|
閆瑞妙，張興惠，周瑞辰，秦成君
太原理工大學
摘要：北方農(nóng)村供暖存在建筑熱工性能差、散煤燃燒污染嚴重兩大問題。為解決熱工性能差的問題，以某典型農(nóng)戶為例進行節(jié)能改造，將模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相結合，分析實際節(jié)能改造效果，結果表明：節(jié)能改造后該農(nóng)戶可降低60%的能耗，且增設50mm的保溫層改造性價比最高。為解決散煤燃燒污染嚴重的問題，分別以生物質(zhì)固體成型燃料爐與傳統(tǒng)小型燃煤鍋爐為熱源進行供暖運行對比。在熱舒適性方面，二者對應的室內(nèi)平均溫度分別為17.39，14.52℃，均可滿足設計參數(shù)14℃的要求，但室內(nèi)PMV值分別維持在-0.08~0.24，-1.18~0.18范圍內(nèi)，前者熱感覺適中，后者熱感覺較涼；在經(jīng)濟性方面，前者較傳統(tǒng)燃煤鍋爐每年單位面積可節(jié)省7元/（m2·a），費用年值降低465元/a；在環(huán)保性方面，前者排放值低于小型燃煤鍋爐。
0引言
現(xiàn)階段我國北方農(nóng)村供暖存在兩大問題：一是農(nóng)村建筑圍護結構的熱工性能差，缺乏保溫措施，傳熱系數(shù)遠高于國家標準要求[1-3]；二是農(nóng)戶供暖普遍采用小型燃煤鍋爐，其燃料煤是不可再生能源，且燃燒造成的污染嚴重，熱效率低[4-5]。為進一步加快新農(nóng)村建設，解決農(nóng)村供暖存在的問題，中央財經(jīng)領導小組第十四次會議研究提出了推進北方地區(qū)清潔取暖的要求，并制定了煤改電、煤改氣[6-7]，推廣生物質(zhì)燃料[8]等多項政策。
建筑圍護結構的熱工性能直接影響室內(nèi)熱舒適性和建筑能耗，而建筑能耗高是能源浪費的主要原因之一[9-10]。目前北方典型農(nóng)村建筑的圍護結構熱工性能較差，其墻體多采用實心磚且沒有保溫措施，屋面多采用較薄的爐渣保溫，但效果不佳，窗戶以密閉性差的單層木窗為主，致使圍護結構傳熱系數(shù)大且冷風滲透量大，冬季最冷月室內(nèi)平均溫度低于10℃，難以滿足室內(nèi)熱舒適要求且能耗大[11]。農(nóng)村建筑節(jié)能是關系國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要問題[12]，對農(nóng)村既有建筑進行節(jié)能改造勢在必行[13]。
生物質(zhì)能是四大清潔能源之一[8]，廣泛分布在我國農(nóng)村地區(qū)，具有原料種類來源多樣、價格低廉等優(yōu)點。生物質(zhì)能的清潔利用包括沼氣、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)固化，以及熱電聯(lián)產(chǎn)等供暖技術[14-16]。沼氣初投資大，安全性、技術性要求高，農(nóng)戶散養(yǎng)量較低，沼氣量不足，導致其推廣遇到困難[14]。戶用生物質(zhì)秸稈氣化爐因焦油量高等原因也沒有得到廣泛推廣[15]。村鎮(zhèn)微型生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)供暖技術因技術要求高、初投資高、建設周期長，無法短時間推廣以替代小型散煤鍋爐[16]。本文研究生物質(zhì)固化在農(nóng)戶應用推廣的可行性。生物質(zhì)固體成型燃料是以農(nóng)林剩余物在一定溫度和壓力作用下壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料[17-18]，便于儲存和運輸，其熱值相當于標準煤的70%~80%，熱值/價格相對較高[19]，燃燒時NOx，SO2排放量均遠小于煤[20-21]，燃燒特性較好，效率較高。因此以生物質(zhì)固體成型燃料鍋爐為熱源的供暖方式符合清潔供暖的政策要求及實際使用需求，值得在北方農(nóng)村地區(qū)推廣[22]。
本文以山西省孝義市順光村某典型農(nóng)戶為例，進行圍護結構節(jié)能改造，改造前用EnergyPlus對其能耗進行數(shù)值分析[23-25]，判斷節(jié)能改造潛力并確定改造方案；實測農(nóng)戶改造前后室內(nèi)外溫度[26]、傳熱系數(shù)等熱工參數(shù)，研究分析節(jié)能改造效果。在此基礎上，對比生物質(zhì)固體成型燃料爐與小型燃煤鍋爐2種供暖技術方案在熱舒適性、經(jīng)濟性與環(huán)保性等方面的優(yōu)劣，為北方農(nóng)村節(jié)能改造、清潔供暖提供參考數(shù)據(jù)。
1典型農(nóng)戶能耗的數(shù)值分析
1.1建筑地理位置
典型農(nóng)戶位于山西省孝義市順光村，東經(jīng)111°48′，北緯37°12′，海拔738.75m。
1.2室外氣象參數(shù)
選擇清華大學和中國氣象局提供的介休市典型氣象年逐時數(shù)據(jù)（因介休市與孝義市地理位置相近，氣候條件相似）。
1.3研究對象
該住宅建于2006年，實景圖見圖1，數(shù)值分析模型圖見圖2。該建筑坐北朝南，單層，平屋頂，左右分為格局完全一樣的兩小戶。因東、西朝向修正系數(shù)相同，二者圍護結構耗熱量相同。兩小戶各居住2人，照明設備相同，第2小戶比第1小戶多電視、電冰箱等電器，但使用時間很少，二者的人員、照明、設備的散熱量可視為相同，其安全量不予考慮。數(shù)值模擬時以第1小戶為研究對象。
1.4室內(nèi)計算參數(shù)及圍護結構
設定室內(nèi)供暖計算溫度為14℃，室外計算溫度設定為-11.3℃。
能耗模擬分析包括改造前和改造后兩部分，改造前圍護結構的材料完全按照典型農(nóng)戶的材料，改造后的能耗分析建立在采取節(jié)能改造措施的基礎上。外墻與屋面增設保溫層，常用保溫層有擠塑板與聚苯板，因聚苯板粘接性好且價格便宜，所以選用聚苯板；窗戶在原來木窗的基礎上增設1層鋁合金窗戶。對比能耗分析時，圍護結構材料如表1所示，其余條件均不變，包括：建筑結構、氣象條件、模擬設定值等。為確定適宜的保溫層厚度，改造后的能耗模擬分析過程分別選用30，50，75，100mm 4種厚度的聚苯板。
1.5模擬結果
EnergyPlus能耗模擬分析結果見表2。從該農(nóng)戶整個供暖季（從11月1日至次年3月1日）維持14℃室溫的總能耗、熱負荷、節(jié)能率等方面進行分析，在原木窗基礎上增加1層鋁合金窗戶，增加不同厚度聚苯板保溫層，節(jié)能率均可達60%。隨著聚苯板保溫層厚度的增加，供暖季總能耗降低，但變化趨勢漸緩，即節(jié)能率增加趨勢變緩。盲目增加保溫層厚度并不經(jīng)濟，有可能造成投資增加，節(jié)能收益相對減少。結合模擬結果及市場價格，選用50mm厚的聚苯板保溫層的改造方案性價比最高。
2節(jié)能改造
對兩小戶均進行節(jié)能改造，本章以第1小戶為研究對象進行論述。
2.1改造前圍護結構熱工參數(shù)的測量
為了解北方農(nóng)村典型農(nóng)戶熱工性能現(xiàn)狀，于2016年11月25日至12月2日，采用熱流計法測量該農(nóng)戶外墻、屋頂、外窗、外門的傳熱系數(shù)。測試儀器選用BES-GP智能多路溫度、熱流檢測儀（溫度分辨率為0.01℃，傳熱系數(shù)電流分辨率為0.001mA）。改造前后測量結果平均值見表3。
對比分析改造前實測值與農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準[3]要求限值可知，除外門的傳熱系數(shù)稍高于標準外，外墻、屋頂、外窗的傳熱系數(shù)遠遠高于標準限值。
2.2節(jié)能改造方案
影響建筑供暖能耗的熱工變量有建筑朝向，體形系數(shù)，外墻窗墻面積比，外墻、外窗、屋頂、外門、地面等的傳熱系數(shù)。基于農(nóng)宅現(xiàn)狀和建筑結構各部分實際熱工參數(shù)，考慮實施難度以及農(nóng)民可以承擔的經(jīng)濟水平，并參照數(shù)值模擬結果，最終采取以下優(yōu)化措施。
1）墻體內(nèi)保溫：農(nóng)戶南外墻有裝飾性瓷磚，拆除回用率低、費用高、工序復雜；改造施工在2016年12月進行，此時室外溫度在夜間可能低于5℃，會影響外保溫施工質(zhì)量，所以選擇墻體內(nèi)保溫。依據(jù)模擬結果，改造時選用性能穩(wěn)定可靠、阻燃、50mm厚的聚苯板。
2）增加1層窗戶：外窗原為普通木窗，拆除會影響原有外墻的結構與美觀，為此選擇在原有木窗基礎上增加1層密封性能較好的鋁合金窗戶，形成雙層窗戶。
3）屋頂外保溫與吊頂：屋頂外部鋪設50mm厚的聚苯板；內(nèi)部進行吊頂，其空氣層厚度為150mm，降低屋頂傳熱系數(shù)。
因外門的傳熱系數(shù)與標準限值接近，改造性價比不高，沒有對其進行改造。為保證實際改造效果，改造前用EnergyPlus進行能耗數(shù)值分析，數(shù)值模擬結果顯示，改造后可節(jié)能75.69%（見表2）。
2.3改造前后系統(tǒng)分析
改造后，于2017年1月2—9日，采用相同方式對傳熱系數(shù)進行連續(xù)7d的測量，改造后測量結果見表3。墻體、窗戶和屋頂改造后的傳熱系數(shù)分別下降72.70%，61.59%，64.99%，均能滿足相關標準要求，表明對該農(nóng)戶節(jié)能改造取得顯著效果。
圖3顯示了改造前后室內(nèi)外溫度對比，雖改造后室外溫度明顯降低，但室內(nèi)溫度卻有所上升，表明改造后圍護結構熱惰性增加，傳熱性能衰減，室外溫度變化對室內(nèi)溫度的影響降低，有利于維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。
表4為改造前后1天生物質(zhì)固體成型燃料消耗量實測值，據(jù)實測數(shù)據(jù)分析計算，改造后實際節(jié)能率達66.74%，與75.69%的模擬結果接近。
3生物質(zhì)固體成型燃料爐與傳統(tǒng)小型燃煤鍋爐運行對比
節(jié)能改造后，第1小戶與第2小戶分別以生物質(zhì)固體成型燃料爐、小型燃煤鍋爐為熱源進行供暖，以對比二者運行效果。下面從熱舒適性、經(jīng)濟性以及環(huán)保性3個方面進行分析。
3.1熱舒適性
2017年1月16—22日，使用ETH-P型環(huán)境試驗設備智能多路巡檢儀對室內(nèi)外溫濕度進行測量，其溫度測量誤差為±0.2℃，相對濕度測量誤差為±1.5%。因每個房間面積不足20m2，每個房間只需2個溫度測點、1個相對濕度測點，取各房間平均值作為計算數(shù)據(jù)。
第1小戶、第2小戶的相對濕度測試平均值分別為41.3%，39.7%，說明2種熱源對相對濕度無明顯影響。
圖4顯示了1月18日以生物質(zhì)固體成型燃料爐與小型燃煤鍋爐分別作為熱源的兩小戶室內(nèi)外溫度的變化。由圖4可知：在室外最高溫度為4.58℃，最低溫度為-5.79℃的條件下，第1小戶室內(nèi)平均溫度為17.39℃，波幅為2.06℃；而第2小戶室內(nèi)平均溫度為14.52℃，波幅高達7.55℃，最低平均室溫為10.36℃。與室內(nèi)設計溫度14℃相比，兩小戶平均溫度均可滿足要求，但二者溫度范圍及波動情況不同，熱舒適性就會不同。
目前典型的人體熱舒適性評價體系是Fanger教授基于實驗研究提出的PMV指標[27-29]。根據(jù)室內(nèi)平均溫度、相對濕度測試值，以靜坐、身著棉質(zhì)衣服成年男子為研究對象計算室內(nèi)PMV[30]，結果見表5。從表5可知：第1小戶熱感覺始終為適中，而第2小戶熱感覺有時會較冷。在熱舒適性方面，生物質(zhì)固體成型燃料爐較傳統(tǒng)小型燃煤鍋爐更具優(yōu)勢。根據(jù)計算及改造時的實地調(diào)查，室內(nèi)計算溫度為14℃，不滿足人體的熱舒適要求。隨著社會進步，農(nóng)民生活水平不斷提高，對熱舒適的要求也不斷提高，建議修改農(nóng)村居住建筑76暖通空調(diào)HV&AC2019年第49卷第3期技術交流節(jié)能設計標準中的有關規(guī)定：嚴寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間，冬季室內(nèi)計算溫度從14℃提升為16℃。
3.2經(jīng)濟性分析
費用年值是評價技術方案全壽命周期投資費用較為全面的綜合性計算指標，費用年值應包含初投資與運行費用[31]。這里初投資只考慮鍋爐及其輔助設備的安裝調(diào)試費，生物質(zhì)鍋爐初投資為4500元，小型燃煤鍋爐為2500元。對于運行費用，該單體農(nóng)戶只考慮燃料費與電費，不考慮水費、人工費等，按市場費用統(tǒng)計，生物質(zhì)固體成型燃料600元/t，電費0.47元/（kW·h），散煤600元/t。
2017年1—2月，第1小戶實際共消耗生物質(zhì)燃料1.4t，耗電145kW·h，第2小戶實際消耗散煤2.2t。雖生物質(zhì)燃料熱值低于散煤燃燒的熱值，但生物質(zhì)鍋爐使用效率遠高于小型燃煤鍋爐。根據(jù)歷年1—2月供暖燃料占整個供暖季燃料的比例計算得，整個供暖季共需生物質(zhì)燃料2.39t，耗電247kW·h，耗煤3.75t，則其運行費用分別為1550元和2250元。采用費用年值計算公式（見式（1））計算分析比較各供暖方案的經(jīng)濟性。
2種供暖方案費用年值分別為2079，2544元，單位面積供暖費用分別為30，37元/m2；使用生物質(zhì)固體成型燃料爐較小型燃煤鍋爐每年節(jié)省7元/（m2·a），費用年值降低465元/a。但偏遠地區(qū)農(nóng)戶一般使用劣質(zhì)煤，價格為200~300元/t，供暖季約使用5t，其費用年值為1294~2294元/a，遠低于生物質(zhì)鍋爐的費用年值。生物質(zhì)鍋爐的推廣仍然需要政策扶持。
3.3環(huán)保性分析
生物質(zhì)固體成型燃料屬清潔能源，其燃燒產(chǎn)生的污染物排放量遠低于傳統(tǒng)散煤燃燒排放量，生物質(zhì)鍋爐的NOx質(zhì)量濃度是燃煤鍋爐的1/10~1/2；生物質(zhì)固體燃料燃燒幾乎不排放SO2[32-33]。用生物質(zhì)固體成型燃料爐代替小型燃煤鍋爐，污染物排放量可減少約50%[7]。生物質(zhì)固體成型燃料爐點火運行穩(wěn)定后幾乎看不到煙氣，而小型燃煤鍋爐的煙氣呈黑色且很濃。生物質(zhì)固體成型燃料爐灰渣呈粉末狀，可用于施肥，產(chǎn)量是小型燃煤鍋爐的1/7~1/5，燃燒較為充分；而小型燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生的灰渣，多為粒狀，甚至夾雜著黑色煤粒，燃燒不充分。生物質(zhì)固體成型燃料一般袋裝，可較為整潔地存放在儲物間，避免煤堆引起的揚塵污染與不美觀。由于燃燒特性的不同，生物質(zhì)鍋爐房更易保持干凈整潔。使用生物質(zhì)固體成型燃料爐，農(nóng)戶只需保證儲料斗內(nèi)燃料充分，通過按鈕控制鍋爐運行啟停及燃燒速度，從又臟又繁重的燒煤體力勞動中解放出來。生物質(zhì)固體成型燃料爐可作為清潔供暖熱源在北方農(nóng)村推廣。
4結語
通過EnergyPlus對北方典型農(nóng)戶能耗進行模擬分析，得出現(xiàn)有典型北方農(nóng)村建筑節(jié)能改造有60%以上節(jié)能空間。據(jù)模擬分析結果可知，增加保溫層的節(jié)能效果隨著保溫層厚度增大而增大，但節(jié)能率的增速會隨著保溫層厚度的增加而逐漸減小。在節(jié)能改造前需進行能耗分析以選定經(jīng)濟、合理的改造措施和適宜的保溫層厚度，山西孝義增設50mm厚聚苯板較經(jīng)濟、合理。
節(jié)能改造后實測墻體、窗戶、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)分別下降72.70%，61.59%，64.99%；室內(nèi)溫度波幅減小；單位溫差需要的生物質(zhì)燃料節(jié)約66.74%，數(shù)值模擬節(jié)約率為75.69%，與實測值相近，節(jié)能改造效果明顯。此次節(jié)能改造選用了推拉窗，建議農(nóng)戶改造選用節(jié)能效果顯著的平開窗。
生物質(zhì)固體成型燃料爐與傳統(tǒng)小型燃煤鍋爐運行對比表明：熱舒適性方面，二者的平均溫度分別為17.39，14.52℃，均可滿足設計參數(shù)14℃要求；但前者PMV值為-0.08~0.24，熱感覺適中，后者PMV值為-1.18~0.18，熱感覺較冷，室內(nèi)設計參數(shù)為14℃，人體熱舒適性并不適中。建議修改農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準中的有關規(guī)定，將14℃提升為16℃。經(jīng)濟性方面，生物質(zhì)鍋爐較傳統(tǒng)小型燃煤鍋爐每年單位面積可節(jié)省7元/（m2·a），費用年值降低465元/a。在環(huán)保性方面，生物質(zhì)鍋爐NOx，SO2排放值均低于小型燃煤鍋爐。生物質(zhì)鍋爐的運行更簡單、方便，降低農(nóng)民勞動強度。綜上所述，生物質(zhì)固體成型燃料爐是值得推廣的一種清潔供暖方式。
在煤改生物質(zhì)固體成型燃料問題上，需要政府加大監(jiān)管力度、宣傳力度與農(nóng)戶的積極參與。政府需加大對生物質(zhì)固體燃料生產(chǎn)方的管控，嚴禁摻假，保證生物質(zhì)燃料的環(huán)保性；加大對劣質(zhì)散煤的控制。據(jù)該村農(nóng)民反映，2017年供暖季農(nóng)民只能買到600元/t的煤，兩者價格相等時可增加農(nóng)戶選擇生物質(zhì)固體成型燃料爐的概率。隨著生活水平的提高，農(nóng)民傾向選擇更方便、更快捷的炊事方式，調(diào)研時了解到，該農(nóng)村90%農(nóng)戶采用電或煤氣做飯，生物質(zhì)鍋爐的推廣可節(jié)省此筆開支。隨著生物質(zhì)固體成型燃料爐的推廣，其燃料價格會隨著生產(chǎn)費用的下降而降低。再者，農(nóng)戶可以出售農(nóng)作物枝桿或?qū)ｉT種植相應的農(nóng)作物，以降低生活成本。
但生物質(zhì)鍋爐作為新型供暖設備，生產(chǎn)運輸成本大，且其生物質(zhì)燃料價格相對高于劣質(zhì)散煤，目前市場占有率較低，在農(nóng)村地區(qū)普及程度不高。政府在推進生物質(zhì)固體成型燃料爐替代小型燃煤鍋爐的前期，應對生物質(zhì)爐具和燃料制定適當補貼政策，提高生物質(zhì)鍋爐改造和運行的經(jīng)濟可行性，提高農(nóng)民對生物質(zhì)鍋爐的接受度和認可度。農(nóng)村供暖問題的解決仍需要更多關注與研究，以及政府的支持與農(nóng)民的配合。
 |
