張璐¹，任樂梅¹，黃雷²，胡華興²，田貫三¹

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.聊城市城市管理局，山東聊城252000）

我國北方城鎮(zhèn)加速推進熱電聯(lián)產集中供暖，加快工業(yè)余熱供暖規(guī)模化發(fā)展，積極穩(wěn)妥推進核電余熱供暖，因地制宜推進熱泵、燃氣、生物質能、地熱能等清潔低碳供暖。北京市某些住宅小區(qū)采用燃氣熱電聯(lián)產與地源熱泵耦合替代燃氣鍋爐供熱^[1]，天津市許多居民使用空氣源熱泵熱水器進行洗浴和供暖^[2]。在河北省農村地區(qū)，許多家庭安裝了太陽能熱水器^[3]，滿足家庭熱水需求，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴。黑龍江省某些鄉(xiāng)村地區(qū)使用生物質能鍋爐進行集中供暖^[4]，生物質能鍋爐以農作物秸稈和木屑等生物質燃料為燃料，減少了化石燃料使用，實現(xiàn)了生物質資源有效利用。

聊城自2017年開始實施農村清潔供暖改造工作，為優(yōu)化清潔供暖技術路線，筆者實地調研了聊城農村清潔供暖現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)聊城農村清潔供暖工作部署早，推進快，走在全省前列，但清潔供暖方式過于單一，冬季供能壓力大。本文介紹聊城農村清潔供暖現(xiàn)狀，結合當?shù)刭Y源優(yōu)勢，提出清潔供暖技術路線優(yōu)化措施，對不同供暖裝置的經濟性進行比較。

聊城農村人口總數(shù)約360.2×10⁴ 人，約145.7×10⁴ 戶。根據(jù)來自聊城市城市管理局的數(shù)據(jù)，截至2022年底，聊城農村清潔供暖改造達到121.6×10⁴ 戶，位居全省第一。結合農村住宅的分布特點及集中式清潔供暖方式的適用條件，僅少量的新型農村社區(qū)采用了集中式空氣源熱泵供暖方式，占比約1%，其他農村供暖用戶采用了分散式供暖方式。各類清潔供暖方式用戶比例見表1。由表1可知，在分散式供暖用戶中，燃氣供暖熱水爐用戶比例最高，分散式空氣源熱泵用戶（簡稱空氣源熱泵用戶）次之，剩余用戶采用了家用電暖器、碳晶板、生物質供暖爐等供暖方式。家用電暖器、碳晶板均屬于電供暖設備，適合在家庭使用。家用電暖器包括電熱風扇、輻射式電暖器等。

為深入了解聊城農村清潔供暖現(xiàn)狀，選取聊城83個村莊進行了實地走訪，發(fā)放并回收調查問卷7 000份，包括6 500戶燃氣供暖熱水爐用戶問卷、500戶分散式空氣源熱泵用戶問卷。對農村住宅保溫性能、居民感受、供暖習慣、供暖費用等進行了調研。

農村住宅大多為20世紀80、90年代建設，由正房和廂房組成。根據(jù)廂房布局，農村住宅可劃分一字形、L形、U形，見圖1。正房多為4間，廂房多為2間。正房開間為3.5 m左右，進深在5.0 m以上。正房坐北朝南，為主要居住用房，也有不少的用戶夏季住正房，冬季住廂房。農村住宅建筑面積普遍在80 m²以上。

農村住宅外墻見圖2。90%以上為240 mm厚磚混結構，包括裸磚墻（見圖2a）、石灰抹面墻（見圖2b）、貼瓷磚墻（見圖2c），缺乏保溫措施。約10%農村住宅建設南向太陽房（圖2d），太陽房均建設在原有正房南墻外側，太陽房的構造通常包括特制的窗及玻璃幕墻，利用太陽輻射提高室內溫度，提供冬季溫暖的居住空間。

農村住宅屋頂見圖3,可分為木結構（見圖3a）、混凝土屋頂。大部分混凝土屋頂進行了簡單吊頂：石膏板吊頂（見圖3b）、PVC板吊頂（圖3c），僅有極少數(shù)混凝土屋頂進行了平改坡（見圖3d）。平改坡屋頂在屋頂上形成1個空間，冬季可起到保溫作用，夏季可以打開通風口進行通風。整體上農村住宅屋頂保溫性能較差。

農村住宅外門窗主要有單層鋁合金門窗、單層木質門窗、單層塑鋼窗等，見圖4。冬季冷風滲透嚴重，特別是木質門窗。為減少冷風侵入，部分農戶采取木質門窗+擋風門簾，以及木門+透明塑料薄膜等簡易防風措施。

由于缺乏技術指導，農村住宅的保溫性能差，圍護結構傳熱系數(shù)遠高于GB/T 50824—2013《農村居住建筑節(jié)能設計標準》限值，見表2。

① 燃氣供暖熱水爐用戶

在舒適度方面，98%的用戶表示滿意，僅有2%的用戶因燃氣供暖熱水爐運行期間產生的噪聲感覺不太舒服。在操作性方面，99%的用戶表示燃氣供暖熱水爐操作方便。在安全性方面，燃氣供暖熱水爐燃氣管道安裝了與可燃氣體報警器聯(lián)鎖的緊急切斷閥以及自閉閥^[5]，自2017年投入運行以來，未發(fā)生一起安全事故，用戶表示很安全。在煙氣排放方面，所有用戶均表示燃氣供暖熱水爐改善了室內空氣環(huán)境和質量，且不會對周圍環(huán)境造成影響。

② 空氣源熱泵用戶

在舒適度方面，96%的用戶認為房間升溫快，比較舒適，但4%的用戶表示吹風感讓人不舒服。在操作性方面，100%的用戶表示極易操作，隨用隨開，非常方便。

與城鎮(zhèn)住宅相比，農村住宅建筑面積大，房間數(shù)量多，但實際供暖面積小。燃氣供暖熱水爐用戶一般為農村新建住宅，50%以上的用戶對兩間房間進行供暖，供暖面積40~50 m²。空氣源熱泵用戶一般只對單個房間進行供暖，供暖面積為20~25 m²。

用戶工作時間靈活，主動節(jié)能意識強，實際供暖時間短。調研發(fā)現(xiàn)，農村供暖時間主要集中在6:00—10:00和17:00—24:00，在非供暖時間，空氣源熱泵處于停機狀態(tài)，燃氣供暖熱水爐處于低溫運行模式或停機狀態(tài)。為防止水管凍裂，在夜間的非供暖時間，燃氣供暖熱水爐用戶開啟低溫運行模式，在白天的非供暖時間，88%的用戶開啟低溫運行模式，12%的用戶關閉燃氣供暖熱水爐以節(jié)省支出。

由于農村居民外出活動頻繁，習慣在室內穿著厚實，因此服裝熱阻高于城鎮(zhèn)居民，室內熱舒適溫度低于城鎮(zhèn)。調研發(fā)現(xiàn)，對于燃氣供暖熱水爐用戶，80%的用戶室內溫度在14~16 ℃，14%的用戶室內溫度在12~14 ℃，2%的用戶室內溫度在12 ℃以下，4%的用戶由于家中有小孩或老人等原因，室內溫度能夠達到20 ℃左右。對于空氣源熱泵用戶，72%的用戶室內溫度在16 ℃以上，24%的用戶室內溫度在14~16 ℃，4%的用戶室內溫度在14 ℃以下。

燃氣供暖熱水爐用戶2018—2022年戶均供暖用氣量見圖5。由圖5可知，戶均供暖用氣量先增后降，最終趨于平穩(wěn)。主要原因：在清潔供暖改造初期，居民的熱情高漲、政府補貼到位率較高，戶均供暖用氣量快速增長，2019年達到了最高值。但相比煤炭，天然氣價格較高，隨著政府3年補貼期滿，大部分農村居民通過降低室溫、縮短供暖時間等方式來減小天然氣用量，降低供暖費用。

空氣源熱泵用戶2018—2022年戶均供暖用電量見圖6。由圖6可知，戶均供暖用電量逐年增加。從統(tǒng)計結果來看，空氣源熱泵供暖費用較低，農村居民經濟負擔小。隨著農村居民收入不斷增加，供暖用電量將逐年增長。

對于本次調研對象，年供暖費0~1 000 元/(戶·a)、1 001~2 000 元/(戶·a)、大于2 001 元/(戶·a)的燃氣供暖熱水爐用戶比例分別為21%、42%、37%。年供暖費0~1 000 元/(戶·a)、1 001~2 000 元/(戶·a)、大于2 001 元/(戶·a)的空氣源熱泵用戶比例分別為68%、21%、11%。由以上數(shù)據(jù)可知，燃氣供暖熱水爐用戶年供暖費主要集中在1 001~ 2 000 元/(戶·a)，空氣源熱泵用戶年供暖費主要集中在0~1 000 元/(戶·a)。

根據(jù)《聊城市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，聊城努力推動天然氣實現(xiàn)“村村通”。到2025年，全市形成“干支貫通、脈絡清晰”的天然氣輸送網絡。主要天然氣管道長度力爭達到1 200 km左右，新增應急儲備能力超過1 000×10⁴ m³。

目前，山東省供電主要由火電、風電、光電、核電和外電入魯?shù)炔糠纸M成，電力充足。《聊城市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》顯示，聊城全市電力總裝機容量1 397.5×10⁴ kW，約占全省的9%。其中，煤電裝機容量1 233.5×10⁴ kW，占全市總裝機容量的88%。

① 風能發(fā)電

聊城屬于低風速風能區(qū)域，南風向風能分布比較集中，屬于Ⅳ類風資源區(qū)，地面年均風速為2.32 m/s，140 m高度風速范圍為5.5~5.8 m/s，黃河北岸、徒駭河、馬頰河等區(qū)域風況較好。

② 太陽能

聊城年均太陽總輻射量為4 900～5 170 MJ/(m²·a)，年均日照時間為2 323 h/a，太陽能資源處于Ⅱ~Ⅲ類區(qū)，呈西南向東北遞增分布，在全省屬中高水平。太陽能資源分布廣泛，維護成本低，但投資較高，受日照條件影響大。在夜間太陽能供暖系統(tǒng)無法直接提供熱能，需要使用熱量儲存裝置及輔助加熱設備來保證持續(xù)供暖。

③ 生物質能

聊城生物質資源包括農作物秸稈、林木廢棄物、畜禽糞便、生活垃圾等。農作物秸稈年產量約700×10⁴ t/a，林木廢棄物年產量約200×10⁴ t/a，畜禽糞便年產量約700×10⁴ t/a，生活垃圾年產量約160×10⁴ t/a。生物質能具有成本低廉和碳中性等特點，但是目前生物質直燃發(fā)電的環(huán)境效益存在爭議^[6]。

④ 地熱能

聊城中深層地熱能資源分布廣泛穩(wěn)定，包括5個地熱田，可開發(fā)利用的地熱能資源分布面積達5 408 km²，地熱流體總儲量2 360×10⁸ m³，可采地熱流體量約1.5×10⁴ m³/d。地熱能供暖系統(tǒng)的供暖效果持續(xù)穩(wěn)定，且運行成本低，但需要專門技術人員進行操作和維護。

由以上分析可知，從來源分析，與天然氣相比，聊城農村電力供應更加充足。除天然氣、電力等能源外， 聊城農村的風能、生物質能、地熱能等清潔能源比較豐富。

聊城農村清潔供暖煤改氣規(guī)模大，受冬季天然氣短缺和燃氣企業(yè)氣價倒掛的雙重影響，存在較大的供氣壓力。為緩解冬季用氣緊張，可結合聊城的資源優(yōu)勢，采用高效清潔供暖方式，如空氣源熱泵、生物質能、地熱能、清潔型煤等。

① 空氣源熱泵

空氣源熱泵以室外空氣作為低溫熱源，通過消耗少量電能，對建筑供暖^[7]，平均制熱性能系數(shù)為1.8~2.2，適用于經濟條件較好、供暖要求較高、配套電網戶均容量不低于6 kW的地區(qū)。分散式空氣源熱泵分熱水型、熱風型兩類。熱水型通過循環(huán)水向房間供暖，舒適性高，多個房間可同時供暖，但投資較大。熱風型直接向室內輸送熱風，系統(tǒng)簡單、制熱快，但熱舒適性差、風機有輕微噪聲。目前，聊城農村住宅分散式空氣源熱泵用戶大多數(shù)采用熱風型空氣源熱泵，但分散式空氣源熱泵用戶比例較小，有很大的發(fā)展空間。

② 生物質能

生物質供暖爐主要燃用由農林作物的廢棄殘渣（如鋸末、秸稈、玉米芯、花生殼、谷糠等），經過破碎、去水、混合、壓制成型生產工藝得到的顆粒狀可燃物^[8]。優(yōu)點在于運行方便靈活，兼顧供暖炊事及生活用水，群眾接受程度高以及成本較低，但需要保證充足的原料供應及必要的污染物排放控制。

③ 地熱能

地熱能供暖方式分為地埋管地源熱泵供暖、中深層地下水供暖。

地埋管地源熱泵供暖：以100~200 m的土壤（全年溫度穩(wěn)定在10~25 ℃）為冷熱源，通過水源熱泵機組滿足供暖和制冷需求。適用于冬夏運行、配套電網戶均容量不低于6 kW的分散式住宅、小型公共建筑。優(yōu)點是熱源穩(wěn)定、熱泵機組能效比高、運行費用低、操作簡單，缺點是系統(tǒng)復雜、安裝維護要求高。

中深層地下水供暖：地熱井抽取地下深度1 000~2 000 m以下的中深層地熱水，出水溫度范圍45~70 ℃，經過除沙、換熱直接用于供暖，也可配合水源熱泵實現(xiàn)中深層地下水熱能梯級利用。

④ 清潔型煤

清潔型煤技術主要是指通過利用新型的煤炭加工、燃燒、轉換技術，降低煤炭使用過程中對環(huán)境污染程度的一種技術^[9]。相比于其他清潔能源，燃用清潔型煤的設備投資較少，綜合使用成本也較低，但在排放方面仍存在一定的問題，可作為農村居民供暖的兜底措施。

費用年值可以綜合投資和運行費用評估不同供暖方式的經濟性^[10]，因此本文采用費用年值對各類清潔供暖方式進行經濟性評價。費用年值Z的計算式為：

① 投資

根據(jù)聊城既有農村住宅的保溫性能、室內熱舒適溫度、供暖室外設計溫度以及單戶供暖面積主要分布區(qū)間，以設計供暖熱負荷5 394 W進行供暖裝置選型。

不同供暖裝置的投資及使用年限見表3。由于目前市場上的燃氣供暖熱水爐熱輸出均比較高，因此只能選取最小熱輸出為18 kW的燃氣供暖熱水爐。供暖裝置投資含供暖裝置購置費及安裝費，除熱風型空氣源熱泵外，其他供暖裝置的安裝費不僅含供暖裝置本體的安裝費，還含室內供暖系統(tǒng)（均按2間房間供暖考慮）安裝費。此外，地埋管地源熱泵的安裝費還包括地埋管換熱器及鉆孔費用。

② 運行費用

以調研得到的戶均供暖用氣量折算耗熱量作為不同供暖裝置能耗的計算基礎。根據(jù)調研結果，燃氣供暖熱水爐用戶戶均供暖用氣量為400 m³/a，天然氣低熱值取35.2 MJ/m³，燃氣供暖熱水爐供暖系統(tǒng)綜合效率（考慮燃氣供暖熱水爐熱效率及室內供暖系統(tǒng)輸送效率）取0.9。可計算得到，戶均供暖耗熱量為12.67 GJ/a。

生物質燃料低位發(fā)熱量取20 GJ/t，清潔型煤低位發(fā)熱量取25 GJ/t。基于戶均供暖耗熱量，可計算得不同供暖裝置的運行能耗，從而計算運行費用，見表4。表4中，除熱風型空氣源熱泵外，其他供暖裝置的系統(tǒng)綜合效率均考慮了室內供暖系統(tǒng)輸送效率。電價為0.576 9 元/(kW·h)，天然氣氣價為2.58 元/m³，生物質燃料價格為1 200 元/t，清潔型煤價格為2 000 元/t。

③ 費用年值

將已知參數(shù)代入式（1），可計算得到各供暖裝置的費用年值，見表5。由表5可知，在燃料型供暖裝置中，生物質供暖爐的費用年值最低，其次是清潔型煤供暖爐，燃氣供暖熱水爐的費用年值最高。在用電型供暖裝置中，地埋管地源熱泵的費用年值最低，其次是熱風型空氣源熱泵，熱水型空氣源熱泵的費用年值最高。考慮到聊城豐富的地熱資源和充足的電力供應以及環(huán)境保護，可將地埋管地源熱泵作為未來農村清潔供暖的發(fā)展方向。

① 聊城農村清潔供暖主要以燃氣供暖熱水爐供暖為主，空氣源熱泵供暖為輔。

② 農村住宅的保溫性能差，圍護結構傳熱系數(shù)遠高于GB/T 50824—2013《農村居住建筑節(jié)能設計標準》限值。

③ 農村居民對燃氣供暖熱水爐供暖、空氣源熱泵供暖的安全便捷性認可度較高。

④ 與城鎮(zhèn)住宅相比，農村住宅實際供暖面積小，供暖時間短，室內熱舒適溫度低。

⑤ 燃氣供暖熱水爐用戶年供暖費用主要集中在1 001~2 000 元/(戶·a)，空氣源熱泵用戶年供暖費用主要集中在0~1 000 元/(戶·a)。

⑥ 考慮到聊城豐富的地熱資源和充足的電力供應以及環(huán)境保護，可將地埋管地源熱泵作為未來農村清潔供暖的發(fā)展方向。