《清潔采暖爐具現場測試及評價方法》標準的編制思路及要點

王 玨，李友杰，李志敏，陳曉夫，任彥波，薛春瑜，劉廣青

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100221；2.北京化工大學 化學工程學院，北京 100029；3.中國農村能源行業協會，北京 100125)

我國北方農村地區采用固體燃料采暖是導致冬季大氣污染嚴重、重污染天氣頻發的重要原因之一[1-3]。因暴露于室內固體燃料的污染，而產生缺血性心臟病、慢性阻塞性肺炎、肺癌、急性呼吸道疾病等，造成過早死亡的人群約400萬人，其中中國約100 萬人[4-5]。因此，加大治理中國北方地區冬季取暖民用散煤問題，具有重要的環保意義和社會價值。

2017年國家十部委聯合制定了《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021年)》[6]，采用清潔能源替代民用散煤的治理工作已取得初步成效。由于民用散煤的使用量大面廣，農村地區配套基礎設施建設滯后，一些經濟不發達的農村地區，采用清潔能源受到資源和經濟的限制。在當前經濟社會環境下，應該采取因地制宜、綜合治理、多措并舉的方式逐步推進清潔能源替代民用散煤。而暫不具備清潔能源替代條件的地方可以采取“優質煤或生物質成型燃料替換，并配套使用節能環保爐具”替代散燒煤采暖。

然而，已有研究表明，實驗室測試能夠反映污染物的排放規律，但是由于民用采暖爐具的性能受到當地采暖習慣、燃料品質、爐具類型和環境條件等現場復雜因素的影響，現場測試提供了測量系統中無法在實驗室環境中重現的關鍵影響因素，而這些影響因素很難在實驗室環境中準確的模擬，現場測試獲得的性能指標被認為比實驗室獲得的更具有代表性[7-9]。因此，制定統一、科學和規范的現場測試方法十分必要。

1 關鍵測試指標

《標準》分別從環境健康、爐具性能、經濟成本和使用效果四個方面，提出了關鍵測試指標及其現場測試方法，如圖1所示，分別包括通過訪談調研獲得家庭情況、經濟收入、取暖現狀和政策落實等情況，現場測試獲得煙氣排放、熱性能、室內空氣污染、燃料消耗量和使用效果等。

根據現有的中國排放清單計算，民用散煤排放的污染物中，對大氣貢獻較大的主要是PM2.5和SO2，以及相關的不完全燃燒產物[10-12]。結合我國供暖有關的污染物排放標準，選取PM2.5、SO2、CO這3種污染物作為衡量民用固體燃料對環境影響的關鍵指標。

細顆粒物PM2.5質量濃度是當前空氣質量管理以及顆粒物健康影響評價的主要指標[13]，依據世界衛生組織(WHO)的推薦標準[14]，選擇室內的PM2.5和CO濃度作為評價指標，以反映其對健康存在的潛在危害。研究人員也可以進一步考慮多環芳烴、重金屬等指標以及人體暴露因素。

燃料消耗量是反映用戶采暖運行成本的關鍵，同時也是核算家庭或區域排放總量的關鍵參數。使用效果主要包括室內溫度、爐具使用率等。室內溫度是指測試期間或采暖季的平均溫度，能夠反映用戶家中是否暖和。使用率指標主要是指測試期間或采暖季期間，使用清潔采暖爐具的平均天數，反映項目推廣被認可的程度。

圖1 關鍵指標的現場測試方法示意

2 關鍵指標測試方法及計算

2.1 大氣污染物排放測試

民用爐具的排放煙氣速率不穩定且極小，污染物排放隨工況起伏變化大的特點，在點火、添加燃料、封火、熄滅等過程容易產生大量污染物，需要24 h全過程采樣才能客觀反映污染物排放水平[15]，采用傳統固定源直接采樣法無法實現全天24 h的全過程采樣。

為準確評估散煤的實際使用效果和污染排放水平，《標準》與現有的實驗室標準方法不同，采用ISO 19869：2019的基于稀釋采樣的碳平衡法[15]，編制組采用自行設計的便攜式民用爐具污染排放現場測試系統[16-17]，具有便于攜帶、體積較小，采樣點的位置相對比較靈活，適合在現場進行全過程測試，該裝置由采樣管、稀釋空氣單元、采樣與測量單元3個部分組成，示意圖見圖2。測試裝置應能實時測定采樣氣體流量、溫度、相對濕度等參數，并可對CO、NOx、SO2和PM2.5等污染物進行連續測試或采樣，研究人員也可以進一步分析顆粒物的化學組成，包括EC/OC、PAHs和重金屬等。

圖2 大氣污染物排放測試裝置示意

通過測試期間燃料燃燒后，根據碳平衡法計算污染物的排放因子。由于煙氣排放中甲烷、非甲烷總烴和顆粒物中碳的質量占比很小，因此，可以忽略不計。

EFm，CO2=EFm，C-CO2×fC-CO2

(1)

式(1)中，fC-CO2為C轉換為CO2的轉化系數，即為44/12。對于其他目標污染物的排放因子EFm，x可由下式計算：

式(2)中，Cm，x、Cm，CO2分別為目標污染物與CO2的質量濃度。

基于燃料能量的排放因子是通過在消耗的燃料質量和燃料能量之間應用轉換系數，從基于燃料質量的排放因子計算得出的。

通過計算排放污染物的質量濃度并不能夠完全反映污染物的真實排放量和不同燃燒階段的排放特征，而《標準》推薦的碳平衡法得到污染物的排放因子不僅可以解決上述問題，還可以通過地區燃料消耗量估算某一地區或某一類型污染源排放強度和排放總量，此外，通過對比排放清單中的排放因子數值能更好的客觀判定污染物指標的高低。

2.2 燃料消耗量測試

燃料消耗量依據國際通用的廚房性能測試(Kitchen Performance Test，KPT)方法學，即在正常生活條件下，以最短3 d為周期，測量農戶在周期內的燃料消耗量，從而估算日均燃料消耗量與取暖期散煤消耗總量。為了減少環境溫度對測試結果的影響，通常需要根據測試期間的當地采暖需求確定的室內日均溫度作為參考值進行校正。

按照式(3)計算燃料消耗量。

式(3)中：Bc為采暖季燃料用量，kg；BN為N天的燃料消耗量，kg；N為測試時間，d；T為根據當地采暖需求確定的室內日均溫度參考值，取12～18 ℃；TN為測試期間的室內日均溫度，℃；Ti為采暖季室內日均溫度，℃。

每戶稱取不少于1 kg的燃料樣品，密封保存，帶回實驗室按照標準方法測試燃料性質，獲得燃料樣品的元素組分、工業組分和發熱量。

2.3 室內空氣質量

為了研究該地區采暖的室內污染現狀，在選定的家庭中進行24 h的CO和室內PM2.5濃度的測量。室內空氣質量的測試方法按GB 9801、GB/T 18883、HJ 194、HJ 618和HJ 818的規定進行。室內空氣污染物濃度的測量要在用戶居住且受爐灶影響的區域內進行，一般建議在廚房和使用爐灶的區域進行測量，也應在室外(環境)空氣中以及用戶長時間活動的房屋中測量。

由于污染物排放濃度是排放情況和環境條件的函數，因此需要記錄測量區域的特征和可能改變污染物區域濃度的影響因素，包括但不限于房間的體積(混合體積)、通風速率、通風介質和建筑材料等。

2.4 熱性能測試

爐具熱效率測試與實驗室測試最大的不同在于需要進行最少3 d的連續測試，并與燃料使用量測試同步進行。測試期間至少每5 min記錄1次采暖循環進水溫度tji、出水溫度tci和流量mi。對使用電器裝置的采暖爐具測量其耗電量Qd。炊事火力強度的測試方法主要參照于GB16155的規定進行。

民用水暖爐具熱效率可通過式(4)進行計算。

式(4)中，η為熱效率，%；mi為第i次記錄的流量，m3/s；tci為第i次出水溫度，℃；tji為第i次進水溫度，℃；ΔTi為第i次記錄的時間間隔，s；B為燃料用量，kg；Qnet.v.ar為燃料的收到基恒容低位發熱量，kJ/kg。其中，測量采暖循環進水溫度tji、出水溫度tci和流量mi，記錄時間間隔ΔTi不大于5 min。

2.5 室內和煙氣溫度測試

為了更好地了解居民的取暖使用行為，可以在房間和取暖爐的煙囪分別安裝溫度傳感器。監測爐具的使用情況以及室內溫度情況。圖8是編制組采用Geocene爐灶使用監測系統(Geocene Inc.)長期監測加熱爐的使用情況。該系統包括1個支持藍牙4?的溫度數據記錄器、1個移動應用程序和1個基于云的數據收集和分析系統。Geocene數據記錄器DOTs使用連接在爐子煙囪上的K型熱電偶，每分鐘記錄1次不同的高溫信號。采用溫濕度傳感器對室內溫度進行長期監測，將采暖季的室內溫度進行記錄、傳輸和存儲以后，用于進一步的分析和后處理。

圖3 不同類型爐具上安裝的Geocene溫度數據記錄器

3 評價方法

3.1 性能等級劃分

根據國內目前爐具的技術性能和現場測試數據，參考ISO/TR 19867-3：2018和GB/T 35564-2017的分級等級和指標，《標準》規定了實際使用條件下的采暖爐具熱效率和大氣污染物排放及分級指標，如表1所示，相應等級所有指標都符合要求時，才能夠評定該等級。

3.2 項目實施前后效果評估

基于實際測得的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物和二氧化硫等污染物的排放因子，以及燃料消耗量，計算得出相應的大氣污染物排放量。對于項目實施前后測試獲得室內空氣質量、使用成本、使用率等作為項目推廣的可行性依據。

表1 熱效率和大氣污染物排放指標及分級

4 結 語

《標準》的制定是按照國家現有相關政策、標準、規范以及我國清潔采暖爐具研發的現狀、特點以及節能的要求，參考借鑒了國內外相關標準和指南，首次對我國清潔采暖爐具現場測試和綜合評法方法進行了規范。

作為首個針對民用爐具現場測試及評價方法的標準，《標準》頒布后作為清潔能源項目推廣評估的技術依據，進一步提高民用固體燃料排放清單的準確性。同時，對于采取“優質煤或生物質成型燃料替換，并配套使用節能環保爐具”，因地制宜地替代散燒煤采暖的效果評估具有現實的指導意義。