东北严寒地区农村生活用能基线调研与零碳发展路径研究

王 粟，王全辉，王久臣，刘 杰，魏欣宇，莫 铮，张艳萍，徐文勇，史风梅，裴占江，李鹏飞，于秋月

（1黑龙江省农业科学院农村能源与环保研究所，哈尔滨 150086；2农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125）

0 引言

当前，应对气候变化已成为国际社会普遍关注的重大全球性问题[1]。2016年《巴黎气候协定》的签署，明确了2020年后国际社会合作应对气候变化的基本框架，世界各国为实现“碳中和”目标开展了积极行动[2]。2020年9月，习总书记代表中国宣布了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的明确目标与承诺[3]；2020年12月，中央经济工作会议确定了将“做好碳达峰、碳中和工作”作为2021年八大重点任务之一。中国提出碳达峰、碳中和愿景目标，既是对世界经济社会与生态环境可持续发展的贡献与承诺，同时也充分体现了中国走低碳发展道路的决心与信心[4]。

在《巴黎协定》中，控制气候变化的主要目标是“将全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内而努力”[2]。在此情景下，中国2035年低碳能源在一次能源消费总量中占比应增加至约65%，2050年将达到70%～85%，涉及电力、建筑、工业、交通、农业及林业等多个行业领域[5-6]。中国是人口大国和农业大国，农村人口约占全国总人口数的42%，农村生活能源消耗量占全国能源消费总量的20%以上[7]，农村能源建设是中国农业农村社会经济发展的重要基础，更是国家能源碳中和目标战略的重要组成[8]，但受中国城乡二元结构的制约，以及农业生产和农村生活中能源消费的急剧增长，农村能源供给能力与温室气体减排压力也日益突出[9-10]。因此，在碳中和目标愿景下，加强农村清洁能源建设，尤其是可再生能源建设，探索可再生能源高效、可持续的发展路径，将对促进农村能源低碳转型发展产生深远影响[11-12]。

中国东北地区冬季漫长寒冷，采暖期长达半年，农村能源消费结构与用能方式与中国其他地区存在较大差异[13]。本研究通过现场调研、问卷调查、文献查阅等方法，针对东北农村地区开展生活用能消费基线研究[14]，总结分析中国东北严寒地区农村生活用能消费现状、用能特点及主要问题，在基于碳中和、碳达峰目标愿景下，从集成优化、多能互补的角度出发，结合区域气候特征、资源禀赋与能源需求趋势，研究探索东北农村地区可再生能源技术利用发展路径与碳减排效果，从而为中国农村节能减排与零碳村镇建设提供参考和依据。

1 调研主要内容与方法

在东北严寒地区黑龙江、吉林及辽宁3个省份，选取代表性的4个村屯作为样本，分别为黑龙江省肇东市某村（W村）、黑龙江省海伦市某村（H村）、辽宁省朝阳市某村（J村）和吉林省敦化市某村（Y村）。主要调查内容包括各抽样村镇常驻人口，生活能源电力、煤炭、燃气、生物质成型燃料、薪柴、秸秆、沼气、生物质发电、太阳能发电、太阳能光热等消费方式类别、消耗量及主要用途。

2020年8月—9月采用现场调研与问卷调查相结合方法[15-17]，进行数据资料的采集。调研数据中能源资源消耗量或体积，根据国家农业农村部2015年制定颁布的《全国农村可再生能源统计报表制度》中折标煤系数计算方法，折标准煤测算计量，能源资源与标准煤之间转换系数取值见表1，以便对各村屯农村能源消费基线、结构及特点等进行分析。

表1 主要能源资源标煤折算表

通过零碳发展路径的选择与确立，结合化石能源替代情况，设备热效率提升，以及能源碳排放系数[18]（见表2），计算分析农村生活用能碳减排潜力。其中，秸秆薪柴虽然为可再生资源，但受低效传统炉灶利用影响，暂不纳入可再生能源技术应用，考虑到在没有政策促进的情况下，随着生活水平的提高，居民将优先考虑用煤炭代替秸秆薪柴以满足日常需求，因此，按照秸秆向煤炭的替代能源转换情景，计算二氧化碳排放量。

表2 主要能源二氧化碳排放系数表

2 农村地区生活能源消费基线调研结果分析

农村生活能源消费情况基线调研共发放调查问卷400份，占4个调研村屯总户数的13.3%，回收有效问卷393份，有效率98.3%。如图1所示，东北严寒地区农村生活用能消费体系中，商品能源消费约占39.1%，主要以煤炭、电力及部分液化石油气消费为主，分别占生活用能消费的23.6%、13.3%和2.2%；非商品能源消费约占60.9%，主要以秸秆薪柴及少量太阳能热水器利用为主，分别占生活用能消费的60.1%和0.8%。

图1 东北严寒地区农村生活用能消费结构图

如表3所示，东北地区农村人均年生活用能消费量，随着地理位置纬度的提高呈现明显上升趋势，分别为J村0.5 tce、Y村0.8 tce、W村1.3 tce和H村1.4 tce，均明显高于0.46 tce的全国农村人均生活用能消费水平[19]。东北作为中国重要的粮食主产地区，秸秆资源十分丰富，多被用于农户冬季采暖及部分炊事用能，各村人均生活用能消费体系中作物秸秆消费占比分别为W村74.9%、H村61.1%、J村55.7%和Y村42.5%。其次，受冬季寒冷气候影响，东北地区采暖期一般长达6个月，采暖用能消费普遍较高，主要以秸秆及煤炭资源消耗为主，各村采暖用能在人均生活用能消费中占比分别为W村74.9%、H村85.0%、J村82.1%和Y村75.7%。东北地区农户多采用传统炕灶自采暖的方式，装置热效率仅为35%～50%，不但造成能源的浪费，秸秆和散煤燃烧排放的污染物也严重影响室内空气及区域大气环境质量。此外，许多农村居民为降低采暖费用，采用间歇式供暖方式，导致房屋温度较低，热舒适度较差，影响居民的生活品质。

表3 农村生活能源消费情况对比表

最后，东北地区农村住宅多为独栋单层建筑，外围护结构保温性能较差。通常墙体围护为370 mm厚的砖混结构，砖为实心粘土砖，多缺乏保温措施，传热系数约为1.8 W/(m2·K)，外窗采用双玻塑钢窗，传热系数约为2.5 W/(m2·K)，屋顶多采用现浇混凝土屋面，室内多无吊顶及保温，传热系数仅为3.1 W/(m2·K)，导致采暖热负荷较大，房屋单位面积采暖能耗约30～50 W/m2，很难达到中国现行国家标准[20]。

3 碳中和愿景下东北严寒地区农村零碳发展路径与技术模式选择

基于碳中和目标愿景，中国农村生活能源供应消费体系面临低碳转型升级的重大机遇和挑战。技术路径的创新发展，是实现农村能源从碳密集型化石燃料向清洁可再生能源转变的重要支撑[21]，是与农业农村生态环境保护治理、实施乡村振兴、建设美丽乡村、构建农业循环体系等农业农村发展战略的高度融合与最终体现[22]。东北地区农村生活用能零碳发展，应充分结合区域气候特征、资源禀赋与经济社会发展特点，因地制宜地发展秸秆压块成型燃料、秸秆打捆直燃等秸秆能源化利用技术，辅以建筑节能改造，从而高效解决农村采暖清洁用能需求，提高能源利用效率，降低农村生活用能消费量。同时，有序推广太阳能光伏、风能发电、太阳能热利用等可再生能源技术，挖掘农村能源碳减排潜力，引导并提升农村清洁能源消费比例，构建方便灵活、清洁供应、节约用能、可持续发展的农村生活用能体系[23]。

W村、J村和Y村住宅均为传统独栋单层建筑，居住密度较小，宜采用“分户式秸秆成型燃料取暖+建筑节能+分布式太阳能光伏”零碳技术模式。其中，分布式秸秆成型燃料取暖技术模式，适用于农作物秸秆及林业薪柴丰富的广大农村地区，可用于分散居住的农户采暖及炊事用能。该技术主要依托秸秆成型燃料站建设，生物质通过压块成型，形成颗粒比重大、体积小、高挥发分、高固定碳的优质固体燃料，热值一般可达3000 kcal以上，配合户用生物质适配炉具，可有效保证燃料稳定、高效、充分的燃烧，并有效降低污染物的排放，替代煤炭等传统燃料[24]；建筑节能主要是通过建筑围护结构的节能改造，包括住宅房屋北向外墙或山墙增设保温板，增设室内保温窗帘，对经济条件较好的农户，还可增设屋面保温板[25]，从而使房屋单位面积采暖能耗降至21～35 W/m2，符合中国农村居住建筑节能设计标准，降低建筑采暖能耗，预计可提升能效25%～30%；分布式太阳能光伏技术，是最优质的绿色能源之一，可充分利用农村住宅及公共建筑的屋顶设施，实现分布式供能，运行方式为用户自发自用，多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施，解决当地用户用电需求，实现就近发电，就近并网，就近转换，就近使用，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题，具有安全性高、成本低、操作简单全自动、减小环保压力、弥补大电网稳定性不足等优势[26-27]。按农村住宅面积80～100 m2计算，每户屋顶一般可设计安装5 kw装机规模的太阳能光伏发电系统，配合储能等技术，可与农业生产、农民生活相结合，满足农户用电需求，还可将剩余电能供应周边公共设施及棚室照明用能等。

H村为乡镇中心村，建筑类型包括多层住宅楼，独栋单层平房及多层商住一体等形式，采暖方式主要有传统燃煤锅炉集中供热及分户式传统炉灶采暖。根据H村居住形式和生活用能方式，可采用“秸秆打捆直燃集中供暖+分布式太阳能光伏”零碳技术模式，统筹解决区域冬季清洁采暖及绿色用电问题。H村人口较多，宜采用集中供暖技术，由于热电联产工程一般建设规模较大，不适用距离城市较远的H村，因此，可选择秸秆打捆直燃供暖技术。该技术适宜在北方以种植业为主的乡镇村屯推广[28]，秸秆供应由企业与合作社合作共同负责秸秆原料收储，农户不需要承担秸秆收集离田所需人工及机械工作费用，供暖企业协调供热管理运营，农户及相关取暖部门，采用供热服务购买方式，保障企业经济效益[29]。此外，针对部分独栋单层建筑可增设“建筑节能+省柴节能炉灶”技术模式，从而提升冬季采暖热效率，实现清洁炊事用能等需求。

4 东北严寒地区农村生活用能碳减排潜力估算

通过零碳技术模式推广，农村节能减排能力将得到有效提升，如表4所示，各村冬季采暖煤炭与秸秆资源消耗量将得到显著降低，生活用能消费总量预计W村为245.2 tce、H村为4410.8 tce、J村为781.2 tce和Y村为236.0 tce，年生活用能节能量分别为157.3 tce、2169.3 tce、643.2 tce和168.2 tce，节能量占原有生活用能消费总量的39.1%、33.0%、45.2%和41.6%。人均生活用能消费量将分别降至W村为0.8 tce、H村为0.9 tce、J村为0.3 tce和Y村为0.5 tce。

表4 农村生活用能节能减排情况表

此外，各村原有可再生能源利用主要包括太阳能热水器及电力消费中的可再生能源电力部分，年二氧化碳减排量分别为W村59.9 t、H村193.4 t、J村119.2 t和Y村53.9 t，年二氧化碳减排量共计446.3 t。通过零碳技术模式推广，采用分布式太阳能光伏利用，配合储能技术，可实现电力的可再生能源全替代；采用分户式秸秆成型燃料取暖或秸秆打捆直燃集中供暖技术，可实现秸秆生物质的高值利用与煤炭全替代；采用分户式生物质炉具与省柴节煤灶，可进一步实现部分农户采用液化石油气炊事的用能替代。因此，各村年二氧化碳减排量分别可达到W村为452.9 t、H村为1288.2 t、J村为2877.3 t和Y村为841.4 t，各村碳减排量分别提高了5.7倍、66.6倍、24.1倍和15.6倍，温室气体减排能力得到了大幅提升。

5 结论

本研究通过基线调研，分析了中国东北严寒地区农村生活用能消费特点，其中，秸秆薪柴等非商品能源消费占比达60.9%，各村人均年生活用能消费量明显高于全国平均水平，而受气候条件影响，采暖用能消费比重分别为W村74.9%、H村85.0%、J村82.1%和Y村75.7%，住宅建筑围护结构保温性能较差，房屋单位面积采暖能耗达30～50 W/m2。结合区域气候特征、资源禀赋与经济社会发展特点，针对以独栋单层建筑为主的农村地区，采用“分户式秸秆成型燃料取暖+建筑节能+分布式太阳能光伏”技术模式，针对人口相对较多，建筑以多层楼房及部分独栋单层的住宅形式，宜采用“秸秆打捆直燃集中供暖+分布式太阳能光伏+建筑节能+分户式省柴节能炉灶”的技术模式，从而实现多重能源的清洁生产、就近消纳、高效转换、能源梯级利用的农村节能减排新格局[30-32]。

通过零碳技术模式推广，对农村节能减排潜力进行估算分析，各村年生活用能节能量分别占原有生活用能消费总量的39.1%、33.0%、45.2%和41.6%，年二氧化碳减排量分别可达到W村为452.9 t、H村为1288.2 t、J村为2877.3 t和Y村为841.4 t，各村碳减排量分别提高了5.7倍、66.6倍、24.1倍和15.6倍，温室气体减排能力将得到大幅提升。