面向室内温度约束与生命周期成本的吉林省农村清洁供暖系统性能及区域适用性研究

《Buildings》：Research on the Performance and Regional Applicability of Rural Clean Heating Systems in Jilin Province, China

　　

吉林省农村供暖改造需要兼顾区域条件、家庭成本与室内热条件。本研究将276户农村家庭调查与TRNSYS（TRNSYS）多区模拟（multizone simulations）相结合，评估中国延吉、长春和白城五种供暖配置。调查结果为案例选择提供依据，模拟则在4392 h供暖季内评估能耗、室内温度、太阳能贡献和生命周期成本（life-cycle cost, LCC）。在所采用的运行条件下，延吉地板供暖配置的生物质消耗较其散热器对应配置低8.2%，长春地板供暖配置的用电量较其散热器对应配置低13.0%。上述降低与较低室内温度同时出现，因此反映的是完整系统配置与控制的差异，而非单独末端类型的差异。在白城，有用太阳能供热（useful solar heat）占季节供热量的28.3%，但在最冷月份生物质仍是主要热源。15年折现成本介于USD 5411至USD 11,127，敏感性分析识别出相对安装成本是经济排序的关键决定因素。通过将家庭调查证据与能源、经济和逐时温度（hourly temperature）评估相联系，本研究为考虑当地能源可获得性、家庭成本和所提供室内热条件（indoor thermal conditions）的区域供暖决策提供依据。

研究背景方面，中国北方农村供暖改造面临居住分散、家庭预算有限和当地能源供应差异等问题；既有综述和家庭研究已表明设备效率不足以单独支撑技术选择，围护结构、供暖时间表、运行控制、投资与运行假设均会影响结果。既有研究多集中于其他建筑存量、气候和运行假设，或只关注年度能量平衡，难以为吉林省本研究所涉及的生物质与热水系统提供直接性能基准。因此，研究人员将276户调查与小时级多区模拟和生命周期成本分析结合，使各配置实际提供的逐时室内温度成为解释节能与成本的基础，并识别热性能、运行和财务条件对农村供暖改造适用性的影响。

研究人员于2025年12月4日通过当地社区群发放匿名在线问卷，获得276户农村家庭非概率样本，东、中、西部吉林各半，调查住宅条件、供暖方式、室温、支出、补贴与更换偏好，并据此选择本地案例。采用TRNSYS 18多区模拟，以101.62 m²总建筑面积、6个供暖区共82.54 m²的住宅原型，在延吉、长春、白城设置五种配置：延吉生物质散热器/地板供暖，长春空气源热泵（air source heat pump）散热器/地板供暖，白城太阳能辅助生物质地暖；Meteonorm 8.0.2.24236提供气象，供暖期4392 h，步长0.125 h，评估能源、室温、太阳能贡献与生命周期成本（life-cycle cost, LCC）并进行敏感性计算。

3.1.1 区域供暖需求及其房间分布：基于统一住宅原型和逐时气象的理想需求计算显示，延吉、长春、白城季节需求分别为11.15、11.40、12.58 MWh，采样小时峰值分别为5.21、5.65、5.87 kW；白城分别比延吉和长春高12.8%和10.4%，长春季节需求仅比延吉高2.2%，但采样峰值高8.5%。单位供暖面积需求分别为135、138、152 kWh/m²。客厅总需求最高但单位面积需求最低，浴室强度最高，分别为204、213、236 kWh/m²；总需求与需求强度描述不同方面，末端选型还需结合同时峰值负荷和运行条件。

3.1.2 季节能耗与运行支出：基于购买能源与月度支出的模拟，YJ-R（延吉散热器）消耗生物质3784 kg和泵电61 kWh，支出USD 253；YJ-F（延吉地板供暖）消耗3473 kg和89 kWh，支出USD 234，生物质少8.2%、支出少7.5%、泵电多28 kWh，锅炉输出由11.77降至10.80 MWh；因锅炉效率固定，燃料降低反映采用控制下产热减少，而非锅炉转换效率提高。长春CC-R（散热器）用电5936 kWh，CC-F（地板供暖）为5164 kWh，降13.0%；支出由USD 355降至308，降13.2%；热泵输出由12.13降至11.59 MWh，降4.5%；电耗降低结合热输出降低与模拟转换性能提高，且控制、容量、缓冲体积和水温不同，不能单独归因于末端。BC-SF（白城太阳能辅助生物质地暖）消耗生物质2852 kg和电137 kWh，支出USD 196，为五种配置中最低。

3.1.3 室内热条件与系统效率：逐时室温模拟显示，季节面积加权平均室温为YJ-R 18.1 °C、YJ-F 16.9 °C、CC-R 17.9 °C、CC-F 17.1 °C、BC-SF 16.9 °C；两个散热器案例均无小时区域均值低于16 °C，而YJ-F、CC-F、BC-SF低于16 °C的区域小时比例分别为12.9%、8.6%、14.0%，即3404、2263、3700个区域小时（总计26 352个区域小时）。地板供暖案例呈12月至2月反复清晨降温、午后恢复，最冷7天中散热器接近18 °C，地板供暖反复接近或低于16 °C。长春热泵性能系数（coefficient of performance, COP）随外温升高，CC-F在可比外温下一般较高；季节源侧季节性能因子（seasonal performance factor, SPF）为CC-R 2.09、CC-F 2.29，增9.6%，系统SPF分别为1.99和2.19。热泵运行集中于负温，最大累计运行时间在约?12.5 °C温度箱；CC-F较高COP和SPF与运行水温影响一致，但也伴随较低室温，故不构成地板供暖独立效率优势。共同COP降低10%和20%的敏感性计算中，CC-F仍保持较低用电和较高系统SPF，但除霜频率与瞬态能力损失需单独动态评估。

3.1.4 太阳能贡献与储热运行：BC-SF模拟给出锅炉与太阳能罐联合供热12.367 MWh，其中锅炉8.871 MWh（71.73%）、太阳能罐3.496 MWh（28.27%）；12.86 m²集热器开口接收11.396 MWh，净进入浸没盘管4.336 MWh，占38.05%，太阳能罐交付为净盘管输入的80.62%。有用太阳能分数12月为12.1%、1月16.7%、2月32.7%、3月61.9%，4月部分时段达89.0%；太阳能可用性与冬季峰需求错配，最冷月生物质仍为主源。1月和3月72 h比较显示，1月太阳得热限于白天且锅炉满足较多需求；3月较强太阳得热提高罐温并延长供热，储罐主要作为日内缓冲。太阳能可在收集和罐温允许时降低锅炉需求，生物质承担剩余负荷。

3.2 生命周期成本与敏感性分析：在5%实际折现率、15年基准下，YJ-R、YJ-F、CC-R、CC-F、BC-SF的折现成本分别为USD 5641、5411、11127、8156、6352，等额年成本（equivalent annual cost, EAC）分别为USD 543、521、1072、786、612。YJ-F较YJ-R低约USD 229（4.1%），折现能耗解释约85%差异；长春差异为USD 2971（26.7%），初始成本解释约76%、维护约8%、折现能耗约16%，对相对安装价格尤其敏感。等资本成本计算中，能耗差异在延吉约USD 196、长春约USD 487；地板供暖资本溢价约USD 177或USD 441可抵消该运行成本差。独立资本变化可逆转基线排序，而对每对配置施加共同市场倍数时，648个场景中地板案例仍保持较低成本。白城中3.496 MWh有用太阳能相当于约1124 kg生物质，BC-SF较本地生物质参考的2852 kg对3975 kg形成约USD 74燃料节省，但太阳能设备增加资本USD 928–1109，计入增量维护和太阳能泵替换后15年折现额外成本为USD 276–559，故在假设价格和期内未回收增加投资。

3.3 区域启示与研究局限：讨论部分指出，延吉生物质供暖适用于可保障可靠燃料供应和维护的情形；散热器配置提供更暖条件，地板供暖在较低室温下降低模拟燃料。长春热泵需结合围护结构、运行水温和寒冷天气容量评估，CC-F优势需在共同室内温度和核实安装成本下重估。白城太阳能辅助可替代部分锅炉热，但仲冬备用容量仍必需。研究局限包括仅一个住宅、每城一个代表性气象序列；模型审计保证编码输入和能量汇总一致性，独立现场验证和时间步长敏感性仍需测试；理想需求与耦合计算保留有效热容和地板构造，需单独运行量化性能数据限制和辐射处理影响；未来应结合占用与活动安排供暖和调温，评估可编程室温控制、无人时退温（setback）和选择性房间供暖，并使地板供暖日程考虑热惯性；围护改善和适宜运行水温亦为选项。经济筛选应在明确所需室内供暖服务后进行，低成本若伴随较低室温不一定意味着改进。

研究结论部分译文：本研究将276户农村家庭证据与逐时TRNSYS模拟及吉林省五种供暖配置的生命周期成本分析相联系，其贡献在于将能耗和家庭支出与实际提供的室内温度相联系。得出三项发现：在所采用控制下，延吉地板供暖生物质消耗较对应散热器配置低8.2%，长春地板供暖用电低13.0%；然而，两个地板供暖案例中低于16 °C的温度分别占区域小时的12.9%和8.6%，而两个散热器案例均未记录此类暴露。不同温度目标和控制死区意味着这些节约表征完整运行配置，因此实际达到的室内温度对于解释其能源性能至关重要。白城太阳能供热占季节供热的28.27%，但12月和1月分别降至12.1%和16.7%，生物质在冬季峰值需求期间仍是主要来源；这种季节错配确立太阳能辅助在太阳可用时降低锅炉需求的作用，并表明最冷月份仍需辅助容量。在基准假设下，地板供暖配置15年折现成本在延吉低4.1%、在长春低26.7%；相对安装成本变化可逆转这些排序。白城有用太阳能供热相当于约1124 kg生物质，但在假设价格下额外太阳能投资未在15年内回收；燃料替代与投资回收需分别评估。对农村供暖改造而言，这些发现支持按所需室内条件选择末端、结合当地电价和安装成本评估热泵，并围绕冬季辅助需求确定太阳能辅助系统容量。