摘要 ：中国政府加速了北方地区的清洁居民供暖转型，作为改善区域空气质量的重要举措。同时，中国已承诺到 2060 年实现碳中和，这对居民供暖部门的长期减碳战略选择提出了必要要求。然而，目前对于不同清洁供暖方式在健康、碳排放及相关成本上的协同效应与权衡关系尚缺乏系统性考量。在本研究中，我们针对中国北方各省的居民供暖方式（包括电采暖——热泵或电阻加热器、燃气和洁净煤）进行分析，以评估其在空气质量、健康、碳排放及家庭成本方面的相互关联。研究结果表明，各类清洁供暖方式在空气质量和健康方面均有显著收益，但碳排放差异较大，且伴随供暖成本上升。在 2015 年的电力结构下，燃气加热器具备最大健康与碳排放的协同效益，而电阻加热器则存在健康与碳排放的权衡。随着电网的低碳化，到 2030 年热泵将在我们分析的方案中实现最大的健康与碳排放协同效应。尽管热泵的初始成本较高，其运营成本较低，因而在长期使用中具备成本优势。随着热泵购置补贴的增加，政府可以进一步推动清洁供暖转型中的空气质量改善和碳减排。
Zhou, M., Liu, H., Peng, L. et al. Environmental benefits and household costs of clean heating options in northern China. Nat Sustain 5, 329–338 (2022).
引言
研究背景：中国的环境空气污染水平全球领先，每年导致约 250 万人过早死亡，并且作为全球最大温室气体排放国，中国必须加快从煤炭向非化石能源的转型以改善空气质量和履行碳中和承诺。2015 年，居民部门贡献了全国约 40%的 PM2.5 和 17%的 SO2 排放，是 PM2.5 污染的主要来源，尤其是在北方供暖季节，对空气质量和公众健康产生重大影响。2016 年底，固体燃料仍是北方居民供暖的主要能源，比例超过 80%。
研究空白：2017 年，中国推出《冬季清洁取暖规划》，计划到 2021 年北方地区清洁能源供暖比例提升至 70%。尽管到 2020 年已有 3000 多万户家庭改用清洁取暖设备，但约 50%仍依赖天然气或煤基电力。这一转变带来了显著的空气质量改善和健康收益。然而，根据不同的供暖设备和燃料选择，对碳排放和家庭成本的多样化影响还需要更多关注。此前尚无研究对中国北方不同清洁供暖方式在空气质量、健康、碳排放及家庭成本方面的影响进行系统评估。
研究概述：在本研究中，我们同时分析了这些非集中供暖选项（如电采暖、燃气采暖和洁净煤采暖）在各方面的影响，并探讨了电网低碳化对电采暖设备排放的影响。在此前研究基础上，我们针对每种供暖技术进行了详细的成本分析，涵盖城乡家庭，考虑各省供暖需求、燃料价格和补贴的差异。研究结果显示，向清洁供暖的转型始终带来空气质量和健康效益，而温室气体排放和成本的变化则因供暖设备和燃料选择而差异显著。随着电网进一步低碳化，热泵比电阻加热器、燃气或洁净煤加热器在空气质量、健康和碳减排方面的协同效益不断增加。即使没有补贴，热泵通常也具有较低的运行成本。但在大多数地区，仍需增加对热泵初始购置的财政支持，以推动其更广泛的使用。
研究结果
清洁供暖情景
洁净煤、天然气和电力为非集中式居民供暖提供了可行的替代燃料选项。洁净煤自 2013 年起在高效改良炉灶的推广下，成为清洁供暖的主要选择，在规划初期占据主导地位。天然气在“2+26”重点城市群中发挥了替代煤炭的重要作用，而电采暖则通过消除终端燃烧排放实现清洁，但增加了发电环节的排放，其中空气源热泵和电阻加热器（RH）被广泛推广。本研究基于 2015 年的区域人为排放清单，提出了七种反事实情景，假设北方居民的固体燃料供暖全部改用以下一种非集中供暖方式：1) 使用改良炉灶的洁净煤高排放情景（CCIS_high），2) 使用改良炉灶的洁净煤低排放情景（CCIS_low），3) 天然气加热器（NGH），4) 电阻加热器（RH_2015），5) 空气源热泵（AAHP_2015），6) 2015 年电网结构下的电采暖，7) 部分低碳化 2030 年电网下的电采暖（RH_2030）。在成本分析中，还区分了带蓄热装置和不带蓄热装置的电阻加热器（RHwTS 和 RHwoTS），并纳入改良炉灶（DCIS）和传统炉灶（DCTS）两种散煤供暖方式。
空气污染物和 CO2e 排放的变化
图 1 显示了各清洁供暖选项在上游（发电和燃料生产）和下游（居民燃料燃烧）过程中的 PM2.5、SO2、NOx 和 CO2 当量（GWP100）排放量变化。除 CCIS_high 外，其余情景的下游排放均减少，主要由于洁净煤和天然气的燃烧效率更高，电采暖则完全消除了下游燃烧排放。热泵的冷媒泄漏也被计入下游排放，占年排放量约 4 TgCO2e。相比之下，所有情景的上游排放均因额外的能源需求而增加，但下游排放的减少通常占主导，导致总体排放净减少。电采暖情景下，排放从居民端转移至电厂，改变了空间分布。虽然各情景 PM2.5 排放均减少（84-99%），但 CCIS_high 和 RH_2015 情景出现碳排放增加，分别为 76 Tg（21%）和 170 Tg（47%）。RH_2015 还导致额外电力需求占全国发电量的 10%。由于 2015 年燃煤电厂 NOx 去除效率低，AAHP_2015 和 RH_2015 情景下的 NOx 排放显著增加。随着电网低碳化和燃煤电厂升级，未来电力生产中的排放将降低。使用 2015 年电网时，NGH排放最低；使用 2030 年电网时，AAHP实现了最大减排效果。
减少环境 PM 2.5和相关过早死亡
我们应用区域大气化学模型，模拟基线及各情景下 1 月、3 月、5 月、7 月、9 月和 11 月的地表 PM2.5 浓度，并用 1 月、3 月和 11 月的结果代表供暖季节平均情况。基线 PM2.5 浓度与地面观测高度吻合，年均偏差为 0.6 μg m–3（1%）。受冬季不利气象条件和供暖排放影响，1 月和 11 月北方地区 PM2.5 浓度明显高于其他月份（图 2a）。“2+26”城市因高人口密度和排放强度成为供暖污染热点，也是清洁取暖规划的重点区域。在所有清洁供暖情景中，地表 PM2.5 浓度显著下降。供暖季北方人口加权平均（P-W）PM2.5 浓度下降 13–15 μg m–3（16–19%），AAHP_2030 情景减排效果最佳，表明热泵结合低碳电力具有显著的空气质量改善效益。降幅具有季节性，1 月的降低最为显著。“2+26”城市在各情景中供暖季 P-W PM2.5 浓度平均下降 18–22 μg m–3（17–20%）。南方地区也因北方跨区域污染传输减少，供暖季 P-W PM2.5 浓度平均下降约 2 μg m–3（约 3%）。
基于全球暴露死亡率模型（GEMM），我们估算了因非传染性疾病（NCDs）和下呼吸道感染（LRIs）导致的与环境 PM2.5 相关的过早死亡。全国范围内，AAHP_2030 情景实现的年均过早死亡减少最多，达 81,400 人（77,100–85,500 人），占基线情况下全国 PM2.5 相关过早死亡总数的 3.4%；其次是 NGH 和 RH_2030 情景。CCIS_high 情景的健康效益最小，但仍高于 2013–2017 年居民部门部分使用清洁燃料所实现的减少（67,100 人对比 49,200 人）。图 2e 和图 2f 显示了 AAHP_2030 和 CCIS_high 情景下各省/直辖市/自治区（以下简称省份）的年均避免过早死亡数。京津冀地区健康收益最大，各情景中减少的死亡人数占全国避免死亡总数的约 25%。
家庭供暖成本的差异
我们评估了中国北方各省市在不同供暖选项下的城镇和农村家庭前期资本成本（UCC）和年运行成本（AOC）（图 3）。UCC 包括设备购置及安装费用，AOC 则为每年取暖燃料费用。研究表明，未有补贴情况下，所有清洁供暖方式的 UCC 和 AOC 均高于改良炉灶的散煤供暖。一些清洁选项的 AOC 低于传统炉灶，因为后者效率低下。在清洁供暖选项中，AAHP 和带蓄热装置的 RHwTS 的 UCC 最高，CCIS 和不带蓄热装置的 RHwoTS 最低，NGH 居中。尽管 RHwoTS 的 UCC 较低，但其 AOC 最高，因此仅适合作备用供暖。AAHP 和 CCIS_low 的 AOC 最低，但在青海因热泵效率低和天然气价格低，NGH 的 AOC 最低。考虑设备不同使用寿命后，RHwoTS 和 RHwTS 的总年化成本（TAC）最高，CCIS_low 最低（图 4b）。
城镇和农村家庭的成本从寒冷地区到极寒地区逐渐增加。农村家庭因房屋面积较大、能效较低，需更高功率供暖设备，导致 UCC 和 AOC 高于城镇。AAHP 的 UCC 在城镇为 6000–11,000 元，农村为 17,000–25,000 元，远超家庭年收入的一大部分，尤其是在农村地区。为推动清洁供暖，北方省市提供了财政支持（补充表 3 和 4），包括设备补贴和用电、用气价格调整（如北京和天津在供暖季将谷时电价从 0.5 元降至 0.3 元/千瓦时）。补贴因地方预算和中央支持而异，例如，北京市较成功地替代了煤炉，而“2+26”城市也因补贴更为成功。相比之下，低收入、高供暖成本的新疆、青海、吉林和黑龙江等地获得补贴较少，清洁供暖在农村仍难以负担。现有补贴反而加剧了不平等，高收入地区获得的补贴更多。
讨论与政策启示
我们分析了用多种清洁供暖方式替代北方居民固体燃料供暖在碳减排、空气质量、健康和家庭成本方面的效益。结果显示，除 CCIS_high 和 RH_2015 外，各情景的空气质量和健康收益相似，但碳排放和供暖成本差异显著。在 2015 年电网（68%煤电）下，热泵在空气质量、健康和碳减排方面略逊于天然气加热器；但随着电网去碳化，热泵的优势逐渐显现。使用部分去碳化的 2030 年电网（35%煤电）时，热泵的健康和碳减排效益最大。若电力完全来自非化石能源（NFE），可进一步减少 106 TgCO2e 和约 1000 例过早死亡。热泵的高效运行还显著减少电力需求，使其比电阻加热器运行成本低 10%-70%，仅在青海和内蒙古例外。尽管热泵的资本成本高于天然气和洁净煤加热器，但其运行成本更具优势，尤其在电网低碳化后。
电阻加热器因效率低、运行成本高，其健康和碳效益远不及热泵和天然气加热器，且具有最高的总年化成本（TAC），因此一些地方政府不再补贴 RHwoTS，而继续支持负荷转移能力强的 RHwTS。热泵作为高效供暖设备，能避免由煤炭转向电采暖的碳排放增加，推广其使用可通过能源需求标签（类似能源之星计划）来鼓励家庭选用。天然气供暖在 2015 年具有最佳温室气体减排效果，但由于天然气供应压力和长期排放承诺，其吸引力有限。在无补贴情况下，天然气加热器的总成本在大多数省份超过热泵，但在极寒地区仍具经济性。洁净煤供暖具有最低的 TAC，可作为偏远地区的过渡选项，但两种 CCIS 情景的年均过早死亡和碳排放差异显著，表明需制定严格统一的洁净煤排放标准。
研究的局限性包括选择 2015 年作为基准年，可能高估了未来情景的环境和健康效益；仅考虑环境空气质量，未纳入室内空气污染对健康的影响；成本分析未考虑实际家庭的多样化特征。研究结果表明，热泵更适合长期清洁供暖，应出台降低热泵资本成本的政策，增加补贴并推广能效标签。洁净煤适合作为短期过渡方案，但需设定统一排放标准。对于极寒地区，热泵与备用加热器的组合是合理选择。此外，应增加对农村和极寒地区的财政支持，提高建筑能效以实现更广泛的健康和碳减排效益
方法
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排放与空气质量评估
采用 2015 年多分辨率中国排放清单（MEIC）作为基线，估算不同清洁供暖情景下的主要污染物和 CO2 当量排放。排放源分为上游（煤炭和天然气的开采、加工、运输及发电附加排放）和下游（居民供暖燃烧排放）。利用 WRF-Chem 模型模拟基线及各情景下的 PM2.5 浓度变化，涵盖全年重要月份，模拟结果与观测数据匹配良好。 -
健康效益评估
使用全球暴露死亡率模型（GEMM），估算 PM2.5 相关的非传染性疾病（NCDs）和下呼吸道感染（LRIs）引起的避免过早死亡量。GEMM 基于全球范围的队列数据，特别关注中国高浓度污染数据，通过设定相对风险和人口年龄分布来评估各情景的健康效益。 -
家庭成本评估
评估各供暖方式下城市和农村家庭的前期资本成本（UCC）和年运行成本（AOC）。UCC 包括设备购置和安装费用，AOC 则基于燃料需求和价格计算。通过年化资本成本（ACC）与年运行成本相加，计算供暖设备的总年化成本（TAC），以评估家庭的综合经济负担。 -
总体分析与局限性
本研究通过整合评估，全面量化了各供暖情景在空气质量、健康、碳排放和经济方面的影响，为北方清洁供暖政策的制定提供了依据。研究结果可能因基于 2015 年的静稳气象条件导致空气质量改善效益被高估。此外，未考虑室内空气污染对健康的影响，可能低估了避免的过早死亡量。