北方地區(qū)農村清潔取暖技術適用性評價—以北京為例

呂連宏，張楠，夏捷，張保留*，白梓函，羅宏

1.中國環(huán)境科學研究院

2.北京節(jié)能環(huán)保促進會

以煤為主的資源稟賦特點決定了我國北方地區(qū)冬季取暖長期以燃煤為主[1-2]，大量散煤直接燃燒是造成北方地區(qū)大氣污染嚴重、冬季重污染天氣頻發(fā)的主要原因之一[3-5]，嚴重影響人民群眾身體健康[6-7]。作為改善區(qū)域大氣環(huán)境質量的重要措施[8]，我國農村清潔取暖工作取得了顯著環(huán)境效益[9-11]，北方農村地區(qū)取暖方式正由傳統(tǒng)粗放式燃煤取暖向多種清潔取暖方式轉變[12]。

發(fā)達國家家庭取暖能源技術路徑的選擇依賴用戶的自主選擇，主要受到設備價格、運行維護成本、政府補貼、居住特點等多重因素的影響[13-15]，溫室氣體與污染物減排等環(huán)境因素影響并不顯著[16-17]。中國在短期內大規(guī)模推進農村清潔取暖改造，沒有來自任何一個國家的成功經驗可供參考，依靠自身的不斷摸索積累了豐富的試點城市案例經驗及做法[18-19]。中國農村清潔取暖政策實施與進展研究表明，成本是影響清潔取暖工作實施效果的關鍵因素之一。如徐銀鴻等[20]對北方典型地區(qū)進行調研，發(fā)現(xiàn)居民清潔取暖改造意愿主要受家庭年收入和清潔取暖實際運行費用的影響。羅宏等[21]對京津冀及周邊地區(qū)清潔取暖補貼政策現(xiàn)狀進行了梳理，指出農戶在高成本清潔取暖下對補貼具有依賴性；張保留等[22]通過對京津冀及周邊地區(qū)的農戶進行調研，測算了農戶對清潔取暖的支付意愿，并進行了成本與支付意愿的對比分析。具體的清潔取暖改造成本研究表明，實施清潔取暖改造特別是改為燃氣取暖方式后農戶供暖成本大幅增加[23-25]，導致政府補貼成為農村清潔取暖工程可持續(xù)的關鍵影響因素[26-27]。

中國各地農村自然環(huán)境與社會經濟條件差異較大，如何選擇技術可行、經濟上可接受的清潔取暖技術路徑是清潔取暖改造可持續(xù)的關鍵。樊金璐[28]圍繞北方清潔取暖集中和分散2種主要方式，從技術、經濟、環(huán)境性等方面進行了量化綜合評價；劉幼農等[29]結合地質、氣候、人口等因素，對北京山區(qū)農村清潔取暖適宜技術路徑提出了建議；崔艷梅等[30]通過調研北方農村地區(qū)清潔取暖技術應用及效果，提出適合北方農村地區(qū)清潔化改造的實施路徑；趙利等[31]針對農村牧區(qū)清潔能源取暖技術集成模式進行了節(jié)能效果測算，分析了技術的經濟性與可推廣性。在具體的技術分析上，國內對農村清潔取暖技術適用性的研究主要基于理論測算[32]：有學者基于經驗數據對不同農村清潔取暖技術路線的經濟效益和環(huán)境效益進行了理論測算，提出成型生物質顆粒+專用爐具取暖技術[33]或燃氣壁掛爐取暖技術[34]的綜合效益較好；有學者對10多種清潔取暖技術路線進行了技術分析和壽命期經濟測算，基于運行成本給出了農村清潔取暖技術的理論技術方案[35]；亦有學者專門針對蓄熱式電鍋爐[36]、空氣源熱泵[37]、地源熱泵[38]、太陽能[39]、生物質能[40]等某一項取暖技術，探討其應用于農村取暖的可行性與模式。

從現(xiàn)有的研究來看，清潔取暖技術適用性研究成果或缺乏基于實際應用數據的評價，或針對某項技術開展適宜性評價，但并未開展多項技術的綜合比較，因而從技術經濟角度深入開展常見清潔取暖技術的適宜性評價對進一步全面推廣農村清潔取暖改造具有重要參考意義。北京市在全國最早開展農村清潔取暖改造工作，自2013年8月起在全國率先啟動了農村地區(qū)“減煤換煤、清潔空氣”行動，2013—2015年主要推廣直熱式電暖器和蓄能式電暖器，從2016年開始嚴禁安裝直熱式電暖器，全面推廣空氣源熱泵，逐步為直熱式電暖器用戶更換為空氣源熱泵，至2018年底實現(xiàn)平原地區(qū)基本無煤化[41]。筆者通過現(xiàn)場調研、入戶實測等方式獲取北京市農戶清潔取暖技術使用情況一手數據，從經濟性和舒適性2個維度對空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐和地源熱泵這4種農村清潔取暖技術進行評價，定量分析不同技術的適用條件，并提出進一步實施農村清潔取暖改造政策的建議。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

2016年，選擇北京地區(qū)已運行1個取暖期以上的行政村或自然村、社區(qū)為對象進行調研。調研對象涉及15個村和1個社區(qū)，涵蓋了空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐和地源熱泵這4種清潔取暖技術，并且部分村落不止使用一種技術，具體情況見表1。

1.2 研究方法

在收集調研對象改造資料的基礎上，選擇有代表性農戶，采用入戶訪談的方式采集不同取暖技術的運行情況數據。利用統(tǒng)計分析方法進行數據分析，從經濟性和適用性2個維度對空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐和地源熱泵等4種農村清潔取暖技術進行評價，定量給出不同技術的適用條件。

表 1 調研對象及使用的清潔取暖技術Table 1 Respondents and the clean heating technologies used

2 結果與討論

2.1 調研對象基本情況

調研對象基本情況包括地理條件、戶均年收入、建筑面積、圍護結構、室內末端形式，具體結果見表2。在調研的15個村中，平原、山區(qū)和半山區(qū)地形占比分別為40.0%、33.3%和26.7%，戶均年收入超過70%的在4.5萬元以下，建筑面積多集中在200 m2以內，圍護結構69.7%采用三七墻，室內取暖末端形式65.1%采用暖氣片。

2.2 不同技術的適用性評價

2.2.1 經濟性

從設備投資來看，空氣源熱泵設備價格為20 000～30 000元/套，未補貼情況下，空氣源熱泵設備初投資為205～310元/m2，政府補貼后初投資降為55～93元/m2；蓄能式電暖器補貼前價格為1 500～3 000元/臺，補貼后價格為1 000～1 500元/臺，每戶設備投資費用占戶均年收入的10%以內，除了沒有補貼政策的村之外，投資成本均在50元/m2以內，最低的僅為17.6元/m2；燃氣壁掛爐設備價格為10 000～15 000元/臺，除房山區(qū)河口村無補貼外，其余2個地區(qū)的燃氣設備均由政府補貼90%，用戶自付初投資低于1 500元，單位面積初投資在7.5元/m2以內；地源熱泵取暖設備由政府補貼，單位面積投資為650元/m2，用戶無需自付（表3）。蓄能式電暖器投資費用占戶均收入最低，燃氣壁掛爐政府補貼比例大，補貼后設備投資大幅降低。從設備的使用壽命來看，空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐使用壽命均在10～15 a，地源熱泵使用壽命最長，一般可達15～30 a。但由于地源熱泵全部由政府出資改造，故不同設備的壽命周期成本差異不大，設備初投資已體現(xiàn)其成本水平，故此處不予討論。

表 2 調研對象的基本信息Table 2 Basic characteristics of surveyed households

不同清潔取暖技術的運行費用見表4。從表4可以看出，空氣源熱泵取暖補貼后的運行費用為16.00～75.00元/m2，占戶均年收入的5.1%～28.0%，在“煤改電”以后，59.42%的用戶取暖運行費用降低，降幅在22.4%～50.1%。主要是因為這些地區(qū)大多為新建房或新裝修住宅，墻體均設置了保溫層，圍護結構保溫效果較好，且均采用的是低谷電價。蓄能式電暖器補貼后的取暖運行費用為41.42～143.59元/m2，占戶均年收入的1.1%～20.0%。燃氣壁掛爐補貼后的取暖運行費用為28.78～35.89元/m2，占戶均年收入的11.7%～15.4%。在政府補貼政策上，除較早改造的河口村外，均有較大補貼力度，其中昌平區(qū)曹莊村補貼后取暖費為28.78元/m2，運行費用最低，主要原因是當地的補貼較高，燃氣價大幅降低。房山區(qū)河口村雖未享受燃氣價格補貼，但運行費用仍較低，原因主要是該村室內末端形式均為地暖，節(jié)省了天然氣消耗量。地源熱泵取暖季的運行費用為29.26元/m2，占戶均年收入的19.8%。相比燃煤取暖，蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐及地源熱泵改造后取暖費用增加比例最高分別達139.5%、58.2%、58.1%。

表 3 不同清潔取暖技術的設備投資Table 3 Equipment investment of different clean heating technologies

表 4 不同清潔取暖技術的運行費用Table 4 Operating costs of different clean heating technologies

與市政取暖標準24元/m2、小區(qū)供暖收費標準30元/m2相比，昌平區(qū)的麥莊村、平谷區(qū)的東寺渠村和勝利街村采用空氣源熱泵取暖的運行費用均超過了該標準，采用蓄能式電暖器的地區(qū)取暖費用均較高，燃氣壁掛爐的取暖費用高于市政取暖費用，與小區(qū)取暖費用標準相比基本持平。若將室內取暖末端形式改為換熱效果較好的地暖，則可以節(jié)省能源費用。

2.2.2 舒適性

不同取暖技術的室內溫度見表5。使用空氣源熱泵取暖的農戶室內溫度為17～24 ℃，墻體無保溫層的用戶室內溫度為19～22 ℃。采用蓄能式電暖器的室內取暖末端形式均為暖氣片，室內溫度較低，一般保持在13～26 ℃。由于只在夜間低谷電價期間蓄能，用戶使用到傍晚時熱量釋放完畢后室溫會逐步下降，造成舒適性較差。燃氣壁掛爐、地源熱泵取暖一般均設有溫控器，可設置所需保持的室內溫度，用戶室內溫度基本上可以分別達到18～22和18～25 ℃，符合暖通設計標準。

通過以上評價，總結了各清潔取暖技術的適用條件，結果見表6?？諝庠礋岜迷诓煌匦?、室外溫度、圍護結構、農宅面積用戶均可滿足取暖需求，適用性廣泛。在各種戶型面積、圍護結構、末端形式，采用燃氣壁掛爐取暖溫度基本能夠滿足取暖需求，適用性廣。若墻體布置相應的保溫層措施，或取暖末端形式采用地暖，則可增強取暖效果。

表 5 不同清潔取暖技術的室內外溫度Table 5 Indoor and outdoor temperatures of different clean heating technologies

表 6 常見農村清潔取暖技術的適用條件Table 6 Applicable conditions of common rural clean heating technologies

3 結論與建議

3.1 結論

（1）不同清潔取暖技術設備在政府補貼后的投資均有降低。未補貼情況下，空氣源熱泵設備初投資為205～310元/m2，政府補貼后降為55～93元/m2；蓄能式電暖器補貼后投資成本均在50元/m2以內，最低的僅為17.6元/m2；燃氣壁掛爐設備除無補貼政策地區(qū)外，其他地區(qū)初投資在7.5元/m2以內；地源熱泵取暖設備由政府投資，單位面積投資為650元/m2，用戶無需自付。

（2）大部分清潔取暖技術改造后取暖運行費用有所增加?？諝庠礋岜萌∨倪\行費用為16.00～75.00元/m2，占戶均年收入的5.1%～28.0%；蓄能式電暖器取暖運行費用為41.42～143.59元/m2，占戶均年收入的1.1%～20.0%；燃氣壁掛爐取暖運行費用為28.78～35.89元/m2，占戶均年收入的11.7%～15.4%；運行費用最低的地區(qū)或由于政府對氣價的較高補貼，或由于室內末端形式均為地暖，節(jié)省了天然氣消耗量；地源熱泵取暖季的運行費用為29.26元/m2，占戶均年收入的19.8%。相比燃煤取暖，采用空氣源熱泵后，約59.42%的用戶取暖運行費用降低，降幅在22.4%～50.1%，主要由于這些地區(qū)大多為新建房或新裝修住宅，圍護結構保溫層效果較好，且均采用的是低谷電價。蓄能式電暖器、燃氣壁掛爐、地源熱泵取暖費用均有增加，最高增幅分別為139.5%、58.2%、58.1%。

（3）不同清潔取暖技術適用條件存在差異。在清潔取暖技術選擇上綜合考慮區(qū)域、經濟、生活習慣等多因素，得出不同清潔取暖技術的適用性。從初投資方面，在政府設備補貼的前提下空氣源熱泵與燃氣壁掛爐設備投資低至10～15元/m2，更易被用戶接納。相比之下地源熱泵初期投資巨大，更適合結合新農村建設、險村搬遷或改造的同時，引入社會資本參與建設并提供取暖服務。從氣候條件方面，空氣源熱泵適用于冬季溫度不低于-20 ℃的各類區(qū)域，蓄能式電暖器適用于冬季溫度接近于城區(qū)的農村或城鄉(xiāng)接合部，燃氣壁掛爐適用于距離燃氣管線或燃氣站較近的平原、半山區(qū)地區(qū)，地源熱泵適用于具有適合打井的地質結構，有足夠空間進行地埋管的區(qū)域。

3.2 建議

（1）農村清潔取暖改造工作應立足長遠。農村清潔取暖改造是一項利國利民的長期系統(tǒng)工作，是治理大氣污染、打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的重要措施，也是建設美麗鄉(xiāng)村、改善農民生活條件的民生工程。雖然更高的大氣環(huán)境質量改善需求對農村清潔取暖改造提出更快更廣的要求，但不能只著眼短期效果而忽略長期發(fā)展，避免形成“運動式”的發(fā)展模式和“夾生飯”的結果。在政策制定方面，要短期與長期相結合，按照正常的市場規(guī)律、規(guī)則和程序進行任務分解和進度安排；技術選擇方面，要適合當地各方面的條件，要能用得好、用得?。豁椖抗芾矸矫?，要前期準備充分，中期設計施工有序，后期監(jiān)督保障跟得上；政策宣傳方面，要充分發(fā)揮基層組織作用，宣傳進村，政策到戶，干部熟悉，農戶清楚，好的政策要讓農戶看得到、聽得到、享受得到。

（2）因地制宜選擇清潔取暖技術。不同清潔取暖技術之間，甚至同一技術不同條件之間，使用效果也存在差異。因此清潔能源技術路線的選擇應在資源成本低廉、供給穩(wěn)定持續(xù)的基礎上，充分考慮區(qū)域自然環(huán)境特征、經濟發(fā)展水平、基礎設施（如電網、燃氣管網等）等條件，農戶的生活習慣、建筑特點以及經濟狀況等因素尤為重要，要始終圍繞“改善生活環(huán)境、增進民生福祉”這一初衷，才能夠確保改造項目的長期良好運行。在可再生能源資源豐富地區(qū)，在政府與農戶經濟可承受的前提下，引入太陽能、風能、地熱能、生物質能等作為補充。在不具備改造條件的地區(qū)，潔凈煤配套專用爐具在農村清潔取暖中也是不可或缺的技術路徑。

（3）著力降低農戶清潔取暖運行成本。將已有農村住宅抗震節(jié)能改造政策與農村清潔取暖政策相結合，結合政府補貼與村民自籌，對取暖設備、室內末端、圍護結構、門窗等進行綜合節(jié)能改造。通過試點示范，增強村民對于綜合節(jié)能改造的認識程度，將節(jié)能改造與節(jié)省取暖費相關聯(lián)，調動村民實施節(jié)能改造的意愿和積極性。長期來看，各地應在農戶可接受、政府可承擔的前提下，逐步實現(xiàn)清潔取暖運行費用補貼退坡，逐步引導補貼政策由目前的投資補貼和長期運行補貼轉變?yōu)榍捌诟脑煲淮涡匝a貼。鼓勵和引導金融資本投入清潔取暖領域，拓寬金融機構支持清潔取暖渠道，創(chuàng)新金融產品和服務，探索金融支持清潔取暖項目，如以PPP項目的方式鼓勵和引導社會資本投資清潔取暖項目，推動形成“企業(yè)為主，政府推動，居民可承受”的清潔取暖商業(yè)模式。

（4）提高農村清潔取暖電力和天然氣供應可靠性。實施農村清潔取暖改造，從能源供給形式來看本質上是將常規(guī)燃煤這種分布式能源系統(tǒng)改為電力、燃氣集中能源供應系統(tǒng)，存在一定的能源供應可靠性運行風險，當集中能源供應中斷時若沒有應急能源作為補充，將嚴重影響農戶的正常生活。實施清潔取暖改造后，一方面要大力加強農村電力、天然氣的供應可靠性，另一方面建議編制相關預警與應急預案，或納入到已有能源預警與應急預案中，及時應對一旦電力、天然氣供應出現(xiàn)問題時影響農戶生活的情況。