西北寒冷地区农村用能现状调查与分析西北寒冷地区典型村镇能源结构调研及分析

西北寒冷地区农村用能现状调查与分析西北寒冷地区典型村镇能源结构调研及分析

0区域能源消费结构现状中国是一个拥有9亿农村人口的农业大国。农村地区的生活能源是建设新农村、实现繁荣与繁荣的重要前提。作为整个国家能源体系中的重要组成部分,中国农村地区家庭能源供应和消费对农村社会、经济及生态环境的发展有很大的影响。甘肃为典型的西北寒冷地区,属退耕还林区,资源匮乏,农村生活能源短缺,过度依赖生物质能。目前当地农村使用的生活能源种类包括作物秸秆、畜粪等生物质能和煤炭、电力、液化气以及由生物质能转换来的沼气等新能源。本文以甘肃省通渭县常家河镇为对象,对村镇能源消耗现状及资源状况进行实地调研,通过分析、计算,得出当地用能结构,同时,与同纬度东部村镇用能情况对比及分析,得出当地用能特点,提出能源消费结构的转变方向。最后归纳出西北寒冷地区典型农村的低成本、可持续发展的用能模式。1调研样本选取及调研过程常家河镇,属黄土高原山区,自然经济条件落后,当地能源资源类型、地理环境特征、农户经济水平、村落的特点、能源用途和结构无太大差别,故选取整个常家河镇作为调研样本。本次调研通过广泛座谈,发放调查问卷300份,回收有效问卷292份进行分析。常家河镇总面积148km2,平均海拔1590m,耕地面积123685.2hm2,全镇7408户,共计36179人,每户4.88人,人均2260m2。粮食作物播种面积为70000hm2。农民主要经济来源为外出打工、农业及养殖业,年人均纯收入1850元。2常家河市的能源利用常家河镇村镇生活用能方式主要包括炊事、照明、采暖及家用电器。2.1使用煤炭作为程序能源的必要性常家河镇秸秆资源丰富,农户主要靠直接燃烧秸秆炊事,部分农户使用煤炭,少部分农户使用沼气作为炊事能源,因常家河镇地处西北,冬季偏冷,沼气池无法产气,故沼气用户每年冬季约3个月需使用煤炭作为炊事能源(见表1)。2.2发电一次能源能耗农户通常使用灯具功率为60W,照明时间按照每天4h计算,灯具同时使用系数约为30%。将电力消耗转化发电一次能源能耗,当前电厂的平均发电效率为37.5%,扣除电场用电和输电损失,到用户约为30%。按照每户3台灯具,则每户全年照明能耗为946.08MJ。2.3电化学的使用日常家用电器包括彩电、电炉、洗衣机、鼓风机等。彩电按照每天使用3h;电炉每天使用1h;洗衣机全年约使用25次,每次1h(见表2)。2.4当前供暖利用常家河镇所有农户都自行采暖,主要使用煤炭,每户采暖期3个月耗煤量约为600kg。每户全年采暖能耗约为12588MJ。3西北冷杉地区和东冷藏冷地区典型村庄的能源消耗结构的比较分析3.1常家河镇能源系统现状通过对常家河镇实地调研及以上所做的能源消费估算,可得常家河镇农民生活能源消费结构,与同纬度东部山东省泉源乡清泉村生活能源消费结构对比如表3、4。由表3、4看出,东西部寒冷地区居民能耗区别很大,西部传统能源的消费占绝对主导地位,地域用能特点鲜明,而东部高品位能源及清洁能源的使用占据一定比例,通过能源终端用途、能源消耗种类、新能源使用情况对比得出:(1)按照能源终端用途,常家镇用能结构相对简单,由于地理气候原因及生活习惯,几乎无洗浴热水及夏季制冷消耗,炊事及取暖能源占总能耗的87.54%,而清泉村只占58.58%;常家河镇的户均家用电器耗能量较清泉村少。(2)按照能源消耗种类,常家河镇煤炭的使用占据总能源的63.63%,用于取暖煤炭能量几乎占据总能源的50%,而清泉村煤炭使用占总能源38.99%,用于取暖的煤炭能量只占总能源的25%左右;秸秆使用量常家河镇相对清泉村较少;户均液化气及用电量常家河镇比清泉村较少。(3)尽管新能源(包括风能、太阳能、沼气)得到前所未有的重视,对于传统能源也有一定的替代作用,但在农村能源总消耗中所占比例依然很小。常家河镇沼气用户只占5%,清泉村为10%;太阳能利用方面,常家河镇太阳能灶主要用于加热饮用水,居民拥有率基本为100%,户均全年利用热量仅为1.23MJ,可忽略不计;清泉村则为太阳能热水器,提供洗浴热水,拥有率为10%。3.2两家河镇能耗及环境特征通过对比可以发现,常家河镇用能方式较为落后,长期以来用能结构仍然较为单一,能源利用效率比较低,只有新能源沼气,在政府的扶持下,使用量在总能源使用量中的比重逐年有所提高,造成东西部寒冷地区用能结构差异主要原因如下:(1)气候及地理环境因素:常家河镇属典型的黄土高原山区,海拔在1600m左右,而清泉村最高海拔仅580多米,虽然两村镇出于相同纬度,但常家河镇夏季较为凉爽,几乎无制冷能耗,冬季较为寒冷,取暖率达到100%,能耗明显高于清泉村。同时,西部较东部气候更加干冷,属于干旱半干旱地区,几乎无热水洗浴能耗,而清泉村的热水能耗占总能耗17.03%。(2)经济及社会环境因素:常家河镇年人均纯收入1850元,清泉村人均纯收入为3420元,两村镇大部分都使用无成本秸秆,常家河镇最主要的能源开支来自于相对经济且易于就地取材煤炭,对电的依赖性较少,虽然人民生活水平在不断的提高,但常家河镇能源消耗主要只是解决温饱问题,大部分农户尚无经济实力改变其能源消耗结构。而清泉村液化气、太阳能热水器、电等高品位、清洁能源的使用正在逐年提高。(3)交通及居住环境因素:常家河镇地处山区,山路多为土石,交通运输极其不便;农户以社为单位,居住较为分散,最大的社也就100户、400多人口,从而提高液化气、天然气等商品能源的运输及输配成本。3.3降低冬季采集及使用能,减少煤炭的使用量由常家河镇用能结构现状、特点及原因,可以发现,北方寒冷地区,冬季取暖及炊事为主要用能方式,煤炭的使用更是达到生活总用能的63.63%,因此,降低冬季取暖及炊事用能、减少煤炭的使用量将是西北寒冷地区用能结构改进的重点内容。4常家河市可估算能源成本4.1粮食秸秆生物燃料饲料外常家河镇农作物主要包括小麦、玉米、马铃薯、豆类、胡麻、糜谷、苜蓿等。目前,农作物秸秆,除用于还田造肥、手工编制材料、造纸等工业原料和畜牧饲料外,剩余部分都可以作为燃料使用。其产量通常依据农作物的产量,借鉴已有研究提供的RPR(谷草比系数)选择方法,并考虑不同农作物的地理分布和当地调研经验,得出当地各种农作物的谷草比,农作物总产量乘以各种不同作物的谷草比得到作物秸秆总量,常家河镇主要农作物种植情况以及谷草比见表5。由上面的数据可以看出,按照表7谷草比的比例计算,常家河镇每年作物的秸秆量约为44454t,总资源量相当于19010tce。4.2微生物指标的制备通渭县主要有牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡等家畜,但实际能应用于沼气制备的家畜只有牛、猪和鸡粪;马、驴、骡及羊粪主要用于冬季取暖时填炕(见表6、7)。根据上表估算全镇粪便每年可产沼气330万m3,总资源量相当于2356tce。4.3内6月份除除光速时长全镇多年平均日照时数在2200~2430h,年日照百分率为50%~55%,年内以6月份日照时数最多,在242.8~243.2h,日照百分率为56%;9~10月日照时数较少,在140.1~170.8h,日照百分率为38%~49%;年太阳辐射量在5352~5728MJ/m2,相当于185kgce燃烧所发出的热量。5常家河市可利用可行性方案和优化能源5.1秸秆气化利用高效秸秆经过气化后,生成可燃气体,可用于农村居民的炊事及采暖。直接燃烧秸秆的炉灶效率最高的也仅有12%~15%,而秸秆气化效率为70%~75%,燃烧使用效率可达50%~60%,因此,秸秆气化综合效率可达35%~45%。一般1kg秸秆可产生2m3气化气,燃气热值在4200~7560kJ/m3之间。秸秆气化技术将减少农民用能开支,提高农民生活质量,减少环境污染。同时为替代化石燃料和减轻化石燃料大量使用所带来的环境污染提供了有效途径。目前秸秆发电方式主要有气化发电和直燃发电两种方式。由于秸秆发电成本约为煤炭发电的1.5倍,在村镇应用受到一定限制。5.2可燃性气体沼气是指在厌氧条件下,人畜粪便、秸秆、污水等有机物在密闭的沼气池内,被种类繁多的沼气发酵微生物分解而产生的一种可燃性气体。沼气技术已经在我国农村得到推广,主要利用人畜粪便发酵产生沼气,为农户提供炊事能源。沼气热值较高,热效率稳定,发热量一般为20800~23600kJ/m3,可以为农民提供稳定能源,并且改善农村卫生条件及生态环境。5.3太阳能热泵利用对于太阳能资源的开发利用,主要为光热利用、光电利用、光化利用和光生物利用,集热器已成为我国太阳能应用最广泛、产业化最迅速的产业之一,太阳能热水器在城市及经济相对发达农村都得到了很好的利用。同时,为满足寒冷地区农村冬季采暖需求,也有专家提出了太阳能地板辐射采暖,是一种农村采暖要求的新型采暖方式。5.4不同用户使用情况根据测算和走访可知,西北寒冷地区农作物秸秆用作饲料、还田约占2/3,剩余的1/3用作炊事能源或被闲置,常家河镇年产秸秆44454t,户均6t,实际可作为秸秆气化的秸秆为2000kg左右,可产生20000MJ的能量,在满足取暖能源需求的同时还可满足部分炊事需求,结合当地居民分布情况,可建立适当规模的秸秆气化集中供气站,直接供气提供炊事及采暖需求。常家河人畜粪便年产沼气330万m3,每户年均沼气产出能量为9801MJ,既无法满足全年炊事需求,也无法满足取暖需求,同时由于冬季12月、1月、2月天气较为寒冷,沼气池大部分无法正常工作产气,沼气建设需要和其他用能方式相结合,不适合独立使用。太阳能利用如热水器,由于当地生活环境及习惯,短期内难以利用,在现有的经济技术条件下,主要使用太阳灶,全年可利用的日数为220d,其利用潜力按每户1台太阳灶计算。根据当地设计与制作的采用反光薄膜的普通聚光太阳灶,烧水供人饮用。聚光面积1.5m2,一般在每天11:00-15:00时烧水,热效率可达60%,每户每台太阳灶每年所得到的热量仅为1.223×10MJ,可以忽略不计。综上所述,提出3~11月,采用沼气作为炊事能源,12月~2月以秸秆气化作为能源满足炊事及冬季取暖需求(见图1)。优化后可以发现,原本占据农村用能64%的煤,已经完全被取代,生物质能源的使用进一步增加,秸秆由直接燃烧改为气化后提供能源,沼气能源得到进一步利用。优化后,生物质能源利用总量可以达到88%。6常家河市可发电系统的优化分析6.1农民生活用能费用根据表1~4常家河镇农民生活能耗结构,估算常家河镇每户居民用于生活能耗的费用(见表8、9)。通过表8、9分析可知,常家河镇农民生活用能费用主要用于冬季采暖以及炊事,家用电器用能费用也占有一定比例。同时可得,购买煤为农民生活用能的主要开销,占据用能总开销的80%以上,故需找廉价新能源来代替煤将受到广大农民的欢迎。6.1.1秸秆采暖的费用支出每户每年约使用600kg煤炭用于采暖,每千克煤炭为0.86元,采暖季支出费用约为516元,而采用秸秆气供暖,考虑到农户可通过出售自产秸秆来弥补购气费用,无多余费用支出。6.1.2气结合煤炭的氧漂以多余秸秆作为炊事能源无需支付任何费用;完全使用煤炭用户每年需支出516元;沼气结合煤炭的炊事方案中:沼气池因冬季采暖期天气寒冷无法产气,需要支出煤炭费约129元;沼气结合秸秆气的方案中:按照秸秆0.06元/kg计算,燃气成本约为0.12元/m3,考虑到农户可出售自产秸秆来弥补购气费用,无多余费用支出(见表10)。6.2资金、财政支持的全面支持是能源供应系统健康发展的前提开展沼气建设需要一定的资金投入,按照“一池三改”建设标准,结合当地经济水平,户均投资需要4000元,根据表8,普通农户人均年炊事能源消费约为162.45元,投资回收约为25年,如无政府补贴、支持,普通农户不会建设沼气池。根据当地地理条件及人口分布情况,建立100~200户型集中气化站,按照采暖季3个月,可满足冬季取暖及冬季炊事需求,考虑到农户自产秸秆可出售来弥补购气费用,无多余费用支出。秸秆气化站,初期投资约为40万元,每年只要向农户收取费用小于516元的管理费用,农户依然可以节约能源开支,同时气化站也可以正常运营,按200户算,4年就可收回投资并盈利。综上所述,能源供应的新系统,必须得到当地政府政策、资金、保障的全面支持,以此达到与农户相互依存,相互获利的目的。同时,沼气建设与秸秆气化共同发展,以秸秆气化站盈利来弥补沼气建设投资回收期长的劣势。7建立小型集中气化站(1)现西北寒冷地区农村生活用能主要是炊事、采暖两方面,用能方式较为落后,以直接燃烧秸秆和煤炭为主,用能结构仍然较为单一,过度依赖于煤炭的使用,从而造成能源利用效率比较低。(2)结余秸秆未得到充