周淑慧 孫 慧 王晨龍 梁 嚴

1.中國石油規(guī)劃總院 2.北京市勞動保護科學研究院

0 引言

在國家大氣污染治理、打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)等政策驅動下，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變，其中清潔煤炭取暖、燃氣壁掛爐、蓄熱式電暖器和空氣源熱泵是主要的方式。其他新興取暖方式在少數(shù)地區(qū)也有使用，但尚未普及且需要一定的資源條件。如地熱能取暖需要有穩(wěn)定可靠的地熱資源，且打井、鋪設管網(wǎng)投資大，適合城鎮(zhèn)或農(nóng)村集中連片式供暖；太陽能取暖需要配套電加熱或其他取暖設施，晚上和陰雨天太陽能不足時由電或其他加熱設施提供，因此這種方式單位取暖面積投資大，比較適合在辦公樓、學校等只在白天有采暖需求的建筑；生物質直燃供暖存在著煙氣污染物排放量偏高的問題[1]，需要配套高效除塵設施，比較適合以熱電聯(lián)產(chǎn)或鍋爐房的方式向縣城、工商業(yè)、公服和居民小區(qū)供暖。經(jīng)過2017—2018年和2018—2019年兩個采暖季的實踐，潔凈型煤和燃氣壁掛爐取暖實際污染物排放情況如何，燃氣壁掛爐和空氣源熱泵的經(jīng)濟、適用性如何都是公眾關心的問題。為此筆者聚焦上述問題，選取我國北方農(nóng)村清潔取暖重點地區(qū)——京津冀及周邊 “2＋26”城市（京津冀大氣污染傳輸通道）為研究對象，在現(xiàn)場調(diào)研、入戶實測的基礎上，從技術、經(jīng)濟和環(huán)保3個維度對上述4種主要的農(nóng)村清潔取暖方式進行了對比分析。

1 不同清潔取暖方式的性能與特點

1.1 天然氣取暖

天然氣作為燃料取暖有燃氣鍋爐房、燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式能源和燃氣壁掛爐4種方式，農(nóng)村地區(qū)由于居住分散、人口密度低，通常采取分戶式燃氣壁掛爐取暖。燃氣壁掛爐學名為燃氣采暖熱水爐，是一種既可用于家庭供暖，又可提供衛(wèi)生和生活熱水的壁掛式家用燃氣具，最早起源于西歐，20世紀90年代初引入中國市場，初期多應用于別墅及聯(lián)排住宅中，近幾年在國家“煤改氣”、清潔取暖等政策驅動下，在北方農(nóng)村地區(qū)開始普及。根據(jù)國家燃氣供熱專業(yè)委員會的調(diào)研報告[2]，2009年以來的十年間，我國家用燃氣壁掛爐銷量年均增長率達26%，遠遠超出經(jīng)濟發(fā)展的平均速度（表1）。從該報告還可以看出“煤改氣”政策對壁掛爐銷量的帶動作用：2016年，全國燃氣壁掛爐總銷售量為210×104臺，其中煤改氣工程銷售40×104臺，占比19%；2017年銷量達到峰值550×104臺，其中禁煤區(qū)“煤改氣”工程銷售377.5×104臺，占比高達68.6%；2018年，煤改氣工程回歸理性，節(jié)奏放緩，壁掛爐銷售重回正常增長軌道，全年實現(xiàn)銷量320×104臺，其中“煤改氣”工程銷量145×104臺，占總銷量的45%。相關調(diào)研結果顯示，2019年全國“煤改氣”項目燃氣壁掛爐招標臺數(shù)接近280×104臺，是2018年的1.93倍，其中河北省仍然是“煤改氣”的主戰(zhàn)場，總招標數(shù)高達214×104臺，占比高達76.5%。

從市場銷售的主流產(chǎn)品看，燃氣壁掛爐分為普通爐和全預混冷凝爐兩種。前者由于沒有實時控制燃氣與空氣的混合比例且燃燒后煙氣排放溫度高（超過120 ℃），因而熱效率較低，普遍介于85%～90%，滿足國家二級及以下標準[3]；氮氧化物（NOx）排放濃度高，一般只能達到國家三級及以下標準[4]；在歐洲發(fā)達國家， 現(xiàn)已禁止銷售。而后者由于采取了變頻、預混和冷凝技術，效率可達109%，超過國家1級能效標準，比普通壁掛爐高出20%～25%；NOx排放強度低于30 mg/（kW·h），優(yōu)于國家五級排放標準。后者的節(jié)能環(huán)保原理主要為：①采用預混燃燒技術，精確控制空氣的吸入量，實時保證燃氣和空氣的最佳配比，使燃燒更完全；②采用冷凝技術，將煙氣排放溫度降到40 ℃左右，充分回收利用了煙氣中水蒸氣的潛熱。從近3年我國燃氣壁掛爐的銷量可以看出，更加節(jié)能環(huán)保的冷凝爐在中高端市場越來越受到歡迎[2]：2016年冷凝式燃氣采暖熱水爐銷量為14.3×104臺，占全年總銷量的6.8%；2017年銷售量增加到38.1×104臺，占全年總銷量的7.9%；2018年銷售28.0×104臺，占全年總銷量的8.8%，盡管銷量相比2017年減少26.5%，但占比提高了約1%。

表1 國內(nèi)家用燃氣壁掛爐銷售量統(tǒng)計表

1.2 電取暖

電取暖分為電直熱和電蓄熱兩種，適合農(nóng)村地區(qū)分戶式電取暖的主要方式有蓄熱式電暖器、電熱膜、發(fā)熱電纜、碳晶板，后3種均為電直熱。電取暖的主要優(yōu)點是不會給取暖家庭帶來大氣污染，還可以充分利用低谷時段過剩的風電資源，缺點是對電網(wǎng)負荷要求高，電網(wǎng)升級改造投入大。

電熱膜取暖系統(tǒng)的核心部件是電熱膜，通電后電熱膜中的碳分子團在電場的作用下進行“布朗運動”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產(chǎn)生的熱能以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞，電能與熱能的轉換率超過98%。經(jīng)歷了第一代棚膜、第二代墻膜后，目前進入了第三代地膜發(fā)展階段。電熱地膜采暖系統(tǒng)由電熱膜、智能溫度器、連接電纜、通訊單元等組成。這種取暖方式不耗水，不占地，開關自主，符合低碳減排的政策導向。但對于農(nóng)村平房住戶而言，電熱地膜直接與地面長期接觸，盡管有絕熱保溫層阻隔，也會產(chǎn)生較大熱損失，既有建筑更不適合采用這種方式。

發(fā)熱電纜取暖是利用發(fā)熱電纜將電能轉換為熱能的一種取暖方式，一般鋪設在地板下。通電后發(fā)熱電纜溫度上升到40～60 ℃，通過熱傳導方式加熱其周圍的水泥層，再傳向地板，最后通過對流方式加熱空氣，對流傳導熱量約占50%，另外50%的熱量通過發(fā)熱電纜產(chǎn)生的7～10 μm的遠紅外線向人體和空間輻射，電熱轉換效率超過97%。發(fā)熱電纜取暖系統(tǒng)由發(fā)熱電纜、感溫探頭、溫控器、地面保溫層、混凝土層、地板裝飾層等組成，在歐美國家已推行30多年，2000年左右進入我國，在北京、哈爾濱、 沈陽等城市有較大面積推廣。類似電熱地膜，發(fā)熱電纜取暖在農(nóng)村平房使用也存在熱損失，電能消耗比較大。

碳晶板取暖是以碳素晶體發(fā)熱板為核心部件，開發(fā)出的一種新型的低溫輻射采暖系統(tǒng)，其電能與熱能的轉換率超過98%。碳晶輻射供暖系統(tǒng)主要部件有碳晶發(fā)熱板、保溫板、鐵絲網(wǎng)、溫控器，由發(fā)熱系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、電路系統(tǒng)四大子系統(tǒng)構成，目前該技術已經(jīng)非常成熟，安全性好、安裝靈活方便，可根據(jù)需要鋪設在地板下或安裝在墻壁上，也可做成可移動式。

蓄熱式電暖器的工作原理是通過耐高溫的電發(fā)熱元件加熱特制的蓄熱材料——高比熱容、高比重的磁性蓄熱磚，外部包裹耐高溫、低導熱的保溫材料，鋼制噴塑外殼對整個設備起到保護和美化作用，工作時蓄熱磚的溫度可超過700 ℃。蓄熱式電暖器為獨立設備，類似于傳統(tǒng)油汀電暖氣，可以根據(jù)需要放置和移動。這種采暖方式的最大優(yōu)勢是可以利用夜間低價的低谷電加熱8～10 h，白天電網(wǎng)高峰時段供暖時只需將貯存的熱量釋放出來，還可以調(diào)節(jié)熱量釋放的速度，從而既實現(xiàn)全天24 h室內(nèi)供暖，又達到節(jié)省電費的效果，因此特別適用于執(zhí)行峰谷電價的地區(qū)。

1.3 熱泵取暖

熱泵取暖有空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵3種方式，其中空氣源熱泵較適合于農(nóng)村分戶式取暖，水源和地源熱泵需要有特定的水資源條件和打井場地。熱泵實質是一種熱量提升裝置，把蘊含在空氣、土壤、水中等不能直接利用的低位熱能轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能的目的。熱泵取暖耗電量只有電取暖的1/3左右，已成為京津地區(qū)農(nóng)村取暖“煤改氣”重點推廣方式，且一套裝置可以滿足供暖和制冷兩方面的需求。

空氣源熱泵基本原理是逆卡諾循環(huán)，用制冷劑作為媒介（通常稱之為冷媒），冷媒在－40 ℃即可汽化。工作時，冷媒通過蒸發(fā)器吸收外界空氣中的熱量后汽化，然后通過電機驅動的壓縮機壓縮變成高溫高壓氣體，再進入熱交換器（也稱為冷凝器）與室內(nèi)供暖管路中的循環(huán)水交換熱量，之后經(jīng)膨脹閥釋放壓力，回到低溫低壓的液化狀態(tài)，完成一個循環(huán)。如此往復，冷媒不斷吸收外界大氣中的熱傳遞給循環(huán)水，吸熱升溫后的循環(huán)水通過管路循環(huán)到散熱器末端給居室供暖或提供生活用水。熱泵的性能通常用COP系數(shù)來評價，即單位功耗所能獲得的熱量或冷量。標準工況下熱泵的COP值介于2.9～4.5，當外界環(huán)境溫度低于5 ℃后，機組能效開始下降，普通空氣源熱泵在－5 ℃以下幾乎不能使用，因此嚴寒地區(qū)需要使用超低溫空氣源熱泵，這類熱泵可以在－25 ℃的低溫環(huán)境下正常制冷，但COP值會下降至2.0左右?？諝庠礋岜酶鶕?jù)室內(nèi)配套供暖末端的不同，可分為熱風型和熱水型兩類，前者室內(nèi)取暖末端類似于常規(guī)空調(diào)室內(nèi)機，可落地或低壁掛安裝，優(yōu)點是安裝方便快捷，開關和調(diào)節(jié)方便，且一次投入少，缺點是有噪音，空氣干燥；后者室內(nèi)配套熱水循環(huán)管路、散熱片或地暖系統(tǒng)，也可以配風機盤管，優(yōu)點是體感舒適，特別是配套地暖系統(tǒng)時由于對出水溫度要求低而更加節(jié)能，缺點是一次投入費用較高，工程安裝環(huán)節(jié)多、耗時較長，冬季長期不用還需做好管路的保溫，因此更適合室內(nèi)既有熱水采暖末端、家中長期有人居住的家庭。

地源熱泵工作原理與空氣源熱泵類似，只是熱源取自地下水或土壤，采用地埋管方式換熱，埋管深度介于100～200 m；水作為循環(huán)工質，在地埋管的環(huán)路中閉式循環(huán)，與地下不發(fā)生物質交換。地源熱泵系統(tǒng)需要有足夠的場地以供打井埋管，投資較多且需要日常維護，因而更適合用于有較多采暖、制冷、熱水需求的住宅小區(qū)、學?；蜻B片村鎮(zhèn)集中供暖使用，不適宜農(nóng)村分戶式獨立供暖。同時考慮冬季采暖和夏季制冷時，地源熱泵在一個水文年應達到熱均衡。若土壤長年熱不均衡將導致溫度失衡，系統(tǒng)效率下降，影響周圍生態(tài)。

水源熱泵與地源熱泵的主要區(qū)別在于取暖或制冷循環(huán)用水直接取自地下水（需分別打取水井和注水井）、地表水、污水等，水被直接用來取熱或排熱，并按要求排放回原取水點，是一種開式的取水方式。我國北方地區(qū)特別是東北、西北嚴寒地區(qū)冬季氣溫低，加之水資源相對匱乏，可利用的江河和水庫資源有限，地表水源熱泵的推廣和使用受到限制。城市居民集中區(qū)可以考慮開發(fā)污水源熱泵取暖，農(nóng)村分戶式獨立供暖則不適宜。

1.4 燃煤取暖

農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)的燃煤取暖方式有火坑、火盆和結構簡單的圓筒爐具，燃料也可使用樹枝、秸稈等，均會產(chǎn)生大量煙氣污染室內(nèi)和大氣環(huán)境。炊事烤火爐和水暖爐都是由圓筒爐具演化而來，對爐膛結構和外觀進行了優(yōu)化設計，增加了二次配風，來滿足用戶不同的采暖需求。炊事烤火爐上部一般裝有圓盤可以放置物品。水暖爐具增設了水套、水循環(huán)系統(tǒng)和防暴沸安全系統(tǒng)等，利用水循環(huán)加熱更多房間，其水循環(huán)系統(tǒng)與城市集中供熱暖氣片排布基本一致，增加了居住的舒適性。在國家清潔取暖政策帶動下，國家大力推廣節(jié)能環(huán)保型爐具，目前市場上外型美觀大方、做工用料結實耐用的新型燃煤取暖爐具花樣繁多，有的還具備自動調(diào)節(jié)火力、控溫功能，配套壁掛式暖氣片、地暖系統(tǒng)或暖風機，采暖舒適度接近城市集中供暖方式。

2 不同取暖方式的經(jīng)濟性比較

北方農(nóng)村住宅屬于合院式建筑體系，基本由正房、左右?guī)繃隙?，正房?間、4間或5間房，建筑以單層平房居多，一般實際取暖面積不超過80 m2，多數(shù)家庭只給臥室和客廳供暖，室內(nèi)溫度在15℃左右。目前我國建筑采暖耗熱指標主要針對城市制定，《民用建筑能耗標準：GB/T 51161—2016》給出了不同地區(qū)建筑耗熱量指標的約束值和引導值[5]，石家莊地區(qū)城市建筑采暖指標約束值為0.23 GJ/（m2·a），折合約22.2 W/m2。既有農(nóng)村建筑外墻很少有保溫措施，門窗也基本是單層，保溫隔熱性能差、采暖單耗高，采暖耗熱指標取40 W/m2。筆者參考實地調(diào)研走訪的保定、廊坊、石家莊農(nóng)村居民采暖情況，以戶為基礎，比較不同采暖方式的經(jīng)濟性，包括采暖爐具購置費、配套入村與入戶天然氣管網(wǎng)、電網(wǎng)改造費，以及燃料費支出。另外，考慮到農(nóng)村煤改清潔能源采暖基本是既有房屋，已配有水暖式末端換熱設施，因此未考慮室內(nèi)末端換熱設施的費用。采暖期為120 d。

2.1 燃氣壁掛爐取暖

2.1.1 設備購置費

河北省為國家大氣污染防控重點省份，2017年開始實施大規(guī)模清潔取暖，采暖設施由政府統(tǒng)一組織招標采購，國家、省和市縣3級財政提供資金補貼。受財力所限，各市縣政府統(tǒng)一招標采購的壁掛爐絕大部分為國產(chǎn)普通爐。以廊坊市為例，禁煤區(qū)農(nóng)村“煤改氣”取暖按燃氣壁掛爐設備購置和安裝投入的70%給予補貼，每戶最高補貼金額不超過2 700元，從政府補貼額度可以大致估算采暖設備購置和安裝費用平均為3 857元/臺。筆者經(jīng)濟性比較參考廊坊禁煤區(qū)實際支付水平，取3 900元/臺，其價格比同等功率、同品牌的燃氣壁掛爐的市場零售價低30%左右。這一價格水平的機組能效最高只能達到二級，NOx排放達到國家2級或3級標準。另外，從京東、淘寶等電商平臺報價看，2019—2020年采暖季適用于80～100 m2采暖面積，能效達到1級、NOx排放達到5級標準的高效節(jié)能冷凝式壁掛爐市場銷售價格在8 500～10 000元，約是“煤改氣”工程招標價的3倍。

2.1.2 設施配套費

農(nóng)村燃氣壁掛爐供暖需要配套解決氣源，并建設入村、入戶配氣管線、燃氣表等。

氣源解決方式與用氣規(guī)模大小和既有管網(wǎng)設施條件等有關，主要有以下3種形式：①從就近的天然氣干線或支干線管道接氣，建設支線管道，其費用的高低與管道長度、管徑、征地補償?shù)让芮邢嚓P；②“LNG氣化站＋中壓管道”，適用于居民較多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，一座LNG氣化站供應幾個村莊并將各個氣化站通過中壓管道聯(lián)通；③LNG撬裝站，適用于單個村莊供氣。本文氣源費用參考雄安新區(qū)某企業(yè)氣代煤項目實際支出情況，該項目采用“LNG氣化站＋中壓管道”方式供氣，共建設9座LNG氣化站和約80 km中壓管道，氣化站用地“以租代買”，先后完成了4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)42個村18 771戶的“氣代煤”工程。在不考慮上游資源企業(yè)干線管道和儲氣調(diào)峰設施投資情況下，平均每戶投資約3 700元。

入村和入戶配氣管道（含燃氣表）投資，參考2017年河北省補貼水平，取4 000元/戶，與燃氣公司的實際建設成本基本持平。綜上，燃氣壁掛爐取暖設施配套費用約7 700元/戶。

2.1.3 燃料費用

對河北廊坊、保定農(nóng)村壁掛爐實際用氣情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村取暖時間普遍在每年的11月底開始，2月中下旬結束，共3個月左右，比城市集中供暖少20～30天。如果整個采暖季大部分時間都在使用燃氣壁掛爐采暖，每戶天然氣用量約1 200 m3（折合10 m3/d）。但實際情況是，部分村民白天在附近務工，晚上回家休息；部分村民進城務工，僅在周末或春節(jié)前后回鄉(xiāng)；還有少部分村民因經(jīng)濟能力有限，即使白天家中有人也不舍得開火取暖。因此，大范圍平均看，每戶每個采暖季天然氣用量約1 000 m3/（折合約8 m3/d）。為了將幾種取暖方式在同一水平線上進行比較，筆者按照每戶每個采暖季天然氣用量1 200 m3計算，這與文獻[6]關于河北省采暖“煤改氣”每個家庭天然氣需求1 116 m3的研究結論基本一致；單位取暖面積一個采暖季耗氣量為15 m3/m2，與文獻[7]關于北京市平房用戶采暖耗氣量調(diào)查結果12 m3相比高出25%。天然氣價格，選取2017—2018年采暖季河北省農(nóng)村壁掛爐采暖供氣價格2.4元/m3，則整個采暖季戶均燃料費用支出為2 880元。

2.2 蓄熱式電暖器取暖

2.2.1 設備購置費

在低谷電價優(yōu)惠政策驅動下，蓄熱式電暖器在“2＋26”農(nóng)村地區(qū)得到較大范圍的推廣。河北省禁煤區(qū)農(nóng)村電代煤推薦選取蓄熱式電暖器，并按設備購置安裝（含戶內(nèi)線路改造）投資的85%給予補貼，每戶最高補貼金額不超過7 400元[8-9]，據(jù)此測算戶均采暖設備購置費約為8 700元/戶。另外，從2019—2020年采暖季電商平臺企業(yè)報價看，適用于12～15 m2大小房間、功率為1 600 W的中低檔蓄熱式電暖器的銷售價格在1 500元左右。蓄熱式電暖器在斷電放熱階段其放熱量衰減較多，故實際配備功率一般按熱負荷的3倍左右考慮，相當于每戶采暖用電負荷9.6 kW，與電力行業(yè)相關研究采用的數(shù)據(jù)基本一致[10]。取暖面積為80 m2的家庭需要安裝6臺左右，設備總費用7 500～9 000元。本文蓄熱式電取暖設備購置費按9 000元/戶考慮。

2.2.2 設施配套費

蓄熱式電暖氣功率大，大面積推進實施須進行電網(wǎng)改造。參考電力行業(yè)數(shù)據(jù)和文獻[11]，考慮變壓器更換、10 kV以下線路改造、老舊電表更換等費用，平均改造配套費取3萬元/戶。

2.2.3 燃料費用

蓄熱式電暖器取暖耗電量可根據(jù)電暖器的功率和通電加熱時間計算。參考市場銷售的某品牌產(chǎn)品介紹，功率為1 600 W電暖器可供12～15 m2大小房間取暖，通電8～10 h可滿足全天采暖需求。基于現(xiàn)階段河北省煤改電采暖政策，農(nóng)村居民采暖用電執(zhí)行峰谷電價，谷段為20時—次日8時，峰段為8時—20時；供暖期居民采暖用電價格執(zhí)行階梯電價一檔標準，谷電電價為0.31元/（kW·h）。筆者按晚上通電10 h、白天斷電放熱、全屋配備6臺設備計算，則整個采暖季80 m2房間耗電量約11 520 kW·h，需要支付采暖費用3 570元。

2.3 空氣源熱泵取暖

2.3.1 設備購置費

華北地區(qū)空氣源熱泵取暖大規(guī)模推廣從北京開始。2017年北京市政府對空氣源熱泵取暖“煤改氣”按照每戶取暖面積100 m2、設備購置費用的1/3進行補貼，每戶補貼額最高不超過1.2萬元。從補貼額度看，空氣源熱泵采購價格大致為3.6萬元/戶[12]。2018年，河北省開始選擇條件好的農(nóng)村地區(qū)家庭試點推行熱泵取暖等新型供暖方式，空氣源熱泵和地源熱泵設備購費省市縣財政給予90%補貼，最高不超過2萬元[8]，由此可以推算空氣源熱泵集中采購價格約為2.2萬元/戶。經(jīng)過近3年的推廣，廠家的熱泵制造能力得以快速提升，市場銷售價格也有較大幅度的下降，但不同品牌仍然有較大差別。本文空氣源熱泵設備購置費參考北京市、河北省部分地市集中采購及電商平臺品牌產(chǎn)品2019—2020年取暖季報價情況，取2.2萬元/戶。

2.3.2 設施配套費

在電網(wǎng)比較薄弱的農(nóng)村地區(qū)，實施熱泵取暖也需要對電網(wǎng)進行升級改造。但是，空氣源熱泵與電暖器取暖相比，在同等制熱量輸出的情況下，一份電力輸入可產(chǎn)生2～3倍的熱量，因而這類“煤改電”可在較大程度上減少農(nóng)村電網(wǎng)及線路改造費用投入，在既有農(nóng)村建筑中更易實施。參考電力行業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，考慮變壓器更換增容、10 kV配網(wǎng)線路改造、老舊電表更換及施工、管理等費用，改造配套費取2萬元/戶[11]。

2.3.3 燃料費用

空氣源熱泵耗電量可以基于熱泵性能系數(shù)、單位面積耗熱量、實際取暖面積來測算。熱泵性能系數(shù)參考北京、河北地區(qū)用戶實際情況，平均取2.2；另外還適當考慮熱泵機組開停系數(shù)、采暖系統(tǒng)漏熱系數(shù)等因素。按一天24 h取暖計算，則單位采暖面積一個采暖季120 d消耗電量約73 kW·h，與文獻[13]調(diào)研結果比較接近。電價按照河北電采暖峰谷電價平均值0.44元/(kW·h)考慮[峰電0.57元/(kW·h)，谷電0.31元/(kW·h)，各12 h]，則對于采暖面積80 m2的家庭，整個采暖季所需電費為2 570元。

2.4 清潔煤炭取暖

2.4.1 設備購置費

從調(diào)研情況看，農(nóng)村居民燃煤取暖爐具以“三合一”爐為主，即兼具做飯、燒水和取暖3種功能，個別富裕家庭為單獨的采暖爐，只取暖不做飯。爐具檔次不同，價格差異較大，一般家庭采暖爐具價格介于1 200～1 300元，少數(shù)富裕農(nóng)戶達到3 000元，并且只用于采暖，末端散熱設施配套地暖。鑒于燃煤清潔化趨勢和農(nóng)民生活水平逐漸提高，本文潔凈型煤采暖爐具購置費按2 000元/戶考慮。

2.4.2 設施配套費

燃煤取暖除在室內(nèi)配備散熱片和熱水循環(huán)管路外，戶外不需要額外建設其他配套設施，故沒有配套費支出。

2.4.3 燃料費用

根據(jù)調(diào)研結果，每戶每個采暖季燃煤量介于2～4 t，其中2 t左右居多，少量在1.5 t左右，3～4 t的則是人口較多、面積較大的家庭。2017—2018年采暖季，石家莊地區(qū)煤球和蜂窩煤價格基本維持在790元/t。參考實地調(diào)研數(shù)據(jù)，本文清潔型煤取暖經(jīng)濟性測算按照每戶每個采暖季燃煤2.0 t、價格790元/t考慮，則采暖季戶均燃料費用支出約1 580元。

2.5 經(jīng)濟性比較結果

2.5.1 無補貼情況

由于不同取暖方式設備購置費、設施配套費和燃料費有較大差別，采用費用現(xiàn)值法進行粗略經(jīng)濟比較。立足長遠，取暖時間取30年，折現(xiàn)率取6%。設備使用壽命燃氣壁掛爐取值10年、空氣源熱泵取值15年、蓄熱式電暖氣取值10年、燃煤爐具取值10年。不考慮取暖補貼，也不考慮采暖設備、配套氣網(wǎng)及電網(wǎng)的年維護費用，比較結果如表2所示。

從表2可得出以下結論：

1）空氣源熱泵設備購置費最高，超過清潔型煤爐具的10倍；燃氣壁掛爐接近清潔型煤的2倍，是空氣源熱泵的17.7%。

2）年燃料費用支出最高的是蓄熱式電暖器，接近清潔型煤的2.3倍；燃氣壁掛爐燃料費支出是蓄熱式電暖器的80%。

3）清潔型煤采暖不需要配套線、網(wǎng)投入，蓄熱式電暖器取暖和空氣源熱泵取暖均需要較高的配電網(wǎng)改造投入，燃氣壁掛爐配套氣源和管網(wǎng)投入約為蓄熱式電取暖的1/4。

4）30年費用現(xiàn)值，以清潔型煤采暖最為節(jié)省，空氣源熱泵和蓄熱式電采暖都比較高，燃氣壁掛爐費用現(xiàn)值處于中間水平，是燃煤采暖的2.1倍，是空氣源熱泵的64%，是蓄熱式電采暖的58%。

2.5.2 有補貼情況

京津冀及周邊省市大氣污染綜合治理行動中，國家和地方政府對采暖“煤改氣”“煤改電”都有不同程度的財政補貼。以河北省廊坊和保定地區(qū)2017年的補貼情況為例[8-9,14-15]，分析補貼對“煤改氣”工程經(jīng)濟性的影響。

表2 無取暖補貼下農(nóng)村地區(qū)家庭不同取暖方式經(jīng)濟性比較表

氣代煤補貼包括3個部分：①采暖設備購置安裝費。按投資額的70%予以補助，最多不超過2 700元/戶，由省和市縣各承擔50%，其余由用戶承擔；②村內(nèi)入戶管線建設投資補貼。為4 000元/戶，省級財政承擔1 000元/戶，市縣承擔3 000元/戶；③采暖期用氣補貼。標準為1.0元/m3，每戶最高補貼氣量1 200 m3，由省、市、縣各承擔1/3，補貼政策及標準暫定3年，氣代煤用戶不再執(zhí)行階梯氣價。

電代煤補貼包括兩個部分：①戶內(nèi)取暖設備購置安裝費（含戶內(nèi)線路改造）補貼。蓄熱式電暖器按投資的85%給予補貼，每戶最高補貼金額不超過7 400元；對空氣能熱泵取暖給予90%補貼，每戶最高補貼金額不超過20 000元，由省和市縣各承擔1/2，其余由用戶承擔。②采暖期電費補貼。電價補貼0.2元/(kW·h)，每戶最高補貼電量10 000 kW·h，由省、市、縣各承擔1/3；電代煤用戶采暖期可選擇執(zhí)行峰谷電價。

考慮上述補貼后，經(jīng)濟性比較結果如表3所示。從表3可看出，除煤以外的幾種清潔取暖方式費用現(xiàn)值有所下降，但經(jīng)濟性排序則未改變，依然是蓄熱式電暖器最高，燃氣壁掛爐優(yōu)于空氣源熱泵和蓄熱式電暖器。

表3 取暖補貼后農(nóng)村地區(qū)家庭不同取暖方式經(jīng)濟性比較表

3 不同取暖方式的大氣污染物排放

3.1 大氣污染物排放標準

3.1.1 燃氣壁掛爐

燃氣壁掛爐取暖煙氣污染物排放最關注的是NOx。NOx與空氣中的水分反應生成的硝酸和亞硝酸是酸雨的主要成分，同時NOx與空氣中的碳氫化合物經(jīng)紫外線照射會生成光化學煙霧，是PM2.5的重要前體物。燃氣壁掛爐排放遵循國家標準《燃氣采暖熱水爐：GB 25034—2010》[4]（以下簡稱《GB 25034—2010》），最高等級NOx排放強度應不超過70 mg/(kW·h)，折合質量濃度限值為60 mg/m3（表4）。需要說明的是，《GB 25034—2010》對NOx排放量未做強制性要求，僅作為資料性附錄，而在歐洲標準中（EN 483和EN 625）則是強制性標識要求。近幾年環(huán)保政策驅動下的北方大規(guī)模清潔采暖，受政府財力和農(nóng)戶經(jīng)濟承受能力限制，各省“煤改氣”統(tǒng)一招標配售壁掛爐一般為2級及以下能效產(chǎn)品，NOx排放強度基本都高于150 mg/(kW·h)。

表4 家用燃氣壁掛爐NOx排放分級表

隨著國家大氣污染物治理力度的不斷加大，國家對鍋爐排放要求日趨嚴格?！跺仩t大氣污染物排放標準：GB 13271—2014》[16]（以下簡稱《GB 13271—2014》）提出了現(xiàn)有、新建和特別排放限值3套排放標準，重點地區(qū)執(zhí)行特別排放限值；燃煤鍋爐NOx特別排放限值為200 mg/m3，燃氣鍋爐NOx特別排放限值為150 mg/m3。實施打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)行動計劃以來，重點區(qū)域尤其是“2＋26”城市的全部行政區(qū)域均已執(zhí)行特別排放限值，且北京、上海、天津、山東、江蘇、廣東等省市新出臺的地方鍋爐標準排放要求已遠高于GB 13271—2014。例如，北京市自2017年4月1日起執(zhí)行《鍋爐大氣污染排放標準：DB 11/139—2015》[17]（以下簡稱《DB 11/139—2015》）第Ⅱ階段排放限值，要求新建鍋爐NOx排放濃度需控制在30 mg/m3以內(nèi)，高污染燃料禁燃區(qū)內(nèi)的在用鍋爐需控制在80 mg/m3以內(nèi)。天津、山東、上海等省市對新建燃煤和燃氣鍋爐增均提出了超低排放要求，NOx排放濃度需控制在30～50 mg/m3以內(nèi)。

在此背景下，現(xiàn)行燃氣采暖熱水爐NOx排放要求過于寬泛，已經(jīng)引起了行業(yè)和社會的廣泛關注。天津市2017年11月印發(fā)的《天津市居民冬季清潔取暖工作方案》[18]中提出，為確保環(huán)保達標，燃氣壁掛爐NOx排放強度應低于100 mg/(kW·h)（折合質量濃度約為85 mg/m3），即應滿足《GB 25034—2010》附錄E中的4級要求。2019年5月北京市建委發(fā)布“關于《北京市禁止使用建筑材料目錄（2018年版）》的通知”[19]，規(guī)定自2019年10月1日起在北京市禁止使用能效標識1級及以下、NOx排放等級未達到《GB 25034—2010》5級要求的燃氣采暖熱水爐?；诖送ㄖ?，今后北京市行政轄區(qū)內(nèi)新安裝的燃氣壁掛爐采暖狀態(tài)下最低能效需達到95%～99%（分別對應100%和30%工作負荷），NOx排放強度需低于70 mg/(kW·h)，目前只有全預混冷凝爐可以滿足上述兩項指標要求。從市場在售全預混冷凝爐技術指標看，熱效率可達108%，比普通壁掛爐高出20%～25%；NOx排放強度低于30 mg/(kW·h)，優(yōu)于國家5級排放標準。此外，為了增強抗酸性和抗腐蝕性，冷凝式壁掛爐材質選用不銹鋼或硅鋁合金，壽命可超過20年，相比普通壁掛爐10～15年的壽命更加耐用。

3.1.2 燃煤采暖爐

傳統(tǒng)上的家用燃煤采暖爐供暖效率低、污染物排放濃度高，并且大部分采暖爐兼具炊事、熱水功能，進一步降低了熱效率，間接加劇污染物排放[20]?！睹裼盟籂t通用技術條件：GB 16154—2005》（以下簡稱《GB 16154—2005》）規(guī)定，家用燃煤爐具大氣污染物排放需符合《鍋爐大氣污染物排放標準》（當時有效標準為 GB 13271—2001）?！禛B 13271—2001》規(guī)定，民用水暖煤爐SO2排放濃度不得高于900 mg/m3，但對NOx的排放強度沒有要求，這已經(jīng)與實際情況脫節(jié)。在清潔取暖政策帶動下，國家開始大力推廣節(jié)能環(huán)保燃煤采暖爐具和潔凈煤，2018年10月國家市場監(jiān)管總局、國家標準化管理委員會頒布了新版《民用水暖煤爐通用技術條件》（GB 16154—2018）[21]，規(guī)定SO2排放濃度要求不高于100 mg/m3，NOx排放濃度不高于150 mg/m3，同時對熱效率的要求提升了10%（表5），配套修訂的新版《民用水暖煤爐性能試驗方法：GB/T 16155—2018》（以下簡稱《GB/T 16155—2018》）已于2018年9月1日實施。

表5 民用水暖煤爐大氣污染物排放限值表

3.2 污染物排放實測

研究采用Testo350煙氣分析儀、嶗應3012H型煙塵采樣器等儀器，遵循《固定污染源廢氣氮氧化物的測定定電位電解法：HJ 693—2014》、《固定污染源排氣中廢氣——二氧化硫的測定定電位電解法：HJ/T 57—2017》和《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法：GB/T 16157—1996》等標準規(guī)范開展污染物采樣、測定標準及實測研究。

3.2.1 燃氣壁掛爐

2018年1 月上旬，對12個國產(chǎn)品牌，4個進口品牌，共23臺燃氣壁掛爐的NOx排放情況進行了實測。其中，21臺位于河北廊坊和保定禁煤區(qū)，2臺位于北京市區(qū)。測試爐型包括普通壁掛爐和全預混冷凝式壁掛爐?；跍y試結果，得到以下認識。

1）不同類型燃氣壁掛爐的NOx排放強度差別較大。冷凝式壁掛爐NOx排放強度較低，所測樣本NOx平均排放強度僅為24 mg/(kW·h)（折合20.5 mg/m3），優(yōu)于《GB 25034—2010》所規(guī)定的5級排放標準。普通壁掛爐的NOx排放強度較冷凝式壁掛爐高出許多，所測國產(chǎn)與進口樣本平均排放強度為186 mg/(kW·h)（折合159 mg/m3），僅符合2級排放標準。

2）不同品牌燃氣壁掛爐的NOx排放強度也存在著較大的差別。在普通壁掛爐測試樣本中，國產(chǎn)品牌總體比進口品牌排放強度高，不同國產(chǎn)品牌之間也存在差異。所測進口普通壁掛爐樣本的平均NOx排放強度為166 mg/（kW·h）（折合142 mg/m3），達到2級排放標準；而國產(chǎn)普通壁掛爐樣本的平均NOx排放強度為205 mg/（kW·h）（折合175 mg/m3），總體上僅能達到最低排放標準，個別品牌甚至排放超標（表6）。

表6 國產(chǎn)普通燃氣壁掛爐NOx排放強度實測情況表 mg/(kW·h)

3）運行負荷越高排放強度越大。所測國產(chǎn)普通燃氣壁掛爐，其小火狀態(tài)下的NOx排放強度約為大火狀態(tài)下的85%。

3.2.2 燃煤采暖爐

2018年2 月下旬，對石家莊周邊6家農(nóng)戶的燃煤采暖爐具進行了大氣污染物實測，測試內(nèi)容包括顆粒物、SO2和NOx，共涉及蜂窩煤、煤球、塊煤、煤泥4種煤炭?；跍y試結果（表7），得到以下認識。

1）4種煤炭燃燒，SO2排放濃度均低于400 mg/m3，但遠高于《GB 16154—2018》規(guī)定的150 mg/m3標準；NOx排放濃度基本低于150 mg/m3，滿足標準要求，其中蜂窩煤排放約為100 mg/m3，優(yōu)于國家標準。

2）與散煤相比，清潔型煤燃燒后的顆粒物排放濃度大幅度降低，但SO2和NOx的排放并沒有顯著改善。其中，清潔型煤樣本的NOx排放濃度為122 mg/m3；散煤樣本的NOx排放濃度為128 mg/m3。另外，文獻[20]對多臺改進潔凈爐具產(chǎn)品燃用清潔型煤和藍碳實驗室測試結果表明，煙氣顆粒物排放濃度介于30～50 mg/m3，SO2排放濃度介于139.7±66.4 mg/m3，NOx排放濃度介于122.7±53.9 mg/m3，僅部分達到《GB 16154—2018》的要求。因此，從重點大氣污染物減排角度看，農(nóng)村燃煤采暖須嚴格控制普通煙煤使用，大力推廣環(huán)保節(jié)能的新型潔凈采暖爐具。

表7 樣本家庭燃煤采暖爐具排放濃度實測情況表

4 結論與建議

1）從30年費用現(xiàn)值看，燃氣壁掛爐優(yōu)于空氣源熱泵和蓄熱式電暖氣，是替代燃煤取暖較為經(jīng)濟的選擇，但應嚴把燃氣采暖熱水爐準入關，嚴控能效和NOx排放標準。2018年7月國務院印發(fā)的“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃”提出燃氣采暖壁掛爐能效不得低于2級，但對NOx排放沒有提及。受制于財政補貼能力，農(nóng)村“煤改氣”工程招標燃氣壁掛爐實際排放強度在200 mg/(kW·h)左右，只能達到國家4級標準。鑒于NOx是北方地區(qū)霧霾的主要成因之一[22]，建議借鑒北京和歐洲的做法，提高燃氣壁掛爐產(chǎn)品NOx準入排放標準，在經(jīng)濟發(fā)達的城鎮(zhèn)先行推廣冷凝式壁掛爐。另外，相比普通壁掛爐，冷凝式壁掛爐增加了預混流程，對天然氣純度要求高，不然噴嘴易產(chǎn)生堵塞或損壞；增加了冷凝水管，采暖期結束需要對積存的冷凝水的進行處理。因此，冷凝式壁掛爐安裝時需要針對各地空氣、燃氣、水等條件對運行參數(shù)進行調(diào)試和設定，還需要進行定期保養(yǎng)，這關系到壁掛爐能否正常使用和延長使用壽命，對獲得市場認可具有關鍵性作用。建議由政府或和行業(yè)協(xié)會牽頭，推行生產(chǎn)廠家或經(jīng)銷商定期保養(yǎng)制度。

2）農(nóng)村地區(qū)房屋圍護結構與城市不同，既有房屋普遍缺乏保溫措施，實現(xiàn)清潔供暖只是第一步，還應做到節(jié)約使用。同時，農(nóng)村人口居住分散且大量人員長期進城務工或居住，僅在節(jié)假日返鄉(xiāng)，“煤改氣”和煤改電基礎設施一次性投入大，實際燃氣和電力消費并不高，對于供氣和供電企業(yè)而言還存在可持續(xù)運營問題。建議國家和地方政府高度重視農(nóng)村居民建筑的節(jié)能改造，清潔采暖和房屋節(jié)能改造同步實施，清潔取暖補貼中適當考慮節(jié)能改造費用；同時，結合新農(nóng)村建設，引導有條件的地區(qū)集中建設居民區(qū)，新建房屋采取保溫隔熱措施，從而節(jié)省基礎設施投入，節(jié)約能源。

3）推進實施農(nóng)村清潔取暖，要始終圍繞“改善生活環(huán)境、增進民生福祉”這一初衷，立足資源條件和取暖需求特點，選擇合適的取暖路徑和供暖設備。熱泵取暖環(huán)保節(jié)能，相對其他電采暖方式對電網(wǎng)增容改造要求低，應作為“煤改電”的重點推進方式。對日常居住少、主要是節(jié)假日返鄉(xiāng)的農(nóng)村家庭，可優(yōu)先選擇啟停、調(diào)節(jié)靈活的熱風型熱泵；對采暖季持續(xù)使用，取暖面積較大的家庭，建議選擇熱水型熱泵。近幾年內(nèi)蒙、河北張家口、吉林等北方省市風電和光伏發(fā)電快速發(fā)展、電力大量過剩，隨著裝機成本的快速下降，發(fā)電邊際成本持續(xù)走低，在這些地區(qū)可考慮選用投資較省的電直熱或蓄熱式電暖器取暖，以充分利用可再生能源資源，特別是配電條件較好或電網(wǎng)已經(jīng)改造的地區(qū)，新增配電設施投入少，容易實施。

4）考慮經(jīng)濟發(fā)展的不平衡性和供能條件，潔凈煤取暖在部分農(nóng)村地區(qū)較長時間內(nèi)仍然有必要保留。燃煤取暖需要采取“潔凈型煤＋專用爐具＋一氧化碳監(jiān)測”整套措施，加強煤質監(jiān)管，堅持選用低灰、低硫、低揮發(fā)分的優(yōu)質燃，遴選與潔凈型煤燃燒特性相適應的專用爐具，確保居民燃煤達標排放，安全取暖。

5）關注農(nóng)村“后煤改氣、煤改電”時代的平穩(wěn)運行問題。農(nóng)村地區(qū)清潔取暖可持續(xù)發(fā)展須做到“改得起、用得起、愿意用”。“改”這一步已經(jīng)邁出，2019年國家規(guī)劃的中期目標已超額完成，但前期一些地方倉促推進實施，質量和安全方面仍然存在隱患，今后還需要重視取暖設施的安全使用、售后服務及配套設施的日常維護?！坝玫闷稹边@一關，近幾年通過優(yōu)惠氣價、優(yōu)惠電價和燃料費補貼方式來維持，這涉及供氣和供電企業(yè)的長期生存問題，企業(yè)對今后情況心中沒底；同時，近期河北、天津補貼退坡信號已發(fā)出，用戶感覺不踏實。因此，需要在國家層面統(tǒng)籌研究考慮補貼退出方式、對貧困戶精準補貼問題，“扶上馬還要送一程”，用得好才是最終目標。“愿意用”除了經(jīng)濟性因素外，思想觀念非常重要，需要進行廣泛宣傳，轉變百姓的觀念，從內(nèi)心真正認識到創(chuàng)造清潔優(yōu)美的生活環(huán)境每個人都有義務，擺脫“等靠要”的思想，自覺主動燃用清潔能源。