“雙碳”背景下農村居民清潔取暖減排效益研究

崔亮，張鈞瑞，李思園

山西財經大學資源環境學院，山西 太原 030006

近年來，隨著中國經濟快速發展，工業生產、居民生活及機動車等排放大量污染物，造成以細顆粒物為主要污染物的大氣重污染事件頻發，給生態環境造成極為不利的影響（肖悅等，2017；彭猛等2020）。為了改善空氣質量，2018年國務院出臺了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》。為了提高取暖質量，2013年國務院頒布了《大氣污染防治行動計劃》，要加快推進“煤改電”和“煤改氣”工程建設，加快推進集中供熱工程建設。2016年習近平總書記主持召開中央財經領導小組第十四次會議，指出“推進北方地區冬季清潔取暖，關系廣大群眾溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容”。

目前關于清潔取暖方面的研究主要集中在該政策對環境和居民的影響兩方面。宗亞楠等（2017）采用情景分析法，評估了北京市電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區平房居民采暖改造等措施產生的減排效益，得出的結論是北京市的一系列改造有效地改善了空氣質量。李朋等（2021）基于人工神經網絡，以京津冀地區為研究對象，編制了“以電代煤”污染物排放清單，結果表明，“煤改電”帶來的減排效果明顯。羅宏等（2020）以京津冀大氣污染傳輸通道城市為研究對象，全面梳理了京津冀及周邊地區清潔取暖補貼政策的實施情況和問題，結果表明，地方政府財政壓力需發揮中央財政的作用并開始逐步退坡。趙夢雪等（2020）從經濟、社會、污染減排和溫室氣體減排4個維度構建了清潔取暖綠色低碳績效評價指標體系。

上述研究表明，清潔取暖工程有利于污染物減排，而政策帶來的環境影響及政府、居民承受的經濟成本有待深入研究，在“雙碳”背景下該政策是否推進了經濟和環境效益的統一、能否促進碳減排尚未明確。鑒于此，本研究從環境效益和經濟成本角度出發，探究清潔取暖工程對環境和居民的影響，核算清潔取暖工程帶來的碳排放情況，以期為清潔取暖工程的進一步實施提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究方法

忻州市實施清潔取暖改造分為兩個時間段：第一階段圍繞市建成區，以城中村為重點，推進實施集中供熱工程；第二階段將煤改電作為主要措施，改造范圍主要在鄰近建成區的農村及平原地區農村。2018年4月，市大氣污染防治工作領導組辦公室通知將建成區剩余的 28臺煤粉鍋爐（其中4臺早已停運，實際運行為24臺）改用熱電聯產集中供熱，建成區24臺煤粉鍋爐改造情況見表1。

表1 忻州市建成區燃煤鍋爐改造情況Table 1 Renovation of coal-fired boilers in Xinzhou built-up area

負責供熱的廣宇煤電公司，現有兩臺135 MW熱電聯產機組和兩臺350 MW機組，所有機組均有嚴格的末端治理措施，例如靜電除塵、液氮SCR脫硝和系統脫硫等。

為分析清潔取暖工程帶來的碳排放情況和污染物減排效益，設置改造前和改造后兩種情景。改造前情景是2016年尚未實施清潔取暖工程，農村居民均采用生活燃煤進行取暖；改造后情景是2020年已實施集中供熱和煤改電工程后，農村居民采用清潔取暖。

煤改電的改造方式分為區域集中供暖和分戶供暖。區域集中供暖改造是將空氣熱源泵集中后通過管道將熱能輸送至村民家中。分戶供暖適用于戶數較少，房屋分布不均勻的村落。該方式是由政府以獎代補，鼓勵村民自行購買設備，由政府進行適當補貼，同時電價采用峰谷段收費。以蓄熱式電暖器為例，該設備可在夜間進行充電加熱，便可滿足一戶一天的采暖需求。考慮到采暖設備存在高昂的費用及折舊，僅作為區域集中供暖的補充。忻州市地形分區及居民燃煤分布如圖1所示。其中，本研究城中村設為集中供熱改造區域，平原地區為煤改電改造區域。

圖1 忻州市地形分區及居民生活燃煤分布區Figure 1 Topography and residential coal combustion distribution area in Xinzhou City

1.2 數據來源

改造前農村居民生活燃煤排污量計算采用排放因子法，計算公式：

式中：

Ei——污染物排放總量，kg；

i——污染物種類；

m——燃燒技術類型；

A——活動水平數據；

E——排放因子，g·kg-1；

η——大氣污控設施去除效率，%；

n——居民戶數；

Q——2016年戶均煤炭消耗量，kg/戶。

關于居民戶數的獲取，來自0.5 m空間分辨率Google Earth遙感影像，通過目視解譯判別平房空間分布范圍，利用忻州市地形圖進行幾何校正，控制點采用的是九宮格的方式，利用多項式模型進行校正，以便提高影像的精度。

平房解譯特征為較規則的院落，平房之間有界線，在遙感影像3層以上樓房有明顯陰影，并且樓房之間無院墻等界線（崔亮等，2019）。排放因子優先采用污染源實測法，該研究條件受限沒有實際測量數據，采用的是檢索排放因子數據庫法（Shi et al.，2014）。主要污染物的排放因子見表2（Zhang et al.，2000；Chen et al.，2005；Chen et al.，2006；Zhang et al.，2008；Zhi et al.，2009；趙文慧等，2015；支國瑞等2015；中華人民共和國生態環境部，2016）。

表2 忻州市生活燃煤和電煤的主要污染物排放因子Table 2 Main pollutant emission factors of residential coal and thermal coal in Xinzhou City kg·t-1

選擇忻州市城區兩個典型城鄉交界處農村，3個山區丘陵地區農村，兩個典型平原地區的農村進行抽樣調查，對居民散煤、型煤使用量及品質進行詳細調研，獲取忻州市不同區域居民面源排放基礎數據，即戶均散煤使用量及品質，每個村選取3—4個典型農戶開展入戶調查，詳細調研當地居民的取暖及炊事爐灶型式，并對居民散燒使用的煤質進行取樣測試和分析，為居民原煤散燒大氣污染物排放量計算準備基礎數據，測得平均干基高位發熱量為28.5 MJ·kg-1，屬于煙煤。煙煤CO2排放因子采用94600 kg·TJ-1（IPCC，2006），經計算本研究CO2排放因子為 2697 kg·t-1。標煤 CO2排放因子采用2540 kg·t-1（涂華等2014），電煤折算標煤系數采用0.7143。

清潔取暖具體的改造戶數（見表3）以及改造成本來自《忻州市人民政府辦公室關于印發忻州市2019年清潔取暖工作實施方案的通知》。

表3 忻州市2017—2020清潔取暖改造戶數Table 3 Number of clean heating renovated households in Xinzhou, 2017-2020

2 結果與分析

2.1 排污量的確定

應用遙感衛星圖像解譯，根據地形分布以及村民房屋院落走勢，將村落類型劃分為兩種典型類型，分為平原農村和城中村。生活燃煤戶數的確定，主要是對不同區域內的平房聚集地，進行數字化并利用 GIS空間分析工具計算每個數字化圖斑的面積，即一個村落的平房總面積。本研究選取建成區兩種典型區域的村落，結合文件確定對應的較準確的戶數，得出不同類型村落的單位面積戶均建筑面積（見表4）。

表4 忻州市建成區典型農村平房面積與居民戶數統計Table 4 Relationship between area and population of typical rural bungalows in built-up areas of Xinzhou City

經過計算平原農村和城中村的戶均建筑面積為400 m2和210 m2。由表5可知，2016年忻州市居民生活燃煤 1.0×106t，產生的 PM10、PM2.5、SO2、NOx的排放總量分別為8820.0、6860.0、7400.0、1600.0 t；2016年忻州市生活燃煤產生的溫室氣體CO2排放總量為2.697×106t。平原農村的生活燃煤戶數為占主要生活燃煤戶數的79%。忻州市的生活燃煤戶數集中在平原地區，為重點改造范圍。

表5 2016年忻州市2種典型農村生活燃煤大氣排污量Table 5 The amount of air pollution discharged by two typical residential coal combustion in Xinzhou City in 2016

2.2 集中供熱

忻州市城中村主要采用集中供熱形式。城中村居民改造前使用生活燃煤取暖，購置煤炭費用戶均1100元。集中供熱采暖費成本為29 yuan·m-2。政府每平米補貼12.5元。忻州市城中村取戶均采暖面積為100 m2，戶均自付1650元，政府每戶平均補貼1250元。2017—2020年農村居民的人均可支配收入均值為8750元，采暖費占比從12.57%增加至18.85%，增長了約6.28%。2017—2020年農村居民收入的平均年增長速度為9.36%，采暖費的增長速度僅比收入增長速度低2.08%，實施補貼依舊加重經濟負擔。政府方面，改造后補貼比例高達76%。2017—2020年忻州市城中村實施集中供熱工程共計改造了 1.396×105戶，集中供熱的居民需支付采暖費2.30×108元，政府補貼1.75×108元，如圖2所示。改造后忻州市城中村取暖總費用為 4.13×108元，比改造前增加了2.51×108元。

圖2 集中供熱經濟成本對比Figure 2 Comparison of economic costs of district heating

集中供熱改造的第一步是對城中村的燃煤小鍋爐進行拆除，2017年拆除農村燃煤小鍋爐共計5607個，2018年拆除的鍋爐集中在建成區，共計24臺。經計算，可減少生活燃煤消耗量為5.09×104t。如圖3所示，2017—2018年忻州城區的 PM10、SO2、PM2.5、NOx排放量累計削減了 324.2、376.7、498.8、81.4 t；其中，SO2和PM2.5的削減量相對突出，分別占總削減量的29%和39%。

圖3 2017—2018年忻州市燃煤鍋爐改造污染物減排效益Figure 3 Pollutant emission reduction benefits of renovation of coal-fired boilers in Xinzhou,2017-2018

第二步是對庭院進行改造，完成清潔能源替代。城鎮供熱管網設計規范（CJJ 34—2010）供暖熱負荷住宅推薦值為40—45 W·m-2，本研究供暖熱負荷按40 W·m-2進行計算。忻州市采暖時間為150 d，城中村戶均供暖面積100 m2，則用戶全年采暖累計熱負荷為 5.18×104MJ。設改造前后采暖時間和面積不變，為了保持用戶的采暖需求，該方案下的用煤量根據下式進行計算（徐鋼等，2016）：

式中：

Bcoal——所需電煤量，kg；

Q0——采暖需求量，MJ；

β0——發電效率，取0.386（徐鋼等，2016）；

β1——管網熱效率，取0.9（于春龍，2010）；

β2——熱效率，取0.59（余雪等，2020）；

Qar,net——煤炭低位發熱量，MJ·kg-1，取 27.8（余雪等，2020）。

根據式（3）可得出改造后戶均的電煤消耗量為9.1 t。2020年城中村已完成改造的戶數為1.396×105，改造比例已占94.4%，忻州市城中村集中供熱后PM10、PM2.5、SO2、NO?的排放量分別為316.3、632.1、693.9、993.7 t。

如圖4所示，實施集中供熱可大幅降低排污量。忻州市城中村集中供熱后 PM10削減比例達到85.5%，PM2.5和 SO2的減排量分別為 62.7%和67.5%。盡管戶均使用的電煤量為9.1 t，是改造前的5倍，但電煤能源利用率較高，顆粒物排放量有效減少。而NO?排放量增加明顯，增加了151%。

圖4 忻州市集中供熱改造前后城中村污染物排放量Figure 4 Pollutant emission of urban village in the city before and after central heating renovation in Xinzhou City

集中供熱后，忻州市城中村產生的溫室氣體CO2排放總量為 2.111×106t，比改造前增加了1.445×106t，相比改造前CO2排放量顯著增長。由此可見，農村居民集中供熱改造不利于碳達峰。

集中供暖戶均電煤消耗量增加的原因在于戶均集中供熱面積（100 m2）遠高于傳統的生活燃煤取暖面積，且生活燃煤取暖效果較差，無法達到集中供熱正常的室內溫度。

2.3 煤改電

忻州市平原農村主要采用煤改電形式。煤改電區域集中供暖采用空氣熱源泵，分戶供暖采用蓄熱式電暖器，關于兩種供暖方式的技術經濟性分析，采用費用年值法計算（于濤等，2014）：

式中：

A——初始投資額，yuan·a-1；

Kj——供暖設備的初始投資額，104元；

j——供暖設備編號；

i——基準折現率，取值3.8%；

mj——設備的使用年限；其中，空氣源熱泵取15 a，蓄熱式電暖器取10 a，地暖管取25 a；

n——供暖設備種類數。

城鎮供熱管網設計規范（CJJ 34—2010）供暖熱負荷住宅推薦值為40—45 W·m-2，本研究供暖熱負荷按 40 W·m-2進行計算。假設平原農村戶均采暖面積為60 m2，采暖時間為150 d，若實行全天供暖，則該用戶全年采暖累計熱負荷為8640 kW·h-1，即 3.11×104MJ。空氣源熱泵和蓄熱式電暖器的經濟性如表6所示。

改造前購買煤炭費用590 yuan·t-1，平原農村戶均使用量為1.69 t，總價為1000元；由表6可知，改造后，電采暖和空氣源熱泵供暖產生的年綜合成本均大幅上漲。電采暖能源利用率較低，導致每年運行費用極高，戶均年綜合成本是改造前的近5倍。空氣源熱泵的改造一次性支付的費用為異地建設費籌集，戶均需支付為3850元，空氣源熱泵的運行供電費用高于生活燃煤費用和集中供熱費用，年綜合成本為3963元。

表6 電采暖和空氣源熱泵的經濟性Table 6 Economic performance of electric heating and air heat pump

根據走訪調查，家庭年收入，改造費用，補貼標準等因素均會影響農村居民對清潔取暖的支付能力和意愿。超過90%的農村居民期望將成本控制在2000元以下。由于忻州市并不屬于“2+26”城市名單（武曉紅等，2021），受中央財政支持力度較小，大部分補貼費用需由市政府承擔，且采暖費作為農村居民的必要性支出，鼓勵使用清潔能源產生長期的補貼勢必會加重財政負擔。為了避免農村居民重新使用生活燃煤，需實施財政補貼退坡政策，即逐年減少補貼力度。該研究將財政補貼退坡年限設置為7年（宋玲玲等，2020），每年的退坡比例為14.3%，補貼退坡的內容設為采暖價格補貼。忻州市2020年農村居民的可支配收入為9926元，由于補貼力度不斷下降，得出采暖費用占農村居民收入的比例，具體結果見表7。

由表7可知，退坡政策實施后，采暖費占農村居民收入比從第一年的13%上漲到21%，每年上漲幅度為1%。改造前成本僅占收入的10%。改造后采暖費占收入比均大于改造前，當第7年政府不再進行補貼時，其收入占比是改造前的1倍左右。

表7 財政補貼退坡政策對農村居民產生的經濟性影響Table 7 Economic impact of fiscal subsidy regression policy on rural residents

截至2020年底，平原農村已改造6.33×104戶，電采暖和空氣源熱泵集中供暖的改造比例分別為10%和90%。改造前平原農村僅需支付1000元購買煤炭費用，忻州市平原農村居民每年支付7.53×108元。煤改電后，居民每年需支付電費1.03×108元、空氣源熱泵用戶需一次支付異地建設費2.19×108元；政府需一次投資1.81×108元、政府年補貼費用1.53×108元；平原農村未改造用戶需支付購買煤炭費用6.90×108元。除一次投資外，改造后平原農村比改造前每年多支付1.93×108元。

影響農村居民清潔取暖支付能力和意愿的主要因素為居民收入水平，由表7可知，改造后第7年取暖費用占人均可支配收入的21%，極大地增加了居民經濟負擔。

平原農村改造前后采暖面積和供暖時間不變，為了滿足農村居民采暖需求，電采暖和空氣源熱泵采暖兩種供暖方案的用煤量可按下式進行計算：

式中：

Q——供暖熱量，MJ；

Dcoal1——電采暖折合成電煤消耗量，kg；

Dcoal2——空氣源熱泵折合成電煤消耗量，kg；

Qar,net——煤炭低位發熱量，27.8 MJ·kg-1；

η1——發電效率，取0.386（徐鋼等，2016）；

η2——配電效率，取0.9（張昌，2015）；

η3——電采暖效率，取0.97（張昌，2015）；

P——空氣源熱泵制熱性能系數，取 2.44。電采暖和空氣源熱泵供暖兩種供暖方式的污染物排放量如表8所示。

由表8可知，相對于生活燃煤，電采暖用戶每戶PM10和PM2.5每年對應削減96.2%和86.5%，SO2每年可削減 88.6%，NOx排放增加 4.3%。空氣源熱泵用戶每戶PM10、PM2.5、SO2每年對應削減98.5%、94.7%、95.5%，NOx消減58.5%明顯好于集中供熱和電采暖。使用空氣源熱泵在所需熱量相同時，能源利用率遠高于電采暖，同時可大幅降低排污量。

表8 平原農村用戶兩種供暖方式的污染物排放量Table 8 Pollutant emissions of two heating methods for rural users in plain areas

煤改電后忻州市平原農村需要消耗電煤7.7×104t、生活燃煤6.67×105t，改造后忻州市平原農村共排放 PM10、PM2.5、SO2、NO?分別為 5899.4、4614.4、4971.7、1133.2 t。忻州市城中村煤改電后污染物排放量如圖5所示，PM10、PM2.5、SO2、NOx減排比例分別為11.2%、10.7%、10.8%、5.9%。

圖5 忻州市煤改電前后平原農村污染物排放量對比Figure 5 Pollutant emission of village in the plain before and after central heating renovation in Xinzhou City

改造前平原農村每戶每年CO2排放量為4560 kg；改造后電采暖用戶每年CO2排放量為8433 kg，是改造前的1.8倍；空氣源熱泵用戶每年CO2排放量為3352 kg，是改造前的73.5%。忻州市平原農村煤改電后每年CO2總排放量為1.94×106t，比改造前減少了9.1×104t。空氣源熱泵改造方式有利于節能減碳。

利用 GIS空間分析工具，統計改造后各縣區PM2.5減排量。如圖6所示，忻府區的減排量最明顯，其原因為該地區人口密集，經濟活動水平高。其中，忻州市東部地區減排量較大，得益于清潔取暖工程推廣比例大，降低了PM2.5的排放量。西部地區減排效果較低，是由于處于山區，不利于清潔取暖工程的推廣，減排效益較小。

圖6 忻州市PM2.5減排量Figure 6 PM2.5 emission reduction in Xinzhou city

清潔取暖改造后，忻州市PM10、PM2.5、SO2、NOx排放總量分別為分別為 6215.7、5246.5、5565.6、2127.0 t，為改造前的 70.5%、76.5%、75.2%和132.9%。改造后CO2排放總量為405.1×104t，為改造前的1.5倍。

忻州市清潔取暖改造后居民需一次性支付2.19×108元，政府需一次性支付1.81×108元；居民每年需支付11.41×108元，政府每年需補貼3.28×108元；改造后忻州市農村居民取暖費用比改造前增加了 4.45×108元。

改造后NOx排放量增加的主要原因為：目前山西省《燃煤電廠大氣污染物排放標準》NOx排放限值為100 mg·m-3，生活燃煤NOx排放因子僅為煤電排放因子的2倍，清潔取暖后煤炭總量消耗的增加導致了NOx排放量的增加。改造后CO2排放量增加的主要原因為：改造前農村居民生活燃煤取暖時，使用煤爐白天正常加煤，到了夜晚則封火不再加煤，室內溫度普遍較低，因此生活燃煤消耗量較小；而改造后室內供暖效果明顯改善，且采暖面積普遍增大，導致電煤消耗增加；此外，目前燃煤電廠未對CO2采用捕集利用等措施，因而造成了CO2排放量的增加。

3 結論

（1）忻州市農村居民清潔取暖改造后CO2排放總量為4.051×106t，為改造前的1.5倍，清潔取暖會造成CO2排放量的陡增，不利于碳達峰。集中供熱、電采暖和空氣源熱泵3種改造方式中，集中供熱造成的碳排放量最高，是改造前的3.2倍；電采暖次之，是改造前的1.8倍；而空氣源熱泵采暖碳排放量為改造前的73.5%，有利于碳達峰。

（2）清潔取暖改造后全市農村居民需一次性支付2.19×108；每年需支付1.141×1010元，較改造前增加了1.17×108元；政府需一次性支付1.81×108元，每年補貼3.28×108元。取暖費用增加的主要原因為集中供熱改造后取暖面積普遍增大，導致取暖費用的上升；電采暖取暖效率較低，為了保證適宜的室溫需消耗大量的電能從而增加取暖成本；而空氣源熱泵效率較高，在供熱量相同的情況下更具有經濟吸引力，因此具有極大的減排潛力。

（3）全市農村居民清潔取暖改造后，PM10、PM2.5、SO2、NOx排放總量分別為 6215.7、5246.5、5565.6、2127.0 t，為改造前的70.5%、76.5%、75.2%、132.9%。從減排效果看，忻州市PM2.5年均質量濃度從 2017 年的 58 μg·m-3降至 2021 年的 40 μg·m-3，一定程度上說明清潔取暖有利于空氣質量的改善。

（4）從污染物減排效益看，清潔取暖工程具有明顯的減排效果；從經濟性看，集中供熱和煤改電改造后的戶均取暖成本均大于改造前，雖然有補貼，也會給農村居民帶來一定的經濟負擔。同時政府多了額外的財政支出，長期的補貼可能會繼續加重財政負擔。

北方農村居民生活燃煤涉及范圍廣、人口多，且人均收入和地方財政收入普遍偏低，清潔取暖會加重居民和地方政府的負擔。建議清潔取暖工程在經濟相對發達地區進行多年試點再行推廣，并建議中央財政對地方政府加強補貼，建立清潔取暖轉移支付機制，保證政策的可持續性。探索非補貼模式下，由政府統一提供高熱值、低硫煤炭，提高農村居民生活燃煤品質以減少排污量，并探究利用風能、太陽能等可再生能源為農村居民供暖的方案。