农村家庭能源消费与节能分析

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摘要：根据农村家庭能源消费情况，对农村家庭能源利用情况、用能效率情况进行了分析；并针对农村家庭能源利用效率低下的情况，提出了农村家庭在炊事、取暖、家电、热水用能等方面确实可行的节能措施，并进行了节能潜力分析，为农村家庭节能改造提供借鉴和参考，促进农村家庭高效利用能源。

关键词：能源消费;热效率；节能量；热泵；太阳能能源

作为国民经济发展基础性的物资、工业的血液，为我国经济社会的可持续性发展做出了积极贡献。节能作为我国的一项长期战略决策，有效促进了科学合理利用能源，能源利用效率的提高。特别是自“十一五”计划以来，我国加大了节能工作的力度，实行节能目标责任制考核，节能事业得到前所未有的发展，全国单位GDP能耗由2005年的1.22吨标准煤/万元下降为2018年的0.52吨标准煤/万元，能源利用效率大大提高。多年来，国家通过法律、政策、税收等手段，鼓励企业进行节能技术改造，企业节能自觉性、积极性得到极大提高，企业能源利用效率提高，生产成本下降，市场竞争能力进一步加强；同时，通过各种宣传培训，全社会节能意识增强，自觉性提高，形成了全民共同节能、共创低碳生活的良好氛围。在农村，国家虽然对农村能源发展做出了许多战略部署，颁布了相关法律法规，促进了农村能源事业的发展，为农村能源革命、环境保护和美丽乡村建设做出了重大贡献。但是，由于广大农村相对城市来讲，信息封闭，缺乏相应的节能技术，导致农村能源利用效率低下，节能事业发展落后，严重影响了新农村建设的进一步发展。

1农村家庭能源消费

1.1农村家庭能源消费现状。农村能源[1]消费作为我国能源消费的重要组成部分，随着人民生活水平的不断提高，农村能源消费也随之快速增长。根据相关统计，从2000年到2016年，农村能源消费总量从1.46亿吨标准煤增长到3.17亿吨标准煤，年平均增长5.05%。其中农业生产用能从0.39亿吨标准煤增长到0.85亿吨标准煤，年平均增长5.15%；农村生活用能从1.07亿吨标准煤增长到2.32亿吨标准煤，年平均增长5.03%。尽管农村用能增长较快，但生产用能和生活用能的比例未发生大的变化，一直维持在30%和70%的比例左右。一个普通农村家庭的年能源消费量为1117千克标准煤（不含交通）,其中生物质能(畜禽粪便、柴薪、秸秆)消费686千克标准煤（占家庭能源消费量的61%），煤炭消费169千克标准煤（占家庭能源消费量的15%），电力消费119千克标准煤(占家庭能源消费量的11%)，液化石油气消费79千克标准煤(占家庭能源消费量的7%)，热力消费36千克标准煤(占家庭能源消费量的3%)，太阳能消费18千克标准煤(占家庭能源消费量的2%)、管道气消费10千克标准煤(占家庭能源消费量的1%)，农村家庭能源消费种类如图1所示。农村家庭主要的能源消费分布为炊事消费493.14千克标准煤(占农村家庭能源消费分布的44%)，室内取暖消费491.56千克标准煤(占农村家庭能源消费分布的44%)，家电消费65.51千克标准煤(占农村家庭能源消费分布的5.9%)，热水消费63.65千克标准煤(占农村家庭能源消费分布的5.7%)，制冷消费3.29千克标准煤(占农村家庭能源消费分布的0.3%)[2]，农村家庭能源消费分布如图2所示。1.2农村家庭能源利用情况分析。从我国农村家庭能源消费分布图可以看出，农村家庭能源消费主要集中在炊事消费、取暖消费、家电消费和热水消费上，其中炊事能源消费和取暖能源消费占家庭能源消费额的88%。是农村家庭能源消费的重中之重。目前农村绝大多数家庭炊事仍然使用老式土灶，而且使用能源多为生物质能源(畜禽粪便、柴薪、秸秆)和煤炭。该种土灶不仅能源利用效率低，据测试其热效率仅为12.38%[2]，而且排放大量的粉尘和二氧化碳，造成环境的严重污染。在北方部分省区，采用传统的灶炕的方式进行炊事，即在炕的一端设置锅灶的灶炕。灶炕由锅灶、炕体、烟囱等3个部分组成。燃料在灶内燃烧，产生的烟气经过炕直接排出室外，由于使用时为了通风助燃，灶炕门始终开启，烟气流速较快，传热效率低。而且烟气中大部分可燃物在尚未被燃尽时即被排放，造成燃料浪费的同时，又造成了污染。即便将炊事与取暖相结合的灶炕，其热利用效率也只有30%多，能源使用效率较低。除北方部分省区采用灶炕进行取暖外，我国大部分农村家庭主要采用普通火炉或电取暖器等取暖。取暖炉暴露在空气中，无介质进行热交换，直接通过消耗能源产生的热量取暖，热利用效率低。同时普通火炉直接燃烧生物质燃料和煤炭，产生的烟尘直接排放，造成空气极大的污染。农村家庭家用电器主要有电视机、电冰箱、洗衣机、电磁炉、电饭煲、照明灯具等，这些家用电器，国家有相对应的能源强制性能效标准，电器产品一经出厂，均符合国家相关能源强制性能效标准的要求，能源利用效率都比较高。例如电磁炉的热效率为85%~90%[4]，燃气灶热效率51%~68%[5]，电饭锅热效率68%~90%[6]。照明方面，目前农村家庭照明光源以白炽灯和节能灯为主。其中白炽灯发光效率为5~15lm/W，家用节能灯发光效率为33~72lm/W[7]。农村家庭热水方面。目前主要有3种加热热水方法，分别是锅灶加热热水、电热水器加热热水、太阳能加热热水。其中用锅灶加热热水效率最低，如用老式土灶加热热水，其效率仅为12.38%；根据《储热式电水器能效限定值及能效等级》（GB21519—2008），电热水器实际热水输出量与额定容量的比率为50%~70%[8]，电能利用效率较高；根据《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》（GB26969—2011），家用太阳能热水系统日有用热量与标准规定值之比为0.1~0.5[9]。太阳能热水器虽然太阳能利用效率较低，但太阳能为可再生资源，不需要消耗能源，同时太阳能又是清洁能源，无污染物排放，不会对环境造成污染。

2农村家庭节能潜力分析

针对目前农村家庭能源利用效率低，相关节能技术缺乏的问题，结合农村家庭主要能源消费的领域，提出以下节能措施和节能潜力分析。2.1炊事节能。（1）针对使用老式土灶的农村地区，推广使用省柴节煤炉灶。省柴节煤炉灶具有以下优点。①增加了底部通风道，可使空气通过底部通风道进入炉灶内，并通过燃料层与燃料调和均匀，提高燃烧效率。②适当地缩小了添柴口、炉灶膛、进烟口及吊火高度，这样做可使炉灶火焰集中，提高炉灶膛内温度，使火焰在炉灶膛内停留时间加长，增大燃烧热辐射效果。③增设炉灶门、挡火圈和炉灶喉眼插板，可减少从炉灶门处损失的热量，并使火苗稳定，而高温烟气和火焰在炉灶内形成缓流，并直接扑向锅底，增大锅底的受热面积，以延长火焰和高温烟气在炉灶膛内的停留时间，达到节省燃料、提高热效率的目的。省柴节煤炉灶改造简单，价格合适，性价比较高，广大农村地区易于推广使用。经过改造，炉灶热效率可由12.38%提高到25%[10]，按全国30%的农户炊事进行省柴节煤炉灶改造，则其潜在节能量[11]如下：ΔE=(1-ηz0/ηz1)×Ez0×k（1）式中：ΔE——炊事的节能量（吨标准煤）；ηz0——改造前单台炉灶热效率（%）；ηz1——改造后单台炉灶热效率（%）；Ez0——改造前炊事年能源消耗量（吨标准煤）；K——改造比例（%）。带入数据，得：ΔE=（1-12.38%÷25%）×2.32×44%×30%=1546万吨标准煤。（2）针对有条件的农村地区，推广使用沼气。建设沼气池，可以将农村的各种秸秆用作沼气池的原料，经过沼气池的发酵，产生沼气，同时原料秸秆经过发酵后变成农家肥料用于农业生产，沼气只是作为副产物用于炊事，不消耗任何原材料，是一种清洁的能源。按我国5%的农户使用沼气，则其节能潜力为：ΔE=2.32×44%×5%=510万吨标准煤。（3）在广大农村地区积极推广电炊（如电磁炉、电饭锅等）做饭，提高炊事的能源利用效率，同时又减少了对环境的污染。使用电磁炉进行炊事，农户灶热效率由12.38%提高到85%，按全国10%的农户使用电磁炉进行炊事，则其节能潜力如下：ΔE=(1-ηd0/ηd1)×Ed0×k（2）式中：ΔE——炊事的节能量（吨标准煤）；ηd0——改造前单台炉灶热效率（%）；ηd1——改造后单台电磁炉热效率（%）；Ed0——改造前炊事年能源消耗量（吨标准煤）；k——改造比例（%）。带入数据，得：ΔE=（1-12.38%÷85%）×2.32×44%×10%=872万吨标准煤。（4）推广使用液化石油气，使用燃气灶，能源使用效率可以从老式土灶的12.38%提高到51%，按全国5%农户使用液化石油气和燃气灶，则节能潜力如下：ΔE=(1-ηq0/ηq1)×Ed0×k（3）式中：ΔE——炊事的节能量（吨标准煤）；ηq0——改造前单台炉灶热效率（%）；ηq1——改造后单台液化石油气灶热效率（%）；Ed0——改造前炊事年能源消耗量（吨标准煤）；k——改造比例（%）。带入数据，得：ΔE=（1-12.38%÷51%）×2.32×44%×5%=387万吨标准煤。2.2室内取暖节能。（1）对于北方部分省区使用炕灶的特点，推广使用高效节能架空炕，节能架空炕与老式炕相比，具有以下优点[12]。①提高热能利用率：火炕底部架空，取消底部垫土，增大散热面积，使炕体由原来的一面散热变成两面散热。高效节能架空炕由于采用较大面积的炕板，只有少数几个支撑点，取消了前分烟和落灰膛，使流通截面积增加了30%以上，有效降低了烟气流速。②提高炕面均温性能：取消了炕体人为设置的炕洞阻隔，使换热过程在整个炕体内而不是在各个局部炕洞内进行，消除了炕洞之间温度不均匀的问题。由于消除了前分烟及各种阻挡形成的烟气涡流，仅在排烟口前设置阻烟墙，保证了烟气充满整个炕体，使得炕面温度更趋均匀。③提高保温性能：高效节能架空炕内部为1个空腔，由灶门、喉眼、排烟口和烟囱形成一个没有阻挡的通畅烟道，为了增加烟气停留时间，架空炕在排烟口处安装烟插板；同时又在灶门处安装铁灶门。当停火后关闭烟道插板和铁灶门，使整个炕体形成一个封闭的热力系统。延长了炕的散热时间。同时，炕体保温蓄热性能通过抹炕面材料厚度来调节热容量的大小，保证了抗体的保温效果和炕面温度的均匀。在我国北方省区，应大力推广高效节能架空炕改造，该改造价格合适，性价比较高，易于推广使用。经过改造，炕热效率由37.1%提高到66.8%[13]，按全国30%的农户使用炕取暖，对30%的炕取暖家庭进行节能改造，则其潜在节能量如下：ΔE=(1-ηk0/ηk1)×Ek0×k1×k2（4）式中：ΔE——室内取暖的节能量（吨标准煤）；ηk0——改造前单台炕热效率（%）；ηk1——改造后单台炕热效率（%）；Ek0——改造前室内取暖年能源消耗量（吨标准煤）；k1——炕取暖占家庭室内取暖的比例（%）；k2——改造的比例（%）。带入数据，得：ΔE=（1-37.1%÷66.8%）×2.32×44%×30%×30%=408万吨标准煤。（2）在我国经济条件较好的地区，推广使用热泵技术进行农村室内采暖。随着节能环保的呼声越来越高，在家庭采暖方面，传统的取暖炉，燃煤、燃油以及电锅炉因能耗过高逐渐被市场淘汰，热泵采暖以其高效节能、绿色环保、安全节约等优点正在掀起一场采暖行业革命。目前，空气源热泵和地源热泵采暖应用最为广泛。通常热泵消耗1kWh的能量，用户可得到4kWh以上的热量或冷气。空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术，是一种可以替代锅炉的供暖设备。空气源热泵采暖是目前世界上最先进的产品之一，以制冷剂为媒介，制冷剂在风机盘管中吸收空气中的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，来制取热水，热水通过水循环系统送入用户散热器进行采暖或直接用于热水供应，整个系统集热效率极高。地源热泵主要以土壤、地下水或地表水为（冷）热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地能分别在夏季作为制冷的冷源，冬季作为热泵供热的热源：夏季，地源热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现空调制冷；冬季，地源热泵机组从地源中吸收热量，向室内供暖。地源热泵也是一种集空调、供暖及生活热水于一体的高效节能舒适家居系统。热泵制冷和供热流程如图3所示。用热泵取暖代替电取暖器取暖，其热利用效率是电取暖器的4倍，节能率为75%，按全国5%的农村家庭取暖改为热泵取暖，那么可节约能源2.32×44%×5%×75%=383万吨标准煤。2.3家电节能。农村家庭家电使用方面，由于我国多数家电国家有相关的强制性能效限额要求，因此只要是合格产品，其用电效率都比较高。目前，我国家电产品能效分为3个等级和5个等级。其中1级能效用能效率最高，3级（或5级）能效用能效率最低。农村家庭在选购家用电器时，应尽量选择能效较高的家用电器，提高电能利用效率。农村照明方面，农村家庭使用较多的光源白炽灯、节能灯。到目前为止，家庭照明光源效率最高的为LED照明光源，其发光效率可达60~120lm/W[14]。几种常见家庭用照明光源相关参数对比如表1所示。从表1可以看出，以白炽灯发光效率10lm/W，LED灯发光效率90lm/W计，LED灯的发光效率是白炽灯9倍，节电率达89%。因此，在使用白炽灯作为照明的广大农村地区，推广使用LED灯，不仅可以节约大量的照明用电，还可以延长照明光源的使用寿命。按全国农村家电用能的10%为照明用电，30%照明光源由白炽灯更换为LED灯，则全国农村家庭年可节约照明用能2.32×5.9%×10%×30%×89%=365万吨标准煤。2.4热水节能。太阳能，一般是指太阳光的辐射能量，太阳能利用的基本方式可分为光热利用、光电利用、光化学利用、光生物利用等4类。太阳能热水器是太阳能的光热利用，太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，以真空管式太阳能热水器为主，占据国内90%以上的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。太阳能是一种可再生能源，同时又是一种清洁能源，太阳能利用不仅不消耗能源，同时也不会污染环境。目前太阳能热水器已经是一种成熟可靠的工艺技术设备，已经得到很好的应用，应在广大的农村地区加大推广应用。以现阶段5.7%农村家庭能源消费用于热水计算，全国农村增加20%的家庭热水利用太阳能热水器，则年可节约能源2.32×5.7%×20%=264万吨标准煤，节能潜力巨大。2.5太阳能发电。目前，分布式屋顶太阳能发电技术已经蓬勃发展，并在很多地方进行了成功的应用。农村具有丰富的屋顶资源，可以利用农村丰富的屋顶资源进行分布式太阳能光伏发电。农户的屋顶太阳能光伏发电，除满足农户自身的用电需求外，多余的光伏发电还可以输送给电网。8kW以内的光伏电站，可以220V的电压等级并入电网，8~400kW的光伏电站可以380V电压等级并入电网[15]，光伏发电并网比较方便。我国太阳能资源比较丰富，2/3以上地区年日照时数大于2000h，年辐射量5000MJ/（m2•a），即1389kWh/（m2•a）以上。全国各地太阳辐射总量在3300~8400MJ/（m2•a），即917~2333kWh/（m2•a），具体如表2所示,具有很高的利用价值[16]。太阳能光伏电池板主要有单晶硅光伏电池板，多晶硅光伏电池板和薄膜光伏电池，应用最多的为单晶硅和多晶硅光伏电池板，根据我国《光伏制造行业规范条件》（2015年本）要求：新建和改扩建光伏制造企业单晶硅电池光电转换效率≥20%、多晶硅光伏电池光电转换效率≥18.5%。以农村每户家庭分布式屋顶太阳能光伏发电面积50m2，按太阳能年辐射量1389kWh/（m2•a）、年平均日照时数2000h，光伏电池光电转换效率20%计算，则每户家庭年可实现光伏发电13890kWh，光伏发电功率为6.9kWp，节能潜力显著。E=Qf×M×η（5）式中：E——光伏发电量（kWh）；Qf——太阳年辐射量（kWh/m2a）；M——农户屋顶光伏发电面积（m2）；η——光伏发电转换效率（%）。带入数据，得：E=1389×50×20%=13890kWh/a。

3结语

我国农村家庭能源消费相对比较简单，能源消费品种主要为生物质能源、煤炭、电力、液化石油气、管道气、太阳能等，能源消费主要集中在家庭炊事、家庭室内取暖、家用电器用电、热水用能以及家庭制冷用能等方面。尽管农村家庭总体上能源利用效率较低、污染较大，但农村家庭能源利用存在较大的节能潜力，为此，应根据各个家庭的实际情况，从农村家庭在炊事用能、取暖用能、家电用能、热水用能和太阳能光伏发电等方面采取确实可行的节能措施，进行节能改造，促进农村家庭提高能源利用效率、降低能源消费成本、降低能源消费对环境的污染，保证农村经济和社会的可持续发展。

作者:韩永明 韩少卿 单位:1.云南省节能监察中心 2.四川省国土空间规划研究院