(jié)合，研究相變材料在儲能和供熱方面的應(yīng)用，通過實(shí)際案例對儲能效果進(jìn)行評估[2]；李楠、田昕等[3]通過走訪調(diào)研了使用空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統(tǒng)的實(shí)際用戶，得到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，并以此分析了系統(tǒng)的優(yōu)劣性；SIVASAMY P等[4]通過調(diào)查研究，對太陽能集熱和相變材料儲能發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的總結(jié)，形成了一套完整的相變材料儲能及應(yīng)用體系；劉彥青[5]通過將太陽能集熱器中加熱的氣體連通到建筑內(nèi)空氣層，不僅提高了室內(nèi)溫度，而且還解決了室內(nèi)空氣干燥、溫度不均等問題。本文通過將太陽能集熱技術(shù)與相變材料蓄熱技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法從相變組合材料、導(dǎo)熱材料、保溫材料以及運(yùn)行方案等角度進(jìn)行太陽能耦合相變材料蓄能床的供暖性能驗(yàn)證及優(yōu)化，并通過情景分析法對此措施給農(nóng)村帶來的環(huán)境效益進(jìn)行了預(yù)測研究。

1 河北省農(nóng)村地區(qū)供暖現(xiàn)狀

在2020年11月-2021年4月通過實(shí)地調(diào)研河北省農(nóng)村的供暖現(xiàn)狀。在充分考慮地域情況以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平后，選擇了張家口、承德、唐山、保定、廊坊、石家莊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等10個主要城市進(jìn)行農(nóng)村實(shí)地調(diào)研走訪。共收集824份問卷，有效問卷數(shù)為709份。

1.1 供暖溫度分布

由調(diào)研結(jié)果得到，由于河北省冬季天氣寒冷干燥，持續(xù)時間較長，大部分農(nóng)村地區(qū)供暖時間在每年的11月到次年的3月。經(jīng)過對調(diào)研結(jié)果的分析計算，河北省農(nóng)村地區(qū)平均供暖時間為104 d，日平均供暖時間為17.16 h，69%的農(nóng)戶表示室內(nèi)溫度僅在15～20 ℃之間，并未達(dá)到室內(nèi)冬季采暖的溫度要求。經(jīng)過計算得到，河北省農(nóng)村地區(qū)室內(nèi)供暖平均溫度在17.14 ℃。

1.2 供暖方式分布

在對709份問卷進(jìn)行整理后不難發(fā)現(xiàn)，家庭取暖炊事方式在河北省農(nóng)村地區(qū)可以分為采暖炊事分離與不分離的兩種系統(tǒng)。而經(jīng)過統(tǒng)計分析，有559家農(nóng)戶采用采暖炊事分離系統(tǒng)，占78.84%，有150家農(nóng)戶采用采暖炊事不分離系統(tǒng)，占21.16%。

在采暖炊事分離的559家用戶中，采用暖氣片作為末端散熱設(shè)備的用戶高達(dá)88.91%；采用火炕的用戶達(dá)5.00%，其次為采用電暖氣和空調(diào)的用戶，如圖1所示。

圖1 采暖炊事分離系統(tǒng)末端設(shè)備

在采暖炊事一體的150家用戶中，采用煤爐取暖且炊事的有69份，占46%；采用柴灶接火炕取暖炊事的有40家，占26.67%；采用天然氣取暖且天然氣灶炊事的有41份，占27.33%，如圖2所示。

圖2 采暖炊事一體系統(tǒng)末端設(shè)備

1.3 全省單位建筑面積耗熱量及能源使用現(xiàn)狀

1.3.1 單位建筑面積耗熱量

河北省農(nóng)村供暖使用的能源主要有秸稈、煤、電能、木柴和天然氣。農(nóng)村單位建筑面積耗熱量是衡量農(nóng)村能耗的重要指標(biāo)。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)公式[6]對農(nóng)村單位建筑面積耗熱量進(jìn)行計算。根據(jù)結(jié)果顯示，各調(diào)研用戶單位建筑面積的耗熱量，取其平均值為197.827 MJ·m-2·a-1。

1.3.2 全省能源使用情況

由調(diào)研數(shù)據(jù)可以得到，電能在河北省農(nóng)村用戶中是必備能源。調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全省人均年耗電量最大值為1 038.45 kW·h，換算成標(biāo)準(zhǔn)煤為311.54 kg。由于國家近幾年大力提倡使用清潔能源，并提出要在保證農(nóng)戶冬季正常供暖的情況下逐步完成清潔供暖計劃。河北省農(nóng)村人口眾多，截止到2019年年底已經(jīng)有一部分地區(qū)完成了煤改氣（電）改造工程或者清潔煤替代計劃，但仍存在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)還在使用煤進(jìn)行冬季供暖。根據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，仍然使用煤炭供暖的用戶占比達(dá)到48.45%，人均一年煤炭用量最大值為1 t。

天然氣是近幾年才普及到農(nóng)村的一種商品能源。經(jīng)過調(diào)研可知，人均天然氣一年消耗量最大值為600 m3，經(jīng)濟(jì)富裕的家庭人均一年天然氣消耗量為281.33 m3。經(jīng)過國家推行清潔取暖政策后，河北省馬上響應(yīng)號召，積極行動。此次調(diào)研中，使用木柴的用戶在調(diào)研中占比較少，秸稈用量在多地為零，這也說明農(nóng)戶的意識不斷提高，越來越多的清潔能源被人們所接受。太陽能是在河北省使用最廣泛的可再生能源。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有78.9%的受訪用戶表示家中使用太陽能熱水器制取熱水。

由此可見，在河北省農(nóng)村地區(qū)95%的農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)均未添加保溫層，單位建筑面積耗熱量較高；農(nóng)戶平均供暖時間為104 d·a-1，但室內(nèi)供暖平均溫度僅為17.14 ℃，不能達(dá)到冬季室內(nèi)舒適度要求。雖然超七成的農(nóng)戶已轉(zhuǎn)為使用電能、天然氣或清潔煤，但仍有多數(shù)居民提出夜晚供暖效果不佳、供暖費(fèi)用過高等問題。因此，使用可再生能源仍然是農(nóng)村供暖的最佳途徑。

2 太陽能耦合相變材料蓄能床研究

2.1 太陽能耦合相變蓄能床的實(shí)驗(yàn)原理

太陽能耦合相變材料儲能床是將相變材料蓄熱技術(shù)與低溫輻射供暖技術(shù)相結(jié)合而設(shè)計的一種經(jīng)濟(jì)適用的蓄能床。它主要由兩部分組成，一是太陽能集熱系統(tǒng)，二是蓄能床系統(tǒng)。工作原理如圖3所示。

圖3 太陽能耦合相變材料蓄能床的系統(tǒng)原理圖

通過槽式太陽能集熱器收集太陽能來加熱真空管中的介質(zhì)-水。加熱后的水在循環(huán)水泵的推動下進(jìn)入集熱系統(tǒng)的蓄熱水箱，當(dāng)水溫上升到規(guī)定溫度時，加熱循環(huán)泵啟動，熱水流入儲熱床體，在床體內(nèi)的盤管中流動，將熱量傳遞給盤管附近的相變材料-石蠟。由于石蠟的蓄熱特性，白天充分吸收熱量，由固體變?yōu)橐后w；夜晚集熱器停止工作后，石蠟逐漸凝固，并釋放熱量。這個熱量可以維持床面溫度恒定，滿足用戶睡眠階段的熱舒適性要求。同時，在傳遞過程中沒有被石蠟吸收的熱量可以通過床面與房間進(jìn)行輻射換熱，提高室內(nèi)的溫度。

當(dāng)遇到陰雨天或者雪天，太陽不足以提供熱量給蓄能床時，可以通過在水箱中安裝輔助電加熱器，對水箱中的水進(jìn)行電加熱，以此代替太陽能集熱系統(tǒng)。

2.2 最佳蓄能床的熱性能研究

實(shí)驗(yàn)主要從相變材料、導(dǎo)熱材料、保溫材料以及運(yùn)行方案等方面選擇最佳蓄能床。

1）最佳相變材料組合的確定

在供水溫度為40 ℃、流量為1.45 L·min-1相同工況條件下對純石蠟蓄能床和水-石蠟蓄能床進(jìn)行熱性能比較。

由圖4可以看出，水-石蠟混合的蓄能床石蠟層溫度達(dá)到熱穩(wěn)定階段后保持在36.91 ℃，而純石蠟蓄能床在熱穩(wěn)定階段石蠟溫度始終處于溫度上升的狀態(tài)，在17:30時達(dá)到了36.37 ℃，隨后將加熱器關(guān)閉，水-石蠟蓄能床由于在熱穩(wěn)定階段吸收足夠的潛熱量，睡眠階段保持石蠟溫度恒定在35.96 ℃，而純石蠟蓄能床由于熱穩(wěn)定階段吸收的潛熱量僅僅起到了減緩溫度降低的作用，整個睡眠階段的溫度均值為31.14 ℃。水-石蠟蓄能床的床面溫度高于純石蠟蓄能床，睡眠階段水-石蠟蓄能床的床面層溫度保持在31.89 ℃，而純石蠟蓄能床的床面溫度在睡眠階段均值為28.90 ℃，兩者雖都在舒適溫度范圍內(nèi)，但純石蠟蓄能床的溫度在睡眠階段是下降趨勢，人體舒適度不如水-石蠟蓄能床。

圖4 兩種蓄能床的熱性能對比

2）最佳導(dǎo)熱材料組合式的確定

在查閱大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)熱性能較好的材料中，多孔鋁介質(zhì)是研究最廣泛的金屬材料，但其價格普遍偏高[7]。從調(diào)研報告分析得到，河北省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)消費(fèi)水平不高，完全使用多孔鋁作為導(dǎo)熱材料會增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而在多數(shù)實(shí)驗(yàn)中蜂窩活性炭不僅具有穩(wěn)定的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可以吸附大量石蠟，而且蜂窩活性炭價格相對低廉，容易被大眾所接受。因而本研究結(jié)合河北省農(nóng)村情況，采用孔隙率為20PPI的蜂窩活性炭與泡沫鋁或蜂窩鋁進(jìn)行組合的方法，選擇適宜在河北省農(nóng)村地區(qū)推廣的導(dǎo)熱材料。

從睡眠溫度來看，泡沫鋁組合的睡眠溫度呈現(xiàn)最大值，且在睡眠階段變化較為平穩(wěn)。通過與熱舒適性溫度最小值（26.1 ℃）進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在睡眠階段，三種蓄能床的睡眠溫度與熱舒適溫度最小值之差一直大于零，這說明三者一直處于熱舒適的狀態(tài)。而水-石蠟蓄能床睡眠溫度與熱舒適溫度最小值的差值在睡眠階段一直在減小，說明此時的睡眠溫度在持續(xù)下降；蜂窩鋁組合蓄能床的睡眠溫度與熱舒適溫度最小值的差值在睡眠階段前半部分保持相對平穩(wěn)，但后半部分開始下降，但下降速度平緩，且溫度仍處于舒適范圍內(nèi)，對于熟睡的人而言，影響不大；泡沫鋁組合蓄能床睡眠溫度與熱舒適溫度最小值的差值一直保持在2.69 ℃左右，熱穩(wěn)定性較高，能保證人的睡眠質(zhì)量較好，因而從導(dǎo)熱材料角度出發(fā)，蜂窩活性炭-泡沫鋁可以作為最佳的導(dǎo)熱組合式。詳見圖5和圖6。

圖5 睡眠溫度

圖6 與舒適性溫度最小值之差

3）最佳保溫材料的確定

蓄能床的保溫材料主要填充于木質(zhì)外盒與不銹鋼內(nèi)盒之間，防止熱量向地面以及床體四周傳遞。因此，保溫材料的優(yōu)劣會直接影響石蠟層到床面層的熱量傳遞，進(jìn)而影響到各層的溫度。本研究選取

最常見的保溫材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用珍珠巖保溫板的蓄能床在熱穩(wěn)定階段溫度從石蠟層傳遞到床面層降低了2.11 ℃，從床面層到睡眠層降低了5.10 ℃；在睡眠階段，溫度從石蠟層傳遞到床面層降低了2.55 ℃，從床面層到睡眠層又降低了5.01 ℃。詳見圖7(a)和7(b)。

圖7（a） 珍珠巖保溫板蓄能床熱穩(wěn)定階段各層溫度

圖7（b） 珍珠巖保溫板蓄能床睡眠階段各層溫度

在蓄能床中添加酚醛板作為保溫材料，熱穩(wěn)定階段，溫度從石蠟層傳遞到床面層降低了1.04 ℃，從床面層到睡眠層降低了4.90 ℃；睡眠階段，溫度從石蠟層傳遞到床面層降低了1.47 ℃，從床面層到睡眠層又降低了5.31 ℃。通過對比得到，采用酚醛板的蓄能床各層溫度均高于采用珍珠巖保溫板的蓄能床，這說明了在采用酚醛板的蓄能床中，大部分熱量都從石蠟層傳遞給床面層，熱量散失較少，可作為最佳的保溫材料。詳見圖8(a)和8(b)。

圖8（a） 酚醛保溫板蓄能床熱穩(wěn)定階段各層溫度

圖8（b） 酚醛保溫板蓄能床睡眠階段各層溫度

4）最佳運(yùn)行方案的確定

太陽能耦合相變材料蓄能床原則上是利用太陽能對蓄能床進(jìn)行熱量的提供，但在陰雨天太陽能不可以滿足蓄能床的供熱要求時，可以采用電輔助加熱的方式對蓄能床提供熱量。因此，針對電輔助加熱共設(shè)置了兩種運(yùn)行方案進(jìn)行研究。其一是全天加熱運(yùn)行方案，即從早上8:30至下午17:30一直開啟電加熱器進(jìn)行加熱；其二是分時段加熱方案，從早上8:30至中午11:30進(jìn)行加熱，然后關(guān)閉電加熱器，循環(huán)水泵繼續(xù)工作，直到臨睡前再將電加熱器開啟2 h。

結(jié)果表明：當(dāng)蓄能床進(jìn)行全天運(yùn)行加熱（圖9）時，到達(dá)熱穩(wěn)定階段后石蠟層溫度約為38.57 °C，床面溫度為37.53 °C，睡眠溫度為32.63 °C。17:30關(guān)閉電輔助加熱器，同時關(guān)閉循環(huán)水泵，各層溫度開始下降，由于石蠟釋放潛熱量，睡眠階段各層溫度保持穩(wěn)定，石蠟層溫度約為37.13 °C，床面溫度為35.66 °C，睡眠溫度為30.35 °C。根據(jù)電表數(shù)得到，全天加熱運(yùn)行工況下共消耗了1.6 kW·h，若假設(shè)每個月有10 d當(dāng)?shù)靥柲苜Y源不能提供蓄能床的熱量，則整個供暖期共消耗48 kW·h，根據(jù)河北省農(nóng)村地區(qū)電價進(jìn)行核算，大約花費(fèi)24元。

圖9 全天加熱運(yùn)行方案

當(dāng)蓄能床進(jìn)行分時段加熱方案（圖10）時，8:30開始隨著供水溫度的上升，蓄能床各層溫度也逐漸升高。到達(dá)11:30關(guān)閉電加熱器，由于循環(huán)水泵還在運(yùn)行，蓄能床中的水與保溫水箱中的水繼續(xù)進(jìn)行熱量交換，因此供水溫度下降速率較為緩慢，石蠟溫度、床面溫度以及睡眠溫度略有下降，但影響較小，可仍然視為熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時石蠟層溫度約為38.19 ℃，床面溫度為36.99 ℃，睡眠溫度為32.04 ℃。19:30打開電加熱器，直到21:30關(guān)閉電加熱器和循環(huán)水泵。整晚石蠟層平均溫度在37.30 ℃，床面溫度在35.74 ℃，睡眠溫度在32.01 °C。分時段加熱運(yùn)行方案運(yùn)行1 d大約要消耗電量為1.48 kW·h。通過計算，在整個供暖期內(nèi)，采用分時段加熱方案要消耗電量44.4 kW·h，共花費(fèi)22.2元。因此，不管從睡眠舒適性角度還是經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，分時段加熱方案都比全天加熱方案更加適合。

圖10 分時段加熱運(yùn)行方案

因此，通過以上四個方面的實(shí)驗(yàn)研究最終確定以蜂窩活性炭-泡沫鋁的組合式為導(dǎo)熱材料，酚醛板為保溫材料的水-石蠟蓄能床為最佳復(fù)合蓄能床。并且最佳蓄能床不僅能解決夜間床面溫度不佳的問題，還可以改善室內(nèi)供暖溫度。經(jīng)過測量，在使用最佳蓄能床的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)溫度可以達(dá)到22.80 ℃，滿足冬季室內(nèi)采暖的要求。

3 河北省農(nóng)村地區(qū)冬季供暖污染物排放情景預(yù)測

結(jié)合國家政策運(yùn)用情景分析法，研究在河北省農(nóng)村清潔供暖的大背景下，相變蓄能床適當(dāng)推廣后對2025年河北省農(nóng)村清潔供暖產(chǎn)生的環(huán)境效益進(jìn)行預(yù)測。通過運(yùn)用調(diào)研得到的河北省農(nóng)村地區(qū)戶均供暖面積以及通過不同供暖設(shè)備的能耗分析式[8]可以大致計算出戶均供暖能源消耗量，再結(jié)合《國家人口發(fā)展規(guī)劃》[9]和《河北省人口發(fā)展規(guī)劃2017—2035》[10]的相關(guān)規(guī)定，采用排放系數(shù)法可以計算得到各情景下的污染物排放量。研究過程設(shè)定了三個情景：其中情景模式1和情景模式2是在考慮清潔供暖政策[11-12]的影響下，根據(jù)現(xiàn)在清潔供暖工作的完成進(jìn)度，在情景模式1和情景模式2中假定2025年河北省農(nóng)村地區(qū)已基本完成清潔供暖工作，進(jìn)而預(yù)測此情景下大氣污染物的排放量[13]；情景模式2是根據(jù)實(shí)際情況對各供暖方式的使用配比率進(jìn)行合理調(diào)整后，對大氣污染物的排放量的預(yù)測；情景模式3是在情景模式2的基礎(chǔ)上，將煤改電背景下的供暖方式進(jìn)一步細(xì)化，研究推廣相變蓄能床所能帶來的環(huán)境效益。具體供暖設(shè)備的使用配比根據(jù)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1 各情景模式的供暖設(shè)備使用配比

計算數(shù)據(jù)得到，在情景模式3下，河北省全年農(nóng)村供暖將排放0.586萬t CO、5.887 萬t SO2、3.439萬t NOx。由圖11中可以看出，在三種情景下，情景模式3下大氣污染物的排放量是最少的。與情景模式1相比，CO排放量減少了19.7%，SO2排放量減少了8.8%，NOx排放量減少了10.5%。因此說明了太陽能等可再生能源是最清潔的能源，蓄能床在河北省農(nóng)村地區(qū)推廣后可以獲得較大的環(huán)境收益。三種情景模式下大氣污染物排放量，如圖11。

圖11 三種情景的污染物排放情況

4 結(jié) 論

在調(diào)研河北省農(nóng)村地區(qū)供暖現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)適用的太陽能耦合相變材料蓄能床，既能充分利用可再生能源，又能解決供暖效果不佳等問題。通過實(shí)驗(yàn)對蓄能床的供暖性能進(jìn)行研究，最終通過情景分析法預(yù)測2025年河北省農(nóng)村地區(qū)供暖污染物的排放量。

首先，對河北省10個地區(qū)的農(nóng)村用戶進(jìn)行實(shí)地走訪調(diào)研，得到了全省農(nóng)村單位建筑面積耗熱量達(dá)197.827 MJ·m-2·a-1；農(nóng)戶平均供暖時間為104 d·a-1，但室內(nèi)供暖平均溫度僅為17.14 °C，不能達(dá)到冬季室內(nèi)舒適度要求。其次，通過實(shí)驗(yàn)對蓄能床進(jìn)行供暖性能的研究，結(jié)果得到：以蜂窩活性炭-泡沫鋁的組合式為導(dǎo)熱材料，酚醛板為保溫材料的水-石蠟蓄能床為最佳復(fù)合蓄能床，分時段加熱方案為最佳運(yùn)行方案。當(dāng)使用最佳蓄能床進(jìn)行供暖時，睡眠階段床面溫度保持在35.74 °C，睡眠層溫度保持在32.01 °C，室內(nèi)溫度保持在22.80 ℃，能夠滿足人體舒適性的要求。最后，運(yùn)用情景分析法預(yù)測在河北省農(nóng)村清潔供暖背景下河北省農(nóng)村地區(qū)供暖污染物的排放量情況。結(jié)果表明：大力推廣清潔取暖政策后，污染物的排放量有所減少。并且當(dāng)在農(nóng)村地區(qū)推廣蓄能床后，CO排放量可以減少19.7%，SO2排放量可以減少8.8%，NOx排放量可以減少10.5%。