農村地區清潔取暖工作綠色低碳績效評價及對策建議
——基于石家莊市深澤縣和無極縣農戶調查

趙夢雪,馮相昭,王敏,杜曉林,梁啟迪,王鵬

(生態環境部環境與經濟政策研究中心,北京 100029)

北方地區冬季清潔取暖是黨中央、國務院確定的一項重大決策部署。習近平總書記在原中央財經領導小組第十四次會議上指出,推進北方地區冬季清潔取暖,是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容[1]。當前,“煤改氣” “煤改電”是地方清潔取暖改造的主要路徑。據統計[2],農村清潔取暖改造涉及的19個省份中,電代煤約299.31萬戶,氣代煤約545.84萬戶。實施 “煤改氣”會使北方農村地區能源消費結構產生巨大變化,也對居民的生活水平產生重大影響[3]。空氣源熱泵作為節能性較高的電取暖設備[4],在歐盟[5]、日本[6]等國家和地區都得到積極推廣應用。由于我國農村地區情況復雜多樣,選擇合適的取暖方式對于改善北方地區大氣環境、優化農村居民健康狀況以及促進我國農村的綠色發展意義重大[7]。

目前,有很多學者對清潔取暖適宜路徑進行分析,如劉幼農[8]從地質、氣候、人口、能源等方面分析山區清潔取暖的適宜技術路徑；張科[9]通過典型案例分析了農村不同清潔取暖技術所取得的經濟和環境效益。有學者就目前政策的不足開展研究,如宋玲玲等[10]從中央財政政策、技術路線、能源供應保障等方面分析目前存在的困難與問題。還有學者利用數學方法量化評價我國不同采暖路徑的實施效益,如李悅[11]采用生命周期評價與生命周期成本分析相結合的方法,量化分析 “煤改氣”的環境影響和經濟成本；樊金璐[12]等從技術經濟環境性等方面量化評價不同的取暖技術路徑；張婷[13]等利用模糊綜合評價法,從能耗、經濟、環境三方面評價北京農村 “煤改電”技術；劉軍會等[14]采用線性回歸預測法對2018—2020年河南農村電采暖負荷和電量進行測算；謝倫裕等[15]通過對北京 “煤改氣” “煤改電”和 “清潔燃煤替代”三種方式的成本收益量化分析,得出 “煤改氣”戶均收益最高, “清潔燃煤替代”戶均成本最低。

但是,目前我國清潔取暖工作評價主要集中在環境、經濟效益方面,其他方面研究相對較少。溫室氣體減排是低碳發展的重要基礎,社會滿意度水平對于政策實施的有效性、可持續性會產生重要影響。綜合經濟成本、社會滿意度、污染減排和溫室氣體減排效益多方面評價我國目前清潔取暖工作效果,對未來清潔取暖改造工作方向具有重要意義。因此,本文選取的石家莊市深澤縣和無極縣作為案例地區,具有很好的代表性,就燃氣取暖和空氣源熱泵式電取暖兩種方式進行綠色低碳績效評價,以期為政策制定者提供決策支持。

1 研究區域概況

深澤縣和無極縣位于石家莊市,處于京津冀大氣污染傳輸通道地區,屬于污染防治重點地區之一,實現農村地區散煤替代及清潔取暖尤為關鍵。依據 《河北省2018年冬季清潔取暖工作方案》,石家莊市政府出臺《石家莊市2018年冬季清潔取暖工作方案》,并制定《關于調整2018年農村地區清潔取暖財政補助政策的通知》(見表

1),以保障清潔取暖改造工作的落實。

表1 石家莊市2018年電代煤、氣代煤用戶補貼情況

另外,有研究顯示,家庭能源使用模式隨收入狀況變化[16],隨著家庭收入的增加,用戶選擇將向更清潔的能源轉變[17-23]。 《石家莊2018年經濟年報》[24]數據顯示,無極縣和深澤縣農村人均可支配收入排名分別處于石家莊市17個縣(市、區)中第9和第12,位列中下等水平,居民的清潔能源支出水平較低。因此,針對深澤縣和無極縣構建績效評價指標有利于真實地反映重點地區農村改造用戶的實際使用情況。

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

本文數據來源于兩部分,一部分是通過地方調研,獲取由當地電力公司及燃氣公司統計的兩縣村民用電和用氣的水平數據；另一部分通過隨機抽樣和居民直接訪談方法對兩縣清潔取暖改造用戶開展問卷調查,獲取居民清潔取暖改造前散煤用量、取暖設備購置金額及滿意度水平的數據。

本文基金項目課題組于2019年8月開展問卷調查活動,調查區域涉及2縣58個村,總計300戶家庭,共發放300份問卷,回收有效問卷290份,樣本有效率達到97%。樣本選取的原因及原則為：(1)樣本村分布盡可能覆蓋所有鄉鎮,保證樣本的選擇盡可能全面、客觀地反映農村地區取暖現狀；(2)同一個村落選取不同收入層次的村民作為樣本,保證樣本的選擇盡可能全面地反映農村各收入階層的取暖現狀；(3)在距離縣城較遠的地方盡可能選取更多樣本,使得所選取的農戶經濟水平盡可能真實地反映農村情況；(4)每一個村落選取同樣的村民戶數作為樣本,基于控制變量方法,保證不同村的取暖現狀具有可比性。

2.2 數據處理

首先,對調研問卷的信度和效度進行檢驗,所有滿意度問題的Cronbachs’sα系數為0.764,大于0.7,問卷可信度較高,比較能反映居民的真實情況。

其次,由于指標原始數據在數量和量綱上存在不同,本文采用極差標準化方法[25]對數據進行線性變換。設minX和maxX分別為屬性A的最小值和最大值,將A的一個原始值x通過max-min標準化映射成在區間 [0,1]中的值X,具體公式如下。

式中,Aij為第i種方案的第j個評價指標數據標準化后的值；Xij為第i種方案的第j個評價指標的原始值；max(Xij)為第i種方案的第j個評價指標的最大值；min(Xij)為第i種方案的第j個評價指標的最小值。

3 研究方法

3.1 農村地區清潔供暖工作績效評價指標體系構建

清潔取暖工作的實施效果體現在經濟、社會、環境等多個方面。經濟成本方面,主要來源于取暖設備購置與運行兩部分；社會評價方面,群眾的滿意水平體現了政策的合理性,影響了政策的可持續性,其中設備購買情況、取暖運行補貼程度、設備取暖效果及售后服務滿意度是重要指標；污染減排方面,有關研究顯示[26],居民燃燒的散煤每噸污染物排放量是火電燃煤排放的5～10倍。雖然散煤消耗占比不足煤炭總量的10%,但其對大氣污染的貢獻率卻高達50%,其中PM2.5、SO2和NOx是主要污染成分；溫室氣體排放方面,農村清潔取暖改造會減少CO2和BC(黑炭)排放。據調研,農村每一套燃煤爐具平均價格為500元,而清潔取暖設備購置成本又分為居民自行承擔部分和政府補貼部分,由于設備購置屬于一次性靜態投資,不會對清潔取暖政策的可持續性產生影響,因此我們僅將居民自行承擔的設備購置成本列入評價指標進行評分。另外,調查問卷中,滿意度問題的最大值均為5,最小值均為0。指標體系結構及各指標結果具體如表2所示。

3.2 評價指標權重的確定

層次分析法(AHP)[27]是在多目標評估或決策問題中確定各指標權重的有效方法。本文邀請我國在散煤治理、清潔供暖等專業領域具有豐富經驗的6位專家,根據Santy[28]等人提出的1～9比例標度評價表,對同層次各指標的相對重要性進行兩兩對比打分,進而求得矩陣特征向量并進行歸一化,得出權重系數。層次分析結構如圖1所示,具體權重分配如表3所示。

表2 2018年無極縣清潔取暖績效評價指標體系

圖1 層次分析結構

表3 各指標標準化值及其權重

3.3 綜合評價得分計算

績效評價綜合得分受眾多指標因素影響。本研究采用綜合指數法[29]進行量化評價,具體計算公式如下：

式中,E為績效綜合評價得分；Aij為標準化后的指標數據量值；Wj為第j個指標的權重；n為指標總個數。其中,E越大說明績效水平越高。

3.4 農村地區清潔供暖工作污染物與溫室氣體協同效應評價方法

協同性評價主要通過以下方法[30]進行。

(1)協同控制效應坐標系分析法：通過在三維空間坐標系中,以不同的坐標表達某種清潔取暖方式對于不同污染物的減排效果,可直觀地反映減排措施對于不同污染物的減排效果及協同程度。

(2)減排效果歸一化法：通過計算協同減排評價線性指標值及協同控制比,量化減排措施對空氣污染物和溫室氣體的綜合減排效果,計算公式如下。

式中,S、N、P、C分別代表 SO2、 NOx、 PM2.5、溫室氣體的減排效果；α、β、γ、δ分別為SO2、NOx、PM2.5、溫室氣體的基于專家及決策者對污染物控制緊迫性認識和判斷[31]的權重賦值。

本文對于各污染物的權重參考排污費價格和CO2交易價格的確定,見表4。

表4 大氣污染物和二氧化碳排放影響的貨幣化參數 單位：元/kg

根據問卷調查結果,計算大氣污染物減排量。對于溫室氣體減排量,本文根據100年全球增溫潛勢值(即900)將BC(黑炭)減排量換算為當量CO2減排量,并與CO2減排量(CO2增溫潛勢值為1)加和,得到溫室氣體減排量(參見表5)。

表5 大氣污染物和溫室氣體減排量

此外,“協同控制比”是溫室氣體減排與大氣污染物減排歸一化結果的比值,反映了減少單位大氣污染物的同時對溫室氣體減排的影響程度,表明了措施的協同減排效率[32]。比值越大,協同減排效果越好。

4 結果與分析

4.1 “煤改氣”和 “煤改電”污染物與溫室氣體協同效應分析

4.1.1 協同控制效應坐標系分析

不同方案的協同控制效應坐標系參見表6所示,其中,X坐標表示SO2的減排得分,Y坐標表示溫室氣體(CO2和BC)的減排得分,Z坐標表示NOx的減排得分。

表6 協同控制效應坐標系

將坐參數反映到空間坐標系中,原點設為(90,100,0),得到圖2。所有坐標點均于第一卦限,說明各清潔取暖方案均可實現污染物與溫室氣體的協同減排。坐標點到原點連線與X坐標軸的夾角越大,表明該方案在減排等量SO2的同時,對溫室氣體的減排效果越好,這里我們借助坐標點在XOY面上的投影加以反映；坐標點到原點連線與Z坐標軸的夾角越大,表明該方案在減排等量NOx的同時,對溫室氣體的減排效果越好,這里我們借助坐標點在YOZ面上的投影加以反映。可以看出,煤改氣與X軸、Z軸夾角最大,煤改電與X軸、Z軸夾角最小。說明煤改氣方案2種污染物與溫室氣體的協同減排能力均高于煤改電方案。

圖2 各清潔取暖方案污染物與溫室氣體協同控制效應坐標系示意圖

4.1.2 減排效果歸一化分析

計算兩種方案的協同減排評價線性指標值及協同控制比,其結果參見表7。

表7 協同控制效果分析

從污染物減排效益可以看出,兩種路徑減排能力得分基本相同,其中 “煤改氣”SO2得分略高；“煤改電”NOx得分略高；具體分析各項污染物減排能力可知,清潔取暖措施帶來的SO2的減排效益最高,約是PM2.5的2倍,NOx最低。從溫室氣體減排效益得分可以發現,燃氣取暖的減排能力高于用電取暖。從 “協同控制比”結果,可以看出 “煤改氣”高于 “煤改電”,表明用氣取暖的協同效果好于用電取暖。

4.2 “煤改氣”和 “煤改電”績效得分分析

利用綜合指數計算公式(3)得到各指標得分值及綜合分值,參見表8。

總體來講,兩種改造路徑得分水平都比較高,其中“煤改電”得分高于 “煤改氣”的6.25分,這主要是由于“煤改電”的經濟成本較低(得分較高)。為進一步評價兩種清潔取暖路徑在經濟、社會、污染減排及溫室氣體減排四方面的績效水平,本文分別計算經濟成本、社會評價、污染物減排和溫室氣體減排四項得分值(參見表9)。

依據兩種清潔取暖改造路徑,以經濟、社會、污染減排及溫室氣體減排四方面指標評分結果及各評價指標值做出雷達圖(參見圖3)。其中,外圈圓環是 “煤改氣”的四項評價指標值,里圈是 “煤改電”的四項指標評價值。可以看出,“煤改電”四項指標得分基本相當；“煤改氣”得分差異較大,其中污染減排效益得分最高,經濟成本得分最低。對各項指標的具體分析如下。

表8 各項指標得分及綜合評分值

表9 兩種清潔取暖改造路徑各指標評分百分制結果

圖3 兩種改造路徑比較

從經濟成本方面看,“煤改電”要顯著高于 “煤改氣”得分,其中 “煤改電”的運行成本得到滿分,即取暖用電已經與燃煤取暖的消費水平相當。進而結合調研情況與地方補貼政策,對采暖運行過程中政府和居民各自承擔成本(表10)分析發現,用電取暖的政府平均補貼金額為905.88元,占用電居民消費總額的47%；而用氣政府補貼為1252.10元,是用電補貼的1.4倍,占用氣居民消費總額的54%；且居民自行承擔部分中,用氣比用電每戶平均高31元左右。可知,無論是政府補貼力度,還是居民自行負擔成本,用氣均比用電要高。

表10 無極縣取暖過程居民平均成本及政府平均補貼情況

從社會評價方面看,“煤改氣”的總體滿意度水平略高于 “煤改電”,尤其是對取暖效果和運行過程中政府補貼方面的滿意度。污染減排效益方面,兩種清潔取暖改造路徑得分水平均較高,其中 “煤改電”路徑高于“煤改氣”2.72分,說明兩種路徑均取得了不錯的污染減排效果,但用電取暖的污染減排效益更高,尤其是對于NOx的減排,用電取暖要顯著高于用氣取暖。溫室氣體減排方面,燃氣取暖的CO2減排效益要顯著高于用電取暖。

5 結論與建議

5.1 研究結論

5.1.1 兩種改造路徑污染物與溫室氣體減排效益顯著

通過實施清潔取暖改造工作,農村污染物與溫室氣體排放水平顯著降低,但不同的改造路徑還存在明顯的排放差異。“煤改氣”路徑下,空氣中的氮由于燃燒過程的高溫轉化而造成一定的NOx污染；火電廠隨著排放標準的不斷加嚴,各項污染物排放水平均比較低,但由于電力行業是以化石燃料為主,CO2的排放水平要高于用氣取暖。從協同減排程度來看,用氣取暖的協同控制能力要高于用電取暖,但用電取暖的污染物減排效益更高。

5.1.2 “煤改氣”路徑的政府補貼力度更大

空氣源熱泵的運行成本低于燃氣取暖用戶。為了進一步證明空氣源熱泵節能特性,我們對兩種取暖方式的經濟成本進行簡單測算。空氣源熱泵性能系數(COP值)是衡量空氣源熱泵系統制熱效果的標準之一,一般在3.0～4.0之間浮動,當外界溫度低于零下20℃時,COP值也可能降到2.0。本文假定制熱效率取值為3.0,那么1kW·h的電完全轉化為熱量是860kcal,1kW·h的電通過空氣源熱泵制熱量為2580kcal,按峰時電價0.55元/kW·h計算,2580kcal的電采暖成本為0.55元；天然氣熱值是9300kcal/m3,相當于10kW·h的電,但天然氣壁掛爐一級能效為90%左右,所以每m3天然氣制熱輸出8370kcal,按2.4元/m3氣價計算,2580kcal需要花費天然氣0.74元,是空氣源熱泵的1.3倍。因此,在提供相同熱量時,空氣源熱泵運行成本更低。目前,政府對用氣居民的補貼力度高于用電居民,未來隨著政府補貼機制的退出,利用空氣源熱泵的電取暖用戶取暖經濟負擔會低于燃氣取暖用戶。

5.1.3 “煤改氣”的社會滿意度總體得分高于 “煤改電”

從社會滿意度得分可以看到, “煤改氣”要高于“煤改電”2.5分,其中在運行過程中政府補貼力度和取暖效果方面燃氣取暖得分較高。從目前取暖運行過程總成本可以看出,用電取暖的總成本更低,因此預計未來當政府補貼機制退出后,用電取暖的滿意度水平會提高。在取暖效果方面,對用電取暖效果滿意度在3分以下的居民調查發現,40%的人因為運行成本高而降低了設備使用功率導致溫度達不到要求,55%的人認為取暖后室內溫度低,還有一小部分人認為設備達不到使用溫度要求。由電力公司出具的居民用電量水平數據可知,用電取暖的消費實際是遠低于用氣取暖的,但農村居民對于用電消費敏感度較高,因此容易產生 “不敢取暖”思想。同時,農村住房由于未采取節能改造等措施,散熱程度高,導致取暖效果受到影響。另外,還有居民由于對取暖設備的使用操作不熟悉,導致采暖溫度無法達到預期。

設備售后服務問題也不容忽視。通過調研我們發現,群眾在售后反饋不及時、收費不合理、維修水平參差不齊等問題上滿意度較低,其中對售后不及時問題反饋人數較多。因此,清潔取暖改造要對售后服務水平的提升予以重視。

5.1.4 設備購置成本對清潔取暖工作推廣產生重要影響

從設備購置成本得分可以看出,清潔取暖設備購買金額都要顯著高于傳統的燃煤爐具,且不同的取暖設備會隨著產品類型、品牌、產地等有很大價格波動,對于部分農村居民會產生較大的經濟壓力,因此科學地推廣清潔取暖設備,減少居民購買壓力是亟待解決的問題。

目前空氣源熱泵設備的市場平均價格在30000元左右,雖然空氣源熱泵取暖運行成本較低,但高昂的價格使得在很多農村地區無法得到廣泛推廣普及。無極縣通過探索政府和設備生產企業共同管理的模式,顯著降低了設備購置成本。具體來講,便是將政府的社會管理和央企的社會責任有機結合起來,由政府承擔政策補貼部分資金,央企通過規模化效應也承擔一部分設備購置費用,將成本降低部分讓利于民,使得居民僅承擔中標價與補貼款差價中的小部分。在設備運營中,央企設立服務中心,負責產品的質量保障和產品使用安全培訓,并由政府負責監督,其中建設資金作為央企建設運維質保金,由政府掌握。央企質保金可同時轉化為對政府的融資,進而獲得合理的經濟收益。

5.1.5 選擇合適改造路徑是提升綜合綠色低碳績效的有效手段

從兩種改造路徑的總體得分水平來看, “煤改電”得分要高于 “煤改氣”,這與無極縣取暖設備的創新推廣機制、低廉的用電運行成本等方面密切相關。而對于不同地區,要根據地方實際情況,綜合考慮地形條件、資源稟賦情況、地區管理模式等實際特點,選擇合適的改造方式和改造設備。

5.2 相關政策建議

首先,要繼續加大環境治理力度,實現協同治理目標。推廣使用加裝低氮氧式燃燒器的燃氣壁掛爐,減少NOx排放,同時提升熱網系統效率,降低用戶取暖能耗。其次,要加強對農村取暖設備使用操作方面的宣傳力度,確保每戶居民不會因為操作問題導致設備無法正常工作,甚至形成安全隱患；對于清潔取暖運行方面取得較高收益的地區,政府要加強用戶宣傳,為用戶算一筆經濟賬,切實讓百姓不僅享受到清潔取暖帶來的收益,也要實際看到 “兜里錢”沒有減少,保障農民從思想上接受取暖、“敢”取暖。同時,對于取暖設備的售后服務、產品質量問題,要督促有關廠家負責到底,加強政府對設備供應商的監督、管理職能,保證居民取暖設備的有效運行。再者,要制定科學的補貼政策。特別是對于 “煤改氣”用戶實行差異化的補貼標準,同時鼓勵地方政府、金融機構、城市燃氣企業等創新合作機制和投融資模式,加大對 “煤改氣”的融資支持。最后,要全面創新模式機制,降低設備采購成本,切實保障高效的取暖設備可以被農民廣泛使用。

6 研究小結

本文基于石家莊市深澤縣和無極縣農戶調查結果,從經濟、社會、污染減排和溫室氣體減排4個維度,構建 “煤改氣” “煤改電”綠色低碳績效評價指標體系,并采用協同控制效應坐標系分析和減排效果歸一化分析,量化協同減排效益。結果表明：兩種改造路徑均取得了顯著的污染物和溫室氣體減排效益；用氣取暖的協同減排能力高于用電取暖,同時社會滿意度水平略高,運行過程中政府補貼力度更大；無極縣通過全面推廣空氣源熱泵設備,顯著降低了用電取暖的經濟運行成本。總體來說,兩縣用電取暖得分更高。由此建議,地方要創新設備推廣機制,加強群眾宣傳力度,制定合理補貼政策,以保障清潔取暖工作的持續有效開展。