王 粟，王全輝，王久臣，劉 杰，魏欣宇，莫 錚，張艷萍，徐文勇，史風梅，裴占江，李鵬飛，于秋月

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，哈爾濱 150086；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125）

0 引言

當前，應對氣候變化已成為國際社會普遍關注的重大全球性問題[1]。2016年《巴黎氣候協(xié)定》的簽署，明確了2020年后國際社會合作應對氣候變化的基本框架，世界各國為實現(xiàn)“碳中和”目標開展了積極行動[2]。2020年9月，習總書記代表中國宣布了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的明確目標與承諾[3]；2020年12月，中央經(jīng)濟工作會議確定了將“做好碳達峰、碳中和工作”作為2021年八大重點任務之一。中國提出碳達峰、碳中和愿景目標，既是對世界經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的貢獻與承諾，同時也充分體現(xiàn)了中國走低碳發(fā)展道路的決心與信心[4]。

在《巴黎協(xié)定》中，控制氣候變化的主要目標是“將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高幅度控制在2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內而努力”[2]。在此情景下，中國2035年低碳能源在一次能源消費總量中占比應增加至約65%，2050年將達到70%～85%，涉及電力、建筑、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)及林業(yè)等多個行業(yè)領域[5-6]。中國是人口大國和農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口約占全國總人口數(shù)的42%，農(nóng)村生活能源消耗量占全國能源消費總量的20%以上[7]，農(nóng)村能源建設是中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎，更是國家能源碳中和目標戰(zhàn)略的重要組成[8]，但受中國城鄉(xiāng)二元結構的制約，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活中能源消費的急劇增長，農(nóng)村能源供給能力與溫室氣體減排壓力也日益突出[9-10]。因此，在碳中和目標愿景下，加強農(nóng)村清潔能源建設，尤其是可再生能源建設，探索可再生能源高效、可持續(xù)的發(fā)展路徑，將對促進農(nóng)村能源低碳轉型發(fā)展產(chǎn)生深遠影響[11-12]。

中國東北地區(qū)冬季漫長寒冷，采暖期長達半年，農(nóng)村能源消費結構與用能方式與中國其他地區(qū)存在較大差異[13]。本研究通過現(xiàn)場調研、問卷調查、文獻查閱等方法，針對東北農(nóng)村地區(qū)開展生活用能消費基線研究[14]，總結分析中國東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活用能消費現(xiàn)狀、用能特點及主要問題，在基于碳中和、碳達峰目標愿景下，從集成優(yōu)化、多能互補的角度出發(fā)，結合區(qū)域氣候特征、資源稟賦與能源需求趨勢，研究探索東北農(nóng)村地區(qū)可再生能源技術利用發(fā)展路徑與碳減排效果，從而為中國農(nóng)村節(jié)能減排與零碳村鎮(zhèn)建設提供參考和依據(jù)。

1 調研主要內容與方法

在東北嚴寒地區(qū)黑龍江、吉林及遼寧3個省份，選取代表性的4個村屯作為樣本，分別為黑龍江省肇東市某村（W村）、黑龍江省海倫市某村（H村）、遼寧省朝陽市某村（J村）和吉林省敦化市某村（Y村）。主要調查內容包括各抽樣村鎮(zhèn)常駐人口，生活能源電力、煤炭、燃氣、生物質成型燃料、薪柴、秸稈、沼氣、生物質發(fā)電、太陽能發(fā)電、太陽能光熱等消費方式類別、消耗量及主要用途。

2020年8月—9月采用現(xiàn)場調研與問卷調查相結合方法[15-17]，進行數(shù)據(jù)資料的采集。調研數(shù)據(jù)中能源資源消耗量或體積，根據(jù)國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2015年制定頒布的《全國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計報表制度》中折標煤系數(shù)計算方法，折標準煤測算計量，能源資源與標準煤之間轉換系數(shù)取值見表1，以便對各村屯農(nóng)村能源消費基線、結構及特點等進行分析。

表1 主要能源資源標煤折算表

通過零碳發(fā)展路徑的選擇與確立，結合化石能源替代情況，設備熱效率提升，以及能源碳排放系數(shù)[18]（見表2），計算分析農(nóng)村生活用能碳減排潛力。其中，秸稈薪柴雖然為可再生資源，但受低效傳統(tǒng)爐灶利用影響，暫不納入可再生能源技術應用，考慮到在沒有政策促進的情況下，隨著生活水平的提高，居民將優(yōu)先考慮用煤炭代替秸稈薪柴以滿足日常需求，因此，按照秸稈向煤炭的替代能源轉換情景，計算二氧化碳排放量。

表2 主要能源二氧化碳排放系數(shù)表

2 農(nóng)村地區(qū)生活能源消費基線調研結果分析

農(nóng)村生活能源消費情況基線調研共發(fā)放調查問卷400份，占4個調研村屯總戶數(shù)的13.3%，回收有效問卷393份，有效率98.3%。如圖1所示，東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活用能消費體系中，商品能源消費約占39.1%，主要以煤炭、電力及部分液化石油氣消費為主，分別占生活用能消費的23.6%、13.3%和2.2%；非商品能源消費約占60.9%，主要以秸稈薪柴及少量太陽能熱水器利用為主，分別占生活用能消費的60.1%和0.8%。

圖1 東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活用能消費結構圖

如表3所示，東北地區(qū)農(nóng)村人均年生活用能消費量，隨著地理位置緯度的提高呈現(xiàn)明顯上升趨勢，分別為J村0.5 tce、Y村0.8 tce、W村1.3 tce和H村1.4 tce，均明顯高于0.46 tce的全國農(nóng)村人均生活用能消費水平[19]。東北作為中國重要的糧食主產(chǎn)地區(qū)，秸稈資源十分豐富，多被用于農(nóng)戶冬季采暖及部分炊事用能，各村人均生活用能消費體系中作物秸稈消費占比分別為W村74.9%、H村61.1%、J村55.7%和Y村42.5%。其次，受冬季寒冷氣候影響，東北地區(qū)采暖期一般長達6個月，采暖用能消費普遍較高，主要以秸稈及煤炭資源消耗為主，各村采暖用能在人均生活用能消費中占比分別為W村74.9%、H村85.0%、J村82.1%和Y村75.7%。東北地區(qū)農(nóng)戶多采用傳統(tǒng)炕灶自采暖的方式，裝置熱效率僅為35%～50%，不但造成能源的浪費，秸稈和散煤燃燒排放的污染物也嚴重影響室內空氣及區(qū)域大氣環(huán)境質量。此外，許多農(nóng)村居民為降低采暖費用，采用間歇式供暖方式，導致房屋溫度較低，熱舒適度較差，影響居民的生活品質。

表3 農(nóng)村生活能源消費情況對比表

最后，東北地區(qū)農(nóng)村住宅多為獨棟單層建筑，外圍護結構保溫性能較差。通常墻體圍護為370 mm厚的磚混結構，磚為實心粘土磚，多缺乏保溫措施，傳熱系數(shù)約為1.8 W/(m2·K)，外窗采用雙玻塑鋼窗，傳熱系數(shù)約為2.5 W/(m2·K)，屋頂多采用現(xiàn)澆混凝土屋面，室內多無吊頂及保溫，傳熱系數(shù)僅為3.1 W/(m2·K)，導致采暖熱負荷較大，房屋單位面積采暖能耗約30～50 W/m2，很難達到中國現(xiàn)行國家標準[20]。

3 碳中和愿景下東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村零碳發(fā)展路徑與技術模式選擇

基于碳中和目標愿景，中國農(nóng)村生活能源供應消費體系面臨低碳轉型升級的重大機遇和挑戰(zhàn)。技術路徑的創(chuàng)新發(fā)展，是實現(xiàn)農(nóng)村能源從碳密集型化石燃料向清潔可再生能源轉變的重要支撐[21]，是與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護治理、實施鄉(xiāng)村振興、建設美麗鄉(xiāng)村、構建農(nóng)業(yè)循環(huán)體系等農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展戰(zhàn)略的高度融合與最終體現(xiàn)[22]。東北地區(qū)農(nóng)村生活用能零碳發(fā)展，應充分結合區(qū)域氣候特征、資源稟賦與經(jīng)濟社會發(fā)展特點，因地制宜地發(fā)展秸稈壓塊成型燃料、秸稈打捆直燃等秸稈能源化利用技術，輔以建筑節(jié)能改造，從而高效解決農(nóng)村采暖清潔用能需求，提高能源利用效率，降低農(nóng)村生活用能消費量。同時，有序推廣太陽能光伏、風能發(fā)電、太陽能熱利用等可再生能源技術，挖掘農(nóng)村能源碳減排潛力，引導并提升農(nóng)村清潔能源消費比例，構建方便靈活、清潔供應、節(jié)約用能、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活用能體系[23]。

W村、J村和Y村住宅均為傳統(tǒng)獨棟單層建筑，居住密度較小，宜采用“分戶式秸稈成型燃料取暖+建筑節(jié)能+分布式太陽能光伏”零碳技術模式。其中，分布式秸稈成型燃料取暖技術模式，適用于農(nóng)作物秸稈及林業(yè)薪柴豐富的廣大農(nóng)村地區(qū)，可用于分散居住的農(nóng)戶采暖及炊事用能。該技術主要依托秸稈成型燃料站建設，生物質通過壓塊成型，形成顆粒比重大、體積小、高揮發(fā)分、高固定碳的優(yōu)質固體燃料，熱值一般可達3000 kcal以上，配合戶用生物質適配爐具，可有效保證燃料穩(wěn)定、高效、充分的燃燒，并有效降低污染物的排放，替代煤炭等傳統(tǒng)燃料[24]；建筑節(jié)能主要是通過建筑圍護結構的節(jié)能改造，包括住宅房屋北向外墻或山墻增設保溫板，增設室內保溫窗簾，對經(jīng)濟條件較好的農(nóng)戶，還可增設屋面保溫板[25]，從而使房屋單位面積采暖能耗降至21～35 W/m2，符合中國農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準，降低建筑采暖能耗，預計可提升能效25%～30%；分布式太陽能光伏技術，是最優(yōu)質的綠色能源之一，可充分利用農(nóng)村住宅及公共建筑的屋頂設施，實現(xiàn)分布式供能，運行方式為用戶自發(fā)自用，多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調節(jié)為特征的光伏發(fā)電設施，解決當?shù)赜脩粲秒娦枨?，實現(xiàn)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉換，就近使用，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題，具有安全性高、成本低、操作簡單全自動、減小環(huán)保壓力、彌補大電網(wǎng)穩(wěn)定性不足等優(yōu)勢[26-27]。按農(nóng)村住宅面積80～100 m2計算，每戶屋頂一般可設計安裝5 kw裝機規(guī)模的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，配合儲能等技術，可與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民生活相結合，滿足農(nóng)戶用電需求，還可將剩余電能供應周邊公共設施及棚室照明用能等。

H村為鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心村，建筑類型包括多層住宅樓，獨棟單層平房及多層商住一體等形式，采暖方式主要有傳統(tǒng)燃煤鍋爐集中供熱及分戶式傳統(tǒng)爐灶采暖。根據(jù)H村居住形式和生活用能方式，可采用“秸稈打捆直燃集中供暖+分布式太陽能光伏”零碳技術模式，統(tǒng)籌解決區(qū)域冬季清潔采暖及綠色用電問題。H村人口較多，宜采用集中供暖技術，由于熱電聯(lián)產(chǎn)工程一般建設規(guī)模較大，不適用距離城市較遠的H村，因此，可選擇秸稈打捆直燃供暖技術。該技術適宜在北方以種植業(yè)為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯推廣[28]，秸稈供應由企業(yè)與合作社合作共同負責秸稈原料收儲，農(nóng)戶不需要承擔秸稈收集離田所需人工及機械工作費用，供暖企業(yè)協(xié)調供熱管理運營，農(nóng)戶及相關取暖部門，采用供熱服務購買方式，保障企業(yè)經(jīng)濟效益[29]。此外，針對部分獨棟單層建筑可增設“建筑節(jié)能+省柴節(jié)能爐灶”技術模式，從而提升冬季采暖熱效率，實現(xiàn)清潔炊事用能等需求。

4 東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活用能碳減排潛力估算

通過零碳技術模式推廣，農(nóng)村節(jié)能減排能力將得到有效提升，如表4所示，各村冬季采暖煤炭與秸稈資源消耗量將得到顯著降低，生活用能消費總量預計W村為245.2 tce、H村為4410.8 tce、J村為781.2 tce和Y村為236.0 tce，年生活用能節(jié)能量分別為157.3 tce、2169.3 tce、643.2 tce和168.2 tce，節(jié)能量占原有生活用能消費總量的39.1%、33.0%、45.2%和41.6%。人均生活用能消費量將分別降至W村為0.8 tce、H村為0.9 tce、J村為0.3 tce和Y村為0.5 tce。

表4 農(nóng)村生活用能節(jié)能減排情況表

此外，各村原有可再生能源利用主要包括太陽能熱水器及電力消費中的可再生能源電力部分，年二氧化碳減排量分別為W村59.9 t、H村193.4 t、J村119.2 t和Y村53.9 t，年二氧化碳減排量共計446.3 t。通過零碳技術模式推廣，采用分布式太陽能光伏利用，配合儲能技術，可實現(xiàn)電力的可再生能源全替代；采用分戶式秸稈成型燃料取暖或秸稈打捆直燃集中供暖技術，可實現(xiàn)秸稈生物質的高值利用與煤炭全替代；采用分戶式生物質爐具與省柴節(jié)煤灶，可進一步實現(xiàn)部分農(nóng)戶采用液化石油氣炊事的用能替代。因此，各村年二氧化碳減排量分別可達到W村為452.9 t、H村為1288.2 t、J村為2877.3 t和Y村為841.4 t，各村碳減排量分別提高了5.7倍、66.6倍、24.1倍和15.6倍，溫室氣體減排能力得到了大幅提升。

5 結論

本研究通過基線調研，分析了中國東北嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活用能消費特點，其中，秸稈薪柴等非商品能源消費占比達60.9%，各村人均年生活用能消費量明顯高于全國平均水平，而受氣候條件影響，采暖用能消費比重分別為W村74.9%、H村85.0%、J村82.1%和Y村75.7%，住宅建筑圍護結構保溫性能較差，房屋單位面積采暖能耗達30～50 W/m2。結合區(qū)域氣候特征、資源稟賦與經(jīng)濟社會發(fā)展特點，針對以獨棟單層建筑為主的農(nóng)村地區(qū)，采用“分戶式秸稈成型燃料取暖+建筑節(jié)能+分布式太陽能光伏”技術模式，針對人口相對較多，建筑以多層樓房及部分獨棟單層的住宅形式，宜采用“秸稈打捆直燃集中供暖+分布式太陽能光伏+建筑節(jié)能+分戶式省柴節(jié)能爐灶”的技術模式，從而實現(xiàn)多重能源的清潔生產(chǎn)、就近消納、高效轉換、能源梯級利用的農(nóng)村節(jié)能減排新格局[30-32]。

通過零碳技術模式推廣，對農(nóng)村節(jié)能減排潛力進行估算分析，各村年生活用能節(jié)能量分別占原有生活用能消費總量的39.1%、33.0%、45.2%和41.6%，年二氧化碳減排量分別可達到W村為452.9 t、H村為1288.2 t、J村為2877.3 t和Y村為841.4 t，各村碳減排量分別提高了5.7倍、66.6倍、24.1倍和15.6倍，溫室氣體減排能力將得到大幅提升。