基于既有農(nóng)村住宅能效提升的常規(guī)清潔取暖方式經(jīng)濟(jì)性分析*

袁 靜 王 選 馬 驪 王天生 李 驥

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京;2.建科環(huán)能科技有限公司,北京)

0 引言

北方地區(qū)清潔取暖工作自2017年開始至今,已確定了5批共88個(gè)清潔取暖城市?！蹲》砍青l(xiāng)建設(shè)部 國家發(fā)展改革委 財(cái)政部 能源局關(guān)于推進(jìn)北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供暖的指導(dǎo)意見》指出:除“熱源側(cè)”熱源清潔化改革之外,大力提高熱用戶端能效,也是清潔取暖的重點(diǎn)工作之一;推進(jìn)建筑節(jié)能,新建建筑嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),在有條件的地區(qū)推行超低能耗建筑和近零能耗建筑示范,加快推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造,優(yōu)先改造采取清潔供暖方式的既有建筑[1]。通過提高“用戶側(cè)”建筑能效,可有效降低供暖能耗,進(jìn)一步減少居民供暖成本,對于形成“居民可承受”的清潔取暖模式非常重要[2]。其中,建筑能效提升率為清潔取暖城市工作績效考核指標(biāo),要求能效提升完成后建筑能效水平較改造前提升30%以上。在農(nóng)村地區(qū),因缺少集中供熱熱源,多采用分戶式“電代煤”“氣代煤”等清潔取暖改造形式。若在清潔取暖改造的基礎(chǔ)上,同步開展農(nóng)房的建筑能效提升,更有利于減少居民供暖成本,以保障“清潔供”“節(jié)約用”,使農(nóng)村清潔取暖工作可持續(xù)。

關(guān)于農(nóng)村清潔取暖及影響,國內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了一些研究。周淑慧等人從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保3個(gè)維度對農(nóng)村地區(qū)主要的清潔取暖方式進(jìn)行了對比分析并提出了建議[3];侯隆澍等人分析了不同清潔取暖技術(shù)路徑的碳減排效益,結(jié)果表明清潔取暖對農(nóng)村住宅領(lǐng)域直接碳排放的降低有顯著作用,并對以碳減排為導(dǎo)向的農(nóng)村地區(qū)清潔取暖技術(shù)路徑的優(yōu)化提出了建議[4];黃雅梅等人研究了降低寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅熱泵供暖電費(fèi)的技術(shù)策略[5];謝慧等人以冀東地區(qū)既有農(nóng)宅為基礎(chǔ),計(jì)算了6種改造方案的碳排放量和經(jīng)濟(jì)回收期,結(jié)果表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后農(nóng)宅碳排放量可降低52.85%～86.72%,并在此基礎(chǔ)上對3種不同熱源的改造經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析[6]。

承德市2021年入圍北方地區(qū)清潔取暖城市,本文以承德市某典型農(nóng)宅為例,以清潔取暖設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)為依據(jù),分析農(nóng)宅節(jié)能改造前后采用幾種常見的清潔取暖方式的經(jīng)濟(jì)性。

1 清潔取暖設(shè)備運(yùn)行測試數(shù)據(jù)分析

因氣源保障能力不足,承德市農(nóng)村多采用“電代煤”及“生物質(zhì)代煤”的清潔取暖改造形式,2021—2022年承德市農(nóng)村地區(qū)共完成7.42萬戶清潔取暖改造,其中“電代煤”3.01萬戶、“生物質(zhì)代煤”4.41萬戶。“電代煤”設(shè)備涵蓋空氣源熱泵熱水機(jī)、空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、蓄熱式電鍋爐,其中空氣源熱泵熱水機(jī)占比83.1%、蓄熱式電鍋爐占比9.7%。

為驗(yàn)證承德市農(nóng)村冬季清潔取暖改造項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行效果,在2021—2022年供暖季對承德市部分農(nóng)戶清潔取暖項(xiàng)目開展了現(xiàn)場實(shí)際供暖性能測試。根據(jù)測試結(jié)果可知:采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)溫度在15.9～21.8 ℃之間,平均室內(nèi)溫度為19.3 ℃;系統(tǒng)制熱性能系數(shù)在1.62～2.83之間,平均系統(tǒng)制熱性能系數(shù)為2.03,如圖1所示。

圖1 農(nóng)戶空氣源熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

根據(jù)測試結(jié)果可知:采用電鍋爐供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)溫度在17.5～19.7 ℃之間,平均室內(nèi)溫度為18.5 ℃;系統(tǒng)熱輸出效率在0.90～0.96之間,平均系統(tǒng)熱輸出效率為0.92,如圖2所示。

圖2 農(nóng)戶電鍋爐供暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

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)》,嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間,節(jié)能計(jì)算時(shí)冬季室內(nèi)計(jì)算溫度應(yīng)取14 ℃[7];根據(jù)GB/T 18883—2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,冬季供暖室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)值為16～24 ℃[8]。根據(jù)農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)溫度的測試結(jié)果,采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)和采用電鍋爐供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)溫度均可達(dá)到14 ℃以上。其中,采用電鍋爐供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)最低溫度均可達(dá)到16 ℃以上,而采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶供暖房間室內(nèi)最低溫度達(dá)到16 ℃以上的比例為97%。相比采用電鍋爐供暖系統(tǒng),采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的室內(nèi)最低溫度更低,與空氣源熱泵機(jī)組在極端低溫天氣條件下效率較低、制熱量下降及用戶設(shè)定溫度較低、取暖習(xí)慣等有關(guān)。

根據(jù)調(diào)研可知,受取暖習(xí)慣、取暖面積、系統(tǒng)本身性能系數(shù)、農(nóng)宅本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等因素影響,不同農(nóng)戶之間供暖季供暖能耗及供暖費(fèi)用差別較大。根據(jù)承德市某村289戶采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶清潔取暖用電量監(jiān)測數(shù)據(jù),戶均供暖季供暖用電量為6 961 kW·h,其中用電量在4 000 kW·h以內(nèi)的農(nóng)戶共36戶,4 001～8 000 kW·h的農(nóng)戶共166戶,8 001 kW·h以上的農(nóng)戶共87戶。根據(jù)承德市某村143戶采用電鍋爐供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶清潔取暖用電量監(jiān)測數(shù)據(jù),戶均供暖季供暖用電量為11 283 kW·h,其中用電量在10 000 kW·h以內(nèi)的農(nóng)戶共73戶,10 001～20 000 kW·h的農(nóng)戶共56戶,20 001 kW·h以上的農(nóng)戶共14戶,不同農(nóng)戶間用電量差異較大。采用電鍋爐供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶與采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的農(nóng)戶相比供暖用電量較高,會導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用較高,居民可承受性較差,取暖設(shè)備開啟率較低,但在極端低溫天氣下供暖效果較好。其中,部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較好的農(nóng)宅,如外墻或屋頂有保溫層、外門窗采用雙層玻璃等,供暖效果相對較好。

2 典型農(nóng)宅能效提升前后供暖熱需求計(jì)算

以承德市圍場縣某典型農(nóng)宅為例,該農(nóng)宅層數(shù)為1層,詳細(xì)建筑參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表1、2,建筑模型圖、平面圖見圖3、4。

表1 典型農(nóng)宅建筑參數(shù)

表2 典型農(nóng)宅改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型

圖3 典型農(nóng)宅模型圖

圖4 典型農(nóng)宅平面圖

該農(nóng)宅室內(nèi)面積86.45 m2,主要供暖房間為客廳、主臥、次臥、客臥、餐廳及過道,主要供暖房間面積69.65 m2,其中臥室面積32.55 m2,客廳、餐廳及過道面積37.10 m2。

根據(jù)DB 13(J)185—2020《河北省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能75%)》[9],對該典型農(nóng)宅進(jìn)行能耗分析,得到該典型農(nóng)宅改造前單位建筑面積耗熱量指標(biāo)為90.94 W/m2。對該典型農(nóng)宅進(jìn)行能效提升,對建筑四面外墻實(shí)施外保溫改造,外墻外保溫采用80 mm厚擠塑聚苯板。改造后進(jìn)行能耗模擬,得到該典型農(nóng)宅改造后單位建筑面積耗熱量指標(biāo)為63.32 W/m2,提升率為30.37%。改造前后逐時(shí)(11月1日00:00至3月31日24:00)供暖負(fù)荷如圖5所示。2022年1月29日07:00的供暖負(fù)荷為最大負(fù)荷,改造前為18.18 kW,改造后為13.42 kW。

圖5 典型農(nóng)宅改造前后逐時(shí)供暖負(fù)荷

3 供暖設(shè)備選型

本文主要對比在典型農(nóng)宅能效提升前后,采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)或蓄熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)2種形式下的供暖能耗及運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)該典型農(nóng)宅的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)備選型。采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)如表3所示,采用蓄熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)如表4所示。

表3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

表4 蓄熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

4 供暖系統(tǒng)能耗分析

對典型農(nóng)宅供暖系統(tǒng)能耗模擬分析分為以下4種情景。情景1:能效提升前安裝空氣源熱泵供暖;情景2:能效提升后安裝空氣源熱泵供暖;情景3:能效提升前安裝蓄熱式電鍋爐供暖;情景4:能效提升后安裝蓄熱式電鍋爐供暖。

從農(nóng)宅的建筑形式及實(shí)際的建筑供暖空間使用模式、熱舒適特征、供暖需求來看,為匹配農(nóng)宅的實(shí)際負(fù)荷特性,應(yīng)考慮“部分時(shí)間、部分空間”的取暖模式[10]。因此,按照分時(shí)段局部供暖模擬計(jì)算4種情景下典型農(nóng)宅供暖系統(tǒng)的能耗,農(nóng)戶主要供暖房間的供暖時(shí)段及供暖設(shè)備開啟率如表5所示。

表5 農(nóng)戶主要供暖房間的供暖時(shí)段及供暖設(shè)備開啟率

通過模擬計(jì)算可知:情景1整個(gè)供暖季能耗為7 492.48 kW·h,單位取暖面積能耗為107.57 kW·h /m2;情景2整個(gè)供暖季能耗為5 344.73 kW·h,單位取暖面積能耗為76.74 kW·h /m2;情景3整個(gè)供暖季能耗為15 773.64 kW·h,單位取暖面積能耗為226.15 kW·h /m2;情景4整個(gè)供暖季能耗為11 252.07 kW·h,單位取暖面積能耗為161.55 kW·h /m2。4種情景下典型農(nóng)宅供暖系統(tǒng)逐月能耗如表6所示。

表6 4種情景下的逐月供暖能耗 kW·h

5 改造成本及運(yùn)行費(fèi)用分析

5.1 總體改造成本分析

對該典型農(nóng)宅選型的設(shè)備安裝購置費(fèi)用、農(nóng)宅改造費(fèi)用、電網(wǎng)改造費(fèi)用等進(jìn)行了市場詢價(jià)及調(diào)研,4種情景總體改造成本如表7所示。

表7 4種情景總體改造成本 元

5.2 供暖運(yùn)行費(fèi)用分析

承德市清潔取暖采用峰谷電價(jià)方式對居民電供暖用電給予一定的運(yùn)行補(bǔ)貼,如表8所示?？紤]峰谷電價(jià),根據(jù)前文模擬的逐時(shí)能耗計(jì)算4種情景下供暖季運(yùn)行費(fèi)用。

表8 承德市居民電供暖峰谷電價(jià)[11]

通過計(jì)算可知:情景1整個(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用為2 873.07元,單位取暖面積運(yùn)行費(fèi)用為41.25元/m2;情景2整個(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用為2 023.10元,單位取暖面積運(yùn)行費(fèi)用為29.05元/m2;情景3整個(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用為6 048.57元,單位取暖面積運(yùn)行費(fèi)用為86.84元/m2;情景4整個(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用為4 259.16元,單位取暖面積運(yùn)行費(fèi)用為61.15元/m2。據(jù)了解,承德市對清潔取暖改造制定了補(bǔ)貼政策,其中對于采取“電代煤”供暖的農(nóng)戶,給予每個(gè)供暖季1 200元/戶的運(yùn)行補(bǔ)貼[12]。4種情景下典型農(nóng)宅供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用如表9所示。

表9 4種情景供暖運(yùn)行費(fèi)用 元

5.3 經(jīng)濟(jì)性分析

對該典型農(nóng)宅4種情景下的總體改造成本與運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析可知:情景1與情景2相比,增加對該農(nóng)宅的節(jié)能改造后,總體改造成本增加5 933元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用849.97元,回收期為7.0 a;情景3與情景4相比,增加對該農(nóng)宅的節(jié)能改造后,總體改造成本增加5 933元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1 789.41元,回收期為3.3 a;情景1與情景3相比,采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)總體改造成本增加15 000元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用3 175.5元,回收期為4.7 a;情景2與情景4相比,采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)總體改造成本增加15 000元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用2 236.06元,回收期為6.7 a。

此外,承德市對清潔取暖的設(shè)備購置安裝及戶內(nèi)線路改造均制定了補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn),承德市高新區(qū)清潔取暖補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為:采取空氣源熱泵和集中式相變谷電蓄熱鍋爐改造的農(nóng)戶,根據(jù)設(shè)備購置安裝費(fèi)用(含戶內(nèi)線路改造),每戶最高補(bǔ)貼金額不超過13 700元(設(shè)備安裝以實(shí)際取暖戶為準(zhǔn)。設(shè)備款不足13 700元的政府補(bǔ)貼90%);同時(shí),承德市農(nóng)村用戶側(cè)能效提升除更換外門窗需居民自籌資金解決外,外墻和屋面改造均由清潔取暖專項(xiàng)資金承擔(dān)[12]。因此,考慮政府補(bǔ)貼政策后,對農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本與運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析可知:情景1與情景2相比,增加對該農(nóng)宅的節(jié)能改造后,不增加農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用849.97元;情景3與情景4相比,增加對該農(nóng)宅的節(jié)能改造后,不增加農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1 789.41元;情景1與情景3相比,農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本增加8 500元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用3 175.5元,回收期為2.7 a;情景2與情景4相比,農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本增加8 500元,每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用2 236.06元,回收期為3.8 a。

4種情景總體增加的改造成本和節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用,以及考慮政府補(bǔ)貼政策后農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本和節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用如表10所示。

表10 4種情景經(jīng)濟(jì)性分析

6 結(jié)論

以承德市某典型農(nóng)宅為例,以承德市清潔取暖設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)為依據(jù),分析了農(nóng)宅節(jié)能改造前后采用幾種常見的清潔取暖方式的經(jīng)濟(jì)性,主要結(jié)論如下:

1) 承德市典型農(nóng)宅采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)比采用蓄熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)整個(gè)供暖季能耗可降低約52.5%;安裝相同的供暖設(shè)備時(shí),若進(jìn)一步對該典型農(nóng)宅進(jìn)行能效提升,整個(gè)供暖季能耗可降低約28.7%。

2) 典型農(nóng)宅采用空氣源熱泵供暖與采用蓄熱式電鍋爐供暖相比,采用系統(tǒng)能效系數(shù)更高的空氣源熱泵機(jī)組回收期均在7 a以內(nèi);僅考慮農(nóng)戶承擔(dān)的改造成本,采用空氣源熱泵機(jī)組回收期均在4 a以內(nèi),具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3) 采用空氣源熱泵供暖同時(shí)對農(nóng)宅進(jìn)行能效提升,每個(gè)供暖季農(nóng)戶承擔(dān)的供暖運(yùn)行費(fèi)用可降低50.8%;采用蓄熱式電鍋爐供暖同時(shí)對農(nóng)宅進(jìn)行能效提升,每個(gè)供暖季農(nóng)戶承擔(dān)的供暖運(yùn)行費(fèi)用可降低36.9%。在對農(nóng)戶進(jìn)行清潔取暖改造的同時(shí),同步開展農(nóng)宅能效提升可以大幅度減少居民供暖成本。

因此,在農(nóng)村地區(qū)開展清潔取暖時(shí),為降低取暖能耗并減輕農(nóng)戶取暖負(fù)擔(dān),應(yīng)選擇系統(tǒng)能效系數(shù)更高的供暖形式,且在熱源測改造的基礎(chǔ)上同步開展既有農(nóng)宅的能效提升。