文献阅读 | 中国北方地区清洁取暖的环境效益和家庭成本

题目

Environmental benefits and household costs of clean heating options in northern China

作者

Mi Zhou, Hongxun Liu, Liqun Peng, Yue Qin, Dan Chen, Lin Zhang & Denise L. Mauzerall 

期刊

Nature Sustainability

时间

2021年12月

一作

单位

1) Princeton School of Public and International Affairs, Princeton University, Princeton, NJ, USA; 

2) Laboratory for Climate and Ocean–Atmosphere Studies, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing, China.

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-021-00837-w

研究导读

      清洁取暖是家庭低碳转型和改善区域空气质量的重要措施。这项研究基于考虑“空气质量-健康-碳排放”的综合评估方法，评估中国北方地区家庭清洁取暖的环境、健康效益及其成本。

研究方法和情景

       这项研究开发一套综合评估方法，计算上游（燃料生产和发电）和下游（家庭燃料燃烧）过程的主要污染物和CO2排放、PM2.5浓度和相关的过早死亡人数、以及不同清洁取暖方案对应的家庭成本。其中，上游排放主要包括煤炭和天然气的开采、加工、运输和分配以及其用于发电导致的电厂排放。下游排放指家庭供暖燃烧煤炭和天然气产生的排放。首先，基于区域人为排放清单估算每种情景下的CO、NOx、SO2、PM2.5、黑炭、VOC、CO2和CH4的排放情况。进一步采用气象学-化学耦合模型模拟PM2.5浓度并使用“浓度-风险”关系计算相关的过早死亡情况。此外，这项研究考虑不同省份的温度、建筑能效和供暖面积计算供暖需求，并评估各种供暖方案的资本成本和运营成本。

       这项研究使用2015年区域人为排放清单（包括居民散煤、薪柴等固体燃料的使用和相关排放）作为BASE情景。此外，设置7种反事实情景，即2015年中国北方所有家庭从固体燃料供暖转换到以下供暖选项之一（图1）：包括带改良炉灶的洁净煤（CCIS）、天然气取暖（NGH）、电阻器加热（RH）、电热泵（AAHP）。这项研究还考虑了不同煤炉的排放因子差异、电网的清洁化程度、电阻器类型等。

表1 供暖情景

主要研究结果

1. 空气污染物排放和碳排放

       图1展示了相比BASE情景，不同清洁供暖情景下中国北方地区上游（燃料生产和发电）和下游（家庭燃料燃烧）在2015年的PM_2.5、CO₂、SO₂和NO_x排放变化情况。以CO₂为例，除CCIS_high情景外，其余清洁取暖方案下家庭部门的碳排放量均有所降低。与BASE情景的固体燃料使用相比，清洁煤和天然气的燃烧效率更高，污染物和温室气体的排放系数更低，而下游则没有电加热的燃料燃烧排放。

图1 2015年中国北方地区上游和下游过程的主要污染物和碳排放

2. 室外空气质量改善和人群健康效益

       图2展示了不同取暖情景下中国北方地区的PM2.5浓度和相关的健康影响。其中，（a）为2015年BASE情景下PM2.5浓度，（b）、（c）、（d）分别为AAHP_2030情景下一月、三月和十一月的PM_2.5浓度。（e）、（f）分别是AAHP_2030和CCIS_high情景下北方省份和南方省份过早死亡人数的降低情况。由于高人口密度和相关的高人为污染排放，“2+26”城市是PM2.5污染的重点区域，该区域也是中国清洁取暖计划的重点。在全国范围内，AAHP_2030情景相比BASE情景实现了最大的健康效益，共降低8.14万的过早死亡人数；其次是NGH和RH_2030情景。

图2 PM_2.5浓度和相关健康影响

3. 家庭清洁取暖成本

       这项研究评估了中国北方各省城市和农村家庭的各种供暖方案的前期资本成本UCC和年运营成本AOC（图3）。与DCIS相比，所有清洁供暖方案都会增加家庭的前期资本成本，而一些清洁取暖方案的年运营成本更低，原因是其取暖效率高。AAHP和RHwTS的前期资本成本最高，而CIS和RHwoTS的前期资本成本最低；另一方面，RHwoTS的年运营成本最高，故其仅适用于偶尔的备用加热。当我们考虑设备的不同寿命时，RWwoTS或RHwTS具有最高的年度总成本，而CCIS_low的年度总成本最低。

图3 中国北方城市和农村家庭各种供暖方案的成本

总结

       清洁取暖对区域空气质量和人群健康具有显著效益，不同的清洁取暖方案影响家庭碳排放，对应的供暖成本差异较大。在2015年的发电结构下，天然气供暖提供了最大的健康和减碳的协同效益，但是电阻加热器却带来健康效益和低碳效益的权衡。随着电力清洁化，电热泵将实现最大的健康和减碳的协同效益。尽管电热泵的投资成本很高，但其运行成本通常较低，因此具有长期使用的竞争力。政府可以增加对购买电热泵的补贴，在清洁取暖过程中改善空气质量和减少碳排放。

编辑&排版：马腾

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