北方农村地区采暖技术碳排放比较分析.pdf

:./.北方农村地区采暖技术碳排放比较分析收稿日期:基金项目:北京市大学生创新创业训练计划项目(项目号:)作者简介:王子博()男在读本科生建筑环境与能源利用工程专业 通信作者:苑 翔()男博士副教授从事建筑节能与建筑碳排放研究王子博 苑 翔 陈 斌 杨铭远 符 天(北方工业大学北京)摘 要:分析了北方农村地区常见的烟煤、天然气、空气源热泵、固体生物质和固体生物质 空气能等 类燃料的采暖技术的优势建立了碳排放计算模型计算了各类采暖技术的碳排放量和经济性通过对比分析可以得到采用烟煤的采暖形式其排放量是最高的采用生物质能的采暖技术其碳排放量最低综合碳排放量和经济性两种因素考虑采用能源互补型的生物质 空气能技术是一种比较适宜北方农村地区的采暖技术关键词:农村地区采暖技术碳排放中图分类号:文献标识码:文章编号:()“双碳”目标提出以来社会各行业都为目标的实现制订行之有效的技术路径和行动方案 建筑领域是碳排放的重点领域之一根据中国建筑节能协会中国建筑能耗研究报告()显示 年全国建筑全过程能耗总量.亿吨标准煤占全国能源消费总量的.年全国建筑全过程碳排放总量.亿吨二氧化碳占全国碳排放比重的.实现建筑领域的碳中和对我国完成双碳目标至关重要我国 建 筑 运 行 能 耗 一 直 维 持 在 社 会 总 能 耗 的 北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为.亿吨标煤/北方城镇采暖能耗约占全国建筑总能耗的 为建筑能源消耗的最大组成部分 据不完全统计在我国.亿户农村居民家庭中采取分散采暖模式的约有 万户其中燃煤采暖约 万户年散煤使用量约 亿 亿 占到煤炭终端消费量的左右 解决北方农村采暖中的散煤治理不仅是环境治理的需要也是改善农村生活水平加强农村建设的需要 近年来针对农村散煤治理问题替代散煤燃烧的新型采暖技术不断的实践根据实际的技术应用效果来看没有一项单一的技术能够完全解决散煤问题本文针对农村采暖技术选取目前应用较为广泛的几项技术即散煤燃烧、燃气壁挂炉、生物质颗粒炉、蓄热式电采暖、空气源热泵和生物质 空气源耦合系统等 项技术从经济性和碳排放量的角度对比分析各项采暖技术的优势和劣势为农村采暖的散煤治理问题提供技术参考 技术原理分析)天然气采暖技术 农村地区可采用的天然气采暖主要采用天然气壁挂炉的形式此系统通过燃气燃烧提供合适的热水供给散热设备和热水系统简单易控制室温控制好没有灰渣 但是在没有燃气管道的农村地区需要重新铺设室外天然气干管和引至农户室内的支管有时需要用 且燃气价格贵采暖费用高)生物质颗粒采暖炉 该生产技术及设备的研发已经发展成熟系统简单初投资少颗粒燃烧后有灰渣是散煤采暖炉的理想替代品有的地区甚至直接用散煤采暖炉来燃烧生物质颗粒来采暖生物质颗粒的热值与散煤相当价格比散煤稍贵农村小型生物质颗粒小型炉具的能效只有 左右不超过 系统能效低另外由于中国粮食安全问题生物质原料的来源一直是生物质能利用的瓶颈问题因此采用以固体生物质能为主其他可再生能源相补充的互补型能源系统是一项实用并符合国情的技术选择)蓄热式电采暖 利用电阻元件直接将电能转化成热能进行取暖其中配有一定量的耐火砖、铁块等重质材料蓄存夜间谷电所产生的热量待到白天进行放热 从节能原理来讲直接用电采暖并不是一项节能技术 系统简单、初投资少、对电力容量要求高、系统耗电量大、采暖费用高、系统无污染、无排放物 在电力不充足的地区不适宜大规模应用)空气源热泵采暖 系统采用电能驱动利用逆卡诺循环原理吸取室外空气中的热量连同电能转化的热量通过冷媒循环不断加热热水输送至室内散热末端进行循环取暖系统与家用空调原理相同系统简单、初投资高、系统设计技术要求高 影响空气源热泵机组性能的主要因素包括运行环境条件和冷凝温度室外空气温度低的情况下系统 值较低采暖费用主要为电费如果运行效果不好的情况下采暖费较高 另外若初选设备容量较大则不仅初投资费用增加运行效果也不第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .好采暖费也较高)生物质 空气源耦合系统采暖 采用空气源热泵机组、生物质燃烧装置耦合集成系统由电力驱动热泵联合生物质燃烧供热系统通过烟气 水换热器进行低温烟气的热回收采用热泵技术进行温度的提升可利用峰谷电价差节省供热总费用系统热能利用率高节能效果明显能够广泛的推广应用于中小型供热系统 生物质燃烧炉 空气源热泵耦合系统见图 空气生物质成型燃料烟气电能生物质燃烧炉空气源热泵空气能农村建筑图 1生物质燃烧炉-空气源热泵耦合系统系统集成了各能源的优势可以实现优势互补充分利用了生物质成型燃料的热能既提高了生物质燃料的利用率同时还提高了空气源热泵的效率缺点是生物质来源不稳定系统控制难度大初投资较高另外采用太阳能采暖也是一项重要的选型但是由于太阳能的利用只能在太阳能充足地区太阳能热密度小不适合单独作为一项采暖技术可以作为辅助采暖技术表 提供了各单项技术的评价指标 评价指标从能源资源量和获取、技术性能、经济效益和政策适应性等几个方面进行设置表 农村清洁采暖技术评价技术类型燃气壁挂炉生物质颗粒采暖炉蓄热式电采暖低温空气源热泵太阳能热水采暖技术资源量评价能源获取技术成熟度复杂程度能源效率节能效果清洁程度运行管理初投资采暖费用补贴依赖适应性 注:差(难)一般好(易)从表 的评价中可以看出农村地区的供暖系统应遵循简单适用、安全可靠和经济运行的原则并不是越复杂的系统越具有优势单一的技术优缺点比较明显因此能源互补的方式更具有优势 碳排放计算模型以“联合国政府间气候变化专门委员会”(以下简称)所提出的碳排放计算模型最为广泛认可其具体形式如下:排放量 活动水平 活动因子根据 的碳排放计算模型能源消费碳排放量可以表示为:()其中 为能源消费的碳排放量 为能源消耗量 为对应能源的碳排放因子以农村建筑的采暖散煤量为基准其他的采暖技术所消耗的能耗量与基准量进行对比则某项技术消耗的能耗量为:/()其中为第 类采暖技术的能耗量 为不同种类能源转换系数为以散煤为采暖能源的能耗量 为采用第 类采暖能源形式时的设备效率把不同种类的能源形式的能耗量转换为统一的能源单位通过分析碳排放量结合各类能源利用形式的经济性可分析各类采暖技术的适用性 实例分析以北方寒冷地区某农村的 居住建筑为例根据实际测试数据该建筑的采暖季的采暖能耗量为.原煤(烟煤)按照其低位热值 大卡/来估算其采暖季的热量为 标煤的热量以 标煤的热量再去计算其他供暖技术的能耗量 原煤的供暖设备采用小型采暖炉其热效率取市场上比较高的效率值 来计算原煤的市场价格按照 元/来计算 如表 所示为不同采暖技术的年能耗量及能源费用比较表表 不同采暖技术的年能耗量及能源费用比较表采暖燃料名称低位发热量采暖设备热效率 年能耗量 年能源费用/元设备初投资/万元标煤/烟煤/小型采暖炉.天然气/壁挂炉 .空气能(电)./()空气源热泵 生物质(秸秆)/生物质燃烧炉 .生物质(硬木)/生物质燃烧炉.生物质(硬木)空气能/./()生物质空气源耦合热泵系统燃烧炉综合率大于.生物质 电.表 中列举了烟煤采暖、天然气采暖、空气源热泵采暖、生物质(秸秆)、生物质(硬木)和生物质(硬木)空气能等 种采暖形式以实际统计数据的烟煤能耗量为基准换算成标煤然后再换算成各种形式燃料的消耗量 其中天然气壁挂炉的设备效率采用市场上比较高的 的效率空气源热泵采暖形式的 值选取设备较高值 以空气源热泵的最大优势参与比较生物质(硬木)空气能采暖系统按照生物质与空气能承担负荷比例为 的设定值来计算其系统综合效率可达到根据表 中计算出来的燃料能耗量计算各燃料的碳排放量 首先需要确定碳排放因子:)烟煤和天然气的碳排放因子根据建筑碳排放计算方法中规定取值)发电的碳排放因子根据生态环境部最新公布的关于做好 年发电行业企 第 卷 第 期 年 月 王子博等:北方农村地区采暖技术碳排放比较分析业温室气体排放报告管理有关工作的通知(环办气候函 号)取值文件中公布的全国电网平均碳排放因子为./()固体生物质的取值按照建筑碳排放计算方法 中的规定低值为./高值为 /标准中规定的值为固体生物质燃烧时排放的 量但是固体生物质燃料在生长过程中吸收 燃料完全燃烧时吸收量和排放量是相等的只在生产和运输中有少量的 产生根据统计其生产和运输过 程中占燃烧 时的量为 因此取燃烧时 排放量的 作为固体生物质全生命周期的碳排放量秸秆生物质取低值硬木生物质取高值 各类燃料的碳排放计算结果如表 所示表 各类燃料的碳排放计算表燃料种类碳排放因子 燃料年能耗量 年碳排放量/烟煤 /.天然气./.空气能(电)./().生物质(秸秆)./.生物质(硬木)./.生物质(硬木)空气能././().综合表 表 的计算结果可以看出烟煤碳排放量是.在所有对比的燃料种类中碳排放量是最大的采用空气源热泵的碳排放量比烟煤排放量要小但是比天然气的碳排放量要大这是由于我国的电网发电主要是以煤为主的能源结构而天然气的碳排放量比烟煤的排放量要减少 左右 在所对比的燃料中固体生物质能的碳排放量是最小的这是因为生物质燃料在全生命周期内的碳排放接近于零碳排放 生物质(硬木)空气能采暖系统的碳排放比单纯采用生物质能的采暖形式要减少 左右 从经济性来看虽然天然气的碳排放量比较低但是年能源费用是最高的采用空气源热泵的能源费用次之生物质(硬木)空气能的系统能源效率较高因此其能源费用要低于生物质能和空气源热泵而碳排放量最高的烟煤的年能源费用是最低的 结语通过对不同种类的北方农村地区采暖技术进行碳排放量和经济性比较可以看出采用烟煤的采暖形式其排放量是最高的采用生物质能的采暖技术其碳排放量最低但是由于生物质能的小型采暖设备效率比较低生物质的可获取量相对较小其经济性比生物质 空气能采暖技术差综合碳排放量和经济性两种因素考虑采用能源互补型的生物质 空气能技术是一种比较适宜北方农村地区的采暖技术参考文献:清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告().北京:中国建筑工业出版社.中国农村能源行业协会节能炉具专业委员会.中国供暖炉具行业发展报告().北京:中国农村能源行业协会节能炉具专业委员会.韩霆傲苑 翔.生物质锅炉与空气源热泵采暖系统发展现状.山西建筑():.檀勤良.生物质能发电环境效益分析及其燃料供应模式.北京:石油工业出版社.王长波陈永生张力小等.秸秆压块与燃煤供热系统生命周期环境排放对比研究.环境科学学报():.住房和城乡建设部.建筑碳排放计算标准.北京:建筑工业出版社.中华人民共和国生态环境部.关于做好 年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知:环办气候函 号/.().:/.相方龙李军王继荣等.生物质发电供应链博弈分析.物流科技():.刘俊伟田秉晖张培栋等.秸秆直燃发电系统的生命周期评价.可再生能源():.():.:第 卷 第 期 年 月 山西建筑