農(nóng)村地區(qū)清潔取暖技術(shù)路線成本效益分析

趙文瑛* 鄧高峰 關(guān)運(yùn)龍 于長(zhǎng)友 唐飛 姜士宏

（1.電力規(guī)劃總院有限公司；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司）

0 引言

北方地區(qū)冬季清潔取暖一頭牽著群眾溫暖過(guò)冬，一頭連著藍(lán)天白云，是一項(xiàng)重要的民生工程、民心工程。2016年12月21日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議上強(qiáng)調(diào)推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，關(guān)系北方地區(qū)廣大群眾溫暖過(guò)冬，關(guān)系霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容。根據(jù)國(guó)發(fā)〔2018〕22號(hào)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》[1]，北方地區(qū)清潔取暖要因地制宜、多措并舉，從實(shí)際出發(fā)，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱。

根據(jù)發(fā)改能源〔2017〕2100號(hào)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021年）》，2016年，我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)居民取暖面積約占北方地區(qū)總?cè)∨娣e的三分之一，主要依靠散煤取暖，我國(guó)北方地區(qū)取暖用煤消耗量約4×108t/a標(biāo)準(zhǔn)煤，其中農(nóng)村地區(qū)散燒煤（含低效小鍋爐）約2×108t/a，這些散燒煤燃燒幾乎沒(méi)有任何環(huán)保措施，是導(dǎo)致北方地區(qū)冬季空氣污染的主要原因之一。農(nóng)村是北方地區(qū)清潔能源替代散煤取暖任務(wù)最重的地方，也是清潔取暖工作的主戰(zhàn)場(chǎng)。北方農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施普遍比較落后，人均收入水平較低，各地冬季取暖季時(shí)長(zhǎng)、室外溫度等氣候條件差異也較大，清潔取暖改造設(shè)施投入較大，農(nóng)民對(duì)清潔取暖技術(shù)路線成本比較敏感，在實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中更需要加強(qiáng)不同技術(shù)路線的對(duì)比優(yōu)選，盡可能降低污染物排放量及居民取暖成本。

本文對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)清潔取暖現(xiàn)狀及采用的主要技術(shù)路線進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)比不同技術(shù)路線的投資成本、運(yùn)行成本以及環(huán)保成效，綜合考慮資金投入和環(huán)保效益，為今后科學(xué)合理推動(dòng)農(nóng)村清潔取暖工作提供參考。

1 農(nóng)村地區(qū)清潔取暖現(xiàn)狀

在國(guó)家和地方政府的大力推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)2017—2018年、2018—2019年兩個(gè)取暖季，北方地區(qū)冬季清潔取暖工作總體進(jìn)展順利、成效明顯。截至2019年取暖季結(jié)束，北方地區(qū)冬季清潔取暖率達(dá)到50.7%，其中城鎮(zhèn)地區(qū)清潔取暖率68.5%，農(nóng)村地區(qū)清潔取暖率為 24.0%?？傮w上城鎮(zhèn)地區(qū)進(jìn)展普遍較好，農(nóng)村地區(qū)相對(duì)滯后，因此今后農(nóng)村地區(qū)清潔取暖工作將成為重中之重。

我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)取暖以傳統(tǒng)家庭為單位的分戶式取暖方式為主，普遍使用的傳統(tǒng)取暖方式包括煤爐、土暖氣、電供暖、火炕、木柴等。農(nóng)村住宅多數(shù)是個(gè)人建造的獨(dú)立性建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)屋頂為平頂或坡頂，內(nèi)部少數(shù)有吊頂，大部分沒(méi)有采取保溫措施，保溫隔熱效果差，門窗密封性能一般。農(nóng)村地區(qū)建筑取暖用能總量大，并且能源利用效率低[2]，多以燃料直接燃燒為主，燃燒效率較低，散煤燃燒效率僅有 30%～40%，不及區(qū)域大型鍋爐的一半。北方地區(qū)供暖平均綜合能耗（折合標(biāo)煤）約為22 kg/m2，其中城鎮(zhèn)約為 19 kg/m2，農(nóng)村地區(qū)約為 27 kg/m2[3]。

經(jīng)過(guò) 2017—2018年、2018—2019年兩個(gè)取暖季，北方農(nóng)村地區(qū)大力推進(jìn)清潔取暖改造，尤其是“煤改氣”和“煤改電”，各地加強(qiáng)散煤治理工作，有序推動(dòng)農(nóng)村農(nóng)房節(jié)能改造。截至2019年取暖季結(jié)束，“2+26”城市清潔取暖率為43%、京津冀及周邊地區(qū)農(nóng)村清潔取暖率為32%，這些都是環(huán)保要求比較嚴(yán)格的地方，農(nóng)村清潔取暖工作力度比較大；東北地區(qū)和西北地區(qū)沒(méi)有“2+26”大氣傳輸通道城市，并且尚未有中央財(cái)政試點(diǎn)資金支持，農(nóng)村清潔取暖工作推進(jìn)相對(duì)緩慢，清潔取暖率分別為4%和11%。

在農(nóng)村清潔取暖熱源方面，農(nóng)村地區(qū)清潔取暖路徑以天然氣取暖和電取暖為主，其中，“煤改氣”占比為 52%，“煤改電”占比為 39%，生物質(zhì)能、地?zé)帷⑻?yáng)能、工業(yè)余熱等其他清潔能源取暖比例為9%?？梢?jiàn)清潔取暖工作實(shí)施以來(lái)，農(nóng)村地區(qū)清潔取暖90%以上選擇了“煤改氣”“煤改電”，其中燃?xì)獗趻鞝t是應(yīng)用最多、發(fā)展最快的一種方式，其他方式發(fā)展較慢。

2 主要技術(shù)路線特點(diǎn)及適宜性

清潔取暖實(shí)施以來(lái)，農(nóng)村地區(qū)主要從用戶側(cè)加強(qiáng)建筑保溫、進(jìn)行節(jié)能改造，熱源側(cè)選擇清潔化熱源替代散煤兩方面推進(jìn)。在用戶側(cè)，通過(guò)對(duì)農(nóng)村既有建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造，可降低建筑物能耗，節(jié)約能源，從而降低供暖運(yùn)行成本，部分地區(qū)探索了低成本圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造在農(nóng)村建筑中的應(yīng)用。在熱源側(cè)方面，除了主要的“煤改氣”“煤改電”，部分地區(qū)也選擇了生物質(zhì)供暖、太陽(yáng)能+、偏遠(yuǎn)地區(qū)清潔型煤作為過(guò)渡等方式。

2.1 燃?xì)獗趻鞝t

燃?xì)獗趻鞝t作為單元化、獨(dú)立式取暖系統(tǒng)的熱源方式區(qū)別于傳統(tǒng)集中供暖，滿足家庭用熱需求，各個(gè)房間能夠根據(jù)需求自行設(shè)定舒適溫度，也可根據(jù)需要決定某個(gè)房間單獨(dú)關(guān)閉供暖，并且能夠提供大流量恒溫衛(wèi)生熱水，供家庭沐浴、廚房等場(chǎng)所使用。

根據(jù)調(diào)研，燃?xì)獗趻鞝t是天然氣供暖方式中發(fā)展最快的一種方式，燃?xì)獗趻鞝t供暖面積占天然氣新增清潔供暖面積的近70%。分戶式燃?xì)獗趻鞝t供暖以河北省最多，華北和西北地區(qū)是燃?xì)獗趻鞝t應(yīng)用最多的區(qū)域，適合于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平較高且有充足氣源保障、居民對(duì)做飯方式有較高愿望的農(nóng)村。

2.2 空氣源熱泵

熱泵是一種通過(guò)少量高位能輸入，使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。空氣源熱泵大規(guī)模使用對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量有要求，大部分村鎮(zhèn)電網(wǎng)需要投入資金進(jìn)行改造。在冬季室外最低氣溫-5 ℃以上的地區(qū)，空氣源熱泵經(jīng)濟(jì)性和可靠性較好。適宜用于城市集中供暖管網(wǎng)覆蓋不到的區(qū)域作為取暖補(bǔ)充熱源，以及作為城鎮(zhèn)及農(nóng)村地區(qū)集中取暖的主力熱源和部分經(jīng)濟(jì)較好地區(qū)農(nóng)戶分戶取暖的熱源。

2.3 直熱式電暖器

分散電取暖是指將小容量的電取暖設(shè)備，分散安裝于建筑室內(nèi)的墻面、頂棚或地面部位，通電后將電能向熱能轉(zhuǎn)換并輻射熱量的取暖方式，主要包含電暖器、空調(diào)、碳晶取暖、發(fā)熱電纜取暖和電熱膜取暖等幾種，可在住宅小區(qū)、賓館、學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所應(yīng)用。

2.4 生物質(zhì)供暖

中國(guó)生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物和能源作物等生物質(zhì)資源總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約4.6×108t/a。其中，林業(yè)木質(zhì)剩余物的規(guī)模最大，林業(yè)廢棄物每年可作為能源利用量約3.5×108t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2.0×108t，占比約為43%；農(nóng)作物秸稈每年可作為燃料利用量約3.4×108t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約1.7×108t，占比約為37%。目前，我國(guó)生物質(zhì)能年利用量約3 500×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，利用率僅為7.6%。

分戶式生物質(zhì)供暖采用生物質(zhì)成型顆粒+專用爐具的方式，專用爐具初投資低于生物質(zhì)鍋爐，運(yùn)行更加方便靈活、隨用隨開(kāi)，兼顧取暖、炊事及生活用水，運(yùn)行成本較低，一般家庭基本能夠承受，在北方農(nóng)村地區(qū)具有較大的推廣應(yīng)用潛力。

2.5 太陽(yáng)能供暖

被動(dòng)式太陽(yáng)房無(wú)需任何運(yùn)營(yíng)成本但受天氣影響，利用不穩(wěn)定；主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)需要額外輔助能源系統(tǒng)，一般作為補(bǔ)充熱源[4]。被動(dòng)式太陽(yáng)房適用于太陽(yáng)能資源良好地區(qū)，如青海省許多州縣農(nóng)戶普遍應(yīng)用；主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)亦適用于太陽(yáng)能資源良好地區(qū)，只在白天使用的辦公樓、教學(xué)樓更有優(yōu)勢(shì)。

3 主要技術(shù)路線成本分析

相比城鎮(zhèn)建筑，北方農(nóng)村建筑普遍存在氣密性不好、保溫性能差等問(wèn)題，節(jié)能水平較低。農(nóng)房戶型較大，但冬季人員活動(dòng)一般集中在取暖區(qū)域。選取燃?xì)獗趻鞝t、直熱式電暖器、空氣源熱泵（熱風(fēng)型）、生物質(zhì)成型顆粒+專業(yè)爐具等4種清潔取暖方式與燃煤+普通爐具、潔凈型煤+專業(yè)爐具對(duì)照，對(duì)比農(nóng)村地區(qū)目前常用的幾種取暖方式的經(jīng)濟(jì)性。部分計(jì)算條件如下：

（1）建筑取暖熱負(fù)荷 100 W/m2（實(shí)際取暖面積按80 m2計(jì)），日均取暖時(shí)長(zhǎng)10 h，每年取暖120 d，天然氣低位熱值 35.6 MJ/m3，生物質(zhì)成型燃料低位熱值16.7 MJ/kg，熱風(fēng)機(jī)COP（能效比）為2.4；

（2）熱效率。燃?xì)獗趻鞝t熱效率取95%，直熱式電暖器取95%，生物質(zhì)專用爐具取85%，專用燃煤爐取85%，普通燃煤爐取65%；

（3）價(jià)格假定。補(bǔ)貼前居民電價(jià)0.5元/（kW·h）（參考北京市2019年居民生活用電價(jià)格）；補(bǔ)貼前居民用氣價(jià)格2.6元/m3（參考北京市2019年民用天然氣價(jià)格）；潔凈型煤價(jià)格1 100元/t（根據(jù)2019年河北部分地區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)）；民用散煤價(jià)格750元/t。

根據(jù)上述條件，計(jì)算得到假定條件下每個(gè)取暖季總用能負(fù)荷約9 600 kW·h，則直熱式電暖器每季取暖用電量為9 600 kW·h÷95% = 10 105 kW·h，空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)每季取暖用電量為 9 600 kW·h÷2.4 = 4 000 kW·h，燃?xì)獗趻鞝t每季取暖用氣量約為1 022 m3。各種取暖方式初裝費(fèi)用根據(jù)前期調(diào)研取平均水平，各種清潔取暖方式投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。表1中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用指“煤改氣”“煤改電”涉及到的戶外燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)費(fèi)、電網(wǎng)改造費(fèi)，其中電網(wǎng)改造成本參考電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，需要說(shuō)明的是雖然直熱式電暖器和空氣源熱泵功率不同，相應(yīng)的農(nóng)網(wǎng)改造成本也不同，而實(shí)際中一個(gè)村莊通常有多種類型“煤改電”用戶，就整村農(nóng)網(wǎng)改造而言難以區(qū)分電供暖不同類型分擔(dān)成本，故假設(shè)均按1×104元/戶取值。

表1 農(nóng)村各種清潔取暖方式初裝費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

由表1可以看出，采用傳統(tǒng)散煤取暖，每年取暖費(fèi)用約 1 350元，其他各種方式運(yùn)行費(fèi)用均有所上升，其中采用空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)取暖，運(yùn)行成本相對(duì)較低，在不考慮補(bǔ)貼的條件下，每年取暖費(fèi)為2 000元，若考慮地方電價(jià)補(bǔ)貼政策，則實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用可能會(huì)低于傳統(tǒng)燃煤取暖。

4 環(huán)境效益對(duì)比分析

4.1 環(huán)保性分析

參考《生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》、《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南（試行）》、NB/T 34007—2012《生物質(zhì)炊事采暖爐具通用技術(shù)條件》等相關(guān)資料，每燃燒1×104m3天然氣、消耗1×104kW·h超低排放電廠發(fā)出的電，以及利用專用爐具燃燒1 t生物質(zhì)成型顆粒、1 t潔凈型煤、燃燒1 t原煤所排放的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物量如表 2所示，其中電力行業(yè)污染物排放系數(shù)根據(jù)2018年我國(guó)電力行業(yè)污染物排放總量和發(fā)電量[5]計(jì)算得到。

表2 消耗單位能源主要污染物排放系數(shù)

根據(jù)對(duì)每種取暖方式每個(gè)取暖季運(yùn)行成本的相關(guān)計(jì)算，此6種農(nóng)村取暖方式每個(gè)取暖季所排放的污染物總量計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 農(nóng)村各種取暖方式排放對(duì)比 單位：kg/（戶·季）

4.2 投資效益分析

將以上各種取暖方式的初裝費(fèi)用平均分?jǐn)偟?0年中，將清潔取暖方式的排放量與燃煤的排放量進(jìn)行比較，分析每取暖季每萬(wàn)元投資減排量，計(jì)算公式如下：

式（1）中：i——第i種排放污染物，包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物；x——第x種清潔取暖方式，包括生物質(zhì)、天然氣、直熱式電暖器、空氣源熱泵；Ji,x——單位投資減排量，kg/（季·104元）；Pi,煤——燃煤的單項(xiàng)排放量，kg/季；Pi,x——清潔取暖的單項(xiàng)排放量，kg/季；F初,x——清潔取暖的初裝費(fèi)用，104元；F運(yùn),x——清潔取暖的運(yùn)行費(fèi)用，104元。

按式（1）計(jì)算得到各種取暖方式的單位投資減排量，如表4所示。

表4 單位投資減排量 單位：kg/（季·104元）

由上述計(jì)算可得，對(duì)農(nóng)村地區(qū)每投入1×104元進(jìn)行清潔取暖改造：燃?xì)獗趻鞝t、直熱式電暖器、空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、生物質(zhì)+專用爐具、潔凈型煤+專用爐具每年可減排污染物總量分別為 107.5 kg，55.8 kg，98.2 kg，143.5 kg，85.8 kg。

從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兩方面考慮，農(nóng)村地區(qū)采用成型生物質(zhì)顆粒配套專用爐具綜合效益在5種清潔取暖技術(shù)路徑中最好，每萬(wàn)元投資獲取的總污染物減排量最高，其次是燃?xì)獗趻鞝t、空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、潔凈型煤，直熱式電暖器減排效益最差。

5 結(jié)論及建議

目前農(nóng)村地區(qū)采用的清潔取暖方式主要有燃?xì)獗趻鞝t、直熱式電暖器、空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、生物質(zhì)+專用爐具等4種。在北方農(nóng)村地區(qū)，目前散煤替代的主要方式是“煤改氣”“煤改電”，“雙替代”占清潔取暖所有方式的90%以上。

在假定條件下，從運(yùn)行成本來(lái)看，生物質(zhì)+專用爐具每取暖季運(yùn)行成本最低，其次是空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、燃?xì)獗趻鞝t，直熱式電暖器運(yùn)行成本最高；從每取暖季每戶污染物排放總量來(lái)看，排放量從小到大依次為空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、燃?xì)獗趻鞝t、直熱式電暖器和生物質(zhì)+專用爐具，均顯著低于散煤和潔凈型煤取暖方式。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，從萬(wàn)元投資總減排量來(lái)看，采用生物質(zhì)+專用爐具效益最高，其次是燃?xì)獗趻鞝t、空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)、潔凈型煤、直熱式電暖器。

建議相關(guān)部門在今后推進(jìn)農(nóng)村清潔取暖過(guò)程中做好以下工作：（1）鼓勵(lì)各地對(duì)不同的清潔取暖方式采取相對(duì)公平的補(bǔ)貼政策，結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源因地制宜選擇清潔取暖方式；（2）結(jié)合農(nóng)村資源條件，因地制宜，鼓勵(lì)村鎮(zhèn)生物質(zhì)鍋爐集中供暖、分戶式生物質(zhì)成型燃料+專用爐具作為農(nóng)村清潔取暖適宜的技術(shù)路線，研究相關(guān)支持政策，加快研究出臺(tái)分戶式生物質(zhì)利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；（3）探索村鎮(zhèn)地區(qū)生物質(zhì)供暖合適市場(chǎng)模式[6]，生物質(zhì)成型燃料在農(nóng)村可采用分散式的“一村一廠”代加工模式，降低中間運(yùn)輸成本及避免坐地起價(jià)現(xiàn)象，并使用燃燒效率高、污染物排放低的小型生物質(zhì)專用爐具，在小城鎮(zhèn)宜采用大中型生物質(zhì)鍋爐集中供暖。