滕 聰 劉 輝 左雨凝

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京;2.建科環(huán)能科技有限公司,北京;3.沈陽(yáng)建筑大學(xué),沈陽(yáng))

0 引言

2017年起,財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局等四部委開(kāi)始北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作[1],前期試點(diǎn)城市主要集中在京津冀及周邊地區(qū)和汾渭平原地區(qū)。2021年,首次將東三省、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、寧夏、新疆等8個(gè)省(自治區(qū))納入支持范圍[2],截至目前,已評(píng)選出5批共計(jì)88個(gè)試點(diǎn)城市。

由于農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施、能源供應(yīng)及農(nóng)戶(hù)經(jīng)濟(jì)條件等限制,農(nóng)村供熱清潔化改造成為清潔取暖工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。許多學(xué)者就農(nóng)村地區(qū)清潔取暖技術(shù)措施適宜性[3-5]、試點(diǎn)城市政策實(shí)施與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[6-8]、清潔能源供熱系統(tǒng)應(yīng)用效果[9-12]等方面展開(kāi)了研究,但鮮有針對(duì)東北農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造需求的全面分析。東北地區(qū)冬季室外溫度相較京津冀、汾渭平原等地區(qū)低,對(duì)取暖設(shè)備性能、供熱效果、使用成本等都提出了更高要求,且東北地區(qū)納入國(guó)家支持范圍時(shí)間較短,暫無(wú)大規(guī)模實(shí)施清潔取暖改造的成熟經(jīng)驗(yàn)可循。因此,明確嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村供熱需求,對(duì)選擇確定適用的清潔取暖技術(shù)路徑、科學(xué)合理推進(jìn)東北農(nóng)村地區(qū)清潔取暖工作、確保改造長(zhǎng)效可持續(xù)尤為重要。

本文首先開(kāi)展現(xiàn)狀調(diào)研,針對(duì)農(nóng)村常住人口、房屋建設(shè)年代、圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、供暖方式、供暖成本等內(nèi)容進(jìn)行大規(guī)模問(wèn)卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,并對(duì)供暖季室內(nèi)溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè);其次,通過(guò)構(gòu)建典型農(nóng)房模型分析計(jì)算供暖負(fù)荷;然后,根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)供暖季室外溫度特點(diǎn),分析了空氣源熱泵在東北地區(qū)的適用性;最后,歸納總結(jié)了沈陽(yáng)農(nóng)村地區(qū)清潔取暖需求,為清潔取暖改造方式和設(shè)備選型提供準(zhǔn)確依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 現(xiàn)狀調(diào)研

筆者所在課題組在沈陽(yáng)市遼中區(qū)、新民市、康平縣、法庫(kù)縣4個(gè)遠(yuǎn)郊區(qū)(縣、市)開(kāi)展調(diào)研,在市、區(qū)兩級(jí)政府部門(mén)的配合下,共發(fā)放調(diào)研問(wèn)卷818份,收回有效問(wèn)卷746份。調(diào)研涉及基本信息、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、供暖現(xiàn)狀及成本。

1.1 基本信息

根據(jù)調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計(jì),沈陽(yáng)市農(nóng)村地區(qū)每戶(hù)常住人口普遍為2人,占比59.7%,常住人口以50歲以上中老年人居多。農(nóng)戶(hù)家庭年總收入大多在 2萬(wàn)～4萬(wàn)元。房屋建設(shè)年代以20世紀(jì)80年代和90年代為主,面積大多為70～110 m2,占比68.5%。普遍為坐北朝南單層建筑,主要為兩間臥室加過(guò)廳的三開(kāi)間布局,將廚房等輔助房間置于建筑北側(cè),減少臥室北墻冷風(fēng)滲透。

1.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

農(nóng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果如表1所示。其中,磚混形式建筑占比達(dá)到89.6%,外墻厚度絕大部分為370 mm,大多無(wú)外保溫,外窗以雙層塑鋼窗居多。為增加房屋保溫防風(fēng)性能,約40%的農(nóng)戶(hù)采取了增設(shè)門(mén)斗或陽(yáng)光間等方式提高冬季室內(nèi)溫度。此外,調(diào)研中發(fā)現(xiàn)很多農(nóng)戶(hù)在冬季采用塑料薄膜對(duì)外門(mén)、窗進(jìn)行密封,以減少室內(nèi)熱量散失。

表1 農(nóng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果

1.3 供暖現(xiàn)狀及成本

沈陽(yáng)位于嚴(yán)寒C區(qū),供暖季為11月1日至3月31日,共151 d,根據(jù)EnergyPlus導(dǎo)出的氣象參數(shù),沈陽(yáng)市典型年室外最低溫度為-23.4 ℃。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),沈陽(yáng)農(nóng)村地區(qū)絕大多數(shù)農(nóng)戶(hù)采用戶(hù)用小鍋爐取暖,以散煤和秸稈為燃料,多數(shù)僅在臥室及過(guò)廳設(shè)置散熱器。小鍋爐排煙與炊事灶臺(tái)煙氣通過(guò)炕下煙道向臥室補(bǔ)充熱量,供暖系統(tǒng)如圖1、2所示。農(nóng)戶(hù)冬季取暖散煤用量基本在2～3 t范圍內(nèi),按照2020年沈陽(yáng)市供暖季散煤價(jià)格650元/t計(jì)算,農(nóng)戶(hù)冬季購(gòu)置散煤費(fèi)用約為1 300～1 950元,大多數(shù)農(nóng)戶(hù)冬季散煤取暖費(fèi)用在2 000元以下,結(jié)合基本信息調(diào)研中家庭年收入的調(diào)研結(jié)果,農(nóng)戶(hù)年供暖費(fèi)用基本占家庭年總收入的5%左右,一般不超過(guò)8%。

圖1 沈陽(yáng)農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)供暖小煤爐

圖2 沈陽(yáng)農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)原理圖[13]

2 供暖效果監(jiān)測(cè)

為評(píng)估傳統(tǒng)供暖形式的實(shí)際供暖效果,選擇5戶(hù)代表性農(nóng)戶(hù)開(kāi)展供暖季室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)戶(hù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式均為370 mm實(shí)心磚墻及塑鋼雙層外窗,面積均為90～100 m2,監(jiān)測(cè)儀器放置在常住臥室距離地面1.5 m處,數(shù)據(jù)采集間隔為30 min。監(jiān)測(cè)農(nóng)戶(hù)的具體情況見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)農(nóng)戶(hù)概況

沈陽(yáng)市供暖季從11月1日開(kāi)始,但很多農(nóng)戶(hù)出于經(jīng)濟(jì)性考慮,11月取暖設(shè)備使用時(shí)間很短,故選取12月至次年3月的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖3可以看出,12月為供暖季初期,室外月平均溫度為-1.3 ℃,室內(nèi)平均溫度為14.7 ℃;1、2月為供暖季中期,極寒天氣較多,室外月平均溫度分別為-11.4、-10.6 ℃,室內(nèi)平均溫度分別為11.7、12.1 ℃;3月為供暖季末期,室外平均溫度為0.6 ℃,室內(nèi)平均溫度為14.3 ℃。GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,嚴(yán)寒地區(qū)主要功能房間的冬季室內(nèi)計(jì)算溫度為14 ℃[14]?？墒?盡管供暖季初、末期的室內(nèi)溫度可以達(dá)到14 ℃,但農(nóng)戶(hù)依然穿著毛衣、棉衣及棉褲,并感覺(jué)室內(nèi)較涼。

3 典型建筑供暖負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)調(diào)研結(jié)果,構(gòu)建典型農(nóng)宅模型進(jìn)行供暖負(fù)荷模擬計(jì)算。典型農(nóng)宅總面積約90 m2、層高3 m,建筑布局見(jiàn)圖4,圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。沈陽(yáng)市供暖室外計(jì)算溫度為-16.9 ℃,根據(jù)GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]關(guān)于主要房間供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不低于14 ℃和18 ℃的不同要求,分別進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。

圖4 典型建筑示意圖

表3 典型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

典型建筑的供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表4所示。當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為14 ℃時(shí),平均熱負(fù)荷指標(biāo)為110.81 W/m2,總供暖負(fù)荷為7.29 kW;當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃時(shí),平均熱負(fù)荷指標(biāo)為132.85 W/m2,總供暖負(fù)荷為8.74 kW。

表4 典型建筑供暖負(fù)荷

4 空氣源熱泵結(jié)霜分析

空氣源熱泵在京津冀農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造中得到廣泛應(yīng)用[16],在燃?xì)獗趻鞝t、蓄熱式電暖氣等常見(jiàn)的農(nóng)村分散取暖清潔化改造方式中,其經(jīng)濟(jì)性最好、返煤風(fēng)險(xiǎn)最低[17]。近年來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步,低溫型空氣源熱泵發(fā)展迅速[18],我國(guó)也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并提出了性能要求[19-20],應(yīng)用區(qū)域逐步向東北、內(nèi)蒙古等嚴(yán)寒地區(qū)擴(kuò)展。但空氣源熱泵的結(jié)霜問(wèn)題直接影響設(shè)備性能,成為嚴(yán)寒地區(qū)推廣應(yīng)用時(shí)需考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

北京供暖季結(jié)霜時(shí)間為1 034 h,占供暖季時(shí)長(zhǎng)比例為35.03%;西安作為北方典型的高濕度城市,供暖季結(jié)霜時(shí)間為1 414 h,占供暖季時(shí)長(zhǎng)比例為58.92%[21]。2021年沈陽(yáng)市供暖季室外溫度和相對(duì)濕度小時(shí)數(shù)見(jiàn)圖5,沈陽(yáng)地區(qū)變頻空氣源熱泵結(jié)霜分布圖譜見(jiàn)圖6,整個(gè)供暖季結(jié)霜時(shí)間為746 h,占供暖季時(shí)長(zhǎng)比例為20.59%。

圖5 2021年沈陽(yáng)市供暖季室外溫度和相對(duì)濕度小時(shí)數(shù)

圖6 沈陽(yáng)地區(qū)變頻空氣源熱泵的結(jié)霜分布圖譜

5 結(jié)論與建議

隨著清潔取暖逐步從京津冀及周邊地區(qū)和汾渭平原地區(qū)擴(kuò)展到東北等地區(qū),選擇確定適合嚴(yán)寒地區(qū)的農(nóng)村清潔取暖技術(shù)路徑對(duì)于改善大氣質(zhì)量,促進(jìn)農(nóng)村清潔取暖長(zhǎng)效可持續(xù)發(fā)展尤為重要。本文通過(guò)研究分析,針對(duì)沈陽(yáng)農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造需求提出如下結(jié)論和建議:

1) 沈陽(yáng)典型年室外最低溫度為-23.4 ℃,而2010—2019年期間,包括沈陽(yáng)在內(nèi)的遼中南城市群熱島強(qiáng)度在2 ℃左右波動(dòng)[22],結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,沈陽(yáng)市農(nóng)村地區(qū)的清潔取暖設(shè)備在采購(gòu)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)設(shè)備效率,確保在-25 ℃時(shí)能正常工作。

2) 根據(jù)沈陽(yáng)市農(nóng)村居民經(jīng)濟(jì)條件和取暖支出現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果,結(jié)合宋玲玲等人關(guān)于京津冀等重點(diǎn)地區(qū)35個(gè)清潔取暖試點(diǎn)城市農(nóng)村居民可承受的平均取暖支出的研究結(jié)論[23],建議清潔取暖改造后,農(nóng)戶(hù)每個(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用宜保持在2 000元以下,使農(nóng)戶(hù)實(shí)際承擔(dān)的費(fèi)用與現(xiàn)有供暖成本接近,否則應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行補(bǔ)貼政策,以確保清潔取暖改造可承受、可持續(xù)。

3) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)及供暖季室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果,同時(shí)考慮農(nóng)村居民對(duì)室內(nèi)熱舒適要求會(huì)隨著社會(huì)發(fā)展逐漸提高,建議對(duì)農(nóng)村建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí),供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度采用18 ℃,并參考平均熱負(fù)荷指標(biāo)(132.85 W/m2)來(lái)進(jìn)行清潔取暖設(shè)備選型。

4) 隨著技術(shù)進(jìn)步,低環(huán)境溫度下空氣源熱泵機(jī)組性能已得到了很大提高。在沈陽(yáng)農(nóng)村,變頻空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜時(shí)長(zhǎng)比例相較于北京、西安顯著降低,具有一定的適用性和推廣優(yōu)勢(shì)。