张璐1，任乐梅1，黄雷2，胡华兴2，田贯三1
（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.聊城市城市管理局，山东聊城252000）
摘要：对聊城农村清洁供暖现状进行调研，结合当地能源供应条件，提出清洁供暖技术路线优化措施，对不同供暖装置的经济性进行比较。聊城农村清洁供暖主要以燃气供暖热水炉供暖为主，空气源热泵供暖为辅。农村住宅的保温性能差，围护结构传热系数远高于GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》限值。农村居民对燃气供暖热水炉供暖、空气源热泵供暖的安全便捷性认可度较高。与城镇住宅相比，农村住宅实际供暖面积小，供暖时间短，室内热舒适温度低。燃气供暖热水炉用户年供暖费用主要集中在1 001~2 000 元/(户·a)，空气源热泵用户年供暖费用主要集中在0~1 000 元/(户·a)。考虑到聊城丰富的地热资源和充足的电力供应以及环境保护，可将地埋管地源热泵作为未来农村清洁供暖的发展方向。
关键词：农村；清洁供暖；供暖装置；地埋管地源热泵
参考文献示例：
张璐，任乐梅，黄雷，等. 聊城农村清洁供暖现状与技术路线优化［J］. 煤气与热力，2025，45（3）：A01-A07.
我国北方城镇加速推进热电联产集中供暖，加快工业余热供暖规模化发展，积极稳妥推进核电余热供暖，因地制宜推进热泵、燃气、生物质能、地热能等清洁低碳供暖。北京市某些住宅小区采用燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热[1]，天津市许多居民使用空气源热泵热水器进行洗浴和供暖[2]。在河北省农村地区，许多家庭安装了太阳能热水器[3]，满足家庭热水需求，减少了对传统能源的依赖。黑龙江省某些乡村地区使用生物质能锅炉进行集中供暖[4]，生物质能锅炉以农作物秸秆和木屑等生物质燃料为燃料，减少了化石燃料使用，实现了生物质资源有效利用。
聊城自2017年开始实施农村清洁供暖改造工作，为优化清洁供暖技术路线，笔者实地调研了聊城农村清洁供暖现状。发现聊城农村清洁供暖工作部署早，推进快，走在全省前列，但清洁供暖方式过于单一，冬季供能压力大。本文介绍聊城农村清洁供暖现状，结合当地资源优势，提出清洁供暖技术路线优化措施，对不同供暖装置的经济性进行比较。
聊城农村人口总数约360.2×104 人，约145.7×104 户。根据来自聊城市城市管理局的数据，截至2022年底，聊城农村清洁供暖改造达到121.6×104 户，位居全省第一。结合农村住宅的分布特点及集中式清洁供暖方式的适用条件，仅少量的新型农村社区采用了集中式空气源热泵供暖方式，占比约1%，其他农村供暖用户采用了分散式供暖方式。各类清洁供暖方式用户比例见表1。由表1可知，在分散式供暖用户中，燃气供暖热水炉用户比例最高，分散式空气源热泵用户（简称空气源热泵用户）次之，剩余用户采用了家用电暖器、碳晶板、生物质供暖炉等供暖方式。家用电暖器、碳晶板均属于电供暖设备，适合在家庭使用。家用电暖器包括电热风扇、辐射式电暖器等。
为深入了解聊城农村清洁供暖现状，选取聊城83个村庄进行了实地走访，发放并回收调查问卷7 000份，包括6 500户燃气供暖热水炉用户问卷、500户分散式空气源热泵用户问卷。对农村住宅保温性能、居民感受、供暖习惯、供暖费用等进行了调研。
农村住宅大多为20世纪80、90年代建设，由正房和厢房组成。根据厢房布局，农村住宅可划分一字形、L形、U形，见图1。正房多为4间，厢房多为2间。正房开间为3.5 m左右，进深在5.0 m以上。正房坐北朝南，为主要居住用房，也有不少的用户夏季住正房，冬季住厢房。农村住宅建筑面积普遍在80 m2以上。
农村住宅外墙见图2。90%以上为240 mm厚砖混结构，包括裸砖墙（见图2a）、石灰抹面墙（见图2b）、贴瓷砖墙（见图2c），缺乏保温措施。约10%农村住宅建设南向太阳房（图2d），太阳房均建设在原有正房南墙外侧，太阳房的构造通常包括特制的窗及玻璃幕墙，利用太阳辐射提高室内温度，提供冬季温暖的居住空间。
农村住宅屋顶见图3,可分为木结构（见图3a）、混凝土屋顶。大部分混凝土屋顶进行了简单吊顶：石膏板吊顶（见图3b）、PVC板吊顶（图3c），仅有极少数混凝土屋顶进行了平改坡（见图3d）。平改坡屋顶在屋顶上形成1个空间，冬季可起到保温作用，夏季可以打开通风口进行通风。整体上农村住宅屋顶保温性能较差。
农村住宅外门窗主要有单层铝合金门窗、单层木质门窗、单层塑钢窗等，见图4。冬季冷风渗透严重，特别是木质门窗。为减少冷风侵入，部分农户采取木质门窗+挡风门帘，以及木门+透明塑料薄膜等简易防风措施。
由于缺乏技术指导，农村住宅的保温性能差，围护结构传热系数远高于GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》限值，见表2。
① 燃气供暖热水炉用户
在舒适度方面，98%的用户表示满意，仅有2%的用户因燃气供暖热水炉运行期间产生的噪声感觉不太舒服。在操作性方面，99%的用户表示燃气供暖热水炉操作方便。在安全性方面，燃气供暖热水炉燃气管道安装了与可燃气体报警器联锁的紧急切断阀以及自闭阀[5]，自2017年投入运行以来，未发生一起安全事故，用户表示很安全。在烟气排放方面，所有用户均表示燃气供暖热水炉改善了室内空气环境和质量，且不会对周围环境造成影响。
② 空气源热泵用户
在舒适度方面，96%的用户认为房间升温快，比较舒适，但4%的用户表示吹风感让人不舒服。在操作性方面，100%的用户表示极易操作，随用随开，非常方便。
与城镇住宅相比，农村住宅建筑面积大，房间数量多，但实际供暖面积小。燃气供暖热水炉用户一般为农村新建住宅，50%以上的用户对两间房间进行供暖，供暖面积40~50 m2。空气源热泵用户一般只对单个房间进行供暖，供暖面积为20~25 m2。
用户工作时间灵活，主动节能意识强，实际供暖时间短。调研发现，农村供暖时间主要集中在6:00—10:00和17:00—24:00，在非供暖时间，空气源热泵处于停机状态，燃气供暖热水炉处于低温运行模式或停机状态。为防止水管冻裂，在夜间的非供暖时间，燃气供暖热水炉用户开启低温运行模式，在白天的非供暖时间，88%的用户开启低温运行模式，12%的用户关闭燃气供暖热水炉以节省支出。
由于农村居民外出活动频繁，习惯在室内穿着厚实，因此服装热阻高于城镇居民，室内热舒适温度低于城镇。调研发现，对于燃气供暖热水炉用户，80%的用户室内温度在14~16 ℃，14%的用户室内温度在12~14 ℃，2%的用户室内温度在12 ℃以下，4%的用户由于家中有小孩或老人等原因，室内温度能够达到20 ℃左右。对于空气源热泵用户，72%的用户室内温度在16 ℃以上，24%的用户室内温度在14~16 ℃，4%的用户室内温度在14 ℃以下。
燃气供暖热水炉用户2018—2022年户均供暖用气量见图5。由图5可知，户均供暖用气量先增后降，最终趋于平稳。主要原因：在清洁供暖改造初期，居民的热情高涨、政府补贴到位率较高，户均供暖用气量快速增长，2019年达到了最高值。但相比煤炭，天然气价格较高，随着政府3年补贴期满，大部分农村居民通过降低室温、缩短供暖时间等方式来减小天然气用量，降低供暖费用。
空气源热泵用户2018—2022年户均供暖用电量见图6。由图6可知，户均供暖用电量逐年增加。从统计结果来看，空气源热泵供暖费用较低，农村居民经济负担小。随着农村居民收入不断增加，供暖用电量将逐年增长。
对于本次调研对象，年供暖费0~1 000 元/(户·a)、1 001~2 000 元/(户·a)、大于2 001 元/(户·a)的燃气供暖热水炉用户比例分别为21%、42%、37%。年供暖费0~1 000 元/(户·a)、1 001~2 000 元/(户·a)、大于2 001 元/(户·a)的空气源热泵用户比例分别为68%、21%、11%。由以上数据可知，燃气供暖热水炉用户年供暖费主要集中在1 001~ 2 000 元/(户·a)，空气源热泵用户年供暖费主要集中在0~1 000 元/(户·a)。
根据《聊城市能源发展“十四五”规划》，聊城努力推动天然气实现“村村通”。到2025年，全市形成“干支贯通、脉络清晰”的天然气输送网络。主要天然气管道长度力争达到1 200 km左右，新增应急储备能力超过1 000×104 m3。
目前，山东省供电主要由火电、风电、光电、核电和外电入鲁等部分组成，电力充足。《聊城市能源发展“十四五”规划》显示，聊城全市电力总装机容量1 397.5×104 kW，约占全省的9%。其中，煤电装机容量1 233.5×104 kW，占全市总装机容量的88%。
① 风能发电
聊城属于低风速风能区域，南风向风能分布比较集中，属于Ⅳ类风资源区，地面年均风速为2.32 m/s，140 m高度风速范围为5.5~5.8 m/s，黄河北岸、徒骇河、马颊河等区域风况较好。
② 太阳能
聊城年均太阳总辐射量为4 900～5 170 MJ/(m2·a)，年均日照时间为2 323 h/a，太阳能资源处于Ⅱ~Ⅲ类区，呈西南向东北递增分布，在全省属中高水平。太阳能资源分布广泛，维护成本低，但投资较高，受日照条件影响大。在夜间太阳能供暖系统无法直接提供热能，需要使用热量储存装置及辅助加热设备来保证持续供暖。
③ 生物质能
聊城生物质资源包括农作物秸秆、林木废弃物、畜禽粪便、生活垃圾等。农作物秸秆年产量约700×104 t/a，林木废弃物年产量约200×104 t/a，畜禽粪便年产量约700×104 t/a，生活垃圾年产量约160×104 t/a。生物质能具有成本低廉和碳中性等特点，但是目前生物质直燃发电的环境效益存在争议[6]。
④ 地热能
聊城中深层地热能资源分布广泛稳定，包括5个地热田，可开发利用的地热能资源分布面积达5 408 km2，地热流体总储量2 360×108 m3，可采地热流体量约1.5×104 m3/d。地热能供暖系统的供暖效果持续稳定，且运行成本低，但需要专门技术人员进行操作和维护。
由以上分析可知，从来源分析，与天然气相比，聊城农村电力供应更加充足。除天然气、电力等能源外， 聊城农村的风能、生物质能、地热能等清洁能源比较丰富。
聊城农村清洁供暖煤改气规模大，受冬季天然气短缺和燃气企业气价倒挂的双重影响，存在较大的供气压力。为缓解冬季用气紧张，可结合聊城的资源优势，采用高效清洁供暖方式，如空气源热泵、生物质能、地热能、清洁型煤等。
① 空气源热泵
空气源热泵以室外空气作为低温热源，通过消耗少量电能，对建筑供暖[7]，平均制热性能系数为1.8~2.2，适用于经济条件较好、供暖要求较高、配套电网户均容量不低于6 kW的地区。分散式空气源热泵分热水型、热风型两类。热水型通过循环水向房间供暖，舒适性高，多个房间可同时供暖，但投资较大。热风型直接向室内输送热风，系统简单、制热快，但热舒适性差、风机有轻微噪声。目前，聊城农村住宅分散式空气源热泵用户大多数采用热风型空气源热泵，但分散式空气源热泵用户比例较小，有很大的发展空间。
② 生物质能
生物质供暖炉主要燃用由农林作物的废弃残渣（如锯末、秸秆、玉米芯、花生壳、谷糠等），经过破碎、去水、混合、压制成型生产工艺得到的颗粒状可燃物[8]。优点在于运行方便灵活，兼顾供暖炊事及生活用水，群众接受程度高以及成本较低，但需要保证充足的原料供应及必要的污染物排放控制。
③ 地热能
地热能供暖方式分为地埋管地源热泵供暖、中深层地下水供暖。
地埋管地源热泵供暖：以100~200 m的土壤（全年温度稳定在10~25 ℃）为冷热源，通过水源热泵机组满足供暖和制冷需求。适用于冬夏运行、配套电网户均容量不低于6 kW的分散式住宅、小型公共建筑。优点是热源稳定、热泵机组能效比高、运行费用低、操作简单，缺点是系统复杂、安装维护要求高。
中深层地下水供暖：地热井抽取地下深度1 000~2 000 m以下的中深层地热水，出水温度范围45~70 ℃，经过除沙、换热直接用于供暖，也可配合水源热泵实现中深层地下水热能梯级利用。
④ 清洁型煤
清洁型煤技术主要是指通过利用新型的煤炭加工、燃烧、转换技术，降低煤炭使用过程中对环境污染程度的一种技术[9]。相比于其他清洁能源，燃用清洁型煤的设备投资较少，综合使用成本也较低，但在排放方面仍存在一定的问题，可作为农村居民供暖的兜底措施。
费用年值可以综合投资和运行费用评估不同供暖方式的经济性[10]，因此本文采用费用年值对各类清洁供暖方式进行经济性评价。费用年值Z的计算式为：
① 投资
根据聊城既有农村住宅的保温性能、室内热舒适温度、供暖室外设计温度以及单户供暖面积主要分布区间，以设计供暖热负荷5 394 W进行供暖装置选型。
不同供暖装置的投资及使用年限见表3。由于目前市场上的燃气供暖热水炉热输出均比较高，因此只能选取最小热输出为18 kW的燃气供暖热水炉。供暖装置投资含供暖装置购置费及安装费，除热风型空气源热泵外，其他供暖装置的安装费不仅含供暖装置本体的安装费，还含室内供暖系统（均按2间房间供暖考虑）安装费。此外，地埋管地源热泵的安装费还包括地埋管换热器及钻孔费用。
② 运行费用
以调研得到的户均供暖用气量折算耗热量作为不同供暖装置能耗的计算基础。根据调研结果，燃气供暖热水炉用户户均供暖用气量为400 m3/a，天然气低热值取35.2 MJ/m3，燃气供暖热水炉供暖系统综合效率（考虑燃气供暖热水炉热效率及室内供暖系统输送效率）取0.9。可计算得到，户均供暖耗热量为12.67 GJ/a。
生物质燃料低位发热量取20 GJ/t，清洁型煤低位发热量取25 GJ/t。基于户均供暖耗热量，可计算得不同供暖装置的运行能耗，从而计算运行费用，见表4。表4中，除热风型空气源热泵外，其他供暖装置的系统综合效率均考虑了室内供暖系统输送效率。电价为0.576 9 元/(kW·h)，天然气气价为2.58 元/m3，生物质燃料价格为1 200 元/t，清洁型煤价格为2 000 元/t。
③ 费用年值
将已知参数代入式（1），可计算得到各供暖装置的费用年值，见表5。由表5可知，在燃料型供暖装置中，生物质供暖炉的费用年值最低，其次是清洁型煤供暖炉，燃气供暖热水炉的费用年值最高。在用电型供暖装置中，地埋管地源热泵的费用年值最低，其次是热风型空气源热泵，热水型空气源热泵的费用年值最高。考虑到聊城丰富的地热资源和充足的电力供应以及环境保护，可将地埋管地源热泵作为未来农村清洁供暖的发展方向。
① 聊城农村清洁供暖主要以燃气供暖热水炉供暖为主，空气源热泵供暖为辅。
② 农村住宅的保温性能差，围护结构传热系数远高于GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》限值。
③ 农村居民对燃气供暖热水炉供暖、空气源热泵供暖的安全便捷性认可度较高。
④ 与城镇住宅相比，农村住宅实际供暖面积小，供暖时间短，室内热舒适温度低。
⑤ 燃气供暖热水炉用户年供暖费用主要集中在1 001~2 000 元/(户·a)，空气源热泵用户年供暖费用主要集中在0~1 000 元/(户·a)。
⑥ 考虑到聊城丰富的地热资源和充足的电力供应以及环境保护，可将地埋管地源热泵作为未来农村清洁供暖的发展方向。
