基于既有農村住宅能效提升的常規清潔取暖方式經濟性分析*

袁 靜 王 選 馬 驪 王天生 李 驥

(1.中國建筑科學研究院有限公司,北京;2.建科環能科技有限公司,北京)

0 引言

北方地區清潔取暖工作自2017年開始至今,已確定了5批共88個清潔取暖城市?！蹲》砍青l建設部 國家發展改革委 財政部 能源局關于推進北方采暖地區城鎮清潔供暖的指導意見》指出:除“熱源側”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工作之一;推進建筑節能,新建建筑嚴格執行建筑節能標準,在有條件的地區推行超低能耗建筑和近零能耗建筑示范,加快推進既有建筑節能改造,優先改造采取清潔供暖方式的既有建筑[1]。通過提高“用戶側”建筑能效,可有效降低供暖能耗,進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,要求能效提升完成后建筑能效水平較改造前提升30%以上。在農村地區,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上,同步開展農房的建筑能效提升,更有利于減少居民供暖成本,以保障“清潔供”“節約用”,使農村清潔取暖工作可持續。

關于農村清潔取暖及影響,國內部分學者進行了一些研究。周淑慧等人從技術、經濟和環保3個維度對農村地區主要的清潔取暖方式進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路徑的碳減排效益,結果表明清潔取暖對農村住宅領域直接碳排放的降低有顯著作用,并對以碳減排為導向的農村地區清潔取暖技術路徑的優化提出了建議[4];黃雅梅等人研究了降低寒冷地區農村住宅熱泵供暖電費的技術策略[5];謝慧等人以冀東地區既有農宅為基礎,計算了6種改造方案的碳排放量和經濟回收期,結果表明圍護結構節能改造后農宅碳排放量可降低52.85%～86.72%,并在此基礎上對3種不同熱源的改造經濟效益進行了分析[6]。

承德市2021年入圍北方地區清潔取暖城市,本文以承德市某典型農宅為例,以清潔取暖設備現場運行檢測數據為依據,分析農宅節能改造前后采用幾種常見的清潔取暖方式的經濟性。

1 清潔取暖設備運行測試數據分析

因氣源保障能力不足,承德市農村多采用“電代煤”及“生物質代煤”的清潔取暖改造形式,2021—2022年承德市農村地區共完成7.42萬戶清潔取暖改造,其中“電代煤”3.01萬戶、“生物質代煤”4.41萬戶?！半姶骸痹O備涵蓋空氣源熱泵熱水機、空氣源熱泵熱風機、蓄熱式電鍋爐,其中空氣源熱泵熱水機占比83.1%、蓄熱式電鍋爐占比9.7%。

為驗證承德市農村冬季清潔取暖改造項目的實際運行效果,在2021—2022年供暖季對承德市部分農戶清潔取暖項目開展了現場實際供暖性能測試。根據測試結果可知:采用空氣源熱泵供暖系統的農戶供暖房間室內溫度在15.9～21.8 ℃之間,平均室內溫度為19.3 ℃;系統制熱性能系數在1.62～2.83之間,平均系統制熱性能系數為2.03,如圖1所示。

圖1 農戶空氣源熱泵供暖系統實際運行情況

根據測試結果可知:采用電鍋爐供暖系統的農戶供暖房間室內溫度在17.5～19.7 ℃之間,平均室內溫度為18.5 ℃;系統熱輸出效率在0.90～0.96之間,平均系統熱輸出效率為0.92,如圖2所示。

圖2 農戶電鍋爐供暖系統實際運行情況

根據GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》,嚴寒和寒冷地區農村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間,節能計算時冬季室內計算溫度應取14 ℃[7];根據GB/T 18883—2022《室內空氣質量標準》,冬季供暖室內溫度標準值為16～24 ℃[8]。根據農戶供暖房間室內溫度的測試結果,采用空氣源熱泵供暖系統和采用電鍋爐供暖系統的農戶供暖房間室內溫度均可達到14 ℃以上。其中,采用電鍋爐供暖系統的農戶供暖房間室內最低溫度均可達到16 ℃以上,而采用空氣源熱泵供暖系統的農戶供暖房間室內最低溫度達到16 ℃以上的比例為97%。相比采用電鍋爐供暖系統,采用空氣源熱泵供暖系統的室內最低溫度更低,與空氣源熱泵機組在極端低溫天氣條件下效率較低、制熱量下降及用戶設定溫度較低、取暖習慣等有關。

根據調研可知,受取暖習慣、取暖面積、系統本身性能系數、農宅本身圍護結構熱工性能等因素影響,不同農戶之間供暖季供暖能耗及供暖費用差別較大。根據承德市某村289戶采用空氣源熱泵供暖系統的農戶清潔取暖用電量監測數據,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以內的農戶共36戶,4 001～8 000 kW·h的農戶共166戶,8 001 kW·h以上的農戶共87戶。根據承德市某村143戶采用電鍋爐供暖系統的農戶清潔取暖用電量監測數據,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以內的農戶共73戶,10 001～20 000 kW·h的農戶共56戶,20 001 kW·h以上的農戶共14戶,不同農戶間用電量差異較大。采用電鍋爐供暖系統的農戶與采用空氣源熱泵供暖系統的農戶相比供暖用電量較高,會導致運行費用較高,居民可承受性較差,取暖設備開啟率較低,但在極端低溫天氣下供暖效果較好。其中,部分圍護結構熱工性能較好的農宅,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 典型農宅能效提升前后供暖熱需求計算

以承德市圍場縣某典型農宅為例,該農宅層數為1層,詳細建筑參數、圍護結構熱工性能參數見表1、2,建筑模型圖、平面圖見圖3、4。

表1 典型農宅建筑參數

表2 典型農宅改造前圍護結構類型

圖3 典型農宅模型圖

圖4 典型農宅平面圖

該農宅室內面積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DB 13(J)185—2020《河北省居住建筑節能設計標準(節能75%)》[9],對該典型農宅進行能耗分析,得到該典型農宅改造前單位建筑面積耗熱量指標為90.94 W/m2。對該典型農宅進行能效提升,對建筑四面外墻實施外保溫改造,外墻外保溫采用80 mm厚擠塑聚苯板。改造后進行能耗模擬,得到該典型農宅改造后單位建筑面積耗熱量指標為63.32 W/m2,提升率為30.37%。改造前后逐時(11月1日00:00至3月31日24:00)供暖負荷如圖5所示。2022年1月29日07:00的供暖負荷為最大負荷,改造前為18.18 kW,改造后為13.42 kW。

圖5 典型農宅改造前后逐時供暖負荷

3 供暖設備選型

本文主要對比在典型農宅能效提升前后,采用空氣源熱泵供暖系統或蓄熱式電鍋爐供暖系統2種形式下的供暖能耗及運行費用。根據該典型農宅的負荷計算結果進行設備選型。采用空氣源熱泵供暖系統的主要設備參數如表3所示,采用蓄熱式電鍋爐供暖系統的主要設備參數如表4所示。

表3 空氣源熱泵供暖系統主要設備參數

表4 蓄熱式電鍋爐供暖系統主要設備參數

4 供暖系統能耗分析

對典型農宅供暖系統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。

從農宅的建筑形式及實際的建筑供暖空間使用模式、熱舒適特征、供暖需求來看,為匹配農宅的實際負荷特性,應考慮“部分時間、部分空間”的取暖模式[10]。因此,按照分時段局部供暖模擬計算4種情景下典型農宅供暖系統的能耗,農戶主要供暖房間的供暖時段及供暖設備開啟率如表5所示。

表5 農戶主要供暖房間的供暖時段及供暖設備開啟率

通過模擬計算可知:情景1整個供暖季能耗為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種情景下典型農宅供暖系統逐月能耗如表6所示。

表6 4種情景下的逐月供暖能耗 kW·h

5 改造成本及運行費用分析

5.1 總體改造成本分析

對該典型農宅選型的設備安裝購置費用、農宅改造費用、電網改造費用等進行了市場詢價及調研,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 供暖運行費用分析

承德市清潔取暖采用峰谷電價方式對居民電供暖用電給予一定的運行補貼,如表8所示?？紤]峰谷電價,根據前文模擬的逐時能耗計算4種情景下供暖季運行費用。

表8 承德市居民電供暖峰谷電價[11]

通過計算可知:情景1整個供暖季運行費用為2 873.07元,單位取暖面積運行費用為41.25元/m2;情景2整個供暖季運行費用為2 023.10元,單位取暖面積運行費用為29.05元/m2;情景3整個供暖季運行費用為6 048.57元,單位取暖面積運行費用為86.84元/m2;情景4整個供暖季運行費用為4 259.16元,單位取暖面積運行費用為61.15元/m2。據了解,承德市對清潔取暖改造制定了補貼政策,其中對于采取“電代煤”供暖的農戶,給予每個供暖季1 200元/戶的運行補貼[12]。4種情景下典型農宅供暖系統運行費用如表9所示。

表9 4種情景供暖運行費用 元

5.3 經濟性分析

對該典型農宅4種情景下的總體改造成本與運行費用進行分析可知:情景1與情景2相比,增加對該農宅的節能改造后,總體改造成本增加5 933元,每個供暖季可節約運行費用849.97元,回收期為7.0 a;情景3與情景4相比,增加對該農宅的節能改造后,總體改造成本增加5 933元,每個供暖季可節約運行費用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總體改造成本增加15 000元,每個供暖季可節約運行費用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總體改造成本增加15 000元,每個供暖季可節約運行費用2 236.06元,回收期為6.7 a。

此外,承德市對清潔取暖的設備購置安裝及戶內線路改造均制定了補貼標準,承德市高新區清潔取暖補貼標準為:采取空氣源熱泵和集中式相變谷電蓄熱鍋爐改造的農戶,根據設備購置安裝費用(含戶內線路改造),每戶最高補貼金額不超過13 700元(設備安裝以實際取暖戶為準。設備款不足13 700元的政府補貼90%);同時,承德市農村用戶側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資金承擔[12]。因此,考慮政府補貼政策后,對農戶承擔的改造成本與運行費用進行分析可知:情景1與情景2相比,增加對該農宅的節能改造后,不增加農戶承擔的改造成本,每個供暖季可節約運行費用849.97元;情景3與情景4相比,增加對該農宅的節能改造后,不增加農戶承擔的改造成本,每個供暖季可節約運行費用1 789.41元;情景1與情景3相比,農戶承擔的改造成本增加8 500元,每個供暖季可節約運行費用3 175.5元,回收期為2.7 a;情景2與情景4相比,農戶承擔的改造成本增加8 500元,每個供暖季可節約運行費用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約的運行費用,以及考慮政府補貼政策后農戶承擔的改造成本和節約的運行費用如表10所示。

表10 4種情景經濟性分析

6 結論

以承德市某典型農宅為例,以承德市清潔取暖設備現場運行檢測數據為依據,分析了農宅節能改造前后采用幾種常見的清潔取暖方式的經濟性,主要結論如下:

1) 承德市典型農宅采用空氣源熱泵供暖系統比采用蓄熱式電鍋爐供暖系統整個供暖季能耗可降低約52.5%;安裝相同的供暖設備時,若進一步對該典型農宅進行能效提升,整個供暖季能耗可降低約28.7%。

2) 典型農宅采用空氣源熱泵供暖與采用蓄熱式電鍋爐供暖相比,采用系統能效系數更高的空氣源熱泵機組回收期均在7 a以內;僅考慮農戶承擔的改造成本,采用空氣源熱泵機組回收期均在4 a以內,具有較好的經濟性。

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

因此,在農村地區開展清潔取暖時,為降低取暖能耗并減輕農戶取暖負擔,應選擇系統能效系數更高的供暖形式,且在熱源測改造的基礎上同步開展既有農宅的能效提升。