肖雪純 馬晨辰 趙 瑾 袁夢瑤 孫曉銘

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

我國北方地區(qū)冬季有較長時(shí)間都處于溫度較低的狀態(tài)，所以需要采用一些供熱方式保持室內(nèi)溫度。很大一部分的北方農(nóng)村地區(qū)由于村莊分布不集中、集中供暖成本高等原因，仍然采用的是單獨(dú)采暖的方式，而傳統(tǒng)的取暖方式例如燒土炕、電熱炕等存在著污染大、使用不安全以及成本高等一些弊端。

近些年，取暖方式從產(chǎn)熱方式到導(dǎo)熱方式都向著越來越人性化的方向發(fā)展，不斷改進(jìn)、不斷創(chuàng)新以求達(dá)到方便村民的使用、帶來更好的使用體驗(yàn)以及對(duì)空氣環(huán)境質(zhì)量更加友好的目的。本文就在為解決北方農(nóng)村地區(qū)所面臨的取暖困境，利用已有技術(shù)設(shè)備在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新和優(yōu)化，尋找最合適的改造方案來改善人居環(huán)境質(zhì)量。

2 傳統(tǒng)采暖方式對(duì)人居環(huán)境的影響

2.1 農(nóng)村人居環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

1)空氣質(zhì)量令人堪憂。

近年來,我國關(guān)于室內(nèi)空氣污染的研究得到迅速發(fā)展,研究成果多以城市為主,隨著人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)及對(duì)空氣污染關(guān)注的不斷深入,農(nóng)村IAQ問題逐漸凸顯出來。事實(shí)上,農(nóng)村居住建筑室內(nèi)空氣污染比城市更加嚴(yán)重[1]。主要是由采暖、炊事、人員密集和吸煙及農(nóng)耕、秸稈燃燒等室外空氣污染造成的[2]。這些因素直接導(dǎo)致了農(nóng)村空氣中的含氧量降低，甲醛含量、二氧化碳含量以及顆粒物含量升高。主要是由采暖、炊事、人員密集和吸煙及農(nóng)耕、秸稈燃燒等室外空氣污染造成的。

2)村容村貌管理缺失。

由于農(nóng)村缺少管理，村民們經(jīng)常在自家院里堆積各種雜物，亂堆亂放現(xiàn)象嚴(yán)重。尤其是村民們燒鍋爐用的煤炭木柴以及秸稈，量大且收管不當(dāng)。北方地區(qū)玉米廣泛種植，產(chǎn)生的大量秸稈多以露天焚燒的方式處理。大量的能源得不到充分利用，還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染(見圖1)。

2.2 傳統(tǒng)采暖方式弊端

目前，我國農(nóng)村普遍使用傳統(tǒng)的火炕(如圖2所示)或者電熱炕作為采暖的工具。雖然火炕是目前農(nóng)村使用最廣泛的采暖方式，但是它也存在著許多弊端：1)火炕多數(shù)需要使用柴草或者煤炭作為燃料，如果這兩者燃燒不充分便會(huì)產(chǎn)生煙塵造成對(duì)農(nóng)村空氣環(huán)境的污染。2)火炕表面需要進(jìn)行散熱，如果在砌筑過程中不合理會(huì)產(chǎn)生熱不均勻，有時(shí)過熱溫度高達(dá)50 ℃會(huì)對(duì)人身體的機(jī)能造成傷害，還容易燒焦我們的被子等。

同樣的，雖然電熱炕是目前農(nóng)村先進(jìn)的采暖方式，但它也存在著一定的弊端：1)電熱炕所消耗的能源主要是電能，它也有一定的輻射影響，長期的使用會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響。2)無法確認(rèn)電熱炕是否透氣，有時(shí)在使用過程中水蒸汽無法排出去，凝結(jié)在電熱炕的表面，此時(shí)如果發(fā)生導(dǎo)電十分危險(xiǎn)。3)大部分農(nóng)村自然條件差，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)戶人均純收入低，部分農(nóng)戶負(fù)擔(dān)不起電熱炕消耗的電費(fèi)。

通過實(shí)地調(diào)研和分析，市場上還有一種新興的水暖炕的取暖方式，多為電取暖和太陽能取暖，電取暖方式造價(jià)高使用費(fèi)用高，由于東北地區(qū)冬天白天時(shí)間短，且下雪陰天時(shí)間居多，太陽能在使用地域上存在局限性。

綜上所述，我們努力尋找其中的平衡，將污染少和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，并考慮到具體使用感受的因素希望與現(xiàn)存的水暖炕技術(shù)相結(jié)合，在解決北方農(nóng)村取暖問題上有所創(chuàng)新和突破。

3 北方農(nóng)村采暖方式的優(yōu)化

3.1 改造優(yōu)化方向

1)供能方式優(yōu)化。

針對(duì)以上幾個(gè)原因，我們認(rèn)為對(duì)采暖方式進(jìn)行優(yōu)化的根本就要改變傳統(tǒng)火炕和電熱炕污染不節(jié)能的能源方式，采用更加清潔高效的天然氣能源和生物燃料。構(gòu)建規(guī)模合理、安全可靠的農(nóng)村取暖系統(tǒng)，提高農(nóng)村清潔取暖水平[3]。

2)控制系統(tǒng)優(yōu)化。

生物燃料和天然氣兩種供能方式相結(jié)合，通過控制系統(tǒng)來選擇。同時(shí)，控制系統(tǒng)還有控制開關(guān)、缺水報(bào)警、智能加熱等功能以及控制溫度恒溫、防止干燒等優(yōu)點(diǎn)。

3)炕板材料優(yōu)化。

對(duì)現(xiàn)有的炕板材料進(jìn)行優(yōu)化，改變原有材料——紅磚土坯的導(dǎo)熱慢、使用年限短等缺點(diǎn)，選擇導(dǎo)熱快保溫好的、耐高溫承壓好的材料，并且考慮到使用感受方面，認(rèn)為水暖的形式比傳統(tǒng)的固體導(dǎo)熱的土炕和電熱炕更加舒適。

3.2 具體優(yōu)化方案

1)供能裝置的改造。

可使用秸稈高效節(jié)能爐作為主要供能裝置，天然氣加熱器作為輔助供能裝置。

秸稈高效節(jié)能爐的工作過程是將可燃物放入料箱中，經(jīng)過處理后，再由給料箱輸送到反應(yīng)爐中進(jìn)行燃燒，然后產(chǎn)生大量的一氧化碳和氫氣，并將這些氣體引入凈化分離器中，以進(jìn)行焦油去除，除塵和脫水的凈化程序，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的氣體，然后將其通過管道系統(tǒng)輸送到加熱裝置中。并且原料隨處可見，所有干燥的農(nóng)作物秸稈、谷殼、玉米芯、雜草、木材、鋸末、曬干的牛糞及垃圾等任何可燃物均可用來生產(chǎn)燃?xì)?；無煙無塵、經(jīng)濟(jì)實(shí)用[4]。我國秸稈的燃燒,本就是環(huán)境治理中的一大難題，該節(jié)能爐不僅可減少秸稈燃燒對(duì)農(nóng)村環(huán)境的污染，保護(hù)環(huán)境，保護(hù)大自然，又能使農(nóng)戶用上便宜且高質(zhì)量的燃?xì)鈦頌槭覂?nèi)供暖設(shè)備提供熱量(見圖3)。

天然氣加熱器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，其具有比較完備的技術(shù)。這種熱水器的工作原理是使冷水進(jìn)入熱水器，燃?xì)饨?jīng)供應(yīng)系統(tǒng)作用后進(jìn)入爐膛，將燃?xì)鉄崴魅紵鼽c(diǎn)燃：其實(shí)行程序控制，自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)程度較高，調(diào)節(jié)方便，燃燒穩(wěn)定，維持燃燒器的正常燃燒(見圖4)。

2)控制系統(tǒng)的改造。

使用智能控制系統(tǒng)(如圖5所示)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)土炕的智控升級(jí)，即控制溫度，控制開關(guān)，供能方式自由切換等功能。改造升級(jí)后的水暖的控制系統(tǒng)采用了PTC水電分離加熱，超靜音水泵循環(huán)，恒溫智能控制系統(tǒng)作為加熱驅(qū)動(dòng)端；控制器與熱炕板管路配件連接加純凈水即可使用，通過PTC管路加熱器將水加熱，輸送到熱水炕板中傳熱。控制器有防止干燒、缺水報(bào)警、智能加熱、恒溫控制等功能。

3)炕板材料的改造。

另外炕板內(nèi)還采用傳導(dǎo)循環(huán)系統(tǒng)：由水泵和熱水管閥門組成，在溫控器的控制下，水泵進(jìn)行循環(huán)工作，保證水溫恒定。選用鍍鋁鋅板和環(huán)保聚氨酯發(fā)泡料以及PERT地暖管和銅接頭等經(jīng)濟(jì)實(shí)用的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土炕所用的水泥砂漿，保證水暖炕的導(dǎo)熱恒溫效果，且使得該水暖炕輻射面溫度均勻,供熱半徑大,對(duì)房屋各種不同結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng),便于控制[5](見圖6)。

3.3 預(yù)期達(dá)到效果

1)減少環(huán)境污染。

秸稈高效節(jié)能爐做主要供能裝置、天然氣做輔助供能。前者所用燃料均為秸稈、玉米芯等可再生能源，減少了煤炭、木材的使用，減少了大量秸稈露天焚燒帶來的環(huán)境污染。節(jié)能爐的燃料充分燃燒，也可降低不充分燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體對(duì)人體的危害。

煙灰處理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)收集煙灰并凈化除塵，不會(huì)因燃燒導(dǎo)致室內(nèi)灰塵遍布。

2)對(duì)人體危害小。

新型水暖炕以秸稈燃燒和天然氣燃燒方式供能，不會(huì)像其他以電供能的水暖炕對(duì)人體產(chǎn)生輻射，也不會(huì)像電暖炕有漏電危險(xiǎn)。亦不會(huì)因?yàn)槿紵龝r(shí)室內(nèi)空氣干燥，給使用者帶來不適感。煙灰處理系統(tǒng)可清理燃燒產(chǎn)生的灰塵，阻止其進(jìn)入人體呼吸道，對(duì)人體造成傷害。新型水暖炕的控制系統(tǒng)亦可防止干燒，阻止干燒帶來的一系列危害。

3)室內(nèi)溫度保持恒溫。

新型水暖炕的控制系統(tǒng)可以恒溫智能控制，保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，不會(huì)過高或者過低，為使用者提供一個(gè)舒適的，適合居住的溫度。

4 結(jié)論和展望報(bào)告

經(jīng)過深入研究及探索，我國北方農(nóng)村冬季單獨(dú)供暖帶來的環(huán)境問題以及使用感受等方面的問題亟待解決，并且將國家努力改善人居環(huán)境的方針放在首位，從實(shí)際出發(fā)探索創(chuàng)新出真正利民惠民、環(huán)保高效的農(nóng)村供暖設(shè)備，選擇綠色安全的燃料，改進(jìn)傳統(tǒng)加熱方式、提高熱量傳輸效率還有對(duì)操作系統(tǒng)的人性化改進(jìn)都是方案設(shè)計(jì)過程中考慮的方向和重點(diǎn)，才是解決目前面臨的人居環(huán)境治理難題的根本之策。