天 然 气 工 业NATURAL GAS INDUSTRY 第40卷第3期2020年 3月
· 146 ·
周淑慧1 孙慧1 王晨龙2 梁严1
1.中国石油规划总院
2.北京市劳动保护科学研究院
摘要：北方农村地区冬季清洁取暖是我国能源消费革命、农村生活方式革命的重要内容，也是重大民生工程和暖心工程，如何兼顾其经济性、适用性和环保要求备受关注。为此，以农村清洁取暖重点地区——京津冀及周边“2＋26”城市为研究对象，在现场调研、入户实测的基础上，从技术、经济和环保3个维度，对该区4种主要的清洁取暖方式（燃气壁挂炉、蓄热式电暖器、空气源热泵和清洁煤炭取暖）进行对比分析，并提出了针对性的建议。研究结果表明：①燃气壁挂炉替代燃煤取暖是较为经济的选择，但应严把产品能效和排放准入关，建议城镇和经济较发达的农村地区燃气采暖普及推广节能环保的冷凝式壁挂炉；②农村既有建筑普遍缺乏保温措施、采暖能耗高，应重视保温隔热措施，建议推进清洁采暖过程中同步实施房屋节能改造并给予适当补贴，结合农村新型城镇化建设推进集中供暖；③洁净煤取暖在部分农村地区较
长时间内仍将存在，但须严格煤质监管，建议采取“洁净型煤＋专用炉具＋一氧化碳监测”整套措施；④坚持因地制宜方略，各地应立足资源禀赋，选择合适的取暖路径和取暖设备，可再生能源丰富、电网配套条件好的地区，宜重点推广蓄热式电暖器或空气源热泵取暖；⑤关注农村“后煤改气、煤改电”时代的平稳运行问题，建议从国家层面统筹研究制定补贴退出方式及退出后的贫困户精准补贴问题，注重环保政策和绿发展理念的宣传贯彻，真正做到“改得起、用得起、愿意用”。
关键词：中国北方农村地区；清洁取暖；燃气壁挂炉；清洁煤炭取暖；电暖器；空气源热泵；经济性；污染物
DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.03.018
Policy-driven clean heating modes in the rural areas of the northern China
ZHOU Shuhui1, SUN Hui1, WANG Chenlong2, LIANG Yan1
(1. PetroChina Planning and Engineering Institute, Beijing 100083, China;2. Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100050, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 40, ISSUE 3, pp.146-156, 3/25/2020. (ISSN 1000-0976; In Chinese)
Abstract: Clean heating in the rural areas of the northern China in winters is an important part of the energy consumption revolution and rural lifestyle revolution, and it is also a major livelihood project and a heart-warming project. Therefore, it is widely concerned to give considerations to its economy, applicability and environmental requirements. In this paper, "2+26" cities in the Beijing–Tianjin–Hebei area and its periphery, which is an important area with clean heating in the countryside, were taken as the research object. Based on field survey and household measurement, four main clean heating methods (wall-mounted gas boiler, regenerative electric heater, air source heat pump and clean coal heating) in this area were analyzed and compared in terms of technology, economy and environment. In addi-tion, some specific suggestions were proposed. And the following research results were obtained. First, wall-mounted gas boiler is a more cost-effective alternative to coal-fired heating, but the access to product's energy efficiency and emission shall be controlled strictly. It is recommended to popularize energy-saving and environmentally-friendly condensing wall-mounted boilers in cities and in economically developed rural areas. Second, there are no thermal insulation measures in existing buildings in rural areas and heating energy consump-tion is high, so more attention shall be paid to thermal insulation measures. And it is suggested to carry out energy-saving transformation on houses and provide appropriate subsidies while promoting clean heating, and to propel the centralized heating during the construction of new urbanization in rural areas. Third, clean-coal heating will still exist in so
me rural areas for a long time. Therefore, it is necessary to strengthen the supervision of coal quality, and it is recommended to adopt a set of "clean coal + special stove + carbon monoxide mon-itoring" measures. Fourth, it is necessary to adopt measures according to local conditions. That is to choose the appropriate heating path and heating equipment on the basis of local resource characteristics. In the areas with abundant renewable energy and good grid support-ing conditions, it is advisable to focus on the popularization of regenerative electric heaters or air source heat pumps for heating. Fifth, to ensure the stable operation of rural areas in the era of "post coal to gas and coal to electricity", it is recommended that the state shall con-duct a comprehensive study on the formulation of subsidy exit mode and precise subsidies for poor households after the exit and strength-en the implementation of environmental protection policies and green development concepts, so as to truly reach the goal of "affordable transformation, affordable utilization, and content utilization".
Keywords: Rural area of northern China; Clean heating; Wall-mounted gas boiler; Clean coal heating; Electric heater; Air source heat pump; Economical efficiency; Pollutant
作者简介：周淑慧，女，1971年生，正高级工程师；主要从事天然气战略、规划和市场等方面的研究工作。地址：（100083）北京市海淀区志新西路3号。ORCID: 0000-0002-1419-3910。E-mail:zhoushuhui@petrochina
第3期· 147 ·
周淑慧等：政策驱动下的中国北方农村地区清洁取暖方式
0 引言
在国家大气污染治理、打赢蓝天保卫战等政策驱动下，北方农村地区取暖方式正由传统粗放式燃煤取暖，向多种清洁取暖方式转变，其中清洁煤炭取暖、燃气壁挂炉、蓄热式电暖器和空气源热泵是主要的方式。其他新兴取暖方式在少数地区也有使用，但尚未普及且需要一定的资源条件。如地热能取暖需要有稳定可靠的地热资源，且打井、铺设管网投资大，适合城镇或农村集中连片式供暖；太阳能取暖需要配套电加热或其他取暖设施，晚上和阴雨天太阳能不足时由电或其他加热设施提供，因此这种方式单位取暖面积投资大，比较适合在办公楼、学校等只在白天有采暖需求的建筑；生物质直燃供暖存在着烟气污染物排放量偏高的问题[1]，需要配套高效除尘设施，比较适合以热电联产或锅炉房的方式向县城、工商业、公服和居民小区供暖。经过2017—2018年和2018—2019年两个采暖季的实践，洁净型煤和燃气壁挂炉取暖实际污染物排放情况如何，燃气壁挂炉和空气源热泵的经济、适用性如何都是公众关心的问题。为此笔者聚焦上述问题，选取我国北方农村清洁取暖重点地区——京津冀及周边“2＋26”城市（京津冀大气污染传输通道）为研究对象，在现场调研、入户实测的基础上，从技术、经济和环保3个维度对上述4种主要的农村清洁取暖方式进行了对比分析。
1 不同清洁取暖方式的性能与特点
1.1 天然气取暖
天然气作为燃料取暖有燃气锅炉房、燃气热电联产、分布式能源和燃气壁挂炉4种方式，农村地区由于居住分散、人口密度低，通常采取分户式燃气壁挂炉取暖。燃气壁挂炉学名为燃气采暖热水炉，是一种既可用于家庭供暖，又可提供卫生和生活热水的壁挂式家用燃气具，最早起源于西欧，20世纪90年代初引入中国市场，初期多应用于别墅及联排住宅中，近几年在国家“煤改气”、清洁取暖等政策驱动下，在北方农村地区开始普及。根据国家燃气供热专业委员会的调研报告[2]，2009年以来的十年间，我国家用燃气壁挂炉销量年均增长率达26%，远远超出经济发展的平均速度（表1）。从该报告还可以看出“煤改气”政策对壁挂炉销量的带动作用：2016年，全国燃气壁挂炉总销售量为210×104台，其中煤改气工程销售40×104台，占比19%；2017年销量达到峰值550×104台，其中禁煤区“煤改气”工程销售377.5×104台，占比高达68.6%；2018年，煤改气工程回归理性，节奏放缓，壁挂炉销售重回正常增长轨道，全年实现销量320×104台，其中“煤改气”工程销量145×104台，占总销量的45%。相关调研结果显示，2019年全国“煤改气”项目燃气壁挂炉招标台数接近280×104台，是2018年的1.93倍，其中河北省仍然是“煤改气”的主战场，总招标数高达214×104台，占比高达76.5%。
从市场销售的主流产品看，燃气壁挂炉分为普通炉和全预混冷凝炉两种。前者由于没有实时控制燃气与
空气的混合比例且燃烧后烟气排放温度高（超过120℃），因而热效率较低，普遍介于85%～90%，满足国家二级及以下标准[3]；氮氧化物（NO x）排放浓度高，一般只能达到国家三级及以下标准[4]；在欧洲发达国家，现已禁止销售。而后者由于采取了变频、预混和冷凝技术，效率可达109%，超过国家1级能效标准，比普通壁挂炉高出20%～25%；NO x 排放强度低于30 mg/（kW·h），优于国家五级排放标准。后者的节能环保原理主要为：①采用预混燃烧技术，精确控制空气的吸入量，实时保证燃气和空气的最佳配比，使燃烧更完全；②采用冷凝技术，将烟气排放温度降到40℃左右，充分回收利用了烟气中水蒸气的潜热。从近3年我国燃气壁挂炉的销量可以看出，更加节能环保的冷凝炉在中高端市场越来越受到欢迎[2]：2016年冷凝式燃气采暖热水炉销量为14.3×104台，占全年总销量的6.8%；2017年销售量增加到38.1×104台，占全年总销量的7.9%；2018年销售28.0×104台，占全年总销量的8.8%，尽管销量相比2017年减少26.5%，但占比提高了约1%。
表1 国内家用燃气壁挂炉销售量统计表
壁挂炉分类
年销售量/104台
2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年
国产527791117120117158480256原装进口182129354444527064总销售量7098120152164161210550320
天 然 气 工 业2020年第40卷· 148 ·
1.2 电取暖
电取暖分为电直热和电蓄热两种，适合农村地区分户式电取暖的主要方式有蓄热式电暖器、电热膜、发热电缆、碳晶板，后3种均为电直热。电取暖的主要优点是不会给取暖家庭带来大气污染，还可以充分利用低谷时段过剩的风电资源，缺点是对电网负荷要求高，电网升级改造投入大。
电热膜取暖系统的核心部件是电热膜，通电后电热膜中的碳分子团在电场的作用下进行“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，电能与热能的转换率超过98%。经历了第一代棚膜、第二代墙膜后，目前进入了第三代地膜发展阶段。电热地膜采暖系统由电热膜、智能温度器、连接电缆、通讯单元等组成。这种取暖方式不耗水，不占地，开关自主，符合低碳减排的政策导向。但对于农村平房住户而言，电热地膜直接与地面长期接触，尽管有绝热保温层阻隔，也会产生较大热损失，既有建筑更不适合采用这种方式。
发热电缆取暖是利用发热电缆将电能转换为热能的一种取暖方式，一般铺设在地板下。通电后发热电缆
温度上升到40～60℃，通过热传导方式加热其周围的水泥层，再传向地板，最后通过对流方式加热空气，对流传导热量约占50%，另外50%的热量通过发热电缆产生的7～10μm的远红外线向人体和空间辐射，电热转换效率超过97%。发热电缆取暖系统由发热电缆、感温探头、温控器、地面保温层、混凝土层、地板装饰层等组成，在欧美国家已推行30多年，2000年左右进入我国，在北京、哈尔滨、沈阳等城市有较大面积推广。类似电热地膜，发热电缆取暖在农村平房使用也存在热损失，电能消耗比较大。
碳晶板取暖是以碳素晶体发热板为核心部件，开发出的一种新型的低温辐射采暖系统，其电能与热能的转换率超过98%。碳晶辐射供暖系统主要部件有碳晶发热板、保温板、铁丝网、温控器，由发热系统、保温系统、控温系统、电路系统四大子系统构成，目前该技术已经非常成熟，安全性好、安装灵活方便，可根据需要铺设在地板下或安装在墙壁上，也可做成可移动式。
蓄热式电暖器的工作原理是通过耐高温的电发热元件加热特制的蓄热材料——高比热容、高比重的磁性蓄热砖，外部包裹耐高温、低导热的保温材料，钢制喷塑外壳对整个设备起到保护和美化作用，工作时蓄热砖的温度可超过700℃。蓄热式电暖器为独立设备，类似于传统油汀电暖气，可以根据需要放置和移动。这种采暖方式的最大优势是可以利用夜间低价的低谷电加热8～10 h，白天电网高峰时段供暖时只需将贮存的热量释放出来，还可以调节热量释放的速度，从而既实现全天24 h室内供暖，又达到节省电费的效果，因此特别适用于执行峰谷电价的地区。
农村取暖1.3 热泵取暖
热泵取暖有空气源热泵、水源热泵、地源热泵3种方式，其中空气源热泵较适合于农村分户式取暖，水源和地源热泵需要有特定的水资源条件和打井场地。热泵实质是一种热量提升装置，把蕴含在空气、土壤、水中等不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。热泵取暖耗电量只有电取暖的1/3左右，已成为京津地区农村取暖“煤改气”重点推广方式，且一套装置可以满足供暖和制冷两方面的需求。
空气源热泵基本原理是逆卡诺循环，用制冷剂作为媒介（通常称之为冷媒），冷媒在－40℃即可汽化。工作时，冷媒通过蒸发器吸收外界空气中的热量后汽化，然后通过电机驱动的压缩机压缩变成高温高压气体，再进入热交换器（也称为冷凝器）与室内供暖管路中的循环水交换热量，之后经膨胀阀释放压力，回到低温低压的液化状态，完成一个循环。如此往复，冷媒不断吸收外界大气中的热传递给循环水，吸热升温后的循环水通过管路循环到散热器末端给居室供暖或提供生活用水。热泵的性能通常用COP系数来评价，即单位功耗所能获得的热量或冷量。标准工况下热泵的COP值介于2.9～4.5，当外界环境温度低于5℃后，机组能效开始下降，普通空气源热泵在－5℃以下几乎不能使用，因此严寒地区需要使用超低温空气源热泵，这类热泵可以在－25℃的低温环境下正常制冷，但COP值会下降至2.0左右。空气源热泵根据室内配套供暖末端的不同，可分为热风型和热水型两类，前者室内取暖末端类似于常规空调室内机，可落地或低壁挂安装，优点是安装方便快捷，开关和调节方便，且一次投入少，缺点是有噪音，空气干燥；后者室内配套热水循环管路、散热片或地暖系统，也可以配风机盘管，优点是体
感舒适，特别是配套地暖系统时由于对出水温度要求低而更加节能，缺点是一次投入费用较高，工程安装环节多、耗时较长，冬季长期不用还需做好管路的保温，因此更适合室内既有热水采暖末端、
第3期· 149 ·
周淑慧等：政策驱动下的中国北方农村地区清洁取暖方式
家中长期有人居住的家庭。
地源热泵工作原理与空气源热泵类似，只是热源取自地下水或土壤，采用地埋管方式换热，埋管深度介于100～200 m；水作为循环工质，在地埋管的环路中闭式循环，与地下不发生物质交换。地源热泵系统需要有足够的场地以供打井埋管，投资较多且需要日常维护，因而更适合用于有较多采暖、制冷、热水需求的住宅小区、学校或连片村镇集中供暖使用，不适宜农村分户式独立供暖。同时考虑冬季采暖和夏季制冷时，地源热泵在一个水文年应达到热均衡。若土壤长年热不均衡将导致温度失衡，系统效率下降，影响周围生态。
水源热泵与地源热泵的主要区别在于取暖或制冷循环用水直接取自地下水（需分别打取水井和注水井）、地表水、污水等，水被直接用来取热或排热，并按要求排放回原取水点，是一种开式的取水方式。我国北方地区特别是东北、西北严寒地区冬季气温低，加之水资源相对匮乏，可利用的江河和水库
资源有限，地表水源热泵的推广和使用受到限制。城市居民集中区可以考虑开发污水源热泵取暖，农村分户式独立供暖则不适宜。
1.4 燃煤取暖
农村地区传统的燃煤取暖方式有火坑、火盆和结构简单的圆筒炉具，燃料也可使用树枝、秸秆等，均会产生大量烟气污染室内和大气环境。炊事烤火炉和水暖炉都是由圆筒炉具演化而来，对炉膛结构和外观进行了优化设计，增加了二次配风，来满足用户不同的采暖需求。炊事烤火炉上部一般装有圆盘可以放置物品。水暖炉具增设了水套、水循环系统和防暴沸安全系统等，利用水循环加热更多房间，其水循环系统与城市集中供热暖气片排布基本一致，增加了居住的舒适性。在国家清洁取暖政策带动下，国家大力推广节能环保型炉具，目前市场上外型美观大方、做工用料结实耐用的新型燃煤取暖炉具花样繁多，有的还具备自动调节火力、控温功能，配套壁挂式暖气片、地暖系统或暖风机，采暖舒适度接近城市集中供暖方式。
2 不同取暖方式的经济性比较
北方农村住宅属于合院式建筑体系，基本由正房、左右厢房围合而成，正房为3间、4间或5间房，建筑以单层平房居多，一般实际取暖面积不超过80 m2，多数家庭只给卧室和客厅供暖，室内温度
在15℃左右。目前我国建筑采暖耗热指标主要针对城市制定，《民用建筑能耗标准：GB/T 51161—2016》给出了不同地区建筑耗热量指标的约束值和引导值[5]，石家庄地区城市建筑采暖指标约束值为0.23 GJ/（m2·a），折合约22.2 W/m2。既有农村建筑外墙很少有保温措施，门窗也基本是单层，保温隔热性能差、采暖单耗高，采暖耗热指标取40 W/m2。笔者参考实地调研走访的保定、廊坊、石家庄农村居民采暖情况，以户为基础，比较不同采暖方式的经济性，包括采暖炉具购置费、配套入村与入户天然气管网、电网改造费，以及燃料费支出。另外，考虑到农村煤改清洁能源采暖基本是既有房屋，已配有水暖式末端换热设施，因此未考虑室内末端换热设施的费用。采暖期为120 d。
2.1 燃气壁挂炉取暖
2.1.1 设备购置费
河北省为国家大气污染防控重点省份，2017年开始实施大规模清洁取暖，采暖设施由政府统一组织招标采购，国家、省和市县3级财政提供资金补贴。受财力所限，各市县政府统一招标采购的壁挂炉绝大部分为国产普通炉。以廊坊市为例，禁煤区农村“煤改气”取暖按燃气壁挂炉设备购置和安装投入的70%给予补贴，每户最高补贴金额不超过2700元，从政府补贴额度可以大致估算采暖设备购置和安装费用平均为3857元/台。笔者经济性比较参考廊坊禁煤区实际支付水平，取3900元/台，其价格比同等功率、同品牌的燃气壁挂炉的市场零售价低30%左右。这一价格水平的机组能效最高只能达到二级，NO x排放达到
国家2级或3级标准。另外，从京东、淘宝等电商平台报价看，2019—2020年采暖季适用于80～100 m2采暖面积，能效达到1级、NO x排放达到5级标准的高效节能冷凝式壁挂炉市场销售价格在8500～10000元，约是“煤改气”工程招标价的3倍。
2.1.2 设施配套费
农村燃气壁挂炉供暖需要配套解决气源，并建设入村、入户配气管线、燃气表等。
气源解决方式与用气规模大小和既有管网设施条件等有关，主要有以下3种形式：①从就近的天然气干线或支干线管道接气，建设支线管道，其费用的高低与管道长度、管径、征地补偿等密切相关；
②“LNG气化站＋中压管道”，适用于居民较多的乡镇，一座LNG气化站供应几个村庄并将各个气化站
天 然 气 工 业2020年第40卷· 150 ·
通过中压管道联通；③LNG撬装站，适用于单个村庄供气。本文气源费用参考雄安新区某企业气代煤项目实际支出情况，该项目采用“LNG气化站＋中压管道”方式供气，共建设9座LNG气化站和约80 km中压管道，气化站用地“以租代买”，先后完成了4个乡镇42个村18771户的“气代煤”工程。在不考虑上游资源企业干线管道和储气调峰设施投资情况下，平均每户投资约3700元。
入村和入户配气管道（含燃气表）投资，参考2017年河北省补贴水平，取4000元/户，与燃气公司的实际建设成本基本持平。综上，燃气壁挂炉取暖设施配套费用约7700元/户。
2.1.3 燃料费用
对河北廊坊、保定农村壁挂炉实际用气情况调研发现，农村取暖时间普遍在每年的11月底开始，2月中下旬结束，共3个月左右，比城市集中供暖少20～30天。如果整个采暖季大部分时间都在使用燃气壁挂炉采暖，每户天然气用量约1200 m3（折合10 m3/d）。但实际情况是，部分村民白天在附近务工，晚上回家休息；部分村民进城务工，仅在周末或春节前后回乡；还有少部分村民因经济能力有限，即使白天家中有人也不舍得开火取暖。因此，大范围平均看，每户每个采暖季天然气用量约1000 m3/（折合约8 m3/d）。为了将几种取暖方式在同一水平线上进行比较，笔者按照每户每个采暖季天然气用量1200 m3计算，这与文献[6]关于河北省采暖“煤改气”每个家庭天然气需求1116 m3的研究结论基本一致；单位取暖面积一个采暖季耗气量为15 m3/m2，与文献[7]关于北京市平房用户采暖耗气量调查结果12 m3相比高出25%。天然气价格，选取2017—2018年采暖季河北省农村壁挂炉采暖供气价格2.4元/m3，则整个采暖季户均燃料费用支出为2880元。
2.2 蓄热式电暖器取暖
2.2.1 设备购置费
在低谷电价优惠政策驱动下，蓄热式电暖器在“2＋26”农村地区得到较大范围的推广。河北省禁煤区农村电代煤推荐选取蓄热式电暖器，并按设备购置安装（含户内线路改造）投资的85%给予补贴，每户最高补贴金额不超过7400元[8-9]，据此测算户均采暖设备购置费约为8700元/户。另外，从2019—2020年采暖季电商平台企业报价看，适用于12～15 m2大小房间、功率为1600 W的中低档蓄热式电暖器的销售价格在1500元左右。蓄热式电暖器在断电放热阶段其放热量衰减较多，故实际配备功率一般按热负荷的3倍左右考虑，相当于每户采暖用电负荷9.6 kW，与电力行业相关研究采用的数据基本一致[10]。取暖面积为80 m2的家庭需要安装6台左右，设备总费用7500～9000元。本文蓄热式电取暖设备购置费按9000元/户考虑。
2.2.2 设施配套费
蓄热式电暖气功率大，大面积推进实施须进行电网改造。参考电力行业数据和文献[11]，考虑变压器更换、10 kV以下线路改造、老旧电表更换等费用，平均改造配套费取3万元/户。
2.2.3 燃料费用
蓄热式电暖器取暖耗电量可根据电暖器的功率和通电加热时间计算。参考市场销售的某品牌产品介绍，功率为1600 W电暖器可供12～15 m2大小房间取暖，通电8～10 h可满足全天采暖需求。基于现阶段河北省煤改电采暖政策，农村居民采暖用电执行峰谷电价，谷段为20时—次日8时，峰段为8时—20时；供
暖期居民采暖用电价格执行阶梯电价一档标准，谷电电价为0.31元/（kW·h）。笔者按晚上通电10 h、白天断电放热、全屋配备6台设备计算，则整个采暖季80 m2房间耗电量约11520 kW·h，需要支付采暖费用3570元。
2.3 空气源热泵取暖
2.3.1 设备购置费
华北地区空气源热泵取暖大规模推广从北京开始。2017年北京市政府对空气源热泵取暖“煤改气”按照每户取暖面积100 m2、设备购置费用的1/3进行补贴，每户补贴额最高不超过1.2万元。从补贴额度看，空气源热泵采购价格大致为3.6万元/户[12]。2018年，河北省开始选择条件好的农村地区家庭试点推行热泵取暖等新型供暖方式，空气源热泵和地源热泵设备购费省市县财政给予90%补贴，最高不超过2万元 [8]，由此可以推算空气源热泵集中采购价格约为2.2万元/户。经过近3年的推广，厂家的热泵制造能力得以快速提升，市场销售价格也有较大幅度的下降，但不同品牌仍然有较大差别。本文空气源热泵设备购置费参考北京市、河北省部分地市集中采购及电商平台品牌产品2019—2020年取暖季报价情况，取2.2万元/户。
2.3.2 设施配套费
在电网比较薄弱的农村地区，实施热泵取暖也
发布评论