我国乡村碳中和发展目标与技术路径


文|杨旭东   清华大学建筑学院副院长、教授


当前我国农村建筑能耗约占全国建筑总能耗的四分之一,农村能源消费以散煤和生物质直接燃烧为主,总量约每年3亿吨标准煤,其燃烧过程排放大气污染物和温室气体,对改善空气质量、降低碳排放和保护人民健康带来了巨大挑战。农村用能有鲜明的时代特色,1985年以前商品能还没有大量进入农村,此时农村是“柴时代”;改革开放后随着农民收入的提升开始大量使用散煤,到现在仍然属于煤时代;未来预测则将进入电气化时代。

在我国“碳达峰、碳中和”目标和乡村振兴战略的背景下,农村能源领域需要发生根本性的变革,亟需发展先进技术,建立低碳清洁能源体系,解决农村用能和环境问题,提高农民生活水平,改善农村人居环境。因此,研究建立农村低碳清洁能源体系及发展相关的技术具有深远意义。

农村清洁供暖的“四一”模式

从减碳目标来衡量,我国农村碳排放重点区域和农村采暖区域高度重合,因此农村能源转型重要抓手是先做好清洁取暖和散煤治理工作,而解决北方农村清洁取暖问题需要从我国农村的实际出发,走可持续发展之路。清华大学建筑节能研究中心经过多年探索与实践,提出了农村清洁取暖的“四一”模式。如图所示,即每户建筑节能和取暖设备改造总初投资平均不超过一万元、无补贴的年取暖运行费不超过一千元、设备一键式智能化操作、建立一个顶层规划的创新模式,该模式已经分别在河南鹤壁市及山东省商河县等地成功示范。

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“四一”模式由一系列关键技术支撑,包括按需靶向围护结构节能改造技术、低环境温度空气源热泵热风机技术、户用生物质成型燃料清洁取暖(炊事)技术等。例如按需靶向围护结构节能改造技术,针对农村采暖部分时间、部分空间的特征,形成了靶向传热抑制技术和经济型菜单式乡村建筑围护结构改造方案,实现源头上节能减碳。针对常住房间进行节能改造,通过模拟分析和优化,对每一单项节能改造带来的效果和初投资进行对比分析,形成菜单式改造方案。

低环境温度空气源热泵热风机技术历经十余年的探索和研发,在农村地区的应用能够满足在超低温环境下正常工作,尤其北方地区零下20℃~30℃时仍能正常供暖,而且节能效果非常显著,能效比在华北地区能够达到3左右,比常规电直热采暖节能约三分之二。即使超低温室外温度在零下30℃以下也能够满足正常供热需求,同时兼顾夏季制冷。空气源热泵热风机操作简单,即开即用按需调温,能够促进农户行为节能。此外还能满足农宅热舒适的需求,通过优化制热气流组织,采用双风口落地式室内机,下风口产生地暖的效果,上面风口产生迅速加热室温的效果。目前空气源热泵热风机产品价格不断优化和降低,达到四五千元一台的水平,其较高的能效比也使得对电网改造要求较低,因此各地对热泵热风机的重视程度正在不断提升。

建立农村低碳清洁能源体系

农村碳中和应该是更加合理的生活状态和更加科学的用能统一,包括节能、减碳、经济、舒适和降污五位一体。未来农村低碳清洁能源体系的建立,除了持续在用能侧开展建筑节能、提高终端用能设备效率、降低污染物及碳排放,还应根据自身的资源禀赋,因地制宜地发展可再生能源,进一步促进农村能源结构优化转型,逐步建立以低碳清洁能源为主体的农村新能源体系,协同助力大气污染防治和气候变化应对工作。

我国农村可再生能源资源丰富,未来重点包括加强开发利用农村太阳能,建立以村镇为单位的“光储直柔”新能源微网,合理利用农村生物质资源,发展多种形式的商品化生物质能产供用网络等。据测算,在理想情景下,基于农村低碳清洁能源体系的建设,我国农村有望于2027年实现用电的自给自足,在2030年消除农村散煤使用,在2040年全部使用低碳清洁能源。到2060年,我国农村低碳清洁能源体系除能满足自身用能需求外,还可向城镇每年至少输出1.5万亿kWh的电力和5亿吨标准煤的零碳燃料,协同带来约15亿吨的碳减排潜力。这将助力农村能源从“高污染、高能耗”模式转变为“低碳清洁产能、智慧高效用能”的模式,逐步实现农村能源的自给自足和农村-城镇能源的互联互通,彻底改善农村人居环境质量,减少相关碳排放,助力实现我国乡村振兴和“碳达峰、碳中和”目标。