农村地区清洁取暖技术路线成本效益分析

赵文瑛* 邓高峰 关运龙 于长友 唐飞 姜士宏

（1.电力规划总院有限公司；2.中国建筑科学研究院有限公司）

0 引言

北方地区冬季清洁取暖一头牵着群众温暖过冬，一头连着蓝天白云，是一项重要的民生工程、民心工程。2016年12月21日，***总书记在中央财经领导小组第十四次会议上强调推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。根据国发〔2018〕22号《打赢蓝天保卫战三年行动计划》[1]，北方地区清洁取暖要因地制宜、多措并举，从实际出发，宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热。

根据发改能源〔2017〕2100号《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》，2016年，我国北方农村地区居民取暖面积约占北方地区总取暖面积的三分之一，主要依靠散煤取暖，我国北方地区取暖用煤消耗量约4×108t/a标准煤，其中农村地区散烧煤（含低效小锅炉）约2×108t/a，这些散烧煤燃烧几乎没有任何环保措施，是导致北方地区冬季空气污染的主要原因之一。农村是北方地区清洁能源替代散煤取暖任务最重的地方，也是清洁取暖工作的主战场。北方农村地区基础设施普遍比较落后，人均收入水平较低，各地冬季取暖季时长、室外温度等气候条件差异也较大，清洁取暖改造设施投入较大，农民对清洁取暖技术路线成本比较敏感，在实际推进过程中更需要加强不同技术路线的对比优选，尽可能降低污染物排放量及居民取暖成本。

本文对北方农村地区清洁取暖现状及采用的主要技术路线进行总结分析，对比不同技术路线的投资成本、运行成本以及环保成效，综合考虑资金投入和环保效益，为今后科学合理推动农村清洁取暖工作提供参考。

1 农村地区清洁取暖现状

在国家和地方政府的大力推动下，经过2017—2018年、2018—2019年两个取暖季，北方地区冬季清洁取暖工作总体进展顺利、成效明显。截至2019年取暖季结束，北方地区冬季清洁取暖率达到50.7%，其中城镇地区清洁取暖率68.5%，农村地区清洁取暖率为 24.0%。总体上城镇地区进展普遍较好，农村地区相对滞后，因此今后农村地区清洁取暖工作将成为重中之重。

我国北方农村地区取暖以传统家庭为单位的分户式取暖方式为主，普遍使用的传统取暖方式包括煤炉、土暖气、电供暖、火炕、木柴等。农村住宅多数是个人建造的独立性建筑，围护结构屋顶为平顶或坡顶，内部少数有吊顶，大部分没有采取保温措施，保温隔热效果差，门窗密封性能一般。农村地区建筑取暖用能总量大，并且能源利用效率低[2]，多以燃料直接燃烧为主，燃烧效率较低，散煤燃烧效率仅有 30%～40%，不及区域大型锅炉的一半。北方地区供暖平均综合能耗（折合标煤）约为22 kg/m2，其中城镇约为 19 kg/m2，农村地区约为 27 kg/m2[3]。

经过 2017—2018年、2018—2019年两个取暖季，北方农村地区大力推进清洁取暖改造，尤其是“煤改气”和“煤改电”，各地加强散煤治理工作，有序推动农村农房节能改造。截至2019年取暖季结束，“2+26”城市清洁取暖率为43%、京津冀及周边地区农村清洁取暖率为32%，这些都是环保要求比较严格的地方，农村清洁取暖工作力度比较大；东北地区和西北地区没有“2+26”大气传输通道城市，并且尚未有中央财政试点资金支持，农村清洁取暖工作推进相对缓慢，清洁取暖率分别为4%和11%。

在农村清洁取暖热源方面，农村地区清洁取暖路径以天然气取暖和电取暖为主，其中，“煤改气”占比为 52%，“煤改电”占比为 39%，生物质能、地热、太阳能、工业余热等其他清洁能源取暖比例为9%。可见清洁取暖工作实施以来，农村地区清洁取暖90%以上选择了“煤改气”“煤改电”，其中燃气壁挂炉是应用最多、发展最快的一种方式，其他方式发展较慢。

2 主要技术路线特点及适宜性

清洁取暖实施以来，农村地区主要从用户侧加强建筑保温、进行节能改造，热源侧选择清洁化热源替代散煤两方面推进。在用户侧，通过对农村既有建筑物围护结构的改造，可降低建筑物能耗，节约能源，从而降低供暖运行成本，部分地区探索了低成本围护结构节能改造在农村建筑中的应用。在热源侧方面，除了主要的“煤改气”“煤改电”，部分地区也选择了生物质供暖、太阳能+、偏远地区清洁型煤作为过渡等方式。

2.1 燃气壁挂炉

燃气壁挂炉作为单元化、独立式取暖系统的热源方式区别于传统集中供暖，满足家庭用热需求，各个房间能够根据需求自行设定舒适温度，也可根据需要决定某个房间单独关闭供暖，并且能够提供大流量恒温卫生热水，供家庭沐浴、厨房等场所使用。

根据调研，燃气壁挂炉是天然气供暖方式中发展最快的一种方式，燃气壁挂炉供暖面积占天然气新增清洁供暖面积的近70%。分户式燃气壁挂炉供暖以河北省最多，华北和西北地区是燃气壁挂炉应用最多的区域，适合于当地经济水平较高且有充足气源保障、居民对做饭方式有较高愿望的农村。

2.2 空气源热泵

热泵是一种通过少量高位能输入，使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。空气源热泵大规模使用对当地电网容量有要求，大部分村镇电网需要投入资金进行改造。在冬季室外最低气温-5 ℃以上的地区，空气源热泵经济性和可靠性较好。适宜用于城市集中供暖管网覆盖不到的区域作为取暖补充热源，以及作为城镇及农村地区集中取暖的主力热源和部分经济较好地区农户分户取暖的热源。

2.3 直热式电暖器

分散电取暖是指将小容量的电取暖设备，分散安装于建筑室内的墙面、顶棚或地面部位，通电后将电能向热能转换并辐射热量的取暖方式，主要包含电暖器、空调、碳晶取暖、发热电缆取暖和电热膜取暖等几种，可在住宅小区、宾馆、学校、医院等场所应用。

2.4 生物质供暖

中国生物质资源丰富，生物质能开发利用前景广阔。据统计，可作为能源利用的农作物秸秆、林业剩余物和能源作物等生物质资源总量折合标准煤约4.6×108t/a。其中，林业木质剩余物的规模最大，林业废弃物每年可作为能源利用量约3.5×108t，折合标准煤约2.0×108t，占比约为43%；农作物秸秆每年可作为燃料利用量约3.4×108t，折合标准煤约1.7×108t，占比约为37%。目前，我国生物质能年利用量约3 500×104t标准煤，利用率仅为7.6%。

分户式生物质供暖采用生物质成型颗粒+专用炉具的方式，专用炉具初投资低于生物质锅炉，运行更加方便灵活、随用随开，兼顾取暖、炊事及生活用水，运行成本较低，一般家庭基本能够承受，在北方农村地区具有较大的推广应用潜力。

2.5 太阳能供暖

被动式太阳房无需任何运营成本但受天气影响，利用不稳定；主动式太阳能系统需要额外辅助能源系统，一般作为补充热源[4]。被动式太阳房适用于太阳能资源良好地区，如青海省许多州县农户普遍应用；主动式太阳能系统亦适用于太阳能资源良好地区，只在白天使用的办公楼、教学楼更有优势。

3 主要技术路线成本分析

相比城镇建筑，北方农村建筑普遍存在气密性不好、保温性能差等问题，节能水平较低。农房户型较大，但冬季人员活动一般集中在取暖区域。选取燃气壁挂炉、直热式电暖器、空气源热泵（热风型）、生物质成型颗粒+专业炉具等4种清洁取暖方式与燃煤+普通炉具、洁净型煤+专业炉具对照，对比农村地区目前常用的几种取暖方式的经济性。部分计算条件如下：

（1）建筑取暖热负荷 100 W/m2（实际取暖面积按80 m2计），日均取暖时长10 h，每年取暖120 d，天然气低位热值 35.6 MJ/m3，生物质成型燃料低位热值16.7 MJ/kg，热风机COP（能效比）为2.4；

（2）热效率。燃气壁挂炉热效率取95%，直热式电暖器取95%，生物质专用炉具取85%，专用燃煤炉取85%，普通燃煤炉取65%；

（3）价格假定。补贴前居民电价0.5元/（kW·h）（参考北京市2019年居民生活用电价格）；补贴前居民用气价格2.6元/m3（参考北京市2019年民用天然气价格）；洁净型煤价格1 100元/t（根据2019年河北部分地区调研数据）；民用散煤价格750元/t。

根据上述条件，计算得到假定条件下每个取暖季总用能负荷约9 600 kW·h，则直热式电暖器每季取暖用电量为9 600 kW·h÷95% = 10 105 kW·h，空气源热泵热风机每季取暖用电量为 9 600 kW·h÷2.4 = 4 000 kW·h，燃气壁挂炉每季取暖用气量约为1 022 m3。各种取暖方式初装费用根据前期调研取平均水平，各种清洁取暖方式投资费用和运行费用计算结果详见表1。表1中，基础设施建设费用指“煤改气”“煤改电”涉及到的户外燃气管网建设费、电网改造费，其中电网改造成本参考电网公司统计数据，需要说明的是虽然直热式电暖器和空气源热泵功率不同，相应的农网改造成本也不同，而实际中一个村庄通常有多种类型“煤改电”用户，就整村农网改造而言难以区分电供暖不同类型分担成本，故假设均按1×104元/户取值。

表1 农村各种清洁取暖方式初装费用及运行费用对比

由表1可以看出，采用传统散煤取暖，每年取暖费用约 1 350元，其他各种方式运行费用均有所上升，其中采用空气源热泵热风机取暖，运行成本相对较低，在不考虑补贴的条件下，每年取暖费为2 000元，若考虑地方电价补贴政策，则实际运行费用可能会低于传统燃煤取暖。

4 环境效益对比分析

4.1 环保性分析

参考《生活污染源产排污系数手册》、《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》、NB/T 34007—2012《生物质炊事采暖炉具通用技术条件》等相关资料，每燃烧1×104m3天然气、消耗1×104kW·h超低排放电厂发出的电，以及利用专用炉具燃烧1 t生物质成型颗粒、1 t洁净型煤、燃烧1 t原煤所排放的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物量如表 2所示，其中电力行业污染物排放系数根据2018年我国电力行业污染物排放总量和发电量[5]计算得到。

表2 消耗单位能源主要污染物排放系数

根据对每种取暖方式每个取暖季运行成本的相关计算，此6种农村取暖方式每个取暖季所排放的污染物总量计算结果详见表3。

表3 农村各种取暖方式排放对比 单位：kg/（户·季）

4.2 投资效益分析

将以上各种取暖方式的初装费用平均分摊到10年中，将清洁取暖方式的排放量与燃煤的排放量进行比较，分析每取暖季每万元投资减排量，计算公式如下：

式（1）中：i——第i种排放污染物，包括颗粒物、二氧化硫、氮氧化物；x——第x种清洁取暖方式，包括生物质、天然气、直热式电暖器、空气源热泵；Ji,x——单位投资减排量，kg/（季·104元）；Pi,煤——燃煤的单项排放量，kg/季；Pi,x——清洁取暖的单项排放量，kg/季；F初,x——清洁取暖的初装费用，104元；F运,x——清洁取暖的运行费用，104元。

按式（1）计算得到各种取暖方式的单位投资减排量，如表4所示。

表4 单位投资减排量 单位：kg/（季·104元）

由上述计算可得，对农村地区每投入1×104元进行清洁取暖改造：燃气壁挂炉、直热式电暖器、空气源热泵热风机、生物质+专用炉具、洁净型煤+专用炉具每年可减排污染物总量分别为 107.5 kg，55.8 kg，98.2 kg，143.5 kg，85.8 kg。

从经济性和环保性两方面考虑，农村地区采用成型生物质颗粒配套专用炉具综合效益在5种清洁取暖技术路径中最好，每万元投资获取的总污染物减排量最高，其次是燃气壁挂炉、空气源热泵热风机、洁净型煤，直热式电暖器减排效益最差。

5 结论及建议

目前农村地区采用的清洁取暖方式主要有燃气壁挂炉、直热式电暖器、空气源热泵热风机、生物质+专用炉具等4种。在北方农村地区，目前散煤替代的主要方式是“煤改气”“煤改电”，“双替代”占清洁取暖所有方式的90%以上。

在假定条件下，从运行成本来看，生物质+专用炉具每取暖季运行成本最低，其次是空气源热泵热风机、燃气壁挂炉，直热式电暖器运行成本最高；从每取暖季每户污染物排放总量来看，排放量从小到大依次为空气源热泵热风机、燃气壁挂炉、直热式电暖器和生物质+专用炉具，均显著低于散煤和洁净型煤取暖方式。综合考虑经济性和环保性，从万元投资总减排量来看，采用生物质+专用炉具效益最高，其次是燃气壁挂炉、空气源热泵热风机、洁净型煤、直热式电暖器。

建议相关部门在今后推进农村清洁取暖过程中做好以下工作：（1）鼓励各地对不同的清洁取暖方式采取相对公平的补贴政策，结合当地资源因地制宜选择清洁取暖方式；（2）结合农村资源条件，因地制宜，鼓励村镇生物质锅炉集中供暖、分户式生物质成型燃料+专用炉具作为农村清洁取暖适宜的技术路线，研究相关支持政策，加快研究出台分户式生物质利用相关标准；（3）探索村镇地区生物质供暖合适市场模式[6]，生物质成型燃料在农村可采用分散式的“一村一厂”代加工模式，降低中间运输成本及避免坐地起价现象，并使用燃烧效率高、污染物排放低的小型生物质专用炉具，在小城镇宜采用大中型生物质锅炉集中供暖。