張雨秋，金 星，張 嵩，周 欣，石 邢

（1.東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 210096； 2.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092）

2021年2月21日，中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》［1］正式發(fā)布，為加快我國農(nóng)村生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)強(qiáng)有力的保障。農(nóng)村地區(qū)能源變革與農(nóng)村的發(fā)展息息相關(guān)，在開展鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的新時(shí)代，農(nóng)村能源革命是重要的著力點(diǎn)，在鄉(xiāng)村振興的宏偉藍(lán)圖中將占據(jù)重要位置。其中，農(nóng)村清潔采暖問題是農(nóng)村能源變革的關(guān)鍵。

相對于南方夏熱冬冷地區(qū)而言，北方農(nóng)村的清潔采暖工作已經(jīng)初見成效。以京津冀及周邊典型華北寒冷地區(qū)為例，其所采用的清潔熱源替代方式以 “煤改氣” “煤改電” 為主，輔以 “煤改生物質(zhì)” 等方案［2-3］。相對而言，南方夏熱冬冷地區(qū)冬季清潔采暖工作則發(fā)展較緩，該地區(qū)冬季采暖問題未受到足夠重視。這是由于大多數(shù)南方地區(qū)冬季時(shí)間較短，部分地區(qū)不足一個(gè)月，然后就逐漸進(jìn)入春季。然而，隨著人民生活水平的日益提高，南方地區(qū)采暖問題的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從是否需要采暖逐漸轉(zhuǎn)移到如何實(shí)現(xiàn)采暖，以及選擇何種方案等實(shí)踐應(yīng)用層面［4］。但同時(shí)需要認(rèn)識到，不同于北方地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的集中采暖模式，南方大多數(shù)地區(qū)采用分戶式采暖模式。而且相比于北方地區(qū)，我國南方地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能普遍較差。因此，針對該地區(qū)的特殊需求和實(shí)際情況，在兼顧清潔性與適宜性的同時(shí)，選擇何種采暖方案是一個(gè)急需解決的問題。

基于上述分析，本文將以浙南某農(nóng)村地區(qū)的典型農(nóng)宅為例，根據(jù)其冬季采暖需求，提供幾種便于農(nóng)戶自主改造的采暖方案作為選擇，并對其經(jīng)濟(jì)性、污染物與碳排放量以及地區(qū)適宜性等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，最終優(yōu)選得到適宜可行的采暖方案，以期為我國南方夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村冬季采暖方案的選擇和確定提供參考和借鑒。

1 研究對象與方法

1.1 典型農(nóng)宅

本文以位于浙江省麗水市的某典型磚木結(jié)構(gòu)農(nóng)宅為模擬對象，如圖1所示。該典型農(nóng)宅坐北朝南，占地面積為88 m2，共計(jì)4個(gè)房間，分別為客廳（24 m2），餐廚用房（24 m2），臥室1（20 m2），臥室2（20 m2），其中，客廳與臥室均有采暖需求，餐廚用房無采暖需求。具體設(shè)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

圖1 典型農(nóng)宅平面圖

表1 典型農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

1.2 采暖方案

目前市面上常見的清潔采暖方案主要有如下幾類：空氣源熱泵、電輻射采暖設(shè)備、燃料型采暖設(shè)備、光伏采暖設(shè)備等。首先，絕大多數(shù)南方農(nóng)村地區(qū)無燃?xì)夤艿廊霊?，且分戶式燃?xì)獠膳谠摰貐^(qū)推廣性較差，故而燃料型采暖設(shè)備方案中排除了燃?xì)獠膳?；其次，由于所選取的浙南農(nóng)村地區(qū)具有多云等氣候條件特征，全年平均云覆蓋比例約為45%，從而導(dǎo)致該地區(qū)全年平均太陽輻射量較低，不適宜利用太陽能，因此本研究也排除了光伏采暖設(shè)備。

空氣源熱泵技術(shù)是一種以消耗一部分高品位能源為補(bǔ)償，使熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。其安裝步驟簡單，使用操作方便。對于長江以南的夏熱冬冷地區(qū)，其冬季平均氣溫約在5℃，此氣候特點(diǎn)有利于空氣源熱泵的使用［5］。

輻射式采暖設(shè)備是一種以紅外輻射熱的形式進(jìn)行加熱的采暖裝置。具有輕便靈活、體積小、重量輕、易于拆裝搬運(yùn)且升溫加熱速度快等特點(diǎn)，契合農(nóng)村用戶不同時(shí)間段在農(nóng)宅內(nèi)不同房間的間歇性采暖需求。

燃料采暖設(shè)備種類較多，除燃?xì)庑筒膳O(shè)備之外，其余按照所使用的燃料類型不同，可分為潔凈型煤采暖設(shè)備與生物質(zhì)顆粒采暖設(shè)備兩種。潔凈型煤是指將粉碎的煤料與固硫劑、黏結(jié)劑等通過合理配比混合從而改變原煤理化性質(zhì)，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に嚭驮O(shè)備加工成型，使其成為具有一定幾何形狀和尺寸的煤制品。由于物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的改變，潔凈型煤燃燒能夠充分燃燒，降低污染物排放，是散煤替代的重要燃料。生物質(zhì)顆粒是利用農(nóng)林廢棄物為原材料，經(jīng)過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝制作成型，且可直接燃燒的一種新型清潔燃料。以上兩類燃料型采暖爐適用于面積不太大的房間冬季采暖，其主要特點(diǎn)是需要在采暖爐之外再安裝煙囪管道，以此將燃料燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣排至室外；其次，燃料型采暖設(shè)備往往需要在一個(gè)采暖季開始之前購買并儲存好當(dāng)季所需的燃料，農(nóng)村地區(qū)較大面積的住宅恰好為其提供了燃料儲存所需的空間［6］。

綜上所述，根據(jù)市場調(diào)查與南方夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村的區(qū)域特點(diǎn)，擬選擇三大類共六種采暖方案，即：空氣源熱泵（壁掛式空氣源熱泵、立式空氣源熱泵），電輻射采暖設(shè)備（電輻射暖爐/桌、遠(yuǎn)紅外電暖氣），燃料采暖設(shè)備（生物質(zhì)顆粒采暖爐、潔凈型煤采暖爐），如圖2所示。

1.3 研究方法

本文通過EnergyPlus能耗模擬軟件，對上述農(nóng)宅在典型氣象年條件下進(jìn)行能耗模擬，從而得到其冬季采暖能耗，然后根據(jù)不同類型采暖設(shè)備的熱效率計(jì)算出運(yùn)行能耗，由此得到所對應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用，再結(jié)合采暖設(shè)備的初始投資與使用年限，可計(jì)算得到不同采暖設(shè)備的費(fèi)用年值，以此作為其經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)。同時(shí)根據(jù)其運(yùn)行能耗計(jì)算出不同種類的能源所產(chǎn)生的污染物與碳排放量，并將其用于環(huán)保性評價(jià)。

費(fèi)用年值法是不同項(xiàng)目方案經(jīng)濟(jì)性對比評價(jià)的高效方法。該方法是將某一運(yùn)行方案生命周期內(nèi)不同階段產(chǎn)生的所有費(fèi)用支出，按基準(zhǔn)收益率換算成等值的支付序列年費(fèi)用，即費(fèi)用現(xiàn)值年金化，運(yùn)用該數(shù)值的大小對方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析評價(jià)［7］。本文采用費(fèi)用年值法對不同的現(xiàn)代采暖設(shè)備植入方案進(jìn)行比較，將不同方案的初始投資折算為年值后再與年運(yùn)行費(fèi)相加得到費(fèi)用年值。計(jì)算方法如式（1），式（2）所示。

其中，M為按照動(dòng)態(tài)計(jì)算法計(jì)算的費(fèi)用年值，元/a；n為植入方案中采暖設(shè)備種類；xk為采暖設(shè)備的投資效果系數(shù)，a-1；Nk為采暖設(shè)備的初始投資資金，元；C為采暖設(shè)備的年運(yùn)行費(fèi)用，元/a；i為標(biāo)準(zhǔn)收益率；m為采暖設(shè)備的使用年限，a。

不同采暖方案的污染物與碳排放來源主要有電力、煤炭與生物質(zhì)顆粒等，本文利用排放因子法估算采暖運(yùn)行過程中所耗電能間接產(chǎn)生或燃料燃燒直接產(chǎn)生的污染物排放，擬選用PM2.5，SO2，NOx，CO和CO2作為主要研究對象，計(jì)算方法如式（3），式（4）所示［8］。

其中，EFE-x為單位燃料能量排放的污染物的量，g/kJ；EFx為單位質(zhì)量燃料排放的污染物的量，g/kg；HV為燃料熱值，kJ/kg；EFU-x為單位有效能排放的污染物的量；η為采暖設(shè)備熱效率。

綜合《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》［9］與《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2019》［10］中列出的排放指標(biāo)以及有關(guān)排放因子的文獻(xiàn)研究［11-12］，整理出部分生活能源污染物排放因子如表2所示。

表2 部分能源污染物排放因子

2 結(jié)果與分析

2.1 能耗模擬結(jié)果

農(nóng)宅所處地區(qū)為浙南地區(qū)，處于我國夏熱冬冷熱工分區(qū)的南部區(qū)域，冬季農(nóng)宅室內(nèi)溫度設(shè)定為全天保持16℃，采暖時(shí)間為11月～來年1月。經(jīng)過模擬計(jì)算結(jié)果所得（見圖3），典型農(nóng)宅冬季采暖累計(jì)耗熱量為1 686.08 kW·h，整個(gè)采暖時(shí)段的平均熱負(fù)荷為11.93 W/m2。

圖3 典型農(nóng)宅各月耗熱量

2.2 經(jīng)濟(jì)性對比

本文主要研究對象是南方夏熱冬冷地區(qū)現(xiàn)代采暖設(shè)備植入方案的選擇，現(xiàn)就只針對其經(jīng)濟(jì)性方面展開對比分析。在確定典型農(nóng)宅之后，根據(jù)所選用的六種采暖設(shè)備方案進(jìn)行選擇，主要影響評價(jià)參數(shù)有初始投資成本與運(yùn)行成本，運(yùn)行成本主要由單位燃料價(jià)格/電價(jià)，能源利用率，使用年限等條件所決定。各方案最終的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)參數(shù)為其所對應(yīng)的費(fèi)用年值。

本文首先調(diào)研了上述六種采暖方案應(yīng)用于農(nóng)村市場時(shí)銷量較好的各類設(shè)備品牌型號，然后以各類設(shè)備的價(jià)格中值作為每類采暖設(shè)備的初始投資成本。以圖4中第一列數(shù)據(jù)為例，其初始投資成本的最大值與最小值分別位于該列的上下兩端，即6 799元與1 899元；其箱體的上下兩端分別代表該組數(shù)據(jù)中的75%與25%，即該組初始投資成本中第三個(gè)四分位數(shù)4 274元與第一個(gè)四分位數(shù)2 124元。

圖4 六種采暖方案的初始投資成本選值

由圖4可得，壁掛式空氣源熱泵的初始投資成本中值為2 499元，立式空氣源熱泵為4 999元，電輻射暖爐/桌為599元，遠(yuǎn)紅外電暖氣為1 825元，生物質(zhì)顆粒采暖爐為1 388元，潔凈型煤采暖爐為1 600元。

作為上述采暖設(shè)備運(yùn)行成本的主要影響因素，該地區(qū)的平均電價(jià)與各單位燃料價(jià)格分別如下：單位電價(jià)為0.538元/（kW·h），單位生物質(zhì)顆粒燃料均價(jià)約為0.95元/kg，單位燃煤均價(jià)約為1.6元/kg。各采暖方案的經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果如表3所示。

表3 六種采暖方案的經(jīng)濟(jì)性對比

由表3可知，空氣源熱泵采暖設(shè)備的初始投資成本相對較高，額定制熱功率相對于其他兩類采暖設(shè)備，屬于居中范圍。鑒于其在南方夏熱冬冷地區(qū)運(yùn)行，除霜過程對空氣源熱泵能源利用率的影響減弱，COP值在3.2左右，從而使得其年運(yùn)行成本最低，考慮到其使用壽命相對較長，因此其費(fèi)用年值在上述三類采暖設(shè)備中較低，壁掛式空氣源熱泵與立式空氣源熱泵分別為475.78元與668.16元。

電輻射采暖設(shè)備的初始投資成本相對較低，但能源利用率最低，運(yùn)行費(fèi)用最高，且使用壽命相對較短，因此導(dǎo)致其費(fèi)用年值最高。電輻射暖爐/桌與遠(yuǎn)紅外電暖氣的費(fèi)用年值分別為1 225.46元與1 298.77元。

燃料采暖設(shè)備的初始投資費(fèi)用相較于空氣源熱泵低，年運(yùn)行費(fèi)用與費(fèi)用年值與空氣源熱泵費(fèi)用較為相近，生物質(zhì)顆粒采暖爐與潔凈型煤采暖爐的費(fèi)用年值分別為510.85元與521.26元。

因此，單從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，壁掛式空氣源熱泵和生物質(zhì)顆粒采暖爐的經(jīng)濟(jì)性最好，電輻射采暖設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性最差。

2.3 污染物與碳排放量對比

上述六種采暖設(shè)備在冬季采暖運(yùn)行中所產(chǎn)生的污染物排放情況如表4所示。其中，空氣源熱泵與電輻射采暖設(shè)備使用能源均為電網(wǎng)供電，其污染物排放為間接式排放，按照電廠側(cè)排放因子計(jì)算。燃料采暖設(shè)備則均為直接式排放，按照直算法進(jìn)行計(jì)算。

由表4可知，壁掛式空氣源熱泵除產(chǎn)生一定量的CO2，其余污染物的排放量均最少，立式空氣源熱泵的排放量與之相比有略微增加；電輻射采暖設(shè)備產(chǎn)生的CO2排放量最高；生物質(zhì)顆粒燃料為零碳排放燃料，在冬季采暖運(yùn)行時(shí)長內(nèi)可視為無CO2排放，SO2的排放量也屬于微量；潔凈型煤采暖爐的SO2與CO2的排放量最高。

表4 六種采暖方案污染物排放情況

因此，從污染物排放角度來看，空氣源熱泵和生物質(zhì)顆粒采暖爐的環(huán)保性最好，電輻射采暖設(shè)備與潔凈型煤采暖爐的環(huán)保性最差。

2.4 采暖方案適宜性討論

空氣源熱泵作為一種成熟的采暖方案，推廣應(yīng)用已較為普及。可根據(jù)其不同的房間面積大小與使用需求選擇與之相匹配功率的空氣源熱泵，且設(shè)備安裝較為簡單，在使用過程中，能夠 “隨開隨用，隨關(guān)隨?！?，較為符合農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶的間歇性供暖特征的使用模式，具有一定的節(jié)能減排之潛力。同時(shí)，相較于北方農(nóng)村地區(qū)，南方農(nóng)村地區(qū)的冬季溫度相對較高，約在5℃，因此其空氣源熱泵的電輔加熱頻率相對較低，制熱效率也相對較高，較為適合在南方農(nóng)村地區(qū)運(yùn)行使用。

電輻射采暖設(shè)備同樣也具備即時(shí)啟停的特性，符合農(nóng)村用能習(xí)慣。然而，其能源使用效率較低，若只采用此類采暖設(shè)備進(jìn)行冬季采暖，將造成大量的能源浪費(fèi)以及較高的運(yùn)行成本，其適合輔助其他兩類采暖設(shè)備進(jìn)行配合使用，滿足農(nóng)戶在較短時(shí)間段內(nèi)的局部采暖需求。

生物質(zhì)顆粒采暖爐與潔凈型煤采暖爐都屬于燃料采暖設(shè)備，兩者均符合傳統(tǒng)的農(nóng)村采暖用能習(xí)慣，在采暖的同時(shí)也可滿足部分的炊事與生活熱水需求。其中，生物質(zhì)顆粒采暖爐更加契合南方農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)顆粒原材料較多的地區(qū)特性，將原本直接進(jìn)行燃燒處理的秸稈樹枝等原材料進(jìn)行再處理，提高燃燒效率的同時(shí)，也減少了直接燃燒的大量污染排放。因此，此采暖方案適合在農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富的南方農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

3 結(jié)論

本文通過能耗模擬與費(fèi)用年值等方法，對南方農(nóng)村地區(qū)較為常見的三類共計(jì)六種清潔采暖方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、污染物與碳排放量以及地區(qū)適宜性的對比分析。研究結(jié)論如下：

潔凈型煤采暖爐雖然在經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)相對較好，但是其污染物排放量相對較大，且潔凈型煤屬于不可再生燃料，不符合目前推行的可持續(xù)性發(fā)展的低碳節(jié)能減排目標(biāo)。

電輻射采暖設(shè)備由于其能源利用率較低，導(dǎo)致其運(yùn)行成本與費(fèi)用年值均較高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差，不宜于作為單獨(dú)的采暖設(shè)備方案。考慮到其初始投資成本相對較低，因此可考慮與空氣源熱泵和生物質(zhì)顆粒采暖爐進(jìn)行配合使用，彌補(bǔ)其在局部房間的短時(shí)間采暖需求。

空氣源熱泵采暖方案與生物質(zhì)顆粒采暖爐方案的費(fèi)用年值相對較低，具有經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢，符合大部分農(nóng)村地區(qū)優(yōu)先考慮價(jià)格較低的采暖方案的特點(diǎn)?？諝庠礋岜迷谖廴疚锱欧欧矫姹憩F(xiàn)較好，而生物質(zhì)顆粒則是零碳排放燃料，兩者均有利于清潔減排的可持續(xù)性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。適宜性方面，南方農(nóng)村地區(qū)冬季的相對較高的溫度也有利于空氣源熱泵的運(yùn)行與能源利用效率的提高，同時(shí)，南方農(nóng)村地區(qū)豐富的農(nóng)林資源也為生物質(zhì)顆粒提供了大量的原材料，有利于生物質(zhì)顆粒采暖爐方案在該地區(qū)實(shí)現(xiàn)貨源供應(yīng)鏈的完整與可復(fù)制性。