北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖研究员与普林斯顿大学Denise L. Mauzerall教授等合作，综合评估了采用洁净型煤、天然气或电力取暖（分别在全面替代我国北方居民取暖所使用的固体燃料的情景下）对空气质量、公众健康和碳排放所产生的影响以及相应的家庭取暖成本，揭示了不同取暖替代情景的健康-气候协同或权衡效应，为清洁取暖的进一步推广提供科学指导。相关研究成果以“中国北方地区清洁取暖的环境效益与家庭成本”（Environmental benefits and household costs of clean heating options in northern China）为题，2021年12月23日在线发表于《自然·可持续性》（Nature Sustainability），并入选期刊首页推荐文章（Featured）。
我国北方地区居民取暖导致大量污染物排放到大气中，成为秋冬季大气PM2.5（空气动力学粒径小于2.5μm的细颗粒物）污染的重要来源，严重危害了公众健康。2017年底，我国十部门联合发布《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021）》，通过大力推广清洁能源来缓解PM2.5空气污染。随着2020年中国做出“碳达峰”与“碳中和”的“双碳承诺”，在清洁取暖这一能源转型过程中同步实现碳减排也变得十分重要。然而，目前的不同清洁取暖措施（例如采用洁净型煤、“煤改气”和“煤改电”等）是否对减污降碳具有协同效应，尚不明确。
近期，北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖研究员与普林斯顿大学Denise L. Mauzerall教授等开展合作研究，综合评估了四种有望大规模推广的分散式清洁取暖设备（洁净型煤与节能环保炉、天然气壁挂炉、直热式/蓄热式电暖器以及空气源热泵，以下分别简称为“清洁煤炉”、“燃气炉”、“电暖器”及“热泵”）在全面替代（使用散煤等固体燃料的）分散式居民取暖设备的情景下对空气质量、公众健康及碳排放的影响，量化了不同取暖设备替代情景的健康-气候协同效应（synergies）或权衡效应（trade-offs），以及我国北方15个省/直辖市/自治区不同取暖设备的家庭取暖成本，为清洁取暖政策的进一步推广提供科学指导。
联合研究团队结合排放清单统计模型、空气质量数值模型和健康风险评价模型，评估了我国北方不同清洁取暖情景下二氧化碳当量排放的改变和PM2.5空气质量的改善幅度。研究显示，所有的清洁取暖设备均能显著改善PM2.5空气质量并大幅减少其导致的过早死亡人数，然而这些设备对于碳排放（图1）及取暖成本（图2）的影响有着显著的差异。在2015年电网结构下（化石能源占比71%），“煤改气”（“燃气炉”）能够产生最大的健康-气候协同效应，“煤改电”（“热泵”）次之，而“煤改电”（“电暖器”）则会导致碳排放增加，从而导致健康-气候权衡效应。随着化石能源（尤其是煤炭）在电网中占比逐渐降低，以及2015年以来我国燃煤电厂超净排放标准的实施，电力取暖所带来的污染物及温室气体排放将会逐年降低。根据国际能源署的预测，到2030年，化石能源在我国电网的占比有望下降到41%。在该情形下，使用热泵将带来最大的健康-气候协同效应；使用电暖器也可以在一定程度上降低碳排放。此外，由于洁净型煤缺乏统一的热值及排放标准，使用时可能存在增加碳排放的风险。
图1 我国北方地区不同清洁取暖替代情景相较2015年基准情况的PM2.5健康效应（纵轴）和二氧化碳当量排放（横轴）的协同效应或权衡效应，其中考虑的清洁取暖情景包括清洁煤炉-低排放因子（CCIS_low）、清洁煤炉-高排放因子（CCIS_high）、燃气炉（NGH）、电暖器-2015电力结构（RH_2015）、电暖器-2030电力结构（RH_2030）、热泵-2015电力结构（AAHP_2015）、热泵-2030电力结构（AAHP_2030）以及热泵-非化石能源发电（NFE）
图2 我国北方地区典型城镇（实线）和农村（虚线）家庭采用不同取暖设备的年化总成本（即年化设备成本与年均运行成本之和；未考虑补贴政策），图中比较的取暖设备包括散煤与传统炉（DCTS）、散煤与节能环保炉（DCIS）、清洁煤炉-低排放因子（CCIS_low）、清洁煤炉-高排放因子（CCIS_high）、燃气炉（NGH）、热泵（AAHP）、直热式电暖器（RHwoTS）和蓄热式电暖器（RHwTS）
联合研究团队进一步核算了中国北方15个省/直辖市/自治区典型城镇及农村家庭选择不同取暖设备的购置成本和年均运行成本。结果显示，与2015年居民散煤取暖的基准情景相比，所有清洁取暖设备均会增加家庭取暖成本（图2），在农村地区及寒冷地区尤为显著。热泵设备购置成本通常较高，但得益于具有高能效比，即便不考虑政府的电价补贴，其运行成本在大部分地区也几乎接近（散煤取暖的）基准情景。与之相反，电暖器和燃气炉的设备成本虽然较低，但是运行成本的高低很大程度上依赖于政府是否继续提供电价和气价补贴。总体来看，如果不考虑环境效益，使用电暖器的取暖年化总成本最高，使用洁净型煤的年化总成本最低。研究结果也表明，目前的补贴政策存在区域不平衡性：农村和寒冷地区取暖成本较高，但清洁取暖的补贴力度却较低。
基于对环境效益及取暖成本的综合分析，研究指出,为使清洁取暖政策发挥更大的空气质量-健康-气候协同效应，亟待加大对于热泵这类高能效电暖设备的补贴（尤其是在农村地区及更寒冷地区），从而降低它们的购置成本。在尚无法实现“煤改气”或“煤改电”的偏远地区，清洁煤炉可以作为短期的过渡选择，但目前亟需出台统一的洁净型煤质量标准，严控其热值及污染排放因子。在更为寒冷的地区，由于热泵可能出现短暂低效甚至失效问题，可以将电暖器或燃气炉作为家庭备用的临时取暖设备。此外，清洁取暖的政策补贴应适当向农村及寒冷地区倾斜，助推我国北方清洁取暖的快速转型。
相关研究成果以“中国北方地区清洁取暖的环境效益与家庭成本”（Environmental benefits and household costs of clean heating options in northern China）为题，于2021年12月23日在线发表于《自然·可持续性》（Nature Sustainability），并于近期入选期刊首页推荐文章（Featured）。我系2021届博士毕业生周密（现为普林斯顿大学博士后）与西安交通大学经济与金融学院刘泓汛副教授为共同第一作者，Denise L. Mauzerall和张霖为共同通讯作者。其他合作者有普林斯顿大学博士生彭立群、北京大学环境科学与工程学院覃栎研究员和北京城市气象研究院陈丹研究员。
上述研究工作得到国家自然科学基金等资助。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00837-w