表1国内家用燃气壁挂炉销售量统计表（略）
从市场销售的主流产品看，燃气壁挂炉分为普通炉和全预混冷凝炉两种。前者由于没有实时控制燃气与空气的混合比例且燃烧后烟气排放温度高（超过120℃），因而热效率较低，普遍介于85%～90%，满足国家二级及以下标准[3]；氮氧化物（NOx）排放浓度高，一般只能达到国家三级及以下标准[4]；在欧洲发达国家，现已禁止销售。而后者由于采取了变频、预混和冷凝技术，效率可达109%，超过国家1级能效标准，比普通壁挂炉高出20%～25%；NOx排放强度低于30mg/（kW·h），优于国家五级排放标准。后者的节能环保原理主要为：①采用预混燃烧技术，精确控制空气的吸入量，实时保证燃气和空气的最佳配比，使燃烧更完全；②采用冷凝技术，将烟气排放温度降到40℃左右，充分回收利用了烟气中水蒸气的潜热。从近3年我国燃气壁挂炉的销量可以看出，更加节能环保的冷凝炉在中高端市场越来越受到欢迎[2]：2016年冷凝式燃气采暖热水炉销量为14.3×104台，占全年总销量的6.8%；2017年销售量增加到38.1×104台，占全年总销量的7.9%；2018年销售28.0×104台，占全年总销量的8.8%，尽管销量相比2017年减少26.5%，但占比提高了约1%。
1.2电取暖
电取暖分为电直热和电蓄热两种，适合农村地区分户式电取暖的主要方式有蓄热式电暖器、电热膜、发热电缆、碳晶板，后3种均为电直热。电取暖的主要优点是不会给取暖家庭带来大气污染，还可以充分利用低谷时段过剩的风电资源，缺点是对电网负荷要求高，电网升级改造投入大。
电热膜取暖系统的核心部件是电热膜，通电后电热膜中的碳分子团在电场的作用下进行“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，电能与热能的转换率超过98%。经历了第一代棚膜、第二代墙膜后，目前进入了第三代地膜发展阶段。电热地膜采暖系统由电热膜、智能温度器、连接电缆、通讯单元等组成。这种取暖方式不耗水，不占地，开关自主，符合低碳减排的政策导向。但对于农村平房住户而言，电热地膜直接与地面长期接触，尽管有绝热保温层阻隔，也会产生较大热损失，既有建筑更不适合采用这种方式。
发热电缆取暖是利用发热电缆将电能转换为热能的一种取暖方式，一般铺设在地板下。通电后发热电缆温度上升到40～60℃，通过热传导方式加热其周围的水泥层，再传向地板，最后通过对流方式加热空气，对流传导热量约占50%，另外50%的热量通过发热电缆产生的7～10μm的远红外线向人体和空间辐射，电热转换效率超过97%。发热电缆取暖系统由发热电缆、感温探头、温控器、地面保温层、混凝土层、地板装饰层等组成，在欧美国家已推行30多年，2000年左右进入我国，在北京、哈尔滨、沈阳等城市有较大面积推广。类似电热地膜，发热电缆取暖在农村平房使用也存在热损失，电能消耗比较大。
碳晶板取暖是以碳素晶体发热板为核心部件，开发出的一种新型的低温辐射采暖系统，其电能与热能的转换率超过98%。碳晶辐射供暖系统主要部件有碳晶发热板、保温板、铁丝网、温控器，由发热系统、保温系统、控温系统、电路系统四大子系统构成，目前该技术已经非常成熟，安全性好、安装灵活方便，可根据需要铺设在地板下或安装在墙壁上，也可做成可移动式。
蓄热式电暖器的工作原理是通过耐高温的电发热元件加热特制的蓄热材料——高比热容、高比重的磁性蓄热砖，外部包裹耐高温、低导热的保温材料，钢制喷塑外壳对整个设备起到保护和美化作用，工作时蓄热砖的温度可超过700℃。蓄热式电暖器为独立设备，类似于传统油汀电暖气，可以根据需要放置和移动。这种采暖方式的最大优势是可以利用夜间低价的低谷电加热8～10h，白天电网高峰时段供暖时只需将贮存的热量释放出来，还可以调节热量释放的速度，从而既实现全天24h室内供暖，又达到节省电费的效果，因此特别适用于执行峰谷电价的地区。
1.3热泵取暖
热泵取暖有空气源热泵、水源热泵、地源热泵3种方式，其中空气源热泵较适合于农村分户式取暖，水源和地源热泵需要有特定的水资源条件和打井场地。热泵实质是一种热量提升装置，把蕴含在空气、土壤、水中等不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。热泵取暖耗电量只有电取暖的1/3左右，已成为京津地区农村取暖“煤改气”重点推广方式，且一套装置可以满足供暖和制冷两方面的需求。
地源热泵工作原理与空气源热泵类似，只是热源取自地下水或土壤，采用地埋管方式换热，埋管深度介于100～200m；水作为循环工质，在地埋管的环路中闭式循环，与地下不发生物质交换。地源热泵系统需要有足够的场地以供打井埋管，投资较多且需要日常维护，因而更适合用于有较多采暖、制冷、热水需求的住宅小区、学校或连片村镇集中供暖使用，不适宜农村分户式独立供暖。同时考虑冬季采暖和夏季制冷时，地源热泵在一个水文年应达到热均衡。若土壤长年热不均衡将导致温度失衡，系统效率下降，影响周围生态。
水源热泵与地源热泵的主要区别在于取暖或制冷循环用水直接取自地下水（需分别打取水井和注水井）、地表水、污水等，水被直接用来取热或排热，并按要求排放回原取水点，是一种开式的取水方式。我国北方地区特别是东北、西北严寒地区冬季气温低，加之水资源相对匮乏，可利用的江河和水库资源有限，地表水源热泵的推广和使用受到限制。城市居民集中区可以考虑开发污水源热泵取暖，农村分户式独立供暖则不适宜。
1.4燃煤取暖
农村地区传统的燃煤取暖方式有火坑、火盆和结构简单的圆筒炉具，燃料也可使用树枝、秸秆等，均会产生大量烟气污染室内和大气环境。炊事烤火炉和水暖炉都是由圆筒炉具演化而来，对炉膛结构和外观进行了优化设计，增加了二次配风，来满足用户不同的采暖需求。炊事烤火炉上部一般装有圆盘可以放置物品。水暖炉具增设了水套、水循环系统和防暴沸安全系统等，利用水循环加热更多房间，其水循环系统与城市集中供热暖气片排布基本一致，增加了居住的舒适性。在国家清洁取暖政策带动下，国家大力推广节能环保型炉具，目前市场上外型美观大方、做工用料结实耐用的新型燃煤取暖炉具花样繁多，有的还具备自动调节火力、控温功能，配套壁挂式暖气片、地暖系统或暖风机，采暖舒适度接近城市集中供暖方式。
2、不同取暖方式的经济性比较
北方农村住宅属于合院式建筑体系，基本由正房、左右厢房围合而成，正房为3间、4间或5间房，建筑以单层平房居多，一般实际取暖面积不超过80m2，多数家庭只给卧室和客厅供暖，室内温度在15℃左右。目前我国建筑采暖耗热指标主要针对城市制定，《民用建筑能耗标准：GB/T51161—2016》给出了不同地区建筑耗热量指标的约束值和引导值[5]，石家庄地区城市建筑采暖指标约束值为0.23GJ/（m2·a），折合约22.2W/m2。既有农村建筑外墙很少有保温措施，门窗也基本是单层，保温隔热性能差、采暖单耗高，采暖耗热指标取40W/m2。笔者参考实地调研走访的保定、廊坊、石家庄农村居民采暖情况，以户为基础，比较不同采暖方式的经济性，包括采暖炉具购置费、配套入村与入户天然气管网、电网改造费，以及燃料费支出。另外，考虑到农村煤改清洁能源采暖基本是既有房屋，已配有水暖式末端换热设施，因此未考虑室内末端换热设施的费用。采暖期为120d。
2.1燃气壁挂炉取暖
2.1.1设备购置费
河北省为国家大气污染防控重点省份，2017年开始实施大规模清洁取暖，采暖设施由政府统一组织招标采购，国家、省和市县3级财政提供资金补贴。受财力所限，各市县政府统一招标采购的壁挂炉绝大部分为国产普通炉。以廊坊市为例，禁煤区农村“煤改气”取暖按燃气壁挂炉设备购置和安装投入的70%给予补贴，每户最高补贴金额不超过2700元，从政府补贴额度可以大致估算采暖设备购置和安装费用平均为3857元/台。笔者经济性比较参考廊坊禁煤区实际支付水平，取3900元/台，其价格比同等功率、同品牌的燃气壁挂炉的市场零售价低30%左右。这一价格水平的机组能效最高只能达到二级，NOx排放达到国家2级或3级标准。另外，从京东、淘宝等电商平台报价看，2019—2020年采暖季适用于80～100m2采暖面积，能效达到1级、NOx排放达到5级标准的高效节能冷凝式壁挂炉市场销售价格在8500～10000元，约是“煤改气”工程招标价的3倍。
2.1.2设施配套费
农村燃气壁挂炉供暖需要配套解决气源，并建设入村、入户配气管线、燃气表等。
入村和入户配气管道（含燃气表）投资，参考2017年河北省补贴水平，取4000元/户，与燃气公司的实际建设成本基本持平。综上，燃气壁挂炉取暖设施配套费用约7700元/户。
2.1.3燃料费用
2.2蓄热式电暖器取暖
2.2.1设备购置费
2.2.2设施配套费
蓄热式电暖气功率大，大面积推进实施须进行电网改造。参考电力行业数据和文献[11]，考虑变压器更换、10kV以下线路改造、老旧电表更换等费用，平均改造配套费取3万元/户。
2.2.3燃料费用
2.3空气源热泵取暖
2.3.1设备购置费
华北地区空气源热泵取暖大规模推广从北京开始。2017年北京市政府对空气源热泵取暖“煤改气”按照每户取暖面积100m2、设备购置费用的1/3进行补贴，每户补贴额最高不超过1.2万元。从补贴额度看，空气源热泵采购价格大致为3.6万元/户[12]。2018年，河北省开始选择条件好的农村地区家庭试点推行热泵取暖等新型供暖方式，空气源热泵和地源热泵设备购费省市县财政给予90%补贴，最高不超过2万元[8]，由此可以推算空气源热泵集中采购价格约为2.2万元/户。经过近3年的推广，厂家的热泵制造能力得以快速提升，市场销售价格也有较大幅度的下降，但不同品牌仍然有较大差别。本文空气源热泵设备购置费参考北京市、河北省部分地市集中采购及电商平台品牌产品2019—2020年取暖季报价情况，取2.2万元/户。
2.3.2设施配套费
在电网比较薄弱的农村地区，实施热泵取暖也需要对电网进行升级改造。但是，空气源热泵与电暖器取暖相比，在同等制热量输出的情况下，一份电力输入可产生2～3倍的热量，因而这类“煤改电”可在较大程度上减少农村电网及线路改造费用投入，在既有农村建筑中更易实施。参考电力行业调研数据，考虑变压器更换增容、10kV配网线路改造、老旧电表更换及施工、管理等费用，改造配套费取2万元/户[11]。
2.3.3燃料费用
空气源热泵耗电量可以基于热泵性能系数、单位面积耗热量、实际取暖面积来测算。热泵性能系数参考北京、河北地区用户实际情况，平均取2.2；另外还适当考虑热泵机组开停系数、采暖系统漏热系数等因素。按一天24h取暖计算，则单位采暖面积一个采暖季120d消耗电量约73kW·h，与文献[13]调研结果比较接近。电价按照河北电采暖峰谷电价平均值0.44元/(kW·h)考虑[峰电0.57元/(kW·h)，谷电0.31元/(kW·h)，各12h]，则对于采暖面积80m2的家庭，整个采暖季所需电费为2570元。
2.4清洁煤炭取暖
2.4.1设备购置费
从调研情况看，农村居民燃煤取暖炉具以“三合一”炉为主，即兼具做饭、烧水和取暖3种功能，个别富裕家庭为单独的采暖炉，只取暖不做饭。炉具档次不同，价格差异较大，一般家庭采暖炉具价格介于1200～1300元，少数富裕农户达到3000元，并且只用于采暖，末端散热设施配套地暖。鉴于燃煤清洁化趋势和农民生活水平逐渐提高，本文洁净型煤采暖炉具购置费按2000元/户考虑。
2.4.2设施配套费
燃煤取暖除在室内配备散热片和热水循环管路外，户外不需要额外建设其他配套设施，故没有配套费支出。
2.4.3燃料费用
根据调研结果，每户每个采暖季燃煤量介于2～4t，其中2t左右居多，少量在1.5t左右，3～4t的则是人口较多、面积较大的家庭。2017—2018年采暖季，石家庄地区煤球和蜂窝煤价格基本维持在790元/t。参考实地调研数据，本文清洁型煤取暖经济性测算按照每户每个采暖季燃煤2.0t、价格790元/t考虑，则采暖季户均燃料费用支出约1580元。
2.5经济性比较结果
2.5.1无补贴情况
从表2可得出以下结论：
表2无取暖补贴下农村地区家庭不同取暖方式经济性比较表（略）
1）空气源热泵设备购置费最高，超过清洁型煤炉具的10倍；燃气壁挂炉接近清洁型煤的2倍，是空气源热泵的17.7%。
2）年燃料费用支出最高的是蓄热式电暖器，接近清洁型煤的2.3倍；燃气壁挂炉燃料费支出是蓄热式电暖器的80%。
3）清洁型煤采暖不需要配套线、网投入，蓄热式电暖器取暖和空气源热泵取暖均需要较高的配电网改造投入，燃气壁挂炉配套气源和管网投入约为蓄热式电取暖的1/4。
4）30年费用现值，以清洁型煤采暖最为节省，空气源热泵和蓄热式电采暖都比较高，燃气壁挂炉费用现值处于中间水平，是燃煤采暖的2.1倍，是空气源热泵的64%，是蓄热式电采暖的58%。
2.5.2有补贴情况
京津冀及周边省市大气污染综合治理行动中，国家和地方政府对采暖“煤改气”“煤改电”都有不同程度的财政补贴。以河北省廊坊和保定地区2017年的补贴情况为例[8-9,14-15]，分析补贴对“煤改气”工程经济性的影响。
气代煤补贴包括3个部分：①采暖设备购置安装费。按投资额的70%予以补助，最多不超过2700元/户，由省和市县各承担50%，其余由用户承担；②村内入户管线建设投资补贴。为4000元/户，省级财政承担1000元/户，市县承担3000元/户；③采暖期用气补贴。标准为1.0元/m3，每户最高补贴气量1200m3，由省、市、县各承担1/3，补贴政策及标准暂定3年，气代煤用户不再执行阶梯气价。
电代煤补贴包括两个部分：①户内取暖设备购置安装费（含户内线路改造）补贴。蓄热式电暖器按投资的85%给予补贴，每户最高补贴金额不超过7400元；对空气能热泵取暖给予90%补贴，每户最高补贴金额不超过20000元，由省和市县各承担1/2，其余由用户承担。②采暖期电费补贴。电价补贴0.2元/(kW·h)，每户最高补贴电量10000kW·h，由省、市、县各承担1/3；电代煤用户采暖期可选择执行峰谷电价。
考虑上述补贴后，经济性比较结果如表3所示。从表3可看出，除煤以外的几种清洁取暖方式费用现值有所下降，但经济性排序则未改变，依然是蓄热式电暖器最高，燃气壁挂炉优于空气源热泵和蓄热式电暖器。
表3取暖补贴后农村地区家庭不同取暖方式经济性比较表（略）
3、不同取暖方式的大气污染物排放
3.1大气污染物排放标准
3.1.1燃气壁挂炉
表4家用燃气壁挂炉NOx排放分级表（略）
随着国家大气污染物治理力度的不断加大，国家对锅炉排放要求日趋严格。《锅炉大气污染物排放标准：GB13271—2014》[16]（以下简称《GB13271—2014》）提出了现有、新建和特别排放限值3套排放标准，重点地区执行特别排放限值；燃煤锅炉NOx特别排放限值为200mg/m3，燃气锅炉NOx特别排放限值为150mg/m3。实施打赢蓝天保卫战行动计划以来，重点区域尤其是“2＋26”城市的全部行政区域均已执行特别排放限值，且北京、上海、天津、山东、江苏、广东等省市新出台的地方锅炉标准排放要求已远高于GB13271—2014。例如，北京市自2017年4月1日起执行《锅炉大气污染排放标准：DB11/139—2015》[17]（以下简称《DB11/139—2015》）第Ⅱ阶段排放限值，要求新建锅炉NOx排放浓度需控制在30mg/m3以内，高污染燃料禁燃区内的在用锅炉需控制在80mg/m3以内。天津、山东、上海等省市对新建燃煤和燃气锅炉增均提出了超低排放要求，NOx排放浓度需控制在30～50mg/m3以内。
3.1.2燃煤采暖炉
传统上的家用燃煤采暖炉供暖效率低、污染物排放浓度高，并且大部分采暖炉兼具炊事、热水功能，进一步降低了热效率，间接加剧污染物排放[20]。《民用水暖煤炉通用技术条件：GB16154—2005》（以下简称《GB16154—2005》）规定，家用燃煤炉具大气污染物排放需符合《锅炉大气污染物排放标准》（当时有效标准为GB13271—2001）。《GB13271—2001》规定，民用水暖煤炉SO2排放浓度不得高于900mg/m3，但对NOx的排放强度没有要求，这已经与实际情况脱节。在清洁取暖政策带动下，国家开始大力推广节能环保燃煤采暖炉具和洁净煤，2018年10月国家市场监管总局、国家标准化管理委员会颁布了新版《民用水暖煤炉通用技术条件》（GB16154—2018）[21]，规定SO2排放浓度要求不高于100mg/m3，NOx排放浓度不高于150mg/m3，同时对热效率的要求提升了10%（表5），配套修订的新版《民用水暖煤炉性能试验方法：GB/T16155—2018》（以下简称《GB/T16155—2018》）已于2018年9月1日实施。
表5民用水暖煤炉大气污染物排放限值表mg/m3（略）
3.2污染物排放实测
研究采用Testo350烟气分析仪、崂应3012H型烟尘采样器等仪器，遵循《固定污染源废气氮氧化物的测定定电位电解法：HJ693—2014》、《固定污染源排气中废气——二氧化硫的测定定电位电解法：HJ/T57—2017》和《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法：GB/T16157—1996》等标准规范开展污染物采样、测定标准及实测研究。
3.2.1燃气壁挂炉
2018年1月上旬，对12个国产品牌，4个进口品牌，共23台燃气壁挂炉的NOx排放情况进行了实测。其中，21台位于河北廊坊和保定禁煤区，2台位于北京市区。测试炉型包括普通壁挂炉和全预混冷凝式壁挂炉。基于测试结果，得到以下认识。
1）不同类型燃气壁挂炉的NOx排放强度差别较大。冷凝式壁挂炉NOx排放强度较低，所测样本NOx平均排放强度仅为24mg/(kW·h)（折合20.5mg/m3），优于《GB25034—2010》所规定的5级排放标准。普通壁挂炉的NOx排放强度较冷凝式壁挂炉高出许多，所测国产与进口样本平均排放强度为186mg/(kW·h)（折合159mg/m3），仅符合2级排放标准。
2）不同品牌燃气壁挂炉的NOx排放强度也存在着较大的差别。在普通壁挂炉测试样本中，国产品牌总体比进口品牌排放强度高，不同国产品牌之间也存在差异。所测进口普通壁挂炉样本的平均NOx排放强度为166mg/（kW·h）（折合142mg/m3），达到2级排放标准；而国产普通壁挂炉样本的平均NOx排放强度为205mg/（kW·h）（折合175mg/m3），总体上仅能达到最低排放标准，个别品牌甚至排放超标（表6）。
表6国产普通燃气壁挂炉NOx排放强度实测情况表（略）
3）运行负荷越高排放强度越大。所测国产普通燃气壁挂炉，其小火状态下的NOx排放强度约为大火状态下的85%。
3.2.2燃煤采暖炉
2018年2月下旬，对石家庄周边6家农户的燃煤采暖炉具进行了大气污染物实测，测试内容包括颗粒物、SO2和NOx，共涉及蜂窝煤、煤球、块煤、煤泥4种煤炭。基于测试结果（表7），得到以下认识。
1）4种煤炭燃烧，SO2排放浓度均低于400mg/m3，但远高于《GB16154—2018》规定的150mg/m3标准；NOx排放浓度基本低于150mg/m3，满足标准要求，其中蜂窝煤排放约为100mg/m3，优于国家标准。
表7样本家庭燃煤采暖炉具排放浓度实测情况表mg/m3（略）
2）与散煤相比，清洁型煤燃烧后的颗粒物排放浓度大幅度降低，但SO2和NOx的排放并没有显著改善。其中，清洁型煤样本的NOx排放浓度为122mg/m3；散煤样本的NOx排放浓度为128mg/m3。另外，文献[20]对多台改进洁净炉具产品燃用清洁型煤和蓝碳实验室测试结果表明，烟气颗粒物排放浓度介于30～50mg/m3，SO2排放浓度介于139.7±66.4mg/m3，NOx排放浓度介于122.7±53.9mg/m3，仅部分达到《GB16154—2018》的要求。因此，从重点大气污染物减排角度看，农村燃煤采暖须严格控制普通烟煤使用，大力推广环保节能的新型洁净采暖炉具。
4、结论与建议
1）从30年费用现值看，燃气壁挂炉优于空气源热泵和蓄热式电暖气，是替代燃煤取暖较为经济的选择，但应严把燃气采暖热水炉准入关，严控能效和NOx排放标准。2018年7月国务院印发的“打赢蓝天保卫战三年行动计划”提出燃气采暖壁挂炉能效不得低于2级，但对NOx排放没有提及。受制于财政补贴能力，农村“煤改气”工程招标燃气壁挂炉实际排放强度在200mg/(kW·h)左右，只能达到国家4级标准。鉴于NOx是北方地区雾霾的主要成因之一[22]，建议借鉴北京和欧洲的做法，提高燃气壁挂炉产品NOx准入排放标准，在经济发达的城镇先行推广冷凝式壁挂炉。另外，相比普通壁挂炉，冷凝式壁挂炉增加了预混流程，对天然气纯度要求高，不然喷嘴易产生堵塞或损坏；增加了冷凝水管，采暖期结束需要对积存的冷凝水的进行处理。因此，冷凝式壁挂炉安装时需要针对各地空气、燃气、水等条件对运行参数进行调试和设定，还需要进行定期保养，这关系到壁挂炉能否正常使用和延长使用寿命，对获得市场认可具有关键性作用。建议由政府或和行业协会牵头，推行生产厂家或经销商定期保养制度。
2）农村地区房屋围护结构与城市不同，既有房屋普遍缺乏保温措施，实现清洁供暖只是第一步，还应做到节约使用。同时，农村人口居住分散且大量人员长期进城务工或居住，仅在节假日返乡，“煤改气”和煤改电基础设施一次性投入大，实际燃气和电力消费并不高，对于供气和供电企业而言还存在可持续运营问题。建议国家和地方政府高度重视农村居民建筑的节能改造，清洁采暖和房屋节能改造同步实施，清洁取暖补贴中适当考虑节能改造费用；同时，结合新农村建设，引导有条件的地区集中建设居民区，新建房屋采取保温隔热措施，从而节省基础设施投入，节约能源。
3）推进实施农村清洁取暖，要始终围绕“改善生活环境、增进民生福祉”这一初衷，立足资源条件和取暖需求特点，选择合适的取暖路径和供暖设备。热泵取暖环保节能，相对其他电采暖方式对电网增容改造要求低，应作为“煤改电”的重点推进方式。对日常居住少、主要是节假日返乡的农村家庭，可优先选择启停、调节灵活的热风型热泵；对采暖季持续使用，取暖面积较大的家庭，建议选择热水型热泵。近几年内蒙、河北张家口、吉林等北方省市风电和光伏发电快速发展、电力大量过剩，随着装机成本的快速下降，发电边际成本持续走低，在这些地区可考虑选用投资较省的电直热或蓄热式电暖器取暖，以充分利用可再生能源资源，特别是配电条件较好或电网已经改造的地区，新增配电设施投入少，容易实施。