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崔亮，张钧瑞，李思园
山西财经大学资源环境学院，山西 太原 030006
近年来，随着中国经济快速发展，工业生产、居民生活及机动车等排放大量污染物，造成以细颗粒物为主要污染物的大气重污染事件频发，给生态环境造成极为不利的影响（肖悦等，2017；
彭猛等2020）。为了改善空气质量，2018年国务院出台了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》。为了提高取暖质量，2013年国务院颁布了《大气污染防治行动计划》，要加快推进“煤改电”和“煤改气”工程建设，加快推进集中供热工程建设。2016年习近平总书记主持召开中央财经领导小组第十四次会议，指出“推进北方地区冬季清洁取暖，关系广大群众温暖过冬，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”。
目前关于清洁取暖方面的研究主要集中在该政策对环境和居民的影响两方面。宗亚楠等（2017）采用情景分析法，评估了北京市电厂能源清洁化与末端治理、燃煤锅炉改造和城区平房居民采暖改造等措施产生的减排效益，得出的结论是北京市的一系列改造有效地改善了空气质量。李朋等（2021）基于人工神经网络，以京津冀地区为研究对象，编制了“以电代煤”污染物排放清单，结果表明，“煤改电”带来的减排效果明显。罗宏等（2020）以京津冀大气污染传输通道城市为研究对象，全面梳理了京津冀及周边地区清洁取暖补贴政策的实施情况和问题，结果表明，地方政府财政压力需发挥中央财政的作用并开始逐步退坡。赵梦雪等（2020）从经济、社会、污染减排和温室气体减排4个维度构建了清洁取暖绿色低碳绩效评价指标体系。
上述研究表明，清洁取暖工程有利于污染物减排，而政策带来的环境影响及政府、居民承受的经济成本有待深入研究，在“双碳”背景下该政策是否推进了经济和环境效益的统一、能否促进碳减排尚未明确。鉴于此，本研究从环境效益和经济成本角度出发，探究清洁取暖工程对环境和居民的影响，核算清洁取暖工程带来的碳排放情况，以期为清洁取暖工程的进一步实施提供科学依据。
1.1 研究方法
忻州市实施清洁取暖改造分为两个时间段：第一阶段围绕市建成区，以城中村为重点，推进实施集中供热工程；
第二阶段将煤改电作为主要措施，改造范围主要在邻近建成区的农村及平原地区农村。2018年4月，市大气污染防治工作领导组办公室通知将建成区剩余的 28台煤粉锅炉（其中4台早已停运，实际运行为24台）改用热电联产集中供热，建成区24台煤粉锅炉改造情况见表1。
表1 忻州市建成区燃煤锅炉改造情况Table 1 Renovation of coal-fired boilers in Xinzhou built-up area
负责供热的广宇煤电公司，现有两台135 MW热电联产机组和两台350 MW机组，所有机组均有严格的末端治理措施，例如静电除尘、液氮SCR脱硝和系统脱硫等。
为分析清洁取暖工程带来的碳排放情况和污染物减排效益，设置改造前和改造后两种情景。改造前情景是2016年尚未实施清洁取暖工程，农村居民均采用生活燃煤进行取暖；
改造后情景是2020年已实施集中供热和煤改电工程后，农村居民采用清洁取暖。
煤改电的改造方式分为区域集中供暖和分户供暖。区域集中供暖改造是将空气热源泵集中后通过管道将热能输送至村民家中。分户供暖适用于户数较少，房屋分布不均匀的村落。该方式是由政府以奖代补，鼓励村民自行购买设备，由政府进行适当补贴，同时电价采用峰谷段收费。以蓄热式电暖器为例，该设备可在夜间进行充电加热，便可满足一户一天的采暖需求。考虑到采暖设备存在高昂的费用及折旧，仅作为区域集中供暖的补充。忻州市地形分区及居民燃煤分布如图1所示。其中，本研究城中村设为集中供热改造区域，平原地区为煤改电改造区域。
图1 忻州市地形分区及居民生活燃煤分布区Figure 1 Topography and residential coal combustion distribution area in Xinzhou City
1.2 数据来源
改造前农村居民生活燃煤排污量计算采用排放因子法，计算公式：
式中：
Ei——污染物排放总量，kg；
i——污染物种类；
m——燃烧技术类型；
A——活动水平数据；
E——排放因子，g·kg-1；
η——大气污控设施去除效率，%；
n——居民户数；
Q——2016年户均煤炭消耗量，kg/户。
关于居民户数的获取，来自0.5 m空间分辨率Google Earth遥感影像，通过目视解译判别平房空间分布范围，利用忻州市地形图进行几何校正，控制点采用的是九宫格的方式，利用多项式模型进行校正，以便提高影像的精度。
平房解译特征为较规则的院落，平房之间有界线，在遥感影像3层以上楼房有明显阴影，并且楼房之间无院墙等界线（崔亮等，2019）。排放因子优先采用污染源实测法，该研究条件受限没有实际测量数据，采用的是检索排放因子数据库法（Shi et al.，2014）。主要污染物的排放因子见表2（Zhang et al.，2000；
Chen et al.，2005；
Chen et al.，2006；
Zhang et al.，2008；
Zhi et al.，2009；
赵文慧等，2015；
支国瑞等2015；
中华人民共和国生态环境部，2016）。
表2 忻州市生活燃煤和电煤的主要污染物排放因子Table 2 Main pollutant emission factors of residential coal and thermal coal in Xinzhou City kg·t-1
选择忻州市城区两个典型城乡交界处农村，3个山区丘陵地区农村，两个典型平原地区的农村进行抽样调查，对居民散煤、型煤使用量及品质进行详细调研，获取忻州市不同区域居民面源排放基础数据，即户均散煤使用量及品质，每个村选取3—4个典型农户开展入户调查，详细调研当地居民的取暖及炊事炉灶型式，并对居民散烧使用的煤质进行取样测试和分析，为居民原煤散烧大气污染物排放量计算准备基础数据，测得平均干基高位发热量为28.5 MJ·kg-1，属于烟煤。烟煤CO2排放因子采用94600 kg·TJ-1（IPCC，2006），经计算本研究CO2排放因子为 2697 kg·t-1。标煤 CO2排放因子采用2540 kg·t-1（涂华等2014），电煤折算标煤系数采用0.7143。
清洁取暖具体的改造户数（见表3）以及改造成本来自《忻州市人民政府办公室关于印发忻州市2019年清洁取暖工作实施方案的通知》。
表3 忻州市2017—2020清洁取暖改造户数Table 3 Number of clean heating renovated households in Xinzhou, 2017-2020
2.1 排污量的确定
应用遥感卫星图像解译，根据地形分布以及村民房屋院落走势，将村落类型划分为两种典型类型，分为平原农村和城中村。生活燃煤户数的确定，主要是对不同区域内的平房聚集地，进行数字化并利用 GIS空间分析工具计算每个数字化图斑的面积，即一个村落的平房总面积。本研究选取建成区两种典型区域的村落，结合文件确定对应的较准确的户数，得出不同类型村落的单位面积户均建筑面积（见表4）。
表4 忻州市建成区典型农村平房面积与居民户数统计Table 4 Relationship between area and population of typical rural bungalows in built-up areas of Xinzhou City
经过计算平原农村和城中村的户均建筑面积为400 m2和210 m2。由表5可知，2016年忻州市居民生活燃煤 1.0×106t，产生的 PM10、PM2.5、SO2、NOx的排放总量分别为8820.0、6860.0、7400.0、1600.0 t；
2016年忻州市生活燃煤产生的温室气体CO2排放总量为2.697×106t。平原农村的生活燃煤户数为占主要生活燃煤户数的79%。忻州市的生活燃煤户数集中在平原地区，为重点改造范围。
表5 2016年忻州市2种典型农村生活燃煤大气排污量Table 5 The amount of air pollution discharged by two typical residential coal combustion in Xinzhou City in 2016
2.2 集中供热
忻州市城中村主要采用集中供热形式。城中村居民改造前使用生活燃煤取暖，购置煤炭费用户均1100元。集中供热采暖费成本为29 yuan·m-2。政府每平米补贴12.5元。忻州市城中村取户均采暖面积为100 m2，户均自付1650元，政府每户平均补贴1250元。2017—2020年农村居民的人均可支配收入均值为8750元，采暖费占比从12.57%增加至18.85%，增长了约6.28%。2017—2020年农村居民收入的平均年增长速度为9.36%，采暖费的增长速度仅比收入增长速度低2.08%，实施补贴依旧加重经济负担。政府方面，改造后补贴比例高达76%。2017—2020年忻州市城中村实施集中供热工程共计改造了 1.396×105户，集中供热的居民需支付采暖费2.30×108元，政府补贴1.75×108元，如图2所示。改造后忻州市城中村取暖总费用为 4.13×108元，比改造前增加了2.51×108元。
图2 集中供热经济成本对比Figure 2 Comparison of economic costs of district heating
集中供热改造的第一步是对城中村的燃煤小锅炉进行拆除，2017年拆除农村燃煤小锅炉共计5607个，2018年拆除的锅炉集中在建成区，共计24台。经计算，可减少生活燃煤消耗量为5.09×104t。如图3所示，2017—2018年忻州城区的 PM10、SO2、PM2.5、NOx排放量累计削减了 324.2、376.7、498.8、81.4 t；
其中，SO2和PM2.5的削减量相对突出，分别占总削减量的29%和39%。
图3 2017—2018年忻州市燃煤锅炉改造污染物减排效益Figure 3 Pollutant emission reduction benefits of renovation of coal-fired boilers in Xinzhou,2017-2018
第二步是对庭院进行改造，完成清洁能源替代。城镇供热管网设计规范（CJJ 34—2010）供暖热负荷住宅推荐值为40—45 W·m-2，本研究供暖热负荷按40 W·m-2进行计算。忻州市采暖时间为150 d，城中村户均供暖面积100 m2，则用户全年采暖累计热负荷为 5.18×104MJ。设改造前后采暖时间和面积不变，为了保持用户的采暖需求，该方案下的用煤量根据下式进行计算（徐钢等，2016）：
式中：
Bcoal——所需电煤量，kg；
Q0——采暖需求量，MJ；
β0——发电效率，取0.386（徐钢等，2016）；
β1——管网热效率，取0.9（于春龙，2010）；
β2——热效率，取0.59（余雪等，2020）；
Qar,net——煤炭低位发热量，MJ·kg-1，取 27.8（余雪等，2020）。
根据式（3）可得出改造后户均的电煤消耗量为9.1 t。2020年城中村已完成改造的户数为1.396×105，改造比例已占94.4%，忻州市城中村集中供热后PM10、PM2.5、SO2、NOₓ的排放量分别为316.3、632.1、693.9、993.7 t。
如图4所示，实施集中供热可大幅降低排污量。忻州市城中村集中供热后 PM10削减比例达到85.5%，PM2.5和 SO2的减排量分别为 62.7%和67.5%。尽管户均使用的电煤量为9.1 t，是改造前的5倍，但电煤能源利用率较高，颗粒物排放量有效减少。而NOₓ排放量增加明显，增加了151%。
图4 忻州市集中供热改造前后城中村污染物排放量Figure 4 Pollutant emission of urban village in the city before and after central heating renovation in Xinzhou City
集中供热后，忻州市城中村产生的温室气体CO2排放总量为 2.111×106t，比改造前增加了1.445×106t，相比改造前CO2排放量显著增长。由此可见，农村居民集中供热改造不利于碳达峰。
集中供暖户均电煤消耗量增加的原因在于户均集中供热面积（100 m2）远高于传统的生活燃煤取暖面积，且生活燃煤取暖效果较差，无法达到集中供热正常的室内温度。
2.3 煤改电
忻州市平原农村主要采用煤改电形式。煤改电区域集中供暖采用空气热源泵，分户供暖采用蓄热式电暖器，关于两种供暖方式的技术经济性分析，采用费用年值法计算（于涛等，2014）：
式中：
A——初始投资额，yuan·a-1；
Kj——供暖设备的初始投资额，104元；
j——供暖设备编号；
i——基准折现率，取值3.8%；
mj——设备的使用年限；
其中，空气源热泵取15 a，蓄热式电暖器取10 a，地暖管取25 a；
n——供暖设备种类数。
城镇供热管网设计规范（CJJ 34—2010）供暖热负荷住宅推荐值为40—45 W·m-2，本研究供暖热负荷按 40 W·m-2进行计算。假设平原农村户均采暖面积为60 m2，采暖时间为150 d，若实行全天供暖，则该用户全年采暖累计热负荷为8640 kW·h-1，即 3.11×104MJ。空气源热泵和蓄热式电暖器的经济性如表6所示。
改造前购买煤炭费用590 yuan·t-1，平原农村户均使用量为1.69 t，总价为1000元；
由表6可知，改造后，电采暖和空气源热泵供暖产生的年综合成本均大幅上涨。电采暖能源利用率较低，导致每年运行费用极高，户均年综合成本是改造前的近5倍。空气源热泵的改造一次性支付的费用为异地建设费筹集，户均需支付为3850元，空气源热泵的运行供电费用高于生活燃煤费用和集中供热费用，年综合成本为3963元。
表6 电采暖和空气源热泵的经济性Table 6 Economic performance of electric heating and air heat pump
根据走访调查，家庭年收入，改造费用，补贴标准等因素均会影响农村居民对清洁取暖的支付能力和意愿。超过90%的农村居民期望将成本控制在2000元以下。由于忻州市并不属于“2+26”城市名单（武晓红等，2021），受中央财政支持力度较小，大部分补贴费用需由市政府承担，且采暖费作为农村居民的必要性支出，鼓励使用清洁能源产生长期的补贴势必会加重财政负担。为了避免农村居民重新使用生活燃煤，需实施财政补贴退坡政策，即逐年减少补贴力度。该研究将财政补贴退坡年限设置为7年（宋玲玲等，2020），每年的退坡比例为14.3%，补贴退坡的内容设为采暖价格补贴。忻州市2020年农村居民的可支配收入为9926元，由于补贴力度不断下降，得出采暖费用占农村居民收入的比例，具体结果见表7。
由表7可知，退坡政策实施后，采暖费占农村居民收入比从第一年的13%上涨到21%，每年上涨幅度为1%。改造前成本仅占收入的10%。改造后采暖费占收入比均大于改造前，当第7年政府不再进行补贴时，其收入占比是改造前的1倍左右。
表7 财政补贴退坡政策对农村居民产生的经济性影响Table 7 Economic impact of fiscal subsidy regression policy on rural residents
截至2020年底，平原农村已改造6.33×104户，电采暖和空气源热泵集中供暖的改造比例分别为10%和90%。改造前平原农村仅需支付1000元购买煤炭费用，忻州市平原农村居民每年支付7.53×108元。煤改电后，居民每年需支付电费1.03×108元、空气源热泵用户需一次支付异地建设费2.19×108元；
政府需一次投资1.81×108元、政府年补贴费用1.53×108元；
平原农村未改造用户需支付购买煤炭费用6.90×108元。除一次投资外，改造后平原农村比改造前每年多支付1.93×108元。
影响农村居民清洁取暖支付能力和意愿的主要因素为居民收入水平，由表7可知，改造后第7年取暖费用占人均可支配收入的21%，极大地增加了居民经济负担。
平原农村改造前后采暖面积和供暖时间不变，为了满足农村居民采暖需求，电采暖和空气源热泵采暖两种供暖方案的用煤量可按下式进行计算：
式中：
Q——供暖热量，MJ；
Dcoal1——电采暖折合成电煤消耗量，kg；
Dcoal2——空气源热泵折合成电煤消耗量，kg；
Qar,net——煤炭低位发热量，27.8 MJ·kg-1；
η1——发电效率，取0.386（徐钢等，2016）；
η2——配电效率，取0.9（张昌，2015）；
η3——电采暖效率，取0.97（张昌，2015）；
P——空气源热泵制热性能系数，取 2.44。电采暖和空气源热泵供暖两种供暖方式的污染物排放量如表8所示。
由表8可知，相对于生活燃煤，电采暖用户每户PM10和PM2.5每年对应削减96.2%和86.5%，SO2每年可削减 88.6%，NOx排放增加 4.3%。空气源热泵用户每户PM10、PM2.5、SO2每年对应削减98.5%、94.7%、95.5%，NOx消减58.5%明显好于集中供热和电采暖。使用空气源热泵在所需热量相同时，能源利用率远高于电采暖，同时可大幅降低排污量。
表8 平原农村用户两种供暖方式的污染物排放量Table 8 Pollutant emissions of two heating methods for rural users in plain areas
煤改电后忻州市平原农村需要消耗电煤7.7×104t、生活燃煤6.67×105t，改造后忻州市平原农村共排放 PM10、PM2.5、SO2、NOₓ分别为 5899.4、4614.4、4971.7、1133.2 t。忻州市城中村煤改电后污染物排放量如图5所示，PM10、PM2.5、SO2、NOx减排比例分别为11.2%、10.7%、10.8%、5.9%。
图5 忻州市煤改电前后平原农村污染物排放量对比Figure 5 Pollutant emission of village in the plain before and after central heating renovation in Xinzhou City
改造前平原农村每户每年CO2排放量为4560 kg；
改造后电采暖用户每年CO2排放量为8433 kg，是改造前的1.8倍；
空气源热泵用户每年CO2排放量为3352 kg，是改造前的73.5%。忻州市平原农村煤改电后每年CO2总排放量为1.94×106t，比改造前减少了9.1×104t。空气源热泵改造方式有利于节能减碳。
利用 GIS空间分析工具，统计改造后各县区PM2.5减排量。如图6所示，忻府区的减排量最明显，其原因为该地区人口密集，经济活动水平高。其中，忻州市东部地区减排量较大，得益于清洁取暖工程推广比例大，降低了PM2.5的排放量。西部地区减排效果较低，是由于处于山区，不利于清洁取暖工程的推广，减排效益较小。
图6 忻州市PM2.5减排量Figure 6 PM2.5 emission reduction in Xinzhou city
清洁取暖改造后，忻州市PM10、PM2.5、SO2、NOx排放总量分别为分别为 6215.7、5246.5、5565.6、2127.0 t，为改造前的 70.5%、76.5%、75.2%和132.9%。改造后CO2排放总量为405.1×104t，为改造前的1.5倍。
忻州市清洁取暖改造后居民需一次性支付2.19×108元，政府需一次性支付1.81×108元；
居民每年需支付11.41×108元，政府每年需补贴3.28×108元；
改造后忻州市农村居民取暖费用比改造前增加了 4.45×108元。
改造后NOx排放量增加的主要原因为：目前山西省《燃煤电厂大气污染物排放标准》NOx排放限值为100 mg·m-3，生活燃煤NOx排放因子仅为煤电排放因子的2倍，清洁取暖后煤炭总量消耗的增加导致了NOx排放量的增加。改造后CO2排放量增加的主要原因为：改造前农村居民生活燃煤取暖时，使用煤炉白天正常加煤，到了夜晚则封火不再加煤，室内温度普遍较低，因此生活燃煤消耗量较小；
而改造后室内供暖效果明显改善，且采暖面积普遍增大，导致电煤消耗增加；
此外，目前燃煤电厂未对CO2采用捕集利用等措施，因而造成了CO2排放量的增加。
（1）忻州市农村居民清洁取暖改造后CO2排放总量为4.051×106t，为改造前的1.5倍，清洁取暖会造成CO2排放量的陡增，不利于碳达峰。集中供热、电采暖和空气源热泵3种改造方式中，集中供热造成的碳排放量最高，是改造前的3.2倍；
电采暖次之，是改造前的1.8倍；
而空气源热泵采暖碳排放量为改造前的73.5%，有利于碳达峰。
（2）清洁取暖改造后全市农村居民需一次性支付2.19×108；
每年需支付1.141×1010元，较改造前增加了1.17×108元；
政府需一次性支付1.81×108元，每年补贴3.28×108元。取暖费用增加的主要原因为集中供热改造后取暖面积普遍增大，导致取暖费用的上升；
电采暖取暖效率较低，为了保证适宜的室温需消耗大量的电能从而增加取暖成本；
而空气源热泵效率较高，在供热量相同的情况下更具有经济吸引力，因此具有极大的减排潜力。
（3）全市农村居民清洁取暖改造后，PM10、PM2.5、SO2、NOx排放总量分别为 6215.7、5246.5、5565.6、2127.0 t，为改造前的70.5%、76.5%、75.2%、132.9%。从减排效果看，忻州市PM2.5年均质量浓度从 2017 年的 58 μg·m-3降至 2021 年的 40 μg·m-3，一定程度上说明清洁取暖有利于空气质量的改善。
（4）从污染物减排效益看，清洁取暖工程具有明显的减排效果；
从经济性看，集中供热和煤改电改造后的户均取暖成本均大于改造前，虽然有补贴，也会给农村居民带来一定的经济负担。同时政府多了额外的财政支出，长期的补贴可能会继续加重财政负担。
北方农村居民生活燃煤涉及范围广、人口多，且人均收入和地方财政收入普遍偏低，清洁取暖会加重居民和地方政府的负担。建议清洁取暖工程在经济相对发达地区进行多年试点再行推广，并建议中央财政对地方政府加强补贴，建立清洁取暖转移支付机制，保证政策的可持续性。探索非补贴模式下，由政府统一提供高热值、低硫煤炭，提高农村居民生活燃煤品质以减少排污量，并探究利用风能、太阳能等可再生能源为农村居民供暖的方案。
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