中国北方典型地区农村清洁取暖调研分析及思考
基金项目：国家重点研发计划项目“大气污染成因与控制技术研究”(2017YFC0211403)；亚洲清洁空气中心项目“北方典型地区农村居民冬季取暖研究”。
第一作者简介：徐银鸿，女，1995年出生，吉林人，在读硕士研究生。通信地址：100029北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学，Tel ：010-********，E-mail ：buct_xyh@163 。
通讯作者：刘广青，男，1978年出生，山西人，教授，博士生导师，主要研究方向为生物质能源转化。通信地址：100029北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学，Tel ：010-********，E-mail ：gqliu@mail.buct.edu 。收稿日期：2019-11-01，修回日期：2020-01-05。
中国北方典型地区农村清洁取暖调研分析及思考
徐银鸿1，李闯1，张文廷1，叶堃1，李洁1，许江东1，
焦铭泽1，任彦波2，薛春瑜1，刘广青1
（1北京化工大学，北京100029；2
中国农村能源行业协会民用炉具专业委员会，北京100125）
摘要：笔者深入北方典型农村地区开展大规模实地调研与测试工作，了解当前散煤取暖污染现状及清洁取暖存在问题。实地测试结果显示，受居民使用习惯以及燃烧条件的影响，燃煤炉具污染物排放因子远高于工业锅炉、电厂等燃煤利用方式。散煤取暖导致的室内污染同样不能忽视，使用烤火炉与水暖炉家庭的室内平均CO 浓度分别为8.05、7.41mg/m 3；平均PM 2.5浓度分别为291、264μg/m 3，是WHO 提出的日均浓度指导值25μg/m 3的10倍以上。调研结果显示，目前农村居民取暖以散煤燃烧为主，居民清洁取暖改造意愿主要受家庭年收入和清洁取暖实际运行费用的影响。家庭年收入从小于1万元/年升高到大于5万元/年，愿意使用清洁取暖的用户比例从33%增加到52%。86%的受访者表示有政府补贴才愿意使用清洁能源取暖。现阶段清洁取暖推广工作需因地制宜，循序渐进，同时配合建筑节能改造，达到事半功倍的效果。
关键词：清洁取暖；调研与实地测试；室内空气污染；北方农村地区；问题与建议中图分类号：X22
文献标志码：A
Current Status and Implication of Clean Energy Heating:Field Survey in Typical Areas of Rural Northern China Xu Yinhong 1,Li Chuang 1,Zhang Wenting 1,Ye Kun 1,Li Jie 1,Xu Jiangdong 1,
Jiao Mingze 1,Ren Yanbo 2,Xue Chunyu 1,Liu Guangqing 1
(1Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China;
2
金鹰女神2016China Rural Energy Industry Association Civil Cooker Professional Committee ,Beijing 100125,China)
Abstract:To understand the current pollution situation of raw coal burning for heating and problems of clean energy heating in typical rural areas in northern China,this study conducted a large-scale field research and testing.The field testing show that:due to the residents ’habits and poor combustion conditions,the pollutant emission factors of coal-fired stoves are much higher than industrial boilers and power plants.The indoor air pollution can not be ignored.The average indoor CO concentration of radiative stoves and water-pipe stoves is 8.05and 7.41mg/m 3;the average indoor PM 2.5concentration is 291and 264μg/m 3,which are 10times more than 25μg/m 3,the concentration guidance value proposed by WHO.The research results suggest that:the rural residents mainly use raw coal burning for heating at present,the residents ’intention for clean heating is affected by the household income and actual operating costs of clean heating.The proportion of the willingness to use clean energy heating increases from 33%to 52%with the household annual income increasing from less than 10,000RMB to more than 50,000RMB.86%of respondents said that they would only use clean energy for
农学学报2020,10(3):31-37
Journal of Agriculture
0引言
近年来，中国北方地区雾霾天气频发，空气污染问题严重影响了区域经济发展与人们健康生活，引起了社会民众以及各级政府的高度关注。散煤燃烧取暖是冬季重污染天气的重要原因[1-3]，在农村地区，民用燃煤炉具缺乏有效的污染物减排措施，且散煤在较差的燃烧条件下，其排放因子远高于燃煤电厂和工业锅炉[4-6]。《中国散煤综合治理调研报告2017》称，民用散煤总量约2.34亿t ，其中农村散煤消费量占94%[7]，其污染排放造成的环境影响不容忽视。
室内空气污染已被认为是最大的环境风险因素[8]，固体燃料造成的家庭空气污染被全球疾病负担项目评为中国第二大过早死亡的环境风险因素，导致2016年60.5万人过早死亡[9]。民用散煤污染源与人类
生活有着更为紧密的联系，冬季室内通风条件差，不利于污染物的扩散[10]。长期暴露于散煤燃烧的室内环境极大增加了呼吸系统、心血管系统和免疫系统疾病的患病率[11-14]。
国家十部委联合发布的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》（简称《规划》）中指出，当前中国北方地区清洁取暖面积不足20%，迫切需要推进清洁取暖。到2021年，“2+26”城市以及其他地区的农村地区清洁取暖率分别达到60%与40%以上[15]，清洁取暖改造任务量巨大。各地为实现清洁取暖率的目标，纷纷积极推进天然气与电替代散煤取暖的工作。随着“煤改电”与“煤改气”规模不断扩大，部分地区强制禁煤、清洁能源供应不足、清洁取暖费用过高难以承受等
问题逐渐显现，使得该政策实施方式与效果方面存在较多争议，“双替代”进入瓶颈期。尤其在天然气管道、电网等基础设施较为落后、财政支持力度与居民经济收入有限的农村地区，清洁取暖工作将面临更大的挑战。
目前大部分清洁取暖相关的研究更多地关注了城市及城乡结合部的清洁取暖，且重点集中在京津冀地区[16-18]。对于京津冀之外的北方农村地区的关注度不足，深入农村一线大规模的调查与研究则更为有限。基于以上情况，本研究针对除京津冀以外即将深入推进农村清洁取暖的农村地区进行大规模的实地调研与测试，获得一手数据与信息，深入了解散煤取暖排放水
平及其特征、清洁取暖现状及存在的问题，旨在为政府制定清洁取暖规划及技术解决方案提供数据支
撑与可行建议。1研究方法
选择山西、陕西和黑龙江3个省份，山西、陕西包含“2+26”城市和汾渭平原城市，是蓝天保卫战的主战场之一；黑龙江作为东北三省的典型代表，是生物质综合利用的代表性地区。三省农村冬季取暖散煤使用量均排在全国前十。为了保证调研对象具有一定的典型性与代表性，研究根据三省的地理及气候特征、资源禀赋情况、经济条件和政策情况，选择6个代表性城市。黑龙江省选择了位于松嫩平原的重要粮食产地绥化市与具有丰富煤炭资源和林木资源的牡丹江市；山西省选择了西南部的长治市作为“2+26”城市的代表，朔州市作为山西北部严寒地区及非重点管控城市的代表；陕西省选择了铜川市作为汾渭平原的代表城市，榆林作为陕北地区的代表城市。
本项目主要采取实地调研与测试2种研究方法。调研主要包括政府访谈调研与入户调研2种；测试主要包括了民用燃煤炉具烟气排放测试、室内空气污染测试。研究采用自行设计的便携式民用炉具污染排放现场测试系统[19]，对民用炉具的污染物排放特征进行24h 现场测试。测试项目主要包括PM 2.5、CO 、NO x 、SO 2和CO 2。PM 2.5基于光学法检测实时排放浓度，采用称重法进行校正。其他气态污染物通过气体分析模块进行实时监测分析。室内空气污染测试使用设备DustTrak 8530（TSI 公司）和EL-USB-CO （LASCAR 公
司）记录PM 2.5和CO 的实时浓度。2结果与分析2.1农村取暖基本情况
2.1.1房屋结构山西省、陕西省农村地区的房屋结构主要有楼房、平房、窑洞3种（图1）。调研地区以平房为主，相对比较富裕的农户选择居住在楼房，窑洞多位于山区以及较为寒冷的地区，且家庭收入较低。山西省和陕西省居住平房、楼房、窑洞的居民占比分别为75%、14%、11%和64%、22%、14%。该地区住房建筑墙体外墙以37、24cm 为主，内墙均为24cm 。居民对于提升房屋保温性能的意识比较薄弱，普遍没有保温措施，少于10%的居民会建造较厚的墙壁提升房屋保
conditions,step by step,and cooperates with energy saving revolution of buildings to achieve better results.Keywords:Clean Energy Heating;Survey and Field Test;Indoor Air Pollution;Northern Rural Areas;
Problems and Suggestions 徐银鸿等：中国北方典型地区农村清洁取暖调研分析及思考
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楼房平房窑洞
图1农村地区房屋主要类型
温效果，77%的农户玻璃为单层，房屋门窗密闭性差，取暖热量损耗大，不利于节约能源和降低取暖成本。
黑龙江省调研区域农户居住房屋全部为平房。由于冬季气候严寒，该地区较为注重建筑保温。调研结果显示，75%农户家庭的外墙厚度建造为50cm 以上，68%的居民在墙体中加入保温材料，83%的居民安装双层玻璃，64%的居民在房屋外部用塑料布搭建简易阳光房，既能达到门窗保温的效果，又能充分利用阳光取暖。
2.1.2传统取暖方式调研发现，随着农村地区居民消费观念的不断变化以及政府项目的推动，取暖方式出现多样化的趋势。目前农村地区的取暖设备包括燃煤炉具、生物质炉具、甲醇炉、电暖气、空气源热泵以及天然气壁挂炉等，如图2所示。农村地区冬季取暖使用燃料种类繁多，其种类及价格如表1所示。燃料种类选择主要受家庭经济收入影响。家庭收入越高越倾向于使用优质清洁能源。
受经济收入水平、居民生活采暖习惯、基础设施条
件的限制，北方农村地区仍以燃煤取暖为主。各地气候条件及居民生活习惯等差异导致不同类型的燃煤炉具在不同地区甚至是同一地区的不同市县的分布比例也不尽相同（表2）。山西、陕西地区以烤火炉与水暖炉为主，经济条件较好的用户更多使用水暖炉。在偏北的寒冷地区，居民习惯使用炕取暖，黑龙江地区8成以上的用户使用水暖炉与炕结合取暖。
2.1.3清洁取暖意愿研究对农户家庭基本情况与清洁取暖意愿进行调查。结果（表3）显示，受访家庭中青壮年以外出务工为主，受访者以50岁以上老人居多，且教育程度普遍不高，绝大多数都是初中以下文化程度，农村地区空心化现象普遍存在。这部分人环境健康意识较为薄弱，采暖习惯较难改变，清洁取暖工作的推进也更为困难。
居民清洁取暖改造意愿主要受家庭年收入和清洁取暖实际运行费用的影响。随着家庭经济收入水平的提高，居民更加关注居住环境的改善和生活品质的提高，家庭的能源使用会以“阶梯”渐进的形式转换到更
图2农村地区民用取暖炉具主要类型
生物质成型燃料+专用炉具
兰炭+环保炉具洁净型煤+环保炉具蓄热式电暖器空气源热泵
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电加热水循环炕
燃气壁挂炉甲醇采暖炉蜂窝煤+环保炉具电锅炉电采暖炉
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加清洁和复杂的能源[20（图3）。同时，补贴政策对居民清洁取暖意愿影响较大，仅有4.81%的居民愿意在无补贴的情况下主动选择使用清洁能源取暖（图4）。大
部分受访者表示清洁取暖实际运行费用与散煤取暖相当的情况下，才有可能主动选择清洁取暖。2.2散煤取暖污染排放现状
2.2.1烟气排放水平实地测试结果显示，民用燃煤炉具污染物排放因子远高于工业锅炉、电厂等燃煤利用方式，尤其是CO 和PM 2.5。工业锅炉与燃煤电厂燃烧效率较高，默认其完全燃烧，CO 排放忽略不计。实地测试结果（图5）显示，民用燃煤炉具CO 排放水平普遍偏高，主要是由于民用燃煤炉具燃烧条件较差，且居民取暖多为封火燃烧的状态，燃烧不充分产生大量的CO 。据山西省调研结果显示，部分农户每天封火时长可达10~18h 。民用烤火炉与水暖炉的PM 2.5排放因子是工业锅炉排放的12.5、10.4倍；是电力行业排放的21.8、18.1
倍。九的部首是什么
薪柴玉米芯粉煤块煤洁净煤生物质颗粒天然气电
非商品非商品100~300400~10001000~1600800~1200
--
炕/烤火炉炕/烤火炉烤火炉烤火炉/水暖炉洁净煤炉具生物质炉具燃气壁挂炉电暖气
表1
农村民用取暖燃料种类及价格
烤火炉烤火炉+炕水暖炉水暖炉+炕
炕
1~21~23~41~3—
100~50010~5002000~30002000~3000
10~2510~3050~12050~12010~30
26074——
56440——
127612——
53443——
14086——
38413——
—2—8513
表2调研区域不同类型燃煤取暖炉具使用情况
2.2.2烟气排放特征目前大多数文献中报道的炉具排放水平都是基于实验室排放测试而得出的[22-24]，但受用户使用习惯等影响，短时间的稳定燃烧测试阶段所得出的排放数据，与用户在实地使用过程中进行全过程的监测数据存在一定的差异性[25-27]。以使用习惯具有代表性的用户为例，烟气实时排放
测试结果如图6
所
山西陕西黑龙江
32815489
666019
264122
表3受访者年龄和教育水平情况
图3家庭年收入与清洁采暖意愿的关系图4清洁取暖意愿与补贴的关系
徐银鸿等：中国北方典型地区农村清洁取暖调研分析及思考
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用户使用炉具取暖的同时还会进行炊事活动，全天加煤次数较多，导致燃烧过程中污染物排放存在较高的波动变化。每天的点火过程与CO 的排放波峰具有明显的一致性。点火初期，炉膛温度较低，达不到稳定燃烧的温度，导致燃煤中大量的挥发成分未经充分燃烧而排放，产生较高水平的污染物排放。随着燃烧更加充分，CO 2浓度更高，燃料中的硫和氮在高温下析出，SO 2和NO x 浓度开始升高。在旺火和炊事阶段，加煤操作和清灰操作等活动对燃烧状态影响较大，气态污染物排放浓度增加，一段时间后随着燃烧强度的降低而降低。
2.2.3室内空气污染本研究在使用散煤取暖的用户家中进行了PM 2.5和CO 的室内空气污染测试，结果
（图
7）显示，使用烤火炉与水暖炉家庭的室内日平均PM 2.5浓度分别为291、264μg/m 3，是WHO 提出的日均浓度指导值25μg/m 3的10倍以上，全部测试家庭均出现了超高值。使用烤火炉与水暖炉家庭的室内平均CO 浓度分别为8.05、7.41mg/m 3，48%的家庭CO 室内日均浓度超过了WHO 提出的室内日均浓度指导值(7mg/m 3)。炉具密闭性不好产生泄露排放，且冬季房间通风不及时是室内空气污染浓度超标的主要原因。需要强调的是，加煤操作也会造成室内CO 浓度急速升高。另外，水暖炉家庭室内污染水平普遍低于烤火炉家庭，提高炉具质量可一定程度缓解室内空气污染水平。
3问题与建议
3.1因地制宜，循序渐进，推进清洁供暖可持续发展
国家出台的相关政策规定了明确的清洁取暖指标
图5民用燃煤炉具与工业锅炉、燃煤电厂排放因子对比
工业锅炉和燃煤电厂的排放因子引用文献[21]。工业锅炉和燃煤电厂的颗粒物排放因子包含所有颗粒物，不限于PM 2.5
０
２００４００６００８００
１０００１２００
１４００
１４：００１６：００１８：００２０：００２
２：０００：００２：００４：００６：００８：００１０：００时刻
ＰＭ２．５
财神节是农历哪一天
／（ｍｇ／ｍ３
）图6民用炉具实时排放曲线
０．０
０．４０．８１．２１．６２．０１４：１６：１８：２０：２２：０：２：４：６：８：１
０：时刻
排放量
图7PM 2.5和CO 室内浓度与WHO 标准值对比
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