长期以来，我国北方地区居民以煤为主的取暖方式导致了大量空气污染物排放，是秋冬季空气污染的主要来源，对公众健康产生了严重危害。2016年底，习近平总书记指出推进北方冬季清洁取暖意义重大，“关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。”2017年，国家发改委、能源局等十部委联合发布《中国北方清洁取暖规划（2017-2021）》，明确了清洁取暖的概念和范围，并提出到2021年北方地区清洁取暖率要达到70%，基本实现雾霾严重地区散煤供暖清洁化。2020年，中国向世界作出“碳中和”庄严承诺，任务重大且艰巨。空气污染物和温室气体具有同根同源性，煤炭等化石燃料在燃烧过程中不仅会排放PM2.5（空气动力学粒径小于2.5微米的细颗粒物）等空气污染物，也会排放二氧化碳等温室气体。如何加强空气污染与气候变化协同治理，实现双赢，已成为能源转型过程中一大亟待突破的重难点。目前对北方清洁取暖已涌现出一批有价值的研究，但对于不同清洁取暖方案是否存在减污降碳协同效应、是否在居民可承担的经济成本之内，尚无系统分析。
针对以上问题，西安交通大学经济与金融学院副教授刘泓汛与普林斯顿大学（Princeton University）Denise L. Mauzerall教授团队等合作，就北方清洁取暖的空气污染-公众健康-气候变化协同效应及其经济成本展开一系列研究，并取得阶段性成果。联合研究团队以京津冀地区为切入点，对几类主要的分散式清洁取暖方案（空气源热泵、电暖器、天然气壁挂炉、洁净型煤+节能环保炉具）进行了详细的经济成本分析，相关成果于2020年7月4日发表于《能源经济》（Energy Economics）期刊。在此基础上，联合研究团队将研究范围扩大至全北方15省，就几类清洁取暖方案对空气质量、公众健康、碳排放和家庭取暖成本的影响进行了综合评估与比较分析，相关成果于2021年12月23日发表于《自然》（Nature）子刊《自然·可持续性》（Nature Sustainability）。目前，联合研究团队还在继续从建筑节能、工业余热集中供暖等视角，就北方清洁取暖相关的科学和经济问题进行全面深入的分析，力求为我国家庭能源清洁低碳化转型路径提供科学依据和实践指导。
联合研究团队基于中国多尺度排放清单（MEIC）、区域空气质量模型（WRF-Chem）和健康风险评价模型（GEMM）等方法及数据，评估了北方不同分散式清洁取暖情景下的空气质量和公众健康状况改善幅度，以及碳排放量的变化。研究显示，在上述四类清洁取暖情景中，使用天然气取暖能在短期内取得最大的减污降碳协同效应，但可能会导致污染物和碳排放的长期排放。随着我国电力结构不断清洁低碳化，以及空气源热泵能效比的进一步提高，预计到2030年左右，使用空气源热泵的减污和降碳力度都将超过天然气壁挂炉，是中长期空气污染和气候变化协同治理的最佳选择。受电力结构高煤占比现状影响，使用电暖器替代散煤取暖虽然有助于改善空气质量和公众健康，但短期内可能会导致碳排放增加。由于洁净型煤目前尚缺乏统一的热值及排放标准，使用洁净型煤的环境效益有很大的不确定性，大规模推广洁净型煤取暖存在增加碳排放的风险。
在各类清洁取暖情景所产生的效益评估基础上，联合研究团队就不同地区城镇及农村家庭使用各类清洁取暖设备的购置和运行成本进行了详细的核算。研究指出，这四类清洁取暖设备均会增加居民的年均取暖支出，增幅在农村和极寒地区尤为明显。其中，空气源热泵具有较高的购置成本，但其运行成本具有很大优势，即便没有政府电价补贴，也能几乎接近居民使用散煤取暖的燃料成本。电暖器和天然气壁挂炉的设备购置成本虽然较低，但其运行成本对居民电价和气价的定价方式及政府补贴的依赖度很高，退补后可能面临高额的运行成本。总体来看，如果不考虑环境效益，使用电暖器的年均总成本最高，使用洁净型煤的年均总成本最低。目前大部分地区的补贴力度还难以实现空气源热泵的大规模推广应用，而且存在一定的区域不平衡性：农村和极寒地区取暖成本较高，但对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，联合研究团队建议政府加大对热泵这类高能效电暖设备的补贴，降低居民购置热泵的经济负担。同时可参考美国“能源之星（Energy Star）”等国际经验，对家用电气设备的能效及运行成本进行详细标识，引导消费者选择高效用能设备。在暂时无法实现“煤改气”或“煤改电”的偏远山区，洁净型煤和节能环保炉具可以作为短期过渡选择，但希望政府能尽快出台一个统一的洁净型煤质量标准，严控其热值及排放。由于热泵在极端寒冷地区或天气可能出现短暂低效或失效问题，采用热泵取暖的家庭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，农村及偏远地区应加速实现电气化，尽量避免大规模铺设燃气管道所产生的基建成本浪费及长期锁定效应。今后的清洁取暖补贴政策应适当向农村和极寒地区倾斜，以加快欠发达地区的家庭能源清洁低碳化转型。
联合研究团队目前就阶段性研究成果已发表了两篇学术论文。其中，《中国清洁取暖成本：来自京津冀农村家庭的证据》（Costs of clean heating in China: Evidence from rural households in the Beijing-Tianjin-Hebei region），于2020年7月4日在Energy Economics发表，刘泓汛为第一作者，Denise L. Mauzerall教授为通讯作者。《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）”，于2021年12月23日在Nature Sustainability发表，普林斯顿大学博士后周密与刘泓汛为共同第一作者，Denise L. Mauzerall教授和北京大学物理学院张霖教授为共同通讯作者，其他作者为：普林斯顿大学公共与国际事务学院博士生彭立群、北京大学环境科学与工程学院覃栎教授和北京城市气象研究院研究员陈丹博士。研究工作得到国家自然科学基金、国家留学基金及普林斯顿大学马化腾科学基金共同资助。
论文原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.eneco.2020.104844
https://doi.org/10.1038/s41893-021-00837-w