南京林洋電力科技有限公司 ■ 齊寧寧 張繼皇

國網(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。由于受燃氣管網(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)、精準的選擇。在“煤改電”不斷推進的過程中，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)模不斷擴大，單一的采暖方式使得電網(wǎng)公司出現(xiàn)短時電力供應(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)管理等問題。

在不斷探索清潔采暖方式的過程中，為破解目前能源單一及電力供應(yīng)緊張的難題，2018年，河北省出臺了《河北省農(nóng)村地區(qū)太陽能取暖試點實施方案》，希望通過科學(xué)試點示范，形成可靠性好、性價比高、適宜推廣的農(nóng)村清潔采暖解決方案；同時，河北省擬定完成試點“太陽能光伏+采暖”8500戶，“煤改電”31.9萬戶的目標。在此政策的推動下，河北省農(nóng)戶承受的清潔采暖壓力大的問題一定會有所改善。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，依然無法實現(xiàn)電力供需平衡和保障重點用戶用電等問題。

為有效緩解農(nóng)戶冬季采暖負荷大及改善可能出現(xiàn)的短時供應(yīng)緊張的情況，本著“按需采暖、精準供熱、科學(xué)用電、減少投資、減低能耗”的原則，本文通過對邯鄲市農(nóng)村家庭采暖現(xiàn)狀的調(diào)研，并對5種分散型清潔采暖技術(shù)進行對比，得出了合理的可復(fù)制、可推廣的示范性項目方案。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)基本無集中采暖，主要是以分散型供暖為主[2]。通過對邯鄲市農(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)戶進行問卷調(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 居民實際采暖面積比例分布圖

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

7)采暖時長：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，農(nóng)村采暖存在很大的可優(yōu)化空間，對農(nóng)村實施清潔采暖的任務(wù)迫在眉睫。根據(jù)實測數(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，一些房屋長期無人居住，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)濟條件的限制，以及采暖費用受房屋保溫質(zhì)量和村民生活習(xí)性等因素的影響，因此，應(yīng)根據(jù)居民的實際情況來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、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)，下文對這5種技術(shù)路徑的供暖特性及經(jīng)濟性進行了分析。

1)蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過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題，提高設(shè)備的可靠性及壓縮機的壽命，降低設(shè)備的運行成本，同時可解決極寒天氣的采暖問題。

此系統(tǒng)適用于集中供暖地區(qū)，能效高、運行成本低，在室外溫度為-12 ℃、出水溫度為45 ℃時，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 ℃時可穩(wěn)定運行，解決了極寒天氣運行難的問題，具有較強的低溫適應(yīng)能力；系統(tǒng)標準出水溫度為60 ℃，既適用于鑄鐵暖氣片，也適用于地暖和風(fēng)機盤管等末端，提高了舒適性；同時系統(tǒng)可夏季制冷、冬季制熱，制冷時COP比空氣源熱泵高30%，省去了空調(diào)的設(shè)備成本，一機兩用[3]。

2)熱泵熱風(fēng)機。該設(shè)備利用壓縮機運轉(zhuǎn)工作，通過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臺室外機連接2臺室內(nèi)機，各室內(nèi)機獨立運行，可根據(jù)室內(nèi)溫度、時間等參數(shù)來控制設(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)過熱水換熱，因此其COP相對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，其COP為2.3。機組無需增設(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)多臺熱風(fēng)機獨立運行、獨立控制，可靈活調(diào)節(jié)室溫，有人即開，無人即關(guān)，運行省電；同時，制冷劑為能量輸配介質(zhì)，無凍結(jié)風(fēng)險，設(shè)備運行時室內(nèi)機直接加熱空氣，出熱迅速[4]。

本文以“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機為例進行分析。

3)熱水型空氣源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)制熱時通過壓縮機運轉(zhuǎn)工作，以極少的電能，吸收空氣中的熱量對水進行加熱，再通過熱水在采暖末端的循環(huán)提升室內(nèi)溫度[5]。由于選用低溫補氣增焓型壓縮機，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，其COP為2.0。系統(tǒng)相對出水溫度的理論值可達60 ℃，實際也可達55 ℃左右。

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

該設(shè)備的主要特點是精準用電、恒溫運行；設(shè)備的發(fā)熱板、隔熱層均為環(huán)保材料，使用中無任何有害物質(zhì)排放，能給用戶提供一個舒適安全的環(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，在谷電時段開啟電加熱，往室內(nèi)供熱，同時蓄熱，蓄熱完成后，停止電加熱；在非谷電時段，利用儲存的熱量向室內(nèi)供熱，保證用戶在減少電費支出的同時，獲得持續(xù)穩(wěn)定的供熱，以達到既經(jīng)濟節(jié)能又舒適的效果。

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

3 試驗情況及技術(shù)經(jīng)濟性分析

3.1 試驗內(nèi)容

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

1)選取6戶位置相對集中的用戶，采用蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)由1臺15 kW室外機提供動力，控制6臺2.2 kW室內(nèi)機；2)選取1戶采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機，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。

對采暖季2018年2月8日～3月9日共計30天的室內(nèi)溫度和設(shè)備耗電量進行實時在線監(jiān)測，同時，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；按居民峰時電價0.55/kWh、谷時電價0.3元/kWh得出測試期總電費。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 5種采暖技術(shù)試驗結(jié)果匯總

3.2 試驗分析

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

其中，采暖季室內(nèi)外平均溫差的計算式為：

式中，室內(nèi)平均溫度取15 ℃；室外溫度根據(jù)氣象臺提供的邯鄲市肥鄉(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?shù)夭膳?xí)慣，當日均氣溫超過10 ℃時，為節(jié)約電費，村民會停止采暖設(shè)備運行。按氣象臺提供的數(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115天。

由此分析得出5種采暖技術(shù)的年運行成本情況，具體如表2所示。

表2 5種采暖技術(shù)的年運行成本情況

3.3 經(jīng)濟性分析對比

不考慮電網(wǎng)增容成本時，僅從采暖單位面積年運行成本及設(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行成本差別較大，單位面積年綜合運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、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、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，5種采暖技術(shù)的單位面積年綜合運行成本情況

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

3.4 5種采暖技術(shù)試驗總結(jié)

通過上述分析可知，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)的室外機屬于集中供暖設(shè)備，其運行所產(chǎn)生的電費需由用戶分攤，并且設(shè)備需由專人進行管理維護，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，冬季采暖季每戶只需要增加2 kW的負荷。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，性價比不高，電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)適用于峰谷電價差較大的地區(qū)，碳晶電熱板技術(shù)適用于家中長期無人或偶爾需要采暖的用戶或?qū)W校，投資成本低。

4 農(nóng)村可行性實施原則

4.1 農(nóng)村“煤改電”解決方案

通過以上數(shù)據(jù)分析可知，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的年綜合運行成本最低，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，運行成本高，適用于偶爾需要采暖或夜間采暖的用戶?！耙煌隙钡蜏匦蜔岜脽犸L(fēng)機的性價比最高，不但電網(wǎng)增容量小，戶內(nèi)也無需增容換線，而且1臺室外機帶動2臺室內(nèi)機，可滿足農(nóng)村用戶2個和2個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“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機；對于采暖面積為60～80 m2的用戶，可采用1臺“‘一拖二'低溫型熱泵熱風(fēng)機+碳晶電熱板”的方式。對于采暖面積為80～100 m2的用戶，可選用2臺“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機或1臺熱水型空氣源熱泵。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)濟性分析

對于具體的采暖方式，可根據(jù)農(nóng)戶的實際情況進行組合，按需采暖，靈活選取不同技術(shù)，由此得到設(shè)計投資最小、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：對于家中長期無人的99戶住戶，考慮到地方政策補貼，建議采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機方案，最終采納此方式的用戶共354戶，單戶燃煤替代量達1.3 t；采用“‘一拖二'低溫型熱泵熱風(fēng)機+碳晶電熱板”的住戶共88戶，單戶燃煤替代量達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2.7 t。單戶燃煤替代量是根據(jù)性能參數(shù)監(jiān)測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算得出的。全村共實現(xiàn)燃煤替代量855.6 t[8]。

5 總結(jié)與建議

本文通過對邯鄲市肥鄉(xiāng)地區(qū)田寨村520戶居民的調(diào)研分析可知，應(yīng)根據(jù)居民實際情況，針對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)的實驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，對于采暖面積小于60 m2的住戶，采用“一拖二”低溫型熱泵熱風(fēng)機最為經(jīng)濟實用；對于采暖面積為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+碳晶電熱板”的組合；對于采暖面積為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。

本文通過大量的調(diào)研及實測數(shù)據(jù)，同時本著“按需采暖、精準供熱、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。