北方地区农村清洁取暖技术适用性评价—以北京为例

吕连宏，张楠，夏捷，张保留*，白梓函，罗宏

1.中国环境科学研究院

2.北京节能环保促进会

以煤为主的资源禀赋特点决定了我国北方地区冬季取暖长期以燃煤为主[1-2]，大量散煤直接燃烧是造成北方地区大气污染严重、冬季重污染天气频发的主要原因之一[3-5]，严重影响人民群众身体健康[6-7]。作为改善区域大气环境质量的重要措施[8]，我国农村清洁取暖工作取得了显著环境效益[9-11]，北方农村地区取暖方式正由传统粗放式燃煤取暖向多种清洁取暖方式转变[12]。

发达国家家庭取暖能源技术路径的选择依赖用户的自主选择，主要受到设备价格、运行维护成本、政府补贴、居住特点等多重因素的影响[13-15]，温室气体与污染物减排等环境因素影响并不显著[16-17]。中国在短期内大规模推进农村清洁取暖改造，没有来自任何一个国家的成功经验可供参考，依靠自身的不断摸索积累了丰富的试点城市案例经验及做法[18-19]。中国农村清洁取暖政策实施与进展研究表明，成本是影响清洁取暖工作实施效果的关键因素之一。如徐银鸿等[20]对北方典型地区进行调研，发现居民清洁取暖改造意愿主要受家庭年收入和清洁取暖实际运行费用的影响。罗宏等[21]对京津冀及周边地区清洁取暖补贴政策现状进行了梳理，指出农户在高成本清洁取暖下对补贴具有依赖性；张保留等[22]通过对京津冀及周边地区的农户进行调研，测算了农户对清洁取暖的支付意愿，并进行了成本与支付意愿的对比分析。具体的清洁取暖改造成本研究表明，实施清洁取暖改造特别是改为燃气取暖方式后农户供暖成本大幅增加[23-25]，导致政府补贴成为农村清洁取暖工程可持续的关键影响因素[26-27]。

中国各地农村自然环境与社会经济条件差异较大，如何选择技术可行、经济上可接受的清洁取暖技术路径是清洁取暖改造可持续的关键。樊金璐[28]围绕北方清洁取暖集中和分散2种主要方式，从技术、经济、环境性等方面进行了量化综合评价；刘幼农等[29]结合地质、气候、人口等因素，对北京山区农村清洁取暖适宜技术路径提出了建议；崔艳梅等[30]通过调研北方农村地区清洁取暖技术应用及效果，提出适合北方农村地区清洁化改造的实施路径；赵利等[31]针对农村牧区清洁能源取暖技术集成模式进行了节能效果测算，分析了技术的经济性与可推广性。在具体的技术分析上，国内对农村清洁取暖技术适用性的研究主要基于理论测算[32]：有学者基于经验数据对不同农村清洁取暖技术路线的经济效益和环境效益进行了理论测算，提出成型生物质颗粒+专用炉具取暖技术[33]或燃气壁挂炉取暖技术[34]的综合效益较好；有学者对10多种清洁取暖技术路线进行了技术分析和寿命期经济测算，基于运行成本给出了农村清洁取暖技术的理论技术方案[35]；亦有学者专门针对蓄热式电锅炉[36]、空气源热泵[37]、地源热泵[38]、太阳能[39]、生物质能[40]等某一项取暖技术，探讨其应用于农村取暖的可行性与模式。

从现有的研究来看，清洁取暖技术适用性研究成果或缺乏基于实际应用数据的评价，或针对某项技术开展适宜性评价，但并未开展多项技术的综合比较，因而从技术经济角度深入开展常见清洁取暖技术的适宜性评价对进一步全面推广农村清洁取暖改造具有重要参考意义。北京市在全国最早开展农村清洁取暖改造工作，自2013年8月起在全国率先启动了农村地区“减煤换煤、清洁空气”行动，2013—2015年主要推广直热式电暖器和蓄能式电暖器，从2016年开始严禁安装直热式电暖器，全面推广空气源热泵，逐步为直热式电暖器用户更换为空气源热泵，至2018年底实现平原地区基本无煤化[41]。笔者通过现场调研、入户实测等方式获取北京市农户清洁取暖技术使用情况一手数据，从经济性和舒适性2个维度对空气源热泵、蓄能式电暖器、燃气壁挂炉和地源热泵这4种农村清洁取暖技术进行评价，定量分析不同技术的适用条件，并提出进一步实施农村清洁取暖改造政策的建议。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

2016年，选择北京地区已运行1个取暖期以上的行政村或自然村、社区为对象进行调研。调研对象涉及15个村和1个社区，涵盖了空气源热泵、蓄能式电暖器、燃气壁挂炉和地源热泵这4种清洁取暖技术，并且部分村落不止使用一种技术，具体情况见表1。

1.2 研究方法

在收集调研对象改造资料的基础上，选择有代表性农户，采用入户访谈的方式采集不同取暖技术的运行情况数据。利用统计分析方法进行数据分析，从经济性和适用性2个维度对空气源热泵、蓄能式电暖器、燃气壁挂炉和地源热泵等4种农村清洁取暖技术进行评价，定量给出不同技术的适用条件。

表 1 调研对象及使用的清洁取暖技术Table 1 Respondents and the clean heating technologies used

2 结果与讨论

2.1 调研对象基本情况

调研对象基本情况包括地理条件、户均年收入、建筑面积、围护结构、室内末端形式，具体结果见表2。在调研的15个村中，平原、山区和半山区地形占比分别为40.0%、33.3%和26.7%，户均年收入超过70%的在4.5万元以下，建筑面积多集中在200 m2以内，围护结构69.7%采用三七墙，室内取暖末端形式65.1%采用暖气片。

2.2 不同技术的适用性评价

2.2.1 经济性

从设备投资来看，空气源热泵设备价格为20 000～30 000元/套，未补贴情况下，空气源热泵设备初投资为205～310元/m2，政府补贴后初投资降为55～93元/m2；蓄能式电暖器补贴前价格为1 500～3 000元/台，补贴后价格为1 000～1 500元/台，每户设备投资费用占户均年收入的10%以内，除了没有补贴政策的村之外，投资成本均在50元/m2以内，最低的仅为17.6元/m2；燃气壁挂炉设备价格为10 000～15 000元/台，除房山区河口村无补贴外，其余2个地区的燃气设备均由政府补贴90%，用户自付初投资低于1 500元，单位面积初投资在7.5元/m2以内；地源热泵取暖设备由政府补贴，单位面积投资为650元/m2，用户无需自付（表3）。蓄能式电暖器投资费用占户均收入最低，燃气壁挂炉政府补贴比例大，补贴后设备投资大幅降低。从设备的使用寿命来看，空气源热泵、蓄能式电暖器、燃气壁挂炉使用寿命均在10～15 a，地源热泵使用寿命最长，一般可达15～30 a。但由于地源热泵全部由政府出资改造，故不同设备的寿命周期成本差异不大，设备初投资已体现其成本水平，故此处不予讨论。

表 2 调研对象的基本信息Table 2 Basic characteristics of surveyed households

不同清洁取暖技术的运行费用见表4。从表4可以看出，空气源热泵取暖补贴后的运行费用为16.00～75.00元/m2，占户均年收入的5.1%～28.0%，在“煤改电”以后，59.42%的用户取暖运行费用降低，降幅在22.4%～50.1%。主要是因为这些地区大多为新建房或新装修住宅，墙体均设置了保温层，围护结构保温效果较好，且均采用的是低谷电价。蓄能式电暖器补贴后的取暖运行费用为41.42～143.59元/m2，占户均年收入的1.1%～20.0%。燃气壁挂炉补贴后的取暖运行费用为28.78～35.89元/m2，占户均年收入的11.7%～15.4%。在政府补贴政策上，除较早改造的河口村外，均有较大补贴力度，其中昌平区曹庄村补贴后取暖费为28.78元/m2，运行费用最低，主要原因是当地的补贴较高，燃气价大幅降低。房山区河口村虽未享受燃气价格补贴，但运行费用仍较低，原因主要是该村室内末端形式均为地暖，节省了天然气消耗量。地源热泵取暖季的运行费用为29.26元/m2，占户均年收入的19.8%。相比燃煤取暖，蓄能式电暖器、燃气壁挂炉及地源热泵改造后取暖费用增加比例最高分别达139.5%、58.2%、58.1%。

表 3 不同清洁取暖技术的设备投资Table 3 Equipment investment of different clean heating technologies

表 4 不同清洁取暖技术的运行费用Table 4 Operating costs of different clean heating technologies

与市政取暖标准24元/m2、小区供暖收费标准30元/m2相比，昌平区的麦庄村、平谷区的东寺渠村和胜利街村采用空气源热泵取暖的运行费用均超过了该标准，采用蓄能式电暖器的地区取暖费用均较高，燃气壁挂炉的取暖费用高于市政取暖费用，与小区取暖费用标准相比基本持平。若将室内取暖末端形式改为换热效果较好的地暖，则可以节省能源费用。

2.2.2 舒适性

不同取暖技术的室内温度见表5。使用空气源热泵取暖的农户室内温度为17～24 ℃，墙体无保温层的用户室内温度为19～22 ℃。采用蓄能式电暖器的室内取暖末端形式均为暖气片，室内温度较低，一般保持在13～26 ℃。由于只在夜间低谷电价期间蓄能，用户使用到傍晚时热量释放完毕后室温会逐步下降，造成舒适性较差。燃气壁挂炉、地源热泵取暖一般均设有温控器，可设置所需保持的室内温度，用户室内温度基本上可以分别达到18～22和18～25 ℃，符合暖通设计标准。

通过以上评价，总结了各清洁取暖技术的适用条件，结果见表6。空气源热泵在不同地形、室外温度、围护结构、农宅面积用户均可满足取暖需求，适用性广泛。在各种户型面积、围护结构、末端形式，采用燃气壁挂炉取暖温度基本能够满足取暖需求，适用性广。若墙体布置相应的保温层措施，或取暖末端形式采用地暖，则可增强取暖效果。

表 5 不同清洁取暖技术的室内外温度Table 5 Indoor and outdoor temperatures of different clean heating technologies

表 6 常见农村清洁取暖技术的适用条件Table 6 Applicable conditions of common rural clean heating technologies

3 结论与建议

3.1 结论

（1）不同清洁取暖技术设备在政府补贴后的投资均有降低。未补贴情况下，空气源热泵设备初投资为205～310元/m2，政府补贴后降为55～93元/m2；蓄能式电暖器补贴后投资成本均在50元/m2以内，最低的仅为17.6元/m2；燃气壁挂炉设备除无补贴政策地区外，其他地区初投资在7.5元/m2以内；地源热泵取暖设备由政府投资，单位面积投资为650元/m2，用户无需自付。

（2）大部分清洁取暖技术改造后取暖运行费用有所增加。空气源热泵取暖的运行费用为16.00～75.00元/m2，占户均年收入的5.1%～28.0%；蓄能式电暖器取暖运行费用为41.42～143.59元/m2，占户均年收入的1.1%～20.0%；燃气壁挂炉取暖运行费用为28.78～35.89元/m2，占户均年收入的11.7%～15.4%；运行费用最低的地区或由于政府对气价的较高补贴，或由于室内末端形式均为地暖，节省了天然气消耗量；地源热泵取暖季的运行费用为29.26元/m2，占户均年收入的19.8%。相比燃煤取暖，采用空气源热泵后，约59.42%的用户取暖运行费用降低，降幅在22.4%～50.1%，主要由于这些地区大多为新建房或新装修住宅，围护结构保温层效果较好，且均采用的是低谷电价。蓄能式电暖器、燃气壁挂炉、地源热泵取暖费用均有增加，最高增幅分别为139.5%、58.2%、58.1%。

（3）不同清洁取暖技术适用条件存在差异。在清洁取暖技术选择上综合考虑区域、经济、生活习惯等多因素，得出不同清洁取暖技术的适用性。从初投资方面，在政府设备补贴的前提下空气源热泵与燃气壁挂炉设备投资低至10～15元/m2，更易被用户接纳。相比之下地源热泵初期投资巨大，更适合结合新农村建设、险村搬迁或改造的同时，引入社会资本参与建设并提供取暖服务。从气候条件方面，空气源热泵适用于冬季温度不低于-20 ℃的各类区域，蓄能式电暖器适用于冬季温度接近于城区的农村或城乡接合部，燃气壁挂炉适用于距离燃气管线或燃气站较近的平原、半山区地区，地源热泵适用于具有适合打井的地质结构，有足够空间进行地埋管的区域。

3.2 建议

（1）农村清洁取暖改造工作应立足长远。农村清洁取暖改造是一项利国利民的长期系统工作，是治理大气污染、打赢“蓝天保卫战”的重要措施，也是建设美丽乡村、改善农民生活条件的民生工程。虽然更高的大气环境质量改善需求对农村清洁取暖改造提出更快更广的要求，但不能只着眼短期效果而忽略长期发展，避免形成“运动式”的发展模式和“夹生饭”的结果。在政策制定方面，要短期与长期相结合，按照正常的市场规律、规则和程序进行任务分解和进度安排；技术选择方面，要适合当地各方面的条件，要能用得好、用得住；项目管理方面，要前期准备充分，中期设计施工有序，后期监督保障跟得上；政策宣传方面，要充分发挥基层组织作用，宣传进村，政策到户，干部熟悉，农户清楚，好的政策要让农户看得到、听得到、享受得到。

（2）因地制宜选择清洁取暖技术。不同清洁取暖技术之间，甚至同一技术不同条件之间，使用效果也存在差异。因此清洁能源技术路线的选择应在资源成本低廉、供给稳定持续的基础上，充分考虑区域自然环境特征、经济发展水平、基础设施（如电网、燃气管网等）等条件，农户的生活习惯、建筑特点以及经济状况等因素尤为重要，要始终围绕“改善生活环境、增进民生福祉”这一初衷，才能够确保改造项目的长期良好运行。在可再生能源资源丰富地区，在政府与农户经济可承受的前提下，引入太阳能、风能、地热能、生物质能等作为补充。在不具备改造条件的地区，洁净煤配套专用炉具在农村清洁取暖中也是不可或缺的技术路径。

（3）着力降低农户清洁取暖运行成本。将已有农村住宅抗震节能改造政策与农村清洁取暖政策相结合，结合政府补贴与村民自筹，对取暖设备、室内末端、围护结构、门窗等进行综合节能改造。通过试点示范，增强村民对于综合节能改造的认识程度，将节能改造与节省取暖费相关联，调动村民实施节能改造的意愿和积极性。长期来看，各地应在农户可接受、政府可承担的前提下，逐步实现清洁取暖运行费用补贴退坡，逐步引导补贴政策由目前的投资补贴和长期运行补贴转变为前期改造一次性补贴。鼓励和引导金融资本投入清洁取暖领域，拓宽金融机构支持清洁取暖渠道，创新金融产品和服务，探索金融支持清洁取暖项目，如以PPP项目的方式鼓励和引导社会资本投资清洁取暖项目，推动形成“企业为主，政府推动，居民可承受”的清洁取暖商业模式。

（4）提高农村清洁取暖电力和天然气供应可靠性。实施农村清洁取暖改造，从能源供给形式来看本质上是将常规燃煤这种分布式能源系统改为电力、燃气集中能源供应系统，存在一定的能源供应可靠性运行风险，当集中能源供应中断时若没有应急能源作为补充，将严重影响农户的正常生活。实施清洁取暖改造后，一方面要大力加强农村电力、天然气的供应可靠性，另一方面建议编制相关预警与应急预案，或纳入到已有能源预警与应急预案中，及时应对一旦电力、天然气供应出现问题时影响农户生活的情况。