区域供热 2019.4 期0 引言2016 年中国作为是世界能源消费总量最大的国家， 能源消耗量占全球能源消耗总量的 23% ， 能耗增长占全球能源消耗增长的27% 。 预计 2020 年中国的能源消耗总量将接近 54 亿 tce ， 到 2030 年可能接近 70 亿北京市农村清洁能源改造应用工程案例分析北京建筑大学北京市供热、供燃气、通风及空调重点实验室 张群力 张晓月 郝杨洋【摘 要】本文对北京地区清洁能源改造进程及减排效益进行了分析，并依据实际案例，对低温空气源热泵、蓄热电暖气以及燃气壁挂炉三种不同清洁能源采暖方式进行经济性对比分析，得出在政府设备以及电价补贴的前提...

　　区域供热 2019.4 期0 引言2016 年中国作为是世界能源消费总量最大的国家， 能源消耗量占全球能源消耗总量的 23% ， 能耗增长占全球能源消耗增长的27% 。 预计 2020 年中国的能源消耗总量将接近 54 亿 tce ， 到 2030 年可能接近 70 亿北京市农村清洁能源改造应用工程案例分析北京建筑大学北京市供热、供燃气、通风及空调重点实验室 张群力 张晓月 郝杨洋【摘 要】本文对北京地区清洁能源改造进程及减排效益进行了分析，并依据实际案例，对低温空气源热泵、蓄热电暖气以及燃气壁挂炉三种不同清洁能源采暖方式进行经济性对比分析，得出在政府设备以及电价补贴的前提下，采用低温空气源热泵的供热方式经济性优势更为明显， 且舒适度最高的结论。 所以在清洁能源改造过程中，低温空气源热泵更值得推广使用。【关键词】农村 清洁能源改造 减排效益 经济性资助项目： 北京建筑大学北市属高校基本科研业务费专项资金资助（ No.X18185 ）DOI 编码i.cn 11-3241/tk.2019.04.001The Case Study on Beijing Rural Clean Energy Reconstruction ApplicationProjectBeijing University of Civil Engineering and Architecture Beijing Municipality Key Lab of Heating ，Gas Supply ， Ventilating and Air Conditioning EngineeringZhang Qunli ， Zhang Xiaoyue ， Hao Yangyang【 Abstract 】 This paper analyzes the clean energy transformation process and emission reductionbenefits in Beijing ， and based on the actual case ， compares the economics of three different cleanenergy heating methods ， such as low temperature air source heat pump ， thermal storage electricheating and wall-mounted gas boiler. Under the premise of government equipment and electricityprice subsidies ， the economic advantages of the low-temperature air source heat pump are moreobvious ， and the comfort is the highest. Therefore ， in the process of clean energy reform ， the low-temperature air source heat pump is more worthy of promotion.【 Keywords 】 Rural area ； Clean energy transformation ； Emission reduction benefit ； Economic1 - -万方数据 区域供热 2019.4 期图 1 北京市农村地区不同年代建设住宅的分布比例tce ［ 1 ］ 。 以这样的增速，我国的能源供给水平与生态环境都将遭受巨大的挑战， 所以降低不可再生能源消费总量势在必行。随着我国工业化与城镇化进程的加快，单方面追求经济高速发展， 忽略了经济发展带来的环境恶化， 导致近几年来环境问题日益严重，最为明显的是空气污染问题。 空气污染主要来自以下几个方面：燃煤污染、机动车污染、工业企业污染、扬尘污染等，其污染物主要包括细颗粒物（ PM2.5 ）、二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物（ PM10 ）等四项主要排放物［ 2 ］ ， 其中冬季燃煤对环境的污染不可小视。 据统计，中国的建筑能耗约占全国能源消耗总量的 25% ， 其中北方城镇冬季采暖燃煤能耗约占建筑总能耗的 20% ， 农村冬季采暖的户均能源消耗量远大于城镇 ［ 3 ］ 。分散供暖方式占整个北方地区城镇供暖方式的 30% ，采暖消耗能源以煤炭、电能为主。 为了改善大气环境质量，减少煤炭燃烧，农村地区清洁能源改造应尽快推进。近年来， 国内许多学者和专家对北京市农村地区的清洁能源消耗情况作了深入研究。 陈彦玲等人对北京市大兴区农村用能情况进行了研究， 提出了农村清洁能源改造规模化发展的思路。 马卫华等人研究了北京农村可再生能源发展潜力， 探讨了农村能源发展亟需解决的要点问题 ［ 5 ］ 。邱迪调研了北京地区农村的燃气供应现状， 并从农村地区经济性、 适用性等角度对燃气供应方式进行了分析；依据北京市农村地区的地理分布、经济发展及未来发展目标对燃气供应方式进行了研究 ［ 6 ］ 。 刘中良，杨鹏宇等人对北京农村能源使用现状进行了分析， 得出需要大力发展农村可再生能源的结论 ［ 7 ］ 。为进一步改善北京市空气质量状况，北京市先后发布了 《北京市 2013-2017 年清洁空气行动计划》、《北京市 2013-2017 年加快压减燃煤和清洁能源建设工作方案》 等一系列政策方案， 加快治理散煤燃烧对环境带来的污染问题。 与此同时，北京市十三五能源发展规划指出：到 2020 年北京市可再生能源消费总量所占能源消费总量比例要超过 8% ，清洁供热所占比例要超过 95% 。 农村地区使用燃煤供暖的现状急需改变， 使用清洁能源供暖是整个供热行业的趋势所向。1 农村清洁能源改造技术路线 北京市农村地区用能特点及需求北京市农村地区住宅按建设年代分布比例如图 1 所示 ［ 8 ］ 。近年来由于北京市发布了农村住宅抗震节能改造政策， 2010 年以后建设的农村住宅节能性较好，但所占比例较小，仅为 7% 。 大部分农村住宅未进行节能保温改造，具有建筑体型系数大、窗墙比较大、门窗传热系数高、 用于供热的燃煤锅炉效率低等特点，导致出现农宅冬季采暖能耗高、室内热舒适性差、污染环境严重等问题。据统计， 北京市农村地区能源消费情况如图 2 所示， 其中煤炭所占比例最高， 达到56.54% 。 为了改善大气环境及农村住宅冬季采暖对散煤依赖的情况， 北京市农村地区正在积极推进清洁供热方式改造工作。与城市供热相比，农村人口基数大，但居住相对分散，住宅大多未进行保温改造，且农村住宅与外界相连通，受生活习惯影响，居民出入次数较城市多，热量流失浪费现象严重。若采用集中供热方式，热力管道铺设路程长，2 - -万方数据 区域供热 2019.4 期图 3 低温空气源热泵供热系统示意图图 4 蓄热电暖气供热系统示意图图 5 燃气壁挂炉供热系统示意图图 2 北京农村地区能源消费情况存在沿程热损失大，资金投入高的问题，故大部分农村地区冬季依然适宜沿用分散式的供热方式。 当前政府鼓励农村地区采用清洁能源替代燃煤消耗， 随着各地区农村清洁能源改造工作的开展， 部分地区已着手进行集中供暖试点工作， 相应的配套设施建设能减少部分热耗散。 除燃煤外，在某些地区还可采用电、太阳能、沼气等方式进行集中供暖。 但是受到环境条件的限制， 要根据当地实际情况来选择合适的供暖方式。1.2 常见的清洁能源供热方式清洁能源是指为达到生产或生活的目的， 使用能源过程中不产生污染或污染物排放低的能源利用技术体系 ［ 9 ］ 。清洁能源主要包括可再生能源，如太阳能、空气能、生物质能、地热能（浅层地热、深层地热）等；也包括清洁能源利用技术处理后的常规的化石能源，天然气、洁净煤等 ［ 10 ］ 。 太阳能主要是光热转换与光电转换两种利用方式。 空气能主要是通过热泵技术利用空气中的低品位热能。 生物质能主要是将植物秸秆转化为生物质燃料、生物质气化、沼气等利用方式；地热能根据温度不同选择不同的利用方式； 浅层地热主要是直接利用，如沐浴、温泉等；深层地热可用于发电、供热、制冷、工业干燥等。目前农村地区使用的以电为能源的清洁能源供热方式主要有低温空气源热泵、 蓄热电暖气、地源热泵等；以天然气为能源的主要有燃气壁挂炉；以电能、天然气为主的清洁供热方式是农村地区清洁供热改造的主要方式， 清洁供热方式的示意图如图 3 至图 5 所示。低温空气源热泵供热主要是以电能为驱动力， 从低品位能源空气中提取热量为热用户供热， 是一种清洁且利用效率较高的供热方式。 其在北京市农村地区清洁供热改造中十分具有竞争力的改造方式。 蓄热电暖气安装简单、便于使用，利用夜间低谷电价，在清洁供热改造工程初期使用比例较高。 燃气壁挂炉供热方式可同时解决供暖与生活热水需3 - -万方数据 区域供热 2019.4 期序号 污染物 排放因子（ kg/t- 煤）123456SO 2NO XCOPM10PM2.5VOCs7.41.6140.113.510.84.0种类户均消耗量 全市总消耗量户均实物消耗量（ t ）折合标煤量（ tce ）实物量（万 t ）折合标煤量（万 tce ）散煤煤球蜂窝煤合计2.180.170.302.651.560.100.181.84469.136.664.6570.3335.7121.5238.74395.97图 6 2016 年北京市农村清洁供热改造情况图 7 2016 年北京市农村煤改电各方式占比求， 但是天然气燃烧后会产生少量 SO 2 、 NO X等污染物，并且需要保障燃烧效率。2 北京市农村地区清洁能源改造效益分析2.1 北京市农村地区清洁能源改造进程根据北京市农委提供的数据， 2016 年北京市进行“煤改电”改造的村庄占比为 87% ，是清洁供热改造的主要实施方式， 如图 6 所示。 其中，进行“煤改电”改造工程的共有 19.9万户，主要改造方式为低温空气源热泵、蓄热电暖气、地源热泵及其他电采暖设备，各改造方式占比如图 7 所示。改造为低温空气源热泵供热方式的用户为 15.1 万户， 是改造中用户选择最多的方式，占煤改电总户数的 76.28% 。截止至 2017 年底， 北京市共有 2237 个村庄、 97.4 万户完成了清洁供热改造； 2018年，北京完成了 450 个村庄的煤改气、煤改电改造工作，实现了全市平原地区村庄无煤化。2.2 北京市农村清洁供热减排效益分析2.2.1 北京市农村地区燃煤消耗量2015 年北京市农村地区常住总户数 （包括非京籍人口）为 215.2 万户，燃煤消耗量户均为 1.84tce/a ， 全市农村地区燃煤年消耗量为 395.97 万 tce/a ，农村地区燃煤消耗量如表1 所示。2.2.2 北京市农村地区清洁供热减排量北京市农村地区清洁能源改造主要改造为低温空气源热泵、 蓄热电暖气和燃气壁挂炉供热方式， 低温空气源热泵与蓄热电暖气供热方式局部减排比例达到 100% 。 燃煤燃烧污染物排放量较高， 农村地区进行清洁供热改造后，污染物排放量降低。 污染物排放量计算公式见式（ 1 ）。M j =M c × j （ 1 ）式中： M j 污染物 j 的排放量，万 t ；M c 燃煤消耗量，万 t ； j 污染物 j 的排放因子， kg/t- 煤。根据 《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》，本文确定污染物排放因子如表 2 所示。表 1 北京市农村地区燃煤消耗量 ［ 5 ］表 2 燃煤排放因子4 - -万方数据 区域供热 2019.4 期供热方式折合初投资（元 /m 2 a ）年运行费（元 /m 2 a ）费用年值（元 /m 2 a ）低温空气源热泵蓄热电暖气燃气壁挂炉家用燃煤锅炉31.23322.84.881520.917.315,8246.253.940.120.7设备 使用年限（年）低温空气源热泵蓄热电暖气燃气壁挂炉家用燃煤锅炉室内管网燃气管网电力增容设施8588151515图 8 2017 年北京市农村地区污染物减排量图 9 北京市农村地区清洁供热改造完成后污染物减排量截止至 2017 年底， 北京市农村地区，替代燃煤量约为 258.11 万吨。 根据燃煤排放因子， 得到 2017 年农村地区污染物减排量，如图 8 所示。 2017 年北京市农村地区完成清洁供热改造后， PM2.5 减排量为 2.79 万吨。北京市农村地区 3941 个村全部完成清洁供热改造， 燃煤 570.3 万吨替代完成后，污染物减排量估算如图 9 所示， PM2.5 减排量为 6.16 万吨， NOX 减排量为 0.91 万吨。2.3 北京市农村地区清洁供热经济性分析本节采用费用年值法分析不同供热方式的初投资、运行费与费用年值，初投资包括供热系统的设备、室内管网、基础设施等费用，运行费包括燃料、维修等费用。基于用户角度， 费用年值是供热系统折合初投资与年运行费之和。 不同供热设备使用年限取值如表 3 所示。费用年值是按投资效果系数折合的初投资与年运行费用之和 ［ 12 ］ ，费用年值与投资效果系数计算公式如下：费用年值 Z 的计算公式为式（ 2 ）：Z=nj=1移 x j k j +C （ 2 ）投资效果系数 x j 的计算公式为式（ 3 ）：x j =i （ 1+i ） m（ 1+i ） m -1（ 3 ）上式中： n 供热设备种类数；k j 供热设备 j 的投资金额，元；C 供热系统的年运行费用，元 / （ m 2 a ）；x j 供热设备 j 的投资效果系数， a -1 ，i 部门内部标准收益率， 供热系统标准收益率取 3% （银行年利率），配套设施标准收益率取 10% （投资年利率）；m 供热设备的使用年限。由上述公式计算得出三种清洁能源供热方式无补贴时用户侧费用年值如表 4 所示。根据近几年政府对清洁能源使用的相关补贴政策， 北京市对农村地区清洁供热改造的基本政策为： 低温空气源热泵按市、 区各100 元 / 平方米， 供热面积最高不超过 120 平方米进行补贴；蓄热电暖气按市、区各补贴设表 3 不同供热设备使用年限取值 ［ 11 ］表 4 无补贴时用户侧费用年值5 - -万方数据 区域供热 2019.4 期地点 供热方式 供热面积（ m 2 ） 初投资（元） 采暖费（元） 折合初投资（元 /m 2 ） 折合运行费（元 /m 2 ）A 户B 户C 户D 户E 户F 户低温空气源热泵 + 散热器低温空气源热泵 + 地暖蓄热电暖气蓄热电暖气燃气壁挂炉 + 地暖燃气壁挂炉 + 散热器96.082.5150154.221.616.658.350.026.929.2备价格的 1/3 进行补贴； 燃气壁挂炉按市、区各补贴设备价格的 1/3 进行补贴；另外政府还设有峰谷电价， 如蓄热电暖气可利用峰谷电价进行夜间蓄热。若有政府对供热设备的初投资与运行费的补贴， 不同供热方式的费用年值如表 5 所示，燃气壁挂炉的费用年值最高，低温空气源热泵的费用年值最低。 与传统散煤供热对比，低温空气源热泵的费用年值比家用燃煤锅炉低 30% ， 蓄热电暖气的费用年值比家用燃煤锅炉低 10% ， 燃气壁挂炉的费用年值比家用燃煤锅炉高 20% ，补贴后“煤改电”的两种清洁供热改造方式的费用年值较低， 用户进行“煤改电”经济压力较小。...