依靠科技創(chuàng)新引導(dǎo)農(nóng)村能源合理利用

文｜遼寧省科技廳

隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，農(nóng)民和城市居民生活方式越來越趨同，傳統(tǒng)的能源不能滿足農(nóng)村生活用能。農(nóng)村能源貧困卻是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中無法回避的問題。

一、我國農(nóng)村能源問題面臨哪些挑戰(zhàn)？

1.村鎮(zhèn)商品能源消費(fèi)比例增大，化石能源消耗加速。

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和社會主義新農(nóng)村生活水平的提高，北方村鎮(zhèn)地區(qū)采暖用煤呈現(xiàn)較大增長趨勢，農(nóng)村建筑冬季建筑取暖能耗約占生活耗能的80%；南方農(nóng)村地區(qū)夏季空調(diào)已廣泛普及，長江三角、珠江三角及浙江部分農(nóng)村地區(qū)已出現(xiàn)了農(nóng)村簡單復(fù)制城市用能模式的現(xiàn)象，這些地區(qū)農(nóng)村單位建筑面積能耗高于城市建筑能耗，使用商品能源的比例大于80%。

與城市相比，農(nóng)村地區(qū)煤炭、電力等商品能源消耗量雖然所占比例較小，但增長迅猛，且薪柴、秸稈等部分非商品能源陸續(xù)被燃煤等常規(guī)商品能源所替代。不同地區(qū)的農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有較大差異，經(jīng)濟(jì)愈發(fā)達(dá)、生物質(zhì)資源越不豐富的地區(qū)，商品能消費(fèi)比例越高。農(nóng)村地區(qū)對商品能源如煤炭、電力、石油的需求增長超過了傳統(tǒng)的非商品能源（秸稈、薪柴），農(nóng)村生活用能中生物質(zhì)能所占比重由1990年的79.5%下降到2014年的40%。如果農(nóng)村用能簡單照搬城市模式，完全依靠常規(guī)能源，則我國商品能源消耗量將再增加10%以上，建筑用能將增加50%～70%。同時對非可再生能源的依賴以及對秸稈和薪柴直接燃燒利用，對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，易于誘發(fā)和加重“霧霾”天氣。

隨著居民對生產(chǎn)生活水平的提高總量增長速度越來越快，如何充分利用村鎮(zhèn)豐富的生物質(zhì)資源和太陽能資源滿足供熱，照明，炊事，甚至小型電動設(shè)備儲能需求，削減能源開支甚至作為附近城鎮(zhèn)區(qū)域能源的供應(yīng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的清潔利用也是未來村鎮(zhèn)綠色宜居建設(shè)重點(diǎn)層面。

2.村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，建筑材料和供能設(shè)備落后，建筑用能效率低。

盡管村鎮(zhèn)地區(qū)能源消耗逐年增加，但相對城市，村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，采暖建筑冬季室溫普遍只能到達(dá)5-15℃，南方建筑一般沒有常規(guī)降溫措施，夏季室溫普遍高于30℃以上，居住舒適性極差。主要原因是村鎮(zhèn)建筑外墻基本沒有保溫結(jié)構(gòu)，建筑外門、窗熱工性能和氣密性較差。我國北方地區(qū)村鎮(zhèn)的采暖方式單一，采暖設(shè)備簡陋，技術(shù)落后，生活用能中燃燒效率過低在村鎮(zhèn)是普遍存在的現(xiàn)象。在北方村鎮(zhèn)地區(qū)常用的傳統(tǒng)落地炕和土暖氣效率較低，大量能源白白浪費(fèi)，造成很多能量損失。多數(shù)農(nóng)戶直接利用未經(jīng)加工的天然燃料，燃料的利用效率進(jìn)一步降低。隨著村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的逐漸發(fā)展，農(nóng)民在建新房中逐漸提高了節(jié)能意識，在2000年以后新建的住房中逐漸開始自發(fā)地加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施，如外墻和屋頂加苯板保溫層，采用塑鋼門窗代替?zhèn)鹘y(tǒng)木門窗，提高門窗的氣密性，開始推廣使用吊炕代替?zhèn)鹘y(tǒng)落地炕，提高熱效率等節(jié)能措施。室內(nèi)環(huán)境狀況稍有改善，但多數(shù)仍未達(dá)到舒適要求。因此研究如何在不明顯提高村鎮(zhèn)建筑用能水平的前提下，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)、生活方式、用能方式的優(yōu)化顯著改善村鎮(zhèn)居民居住環(huán)境，是村鎮(zhèn)建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究的主要任務(wù)。

村鎮(zhèn)地區(qū)住宅由于用能量變化范圍大，隨機(jī)性大，受生活習(xí)慣的影響不同用戶之間差別非常突出。對能源系統(tǒng)尤其炊事，供熱的需求模式不能一刀切。并且村鎮(zhèn)與城市的生活方式和基礎(chǔ)條件不一樣，比如村鎮(zhèn)住宅房間分非采暖房間、臨時采暖房間、短期居住房間、長期采暖房間等，不能像城市住宅一樣保證整套房屋，其供熱時間空間上的變化造成采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和手段不能單純仿照城市標(biāo)準(zhǔn)和做法。

3.村鎮(zhèn)可再生能源資源豐富，但應(yīng)用方式單一，利用技術(shù)水平低

廣大村鎮(zhèn)地區(qū)存在豐富多樣的可再生能源資源，特別是生物質(zhì)資源每年可獲得相當(dāng)于73億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，全國2/3地區(qū)太陽能資源高于II類，秸稈、薪柴、糞便等生物質(zhì)能源豐富，生物質(zhì)能源的生成物可被充分利用，但受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件所限，村鎮(zhèn)可再生能源的應(yīng)用還處在一個相當(dāng)?shù)偷乃?村鎮(zhèn)的秸稈和樹木等生物質(zhì)能源大部分通過直接燃燒來做飯和取暖，能源利用率很低，只有10%-15%，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。太陽能利用多局限于太陽能熱水系統(tǒng)，生物質(zhì)能源除秸稈等直接燃燒和沼氣外，缺乏其他高效環(huán)保的應(yīng)用方式。

目前可再生建筑應(yīng)用的發(fā)展已進(jìn)入瓶頸階段，可再生能源在建筑中的實(shí)際應(yīng)用效果并不顯著，表現(xiàn)為用能效率較低；技術(shù)堆砌現(xiàn)象嚴(yán)重，集成水平低；技術(shù)應(yīng)用配套水平低；可再生能源前沿技術(shù)應(yīng)用水平低。

供能方式受到環(huán)境和資源的影響，均有一定的局限性，會受制于某項技術(shù)發(fā)展的瓶頸，難以實(shí)現(xiàn)能源的分段梯級利用，得到最大的經(jīng)濟(jì)收益，進(jìn)而進(jìn)行推廣應(yīng)用。而結(jié)合多種可再生能源各自的優(yōu)點(diǎn)，采用太陽能、相變儲能和地?zé)崮荞詈匣パa(bǔ)，進(jìn)行村鎮(zhèn)建筑物供暖以及生活熱水應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)建筑用能的全部可再生化，并最大限度地進(jìn)行能源梯級利用，提高建筑用能的能效比，這方面的研究尚不多見，存在很大技術(shù)空白，且在多種可再生能源技術(shù)的耦合、控制、評估和監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和工程化方面的問題亟待解決。

我國村鎮(zhèn)住宅建筑能耗增長迅速，能源利用形式單一、建筑室內(nèi)舒適性差，如不采取有效措施降低村鎮(zhèn)地區(qū)的商品能源消耗，將會出現(xiàn)村鎮(zhèn)與城市爭奪煤炭、電力等有限商品能源的局面，對整個中國的能源安全造成沖擊。村鎮(zhèn)能源供應(yīng)形勢非常嚴(yán)峻，村鎮(zhèn)用能已成為制約我國村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，這一問題會更加突出。

二、北方地區(qū)村鎮(zhèn)能源利用技術(shù)創(chuàng)新取得哪些進(jìn)展？

遼寧省科技廳組織科技人員針對北方地區(qū)的村鎮(zhèn)住宅用能方式、蓄能材料優(yōu)選和封裝、能源系統(tǒng)優(yōu)化集成和室內(nèi)通風(fēng)、不同經(jīng)濟(jì)條件水平的村鎮(zhèn)住宅冬季供熱采暖技術(shù)等方面開展聯(lián)合攻關(guān)，研究了高效蓄熱火炕、高效蓄熱火墻、高效相變蓄熱火炕火墻耦合供暖系統(tǒng)、相變蓄能火炕聯(lián)合毛細(xì)管網(wǎng)型太陽能輔熱系統(tǒng)供暖系統(tǒng)、低能耗通風(fēng)換氣技術(shù)、適用于老舊住宅單獨(dú)房間的火墻式火炕供熱采暖技術(shù)、內(nèi)置集熱器火墻式火炕熱水采暖復(fù)合供熱技術(shù)、內(nèi)置集熱器柴灶+火炕+熱水采暖復(fù)合供熱技術(shù)（開發(fā)的第二代一體化柴灶，炊事采暖一體化解決方案使生物質(zhì)能源利用率可達(dá)到80%）、村鎮(zhèn)太陽能建筑蓄熱地面采暖技術(shù)、太陽能生物質(zhì)能互補(bǔ)集成供熱技術(shù)等。

1.完成了中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村火炕系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)程》的編制和實(shí)施工作。

依據(jù)該技術(shù)規(guī)程指導(dǎo)新建或改造火炕系統(tǒng)在遼寧省由縣到村得到了大力推廣，培訓(xùn)了一批村鎮(zhèn)火炕技術(shù)人員，其中采用高效蓄熱火炕、高效蓄熱火墻、高效相變蓄熱火炕火墻耦合供暖系統(tǒng)、相變蓄能火炕聯(lián)合毛細(xì)管網(wǎng)型太陽能輔熱系統(tǒng)供暖系統(tǒng)和低能耗通風(fēng)換氣技術(shù)在遼寧省丹東、遼中、朝陽等地八個縣二十個村進(jìn)行了推廣。以上技術(shù)的推廣，可以有效促進(jìn)可持續(xù)能源的利用，降低了不可再生能源的消耗，節(jié)約傳統(tǒng)能源16%，明顯改善居民的生活水平，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為最終實(shí)現(xiàn)主動式可再生能源利用、房屋被動式節(jié)能技術(shù)與房屋設(shè)計相協(xié)調(diào)，形成村鎮(zhèn)綠色宜居建筑綜合解決方案奠定基礎(chǔ)。

2.在生物質(zhì)氣化方面，開展了秸稈發(fā)電的項目。該項目以秸稈為原料采用氣化方法生產(chǎn)燃?xì)?，?jīng)過多重凈化的燃?xì)廨斔椭寥細(xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電。燃?xì)猱a(chǎn)自氣化爐，并流經(jīng)以下主要設(shè)備：氣化爐——雙豎管——一級電捕焦油器——洗滌塔——二級電捕焦油器——干式脫硫塔——濕式儲氣柜——燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。完成典型項目為高郵秸稈氣化發(fā)電項目。該項目的秸稈消耗量30000 噸/年；最大產(chǎn)氣能力10000立方米每小時；燃?xì)鉄嶂?.740兆焦每立方米(1371kcal) ；發(fā)電機(jī)組容量4000千瓦；年發(fā)電量2800 萬度；年上網(wǎng)電量2400 萬度等。

3.改造燃煤鍋爐，建設(shè)生物質(zhì)鍋爐采暖。沈陽陳相屯鍋爐房、錦州義縣鍋爐房、清河門鍋爐房因不具備電力增容施工條件，將全部拆除，然后新建生物質(zhì)鍋爐。陳相屯鍋爐房主要供陳相屯火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為7400平方米；義縣鍋爐房主要供義縣火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為32656平方米；清河門鍋爐房主要供清河門火車站及周邊家屬樓，采暖面積約為10627平方米。依據(jù)地方供熱概算指標(biāo)，結(jié)合管網(wǎng)熱損情況，陳相屯鍋爐房及清河門鍋爐房新建生物質(zhì)鍋爐，額定功率均初步選定為1.4兆瓦，義縣鍋爐房新建生物質(zhì)鍋爐額定功率初步選定為4.2MW。這將形成有效的示范作用。

4.在村鎮(zhèn)固體電蓄熱供熱系統(tǒng)采暖研究方面，完成了多個鍋爐房系統(tǒng)改建。新建鍋爐房均將采用固體電蓄熱供熱系統(tǒng)，利用夜間10小時谷電時間進(jìn)行蓄熱，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

三、面向鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，面對農(nóng)村能源形式，必須展開科技創(chuàng)新，需要從哪些方面推進(jìn)？

面向我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略發(fā)展的需求，研究我國能源建設(shè)、村鎮(zhèn)發(fā)展具有重大影響和應(yīng)用前景的村鎮(zhèn)新能源開發(fā)與節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)適合我國北方村鎮(zhèn)特點(diǎn)的可再生能源利用集成模式、村鎮(zhèn)生物質(zhì)能綜合利用方法和節(jié)能產(chǎn)品、低碳建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系、能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)。整體提升可再生能源建筑一體化設(shè)計水平，提高可再生能源在更高節(jié)能目標(biāo)建筑中的能源效率。建立多種可再生能源互補(bǔ)耦合、供能系統(tǒng)優(yōu)化控制和評價體系，實(shí)現(xiàn)太陽能、地（水）源熱泵、空氣源熱泵、生物質(zhì)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)升級。通過多種可再生能源示范項目進(jìn)行集成示范，實(shí)現(xiàn)可再生能源在建筑中的高效應(yīng)用，提高可再生能源在建筑領(lǐng)域中的比重，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳化綠色建筑節(jié)能示范，為城鎮(zhèn)化建設(shè)提供多種用能系統(tǒng)解決方案。初步構(gòu)建我國村鎮(zhèn)新能源利用和節(jié)能技術(shù)體系，擴(kuò)大可再生能源的利用規(guī)模，為村鎮(zhèn)能源供應(yīng)開創(chuàng)出一條新路。

具體可以通過開展以下技術(shù)創(chuàng)新性工作，推進(jìn)綠色宜居村鎮(zhèn)建設(shè)。

1.村鎮(zhèn)清潔可再生能源開發(fā)利用集成模式研究。

通過實(shí)現(xiàn)對村鎮(zhèn)地區(qū)能源需求預(yù)測分析，與能源可持續(xù)供應(yīng)規(guī)劃設(shè)計，以太陽能、熱泵、天然氣和生物質(zhì)為核心，以相變儲能技術(shù)為橋梁，依據(jù)“因地制宜、多能互補(bǔ)、綜合利用、講求效益”的十六字方針，同時貫徹“節(jié)約與開發(fā)并重”的原則為村鎮(zhèn)做出綜合利用研究及分析?？蓪⑻柲芘c熱泵、地道風(fēng)與熱泵、燃?xì)馀L(fēng)與相變火炕等進(jìn)行熱集成耦合得到高效、低排放、經(jīng)濟(jì)的供能系統(tǒng)，分別對各個供能系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計、性能分析和優(yōu)化、運(yùn)行策略、節(jié)能減排效益、綜合評價方法和應(yīng)用效果評價等方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)對村鎮(zhèn)小型分布式能源站系統(tǒng)集成及優(yōu)化設(shè)計，提出適宜村鎮(zhèn)熱集成耦合供能系統(tǒng)，如基于相變儲能的熱泵與太陽能耦合供能系統(tǒng)、燃?xì)馀L(fēng)與相變火炕耦合集成供暖系統(tǒng)和地道風(fēng)與空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)、村鎮(zhèn)固體電蓄熱供熱系統(tǒng)采暖等。

2.村鎮(zhèn)生物質(zhì)能綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究。

結(jié)合北方村鎮(zhèn)的自然條件、資源條件和技術(shù)條件，充分發(fā)揮生物質(zhì)能易獲得、低污染等特性，相對傳統(tǒng)村鎮(zhèn)采暖形式，實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)高效生物質(zhì)用能設(shè)備開發(fā)及多元化系統(tǒng)集成研發(fā)，提出村鎮(zhèn)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)、村鎮(zhèn)生物質(zhì)鍋爐采暖、基于生物質(zhì)成型燃料爐的農(nóng)居一體化供暖系統(tǒng)等。采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測試、模擬分析、綜合評價等手段，研究分析村鎮(zhèn)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)、村鎮(zhèn)生物質(zhì)鍋爐采暖、基于生物質(zhì)成型燃料爐的農(nóng)居一體化供暖系統(tǒng)的可行性與效果，同時研究生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料爐，水暖床聯(lián)合供暖時的末端設(shè)備的性能以及系統(tǒng)對室內(nèi)溫度和舒適度的影響，提出科學(xué)合理的生物質(zhì)能利用方式與村鎮(zhèn)采暖節(jié)能新方案。

3.村鎮(zhèn)低碳建筑被動式結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

通過調(diào)研總結(jié)分析我國各典型氣候區(qū)村鎮(zhèn)民用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在問題，基于現(xiàn)行被動式建筑體系并結(jié)合墻體熱濕耦合遷移基本理論，建立具有動態(tài)調(diào)控溫濕性能的低碳復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，研究新型低碳復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系綜合性能，提出適宜于村鎮(zhèn)建筑低碳建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系；通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)各影響因素的分析，基于層次分析法，建立村鎮(zhèn)低碳圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合性能評價體系和應(yīng)用效果評價，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、施工和運(yùn)行不同階段綜合性能進(jìn)行評估。

4.村鎮(zhèn)低碳建筑能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

基于低碳環(huán)保的基本原則，設(shè)計和優(yōu)化適宜于村鎮(zhèn)建筑的新型供暖系統(tǒng)形式；設(shè)計和優(yōu)化低碳建筑太陽能熱水器蓄熱系統(tǒng)；對蓄熱系統(tǒng)中相變材料優(yōu)選方法和封裝方式進(jìn)行研究，確定最佳封裝方式，并對其增強(qiáng)傳熱性能、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性措施進(jìn)行綜合性研究；開發(fā)研究一種適宜于村鎮(zhèn)建筑的高效節(jié)能環(huán)保的低碳建筑高效火炕/火墻技術(shù)，提出適宜于火炕/火墻系統(tǒng)的相變材料優(yōu)選和封裝方案；優(yōu)化火炕/火墻系統(tǒng)，提高其效率和經(jīng)濟(jì)性，形成成套技術(shù)體系；設(shè)計火炕/火墻系統(tǒng)與其他可再生能源有效耦合熱集成技術(shù)，形成適用于村鎮(zhèn)建筑新型用能系統(tǒng)。

5.戶用型村鎮(zhèn)住宅可再生能源微網(wǎng)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)研究與示范

充分利用清潔、可再生的風(fēng)能、太陽能，將風(fēng)電和光伏發(fā)電作為供暖電源，以遠(yuǎn)紅外碳纖維發(fā)熱軟板作為能量轉(zhuǎn)換載體，腰炕（或地磚、地板）底下卵石層作為儲熱介質(zhì)，建立村鎮(zhèn)住宅采暖系統(tǒng)新方案；冬季采暖，夏季并網(wǎng)發(fā)電，創(chuàng)建戶用型村鎮(zhèn)住宅微網(wǎng)熱電聯(lián)供系統(tǒng)。