呂連宏,張楠,夏捷,張保留*,白梓函,羅宏
1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院
2.北京節(jié)能環(huán)保促進(jìn)會(huì)
以煤為主的資源稟賦特點(diǎn)決定了我國(guó)北方地區(qū)冬季取暖長(zhǎng)期以燃煤為主[1-2],大量散煤直接燃燒是造成北方地區(qū)大氣污染嚴(yán)重、冬季重污染天氣頻發(fā)的主要原因之一[3-5],嚴(yán)重影響人民群眾身體健康[6-7]。作為改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的重要措施[8],我國(guó)農(nóng)村清潔取暖工作取得了顯著環(huán)境效益[9-11],北方農(nóng)村地區(qū)取暖方式正由傳統(tǒng)粗放式燃煤取暖向多種清潔取暖方式轉(zhuǎn)變[12]。
發(fā)達(dá)國(guó)家家庭取暖能源技術(shù)路徑的選擇依賴用戶的自主選擇,主要受到設(shè)備價(jià)格、運(yùn)行維護(hù)成本、政府補(bǔ)貼、居住特點(diǎn)等多重因素的影響[13-15],溫室氣體與污染物減排等環(huán)境因素影響并不顯著[16-17]。中國(guó)在短期內(nèi)大規(guī)模推進(jìn)農(nóng)村清潔取暖改造,沒(méi)有來(lái)自任何一個(gè)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)可供參考,依靠自身的不斷摸索積累了豐富的試點(diǎn)城市案例經(jīng)驗(yàn)及做法[18-19]。中國(guó)農(nóng)村清潔取暖政策實(shí)施與進(jìn)展研究表明,成本是影響清潔取暖工作實(shí)施效果的關(guān)鍵因素之一。如徐銀鴻等[20]對(duì)北方典型地區(qū)進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)居民清潔取暖改造意愿主要受家庭年收入和清潔取暖實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用的影響。羅宏等[21]對(duì)京津冀及周邊地區(qū)清潔取暖補(bǔ)貼政策現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理,指出農(nóng)戶在高成本清潔取暖下對(duì)補(bǔ)貼具有依賴性;張保留等[22]通過(guò)對(duì)京津冀及周邊地區(qū)的農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)研,測(cè)算了農(nóng)戶對(duì)清潔取暖的支付意愿,并進(jìn)行了成本與支付意愿的對(duì)比分析。具體的清潔取暖改造成本研究表明,實(shí)施清潔取暖改造特別是改為燃?xì)馊∨绞胶筠r(nóng)戶供暖成本大幅增加[23-25],導(dǎo)致政府補(bǔ)貼成為農(nóng)村清潔取暖工程可持續(xù)的關(guān)鍵影響因素[26-27]。
中國(guó)各地農(nóng)村自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異較大,如何選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)上可接受的清潔取暖技術(shù)路徑是清潔取暖改造可持續(xù)的關(guān)鍵。樊金璐[28]圍繞北方清潔取暖集中和分散2種主要方式,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境性等方面進(jìn)行了量化綜合評(píng)價(jià);劉幼農(nóng)等[29]結(jié)合地質(zhì)、氣候、人口等因素,對(duì)北京山區(qū)農(nóng)村清潔取暖適宜技術(shù)路徑提出了建議;崔艷梅等[30]通過(guò)調(diào)研北方農(nóng)村地區(qū)清潔取暖技術(shù)應(yīng)用及效果,提出適合北方農(nóng)村地區(qū)清潔化改造的實(shí)施路徑;趙利等[31]針對(duì)農(nóng)村牧區(qū)清潔能源取暖技術(shù)集成模式進(jìn)行了節(jié)能效果測(cè)算,分析了技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與可推廣性。在具體的技術(shù)分析上,國(guó)內(nèi)對(duì)農(nóng)村清潔取暖技術(shù)適用性的研究主要基于理論測(cè)算[32]:有學(xué)者基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)不同農(nóng)村清潔取暖技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行了理論測(cè)算,提出成型生物質(zhì)顆粒+專用爐具取暖技術(shù)[33]或燃?xì)獗趻鞝t取暖技術(shù)[34]的綜合效益較好;有學(xué)者對(duì)10多種清潔取暖技術(shù)路線進(jìn)行了技術(shù)分析和壽命期經(jīng)濟(jì)測(cè)算,基于運(yùn)行成本給出了農(nóng)村清潔取暖技術(shù)的理論技術(shù)方案[35];亦有學(xué)者專門針對(duì)蓄熱式電鍋爐[36]、空氣源熱泵[37]、地源熱泵[38]、太陽(yáng)能[39]、生物質(zhì)能[40]等某一項(xiàng)取暖技術(shù),探討其應(yīng)用于農(nóng)村取暖的可行性與模式。
從現(xiàn)有的研究來(lái)看,清潔取暖技術(shù)適用性研究成果或缺乏基于實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià),或針對(duì)某項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià),但并未開(kāi)展多項(xiàng)技術(shù)的綜合比較,因而從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度深入開(kāi)展常見(jiàn)清潔取暖技術(shù)的適宜性評(píng)價(jià)對(duì)進(jìn)一步全面推廣農(nóng)村清潔取暖改造具有重要參考意義。北京市在全國(guó)最早開(kāi)展農(nóng)村清潔取暖改造工作,自2013年8月起在全國(guó)率先啟動(dòng)了農(nóng)村地區(qū)“減煤換煤、清潔空氣”行動(dòng),2013—2015年主要推廣直熱式電暖器和蓄能式電暖器,從2016年開(kāi)始嚴(yán)禁安裝直熱式電暖器,全面推廣空氣源熱泵,逐步為直熱式電暖器用戶更換為空氣源熱泵,至2018年底實(shí)現(xiàn)平原地區(qū)基本無(wú)煤化[41]。筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、入戶實(shí)測(cè)等方式獲取北京市農(nóng)戶清潔取暖技術(shù)使用情況一手?jǐn)?shù)據(jù),從經(jīng)濟(jì)性和舒適性2個(gè)維度對(duì)空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t和地源熱泵這4種農(nóng)村清潔取暖技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),定量分析不同技術(shù)的適用條件,并提出進(jìn)一步實(shí)施農(nóng)村清潔取暖改造政策的建議。
2016年,選擇北京地區(qū)已運(yùn)行1個(gè)取暖期以上的行政村或自然村、社區(qū)為對(duì)象進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研對(duì)象涉及15個(gè)村和1個(gè)社區(qū),涵蓋了空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t和地源熱泵這4種清潔取暖技術(shù),并且部分村落不止使用一種技術(shù),具體情況見(jiàn)表1。
在收集調(diào)研對(duì)象改造資料的基礎(chǔ)上,選擇有代表性農(nóng)戶,采用入戶訪談的方式采集不同取暖技術(shù)的運(yùn)行情況數(shù)據(jù)。利用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,從經(jīng)濟(jì)性和適用性2個(gè)維度對(duì)空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t和地源熱泵等4種農(nóng)村清潔取暖技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),定量給出不同技術(shù)的適用條件。
表 1 調(diào)研對(duì)象及使用的清潔取暖技術(shù)Table 1 Respondents and the clean heating technologies used
調(diào)研對(duì)象基本情況包括地理?xiàng)l件、戶均年收入、建筑面積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)末端形式,具體結(jié)果見(jiàn)表2。在調(diào)研的15個(gè)村中,平原、山區(qū)和半山區(qū)地形占比分別為40.0%、33.3%和26.7%,戶均年收入超過(guò)70%的在4.5萬(wàn)元以下,建筑面積多集中在200 m2以內(nèi),圍護(hù)結(jié)構(gòu)69.7%采用三七墻,室內(nèi)取暖末端形式65.1%采用暖氣片。
2.2.1 經(jīng)濟(jì)性
從設(shè)備投資來(lái)看,空氣源熱泵設(shè)備價(jià)格為20 000~30 000元/套,未補(bǔ)貼情況下,空氣源熱泵設(shè)備初投資為205~310元/m2,政府補(bǔ)貼后初投資降為55~93元/m2;蓄能式電暖器補(bǔ)貼前價(jià)格為1 500~3 000元/臺(tái),補(bǔ)貼后價(jià)格為1 000~1 500元/臺(tái),每戶設(shè)備投資費(fèi)用占戶均年收入的10%以內(nèi),除了沒(méi)有補(bǔ)貼政策的村之外,投資成本均在50元/m2以內(nèi),最低的僅為17.6元/m2;燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備價(jià)格為10 000~15 000元/臺(tái),除房山區(qū)河口村無(wú)補(bǔ)貼外,其余2個(gè)地區(qū)的燃?xì)庠O(shè)備均由政府補(bǔ)貼90%,用戶自付初投資低于1 500元,單位面積初投資在7.5元/m2以內(nèi);地源熱泵取暖設(shè)備由政府補(bǔ)貼,單位面積投資為650元/m2,用戶無(wú)需自付(表3)。蓄能式電暖器投資費(fèi)用占戶均收入最低,燃?xì)獗趻鞝t政府補(bǔ)貼比例大,補(bǔ)貼后設(shè)備投資大幅降低。從設(shè)備的使用壽命來(lái)看,空氣源熱泵、蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t使用壽命均在10~15 a,地源熱泵使用壽命最長(zhǎng),一般可達(dá)15~30 a。但由于地源熱泵全部由政府出資改造,故不同設(shè)備的壽命周期成本差異不大,設(shè)備初投資已體現(xiàn)其成本水平,故此處不予討論。
表 2 調(diào)研對(duì)象的基本信息Table 2 Basic characteristics of surveyed households
不同清潔取暖技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表4。從表4可以看出,空氣源熱泵取暖補(bǔ)貼后的運(yùn)行費(fèi)用為16.00~75.00元/m2,占戶均年收入的5.1%~28.0%,在“煤改電”以后,59.42%的用戶取暖運(yùn)行費(fèi)用降低,降幅在22.4%~50.1%。主要是因?yàn)檫@些地區(qū)大多為新建房或新裝修住宅,墻體均設(shè)置了保溫層,圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果較好,且均采用的是低谷電價(jià)。蓄能式電暖器補(bǔ)貼后的取暖運(yùn)行費(fèi)用為41.42~143.59元/m2,占戶均年收入的1.1%~20.0%。燃?xì)獗趻鞝t補(bǔ)貼后的取暖運(yùn)行費(fèi)用為28.78~35.89元/m2,占戶均年收入的11.7%~15.4%。在政府補(bǔ)貼政策上,除較早改造的河口村外,均有較大補(bǔ)貼力度,其中昌平區(qū)曹莊村補(bǔ)貼后取暖費(fèi)為28.78元/m2,運(yùn)行費(fèi)用最低,主要原因是當(dāng)?shù)氐难a(bǔ)貼較高,燃?xì)鈨r(jià)大幅降低。房山區(qū)河口村雖未享受燃?xì)鈨r(jià)格補(bǔ)貼,但運(yùn)行費(fèi)用仍較低,原因主要是該村室內(nèi)末端形式均為地暖,節(jié)省了天然氣消耗量。地源熱泵取暖季的運(yùn)行費(fèi)用為29.26元/m2,占戶均年收入的19.8%。相比燃煤取暖,蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t及地源熱泵改造后取暖費(fèi)用增加比例最高分別達(dá)139.5%、58.2%、58.1%。
表 3 不同清潔取暖技術(shù)的設(shè)備投資Table 3 Equipment investment of different clean heating technologies
表 4 不同清潔取暖技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用Table 4 Operating costs of different clean heating technologies
與市政取暖標(biāo)準(zhǔn)24元/m2、小區(qū)供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)30元/m2相比,昌平區(qū)的麥莊村、平谷區(qū)的東寺渠村和勝利街村采用空氣源熱泵取暖的運(yùn)行費(fèi)用均超過(guò)了該標(biāo)準(zhǔn),采用蓄能式電暖器的地區(qū)取暖費(fèi)用均較高,燃?xì)獗趻鞝t的取暖費(fèi)用高于市政取暖費(fèi)用,與小區(qū)取暖費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)相比基本持平。若將室內(nèi)取暖末端形式改為換熱效果較好的地暖,則可以節(jié)省能源費(fèi)用。
2.2.2 舒適性
不同取暖技術(shù)的室內(nèi)溫度見(jiàn)表5。使用空氣源熱泵取暖的農(nóng)戶室內(nèi)溫度為17~24 ℃,墻體無(wú)保溫層的用戶室內(nèi)溫度為19~22 ℃。采用蓄能式電暖器的室內(nèi)取暖末端形式均為暖氣片,室內(nèi)溫度較低,一般保持在13~26 ℃。由于只在夜間低谷電價(jià)期間蓄能,用戶使用到傍晚時(shí)熱量釋放完畢后室溫會(huì)逐步下降,造成舒適性較差。燃?xì)獗趻鞝t、地源熱泵取暖一般均設(shè)有溫控器,可設(shè)置所需保持的室內(nèi)溫度,用戶室內(nèi)溫度基本上可以分別達(dá)到18~22和18~25 ℃,符合暖通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
通過(guò)以上評(píng)價(jià),總結(jié)了各清潔取暖技術(shù)的適用條件,結(jié)果見(jiàn)表6。空氣源熱泵在不同地形、室外溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、農(nóng)宅面積用戶均可滿足取暖需求,適用性廣泛。在各種戶型面積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、末端形式,采用燃?xì)獗趻鞝t取暖溫度基本能夠滿足取暖需求,適用性廣。若墻體布置相應(yīng)的保溫層措施,或取暖末端形式采用地暖,則可增強(qiáng)取暖效果。
表 5 不同清潔取暖技術(shù)的室內(nèi)外溫度Table 5 Indoor and outdoor temperatures of different clean heating technologies
表 6 常見(jiàn)農(nóng)村清潔取暖技術(shù)的適用條件Table 6 Applicable conditions of common rural clean heating technologies
(1)不同清潔取暖技術(shù)設(shè)備在政府補(bǔ)貼后的投資均有降低。未補(bǔ)貼情況下,空氣源熱泵設(shè)備初投資為205~310元/m2,政府補(bǔ)貼后降為55~93元/m2;蓄能式電暖器補(bǔ)貼后投資成本均在50元/m2以內(nèi),最低的僅為17.6元/m2;燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備除無(wú)補(bǔ)貼政策地區(qū)外,其他地區(qū)初投資在7.5元/m2以內(nèi);地源熱泵取暖設(shè)備由政府投資,單位面積投資為650元/m2,用戶無(wú)需自付。
(2)大部分清潔取暖技術(shù)改造后取暖運(yùn)行費(fèi)用有所增加。空氣源熱泵取暖的運(yùn)行費(fèi)用為16.00~75.00元/m2,占戶均年收入的5.1%~28.0%;蓄能式電暖器取暖運(yùn)行費(fèi)用為41.42~143.59元/m2,占戶均年收入的1.1%~20.0%;燃?xì)獗趻鞝t取暖運(yùn)行費(fèi)用為28.78~35.89元/m2,占戶均年收入的11.7%~15.4%;運(yùn)行費(fèi)用最低的地區(qū)或由于政府對(duì)氣價(jià)的較高補(bǔ)貼,或由于室內(nèi)末端形式均為地暖,節(jié)省了天然氣消耗量;地源熱泵取暖季的運(yùn)行費(fèi)用為29.26元/m2,占戶均年收入的19.8%。相比燃煤取暖,采用空氣源熱泵后,約59.42%的用戶取暖運(yùn)行費(fèi)用降低,降幅在22.4%~50.1%,主要由于這些地區(qū)大多為新建房或新裝修住宅,圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層效果較好,且均采用的是低谷電價(jià)。蓄能式電暖器、燃?xì)獗趻鞝t、地源熱泵取暖費(fèi)用均有增加,最高增幅分別為139.5%、58.2%、58.1%。
(3)不同清潔取暖技術(shù)適用條件存在差異。在清潔取暖技術(shù)選擇上綜合考慮區(qū)域、經(jīng)濟(jì)、生活習(xí)慣等多因素,得出不同清潔取暖技術(shù)的適用性。從初投資方面,在政府設(shè)備補(bǔ)貼的前提下空氣源熱泵與燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備投資低至10~15元/m2,更易被用戶接納。相比之下地源熱泵初期投資巨大,更適合結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)、險(xiǎn)村搬遷或改造的同時(shí),引入社會(huì)資本參與建設(shè)并提供取暖服務(wù)。從氣候條件方面,空氣源熱泵適用于冬季溫度不低于-20 ℃的各類區(qū)域,蓄能式電暖器適用于冬季溫度接近于城區(qū)的農(nóng)村或城鄉(xiāng)接合部,燃?xì)獗趻鞝t適用于距離燃?xì)夤芫€或燃?xì)庹据^近的平原、半山區(qū)地區(qū),地源熱泵適用于具有適合打井的地質(zhì)結(jié)構(gòu),有足夠空間進(jìn)行地埋管的區(qū)域。
(1)農(nóng)村清潔取暖改造工作應(yīng)立足長(zhǎng)遠(yuǎn)。農(nóng)村清潔取暖改造是一項(xiàng)利國(guó)利民的長(zhǎng)期系統(tǒng)工作,是治理大氣污染、打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的重要措施,也是建設(shè)美麗鄉(xiāng)村、改善農(nóng)民生活條件的民生工程。雖然更高的大氣環(huán)境質(zhì)量改善需求對(duì)農(nóng)村清潔取暖改造提出更快更廣的要求,但不能只著眼短期效果而忽略長(zhǎng)期發(fā)展,避免形成“運(yùn)動(dòng)式”的發(fā)展模式和“夾生飯”的結(jié)果。在政策制定方面,要短期與長(zhǎng)期相結(jié)合,按照正常的市場(chǎng)規(guī)律、規(guī)則和程序進(jìn)行任務(wù)分解和進(jìn)度安排;技術(shù)選擇方面,要適合當(dāng)?shù)馗鞣矫娴臈l件,要能用得好、用得?。豁?xiàng)目管理方面,要前期準(zhǔn)備充分,中期設(shè)計(jì)施工有序,后期監(jiān)督保障跟得上;政策宣傳方面,要充分發(fā)揮基層組織作用,宣傳進(jìn)村,政策到戶,干部熟悉,農(nóng)戶清楚,好的政策要讓農(nóng)戶看得到、聽(tīng)得到、享受得到。
(2)因地制宜選擇清潔取暖技術(shù)。不同清潔取暖技術(shù)之間,甚至同一技術(shù)不同條件之間,使用效果也存在差異。因此清潔能源技術(shù)路線的選擇應(yīng)在資源成本低廉、供給穩(wěn)定持續(xù)的基礎(chǔ)上,充分考慮區(qū)域自然環(huán)境特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、基礎(chǔ)設(shè)施(如電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)等)等條件,農(nóng)戶的生活習(xí)慣、建筑特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)狀況等因素尤為重要,要始終圍繞“改善生活環(huán)境、增進(jìn)民生福祉”這一初衷,才能夠確保改造項(xiàng)目的長(zhǎng)期良好運(yùn)行。在可再生能源資源豐富地區(qū),在政府與農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)可承受的前提下,引入太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等作為補(bǔ)充。在不具備改造條件的地區(qū),潔凈煤配套專用爐具在農(nóng)村清潔取暖中也是不可或缺的技術(shù)路徑。
(3)著力降低農(nóng)戶清潔取暖運(yùn)行成本。將已有農(nóng)村住宅抗震節(jié)能改造政策與農(nóng)村清潔取暖政策相結(jié)合,結(jié)合政府補(bǔ)貼與村民自籌,對(duì)取暖設(shè)備、室內(nèi)末端、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門窗等進(jìn)行綜合節(jié)能改造。通過(guò)試點(diǎn)示范,增強(qiáng)村民對(duì)于綜合節(jié)能改造的認(rèn)識(shí)程度,將節(jié)能改造與節(jié)省取暖費(fèi)相關(guān)聯(lián),調(diào)動(dòng)村民實(shí)施節(jié)能改造的意愿和積極性。長(zhǎng)期來(lái)看,各地應(yīng)在農(nóng)戶可接受、政府可承擔(dān)的前提下,逐步實(shí)現(xiàn)清潔取暖運(yùn)行費(fèi)用補(bǔ)貼退坡,逐步引導(dǎo)補(bǔ)貼政策由目前的投資補(bǔ)貼和長(zhǎng)期運(yùn)行補(bǔ)貼轉(zhuǎn)變?yōu)榍捌诟脑煲淮涡匝a(bǔ)貼。鼓勵(lì)和引導(dǎo)金融資本投入清潔取暖領(lǐng)域,拓寬金融機(jī)構(gòu)支持清潔取暖渠道,創(chuàng)新金融產(chǎn)品和服務(wù),探索金融支持清潔取暖項(xiàng)目,如以PPP項(xiàng)目的方式鼓勵(lì)和引導(dǎo)社會(huì)資本投資清潔取暖項(xiàng)目,推動(dòng)形成“企業(yè)為主,政府推動(dòng),居民可承受”的清潔取暖商業(yè)模式。
(4)提高農(nóng)村清潔取暖電力和天然氣供應(yīng)可靠性。實(shí)施農(nóng)村清潔取暖改造,從能源供給形式來(lái)看本質(zhì)上是將常規(guī)燃煤這種分布式能源系統(tǒng)改為電力、燃?xì)饧心茉垂?yīng)系統(tǒng),存在一定的能源供應(yīng)可靠性運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)集中能源供應(yīng)中斷時(shí)若沒(méi)有應(yīng)急能源作為補(bǔ)充,將嚴(yán)重影響農(nóng)戶的正常生活。實(shí)施清潔取暖改造后,一方面要大力加強(qiáng)農(nóng)村電力、天然氣的供應(yīng)可靠性,另一方面建議編制相關(guān)預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案,或納入到已有能源預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案中,及時(shí)應(yīng)對(duì)一旦電力、天然氣供應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)影響農(nóng)戶生活的情況。
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2022年5期