王 玨，李友杰，李志敏，陳曉夫，任彥波，薛春瑜，劉廣青

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100221；2.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029；3.中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會，北京 100125)

我國北方農(nóng)村地區(qū)采用固體燃料采暖是導(dǎo)致冬季大氣污染嚴(yán)重、重污染天氣頻發(fā)的重要原因之一[1-3]。因暴露于室內(nèi)固體燃料的污染，而產(chǎn)生缺血性心臟病、慢性阻塞性肺炎、肺癌、急性呼吸道疾病等，造成過早死亡的人群約400萬人，其中中國約100 萬人[4-5]。因此，加大治理中國北方地區(qū)冬季取暖民用散煤問題，具有重要的環(huán)保意義和社會價(jià)值。

2017年國家十部委聯(lián)合制定了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》[6]，采用清潔能源替代民用散煤的治理工作已取得初步成效。由于民用散煤的使用量大面廣，農(nóng)村地區(qū)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，一些經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，采用清潔能源受到資源和經(jīng)濟(jì)的限制。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境下，應(yīng)該采取因地制宜、綜合治理、多措并舉的方式逐步推進(jìn)清潔能源替代民用散煤。而暫不具備清潔能源替代條件的地方可以采取“優(yōu)質(zhì)煤或生物質(zhì)成型燃料替換，并配套使用節(jié)能環(huán)保爐具”替代散燒煤采暖。

然而，已有研究表明，實(shí)驗(yàn)室測試能夠反映污染物的排放規(guī)律，但是由于民用采暖爐具的性能受到當(dāng)?shù)夭膳?xí)慣、燃料品質(zhì)、爐具類型和環(huán)境條件等現(xiàn)場復(fù)雜因素的影響，現(xiàn)場測試提供了測量系統(tǒng)中無法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中重現(xiàn)的關(guān)鍵影響因素，而這些影響因素很難在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中準(zhǔn)確的模擬，現(xiàn)場測試獲得的性能指標(biāo)被認(rèn)為比實(shí)驗(yàn)室獲得的更具有代表性[7-9]。因此，制定統(tǒng)一、科學(xué)和規(guī)范的現(xiàn)場測試方法十分必要。

1 關(guān)鍵測試指標(biāo)

《標(biāo)準(zhǔn)》分別從環(huán)境健康、爐具性能、經(jīng)濟(jì)成本和使用效果四個方面，提出了關(guān)鍵測試指標(biāo)及其現(xiàn)場測試方法，如圖1所示，分別包括通過訪談?wù){(diào)研獲得家庭情況、經(jīng)濟(jì)收入、取暖現(xiàn)狀和政策落實(shí)等情況，現(xiàn)場測試獲得煙氣排放、熱性能、室內(nèi)空氣污染、燃料消耗量和使用效果等。

根據(jù)現(xiàn)有的中國排放清單計(jì)算，民用散煤排放的污染物中，對大氣貢獻(xiàn)較大的主要是PM2.5和SO2，以及相關(guān)的不完全燃燒產(chǎn)物[10-12]。結(jié)合我國供暖有關(guān)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，選取PM2.5、SO2、CO這3種污染物作為衡量民用固體燃料對環(huán)境影響的關(guān)鍵指標(biāo)。

細(xì)顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度是當(dāng)前空氣質(zhì)量管理以及顆粒物健康影響評價(jià)的主要指標(biāo)[13]，依據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的推薦標(biāo)準(zhǔn)[14]，選擇室內(nèi)的PM2.5和CO濃度作為評價(jià)指標(biāo)，以反映其對健康存在的潛在危害。研究人員也可以進(jìn)一步考慮多環(huán)芳烴、重金屬等指標(biāo)以及人體暴露因素。

燃料消耗量是反映用戶采暖運(yùn)行成本的關(guān)鍵，同時也是核算家庭或區(qū)域排放總量的關(guān)鍵參數(shù)。使用效果主要包括室內(nèi)溫度、爐具使用率等。室內(nèi)溫度是指測試期間或采暖季的平均溫度，能夠反映用戶家中是否暖和。使用率指標(biāo)主要是指測試期間或采暖季期間，使用清潔采暖爐具的平均天數(shù)，反映項(xiàng)目推廣被認(rèn)可的程度。

圖1 關(guān)鍵指標(biāo)的現(xiàn)場測試方法示意

2 關(guān)鍵指標(biāo)測試方法及計(jì)算

2.1 大氣污染物排放測試

民用爐具的排放煙氣速率不穩(wěn)定且極小，污染物排放隨工況起伏變化大的特點(diǎn)，在點(diǎn)火、添加燃料、封火、熄滅等過程容易產(chǎn)生大量污染物，需要24 h全過程采樣才能客觀反映污染物排放水平[15]，采用傳統(tǒng)固定源直接采樣法無法實(shí)現(xiàn)全天24 h的全過程采樣。

為準(zhǔn)確評估散煤的實(shí)際使用效果和污染排放水平，《標(biāo)準(zhǔn)》與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)方法不同，采用ISO 19869：2019的基于稀釋采樣的碳平衡法[15]，編制組采用自行設(shè)計(jì)的便攜式民用爐具污染排放現(xiàn)場測試系統(tǒng)[16-17]，具有便于攜帶、體積較小，采樣點(diǎn)的位置相對比較靈活，適合在現(xiàn)場進(jìn)行全過程測試，該裝置由采樣管、稀釋空氣單元、采樣與測量單元3個部分組成，示意圖見圖2。測試裝置應(yīng)能實(shí)時測定采樣氣體流量、溫度、相對濕度等參數(shù)，并可對CO、NOx、SO2和PM2.5等污染物進(jìn)行連續(xù)測試或采樣，研究人員也可以進(jìn)一步分析顆粒物的化學(xué)組成，包括EC/OC、PAHs和重金屬等。

圖2 大氣污染物排放測試裝置示意

通過測試期間燃料燃燒后，根據(jù)碳平衡法計(jì)算污染物的排放因子。由于煙氣排放中甲烷、非甲烷總烴和顆粒物中碳的質(zhì)量占比很小，因此，可以忽略不計(jì)。

EFm，CO2=EFm，C-CO2×fC-CO2

(1)

式(1)中，fC-CO2為C轉(zhuǎn)換為CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)，即為44/12。對于其他目標(biāo)污染物的排放因子EFm，x可由下式計(jì)算：

式(2)中，Cm，x、Cm，CO2分別為目標(biāo)污染物與CO2的質(zhì)量濃度。

基于燃料能量的排放因子是通過在消耗的燃料質(zhì)量和燃料能量之間應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，從基于燃料質(zhì)量的排放因子計(jì)算得出的。

通過計(jì)算排放污染物的質(zhì)量濃度并不能夠完全反映污染物的真實(shí)排放量和不同燃燒階段的排放特征，而《標(biāo)準(zhǔn)》推薦的碳平衡法得到污染物的排放因子不僅可以解決上述問題，還可以通過地區(qū)燃料消耗量估算某一地區(qū)或某一類型污染源排放強(qiáng)度和排放總量，此外，通過對比排放清單中的排放因子數(shù)值能更好的客觀判定污染物指標(biāo)的高低。

2.2 燃料消耗量測試

燃料消耗量依據(jù)國際通用的廚房性能測試(Kitchen Performance Test，KPT)方法學(xué)，即在正常生活條件下，以最短3 d為周期，測量農(nóng)戶在周期內(nèi)的燃料消耗量，從而估算日均燃料消耗量與取暖期散煤消耗總量。為了減少環(huán)境溫度對測試結(jié)果的影響，通常需要根據(jù)測試期間的當(dāng)?shù)夭膳枨蟠_定的室內(nèi)日均溫度作為參考值進(jìn)行校正。

按照式(3)計(jì)算燃料消耗量。

式(3)中：Bc為采暖季燃料用量，kg；BN為N天的燃料消耗量，kg；N為測試時間，d；T為根據(jù)當(dāng)?shù)夭膳枨蟠_定的室內(nèi)日均溫度參考值，取12～18 ℃；TN為測試期間的室內(nèi)日均溫度，℃；Ti為采暖季室內(nèi)日均溫度，℃。

每戶稱取不少于1 kg的燃料樣品，密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室按照標(biāo)準(zhǔn)方法測試燃料性質(zhì)，獲得燃料樣品的元素組分、工業(yè)組分和發(fā)熱量。

2.3 室內(nèi)空氣質(zhì)量

為了研究該地區(qū)采暖的室內(nèi)污染現(xiàn)狀，在選定的家庭中進(jìn)行24 h的CO和室內(nèi)PM2.5濃度的測量。室內(nèi)空氣質(zhì)量的測試方法按GB 9801、GB/T 18883、HJ 194、HJ 618和HJ 818的規(guī)定進(jìn)行。室內(nèi)空氣污染物濃度的測量要在用戶居住且受爐灶影響的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，一般建議在廚房和使用爐灶的區(qū)域進(jìn)行測量，也應(yīng)在室外(環(huán)境)空氣中以及用戶長時間活動的房屋中測量。

由于污染物排放濃度是排放情況和環(huán)境條件的函數(shù)，因此需要記錄測量區(qū)域的特征和可能改變污染物區(qū)域濃度的影響因素，包括但不限于房間的體積(混合體積)、通風(fēng)速率、通風(fēng)介質(zhì)和建筑材料等。

2.4 熱性能測試

爐具熱效率測試與實(shí)驗(yàn)室測試最大的不同在于需要進(jìn)行最少3 d的連續(xù)測試，并與燃料使用量測試同步進(jìn)行。測試期間至少每5 min記錄1次采暖循環(huán)進(jìn)水溫度tji、出水溫度tci和流量mi。對使用電器裝置的采暖爐具測量其耗電量Qd。炊事火力強(qiáng)度的測試方法主要參照于GB16155的規(guī)定進(jìn)行。

民用水暖爐具熱效率可通過式(4)進(jìn)行計(jì)算。

式(4)中，η為熱效率，%；mi為第i次記錄的流量，m3/s；tci為第i次出水溫度，℃；tji為第i次進(jìn)水溫度，℃；ΔTi為第i次記錄的時間間隔，s；B為燃料用量，kg；Qnet.v.ar為燃料的收到基恒容低位發(fā)熱量，kJ/kg。其中，測量采暖循環(huán)進(jìn)水溫度tji、出水溫度tci和流量mi，記錄時間間隔ΔTi不大于5 min。

2.5 室內(nèi)和煙氣溫度測試

為了更好地了解居民的取暖使用行為，可以在房間和取暖爐的煙囪分別安裝溫度傳感器。監(jiān)測爐具的使用情況以及室內(nèi)溫度情況。圖8是編制組采用Geocene爐灶使用監(jiān)測系統(tǒng)(Geocene Inc.)長期監(jiān)測加熱爐的使用情況。該系統(tǒng)包括1個支持藍(lán)牙4?的溫度數(shù)據(jù)記錄器、1個移動應(yīng)用程序和1個基于云的數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)。Geocene數(shù)據(jù)記錄器DOTs使用連接在爐子煙囪上的K型熱電偶，每分鐘記錄1次不同的高溫信號。采用溫濕度傳感器對室內(nèi)溫度進(jìn)行長期監(jiān)測，將采暖季的室內(nèi)溫度進(jìn)行記錄、傳輸和存儲以后，用于進(jìn)一步的分析和后處理。

圖3 不同類型爐具上安裝的Geocene溫度數(shù)據(jù)記錄器

3 評價(jià)方法

3.1 性能等級劃分

根據(jù)國內(nèi)目前爐具的技術(shù)性能和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，參考ISO/TR 19867-3：2018和GB/T 35564-2017的分級等級和指標(biāo)，《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了實(shí)際使用條件下的采暖爐具熱效率和大氣污染物排放及分級指標(biāo)，如表1所示，相應(yīng)等級所有指標(biāo)都符合要求時，才能夠評定該等級。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施前后效果評估

基于實(shí)際測得的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物和二氧化硫等污染物的排放因子，以及燃料消耗量，計(jì)算得出相應(yīng)的大氣污染物排放量。對于項(xiàng)目實(shí)施前后測試獲得室內(nèi)空氣質(zhì)量、使用成本、使用率等作為項(xiàng)目推廣的可行性依據(jù)。

表1 熱效率和大氣污染物排放指標(biāo)及分級

4 結(jié) 語

《標(biāo)準(zhǔn)》的制定是按照國家現(xiàn)有相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及我國清潔采暖爐具研發(fā)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)以及節(jié)能的要求，參考借鑒了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指南，首次對我國清潔采暖爐具現(xiàn)場測試和綜合評法方法進(jìn)行了規(guī)范。

作為首個針對民用爐具現(xiàn)場測試及評價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)，《標(biāo)準(zhǔn)》頒布后作為清潔能源項(xiàng)目推廣評估的技術(shù)依據(jù)，進(jìn)一步提高民用固體燃料排放清單的準(zhǔn)確性。同時，對于采取“優(yōu)質(zhì)煤或生物質(zhì)成型燃料替換，并配套使用節(jié)能環(huán)保爐具”，因地制宜地替代散燒煤采暖的效果評估具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。