研究摘要

农村居民能源向现代能源转型对于中国实现“碳中和”目标、空气质量改善目标至关重要。本研究通过构建“居民能源-空气质量-公众健康”的模型框架，在省级层面探究中国农村居民部门实现碳中和目标的低碳转型路径，分析空气质量改善带来的健康影响，发现推广电炊事设备和空气源热泵有助于农村家庭向现代能源转型、实现“碳中和”目标、显著改善北方地区的空气质量，且大部分省份的货币化人群健康效益可抵消技术转型成本。研究成果于2023年9月29日在线发表于Nature Communications。

该成果是在北京大学碳中和研究院交叉学科平台的支持下，发挥跨院校多学科团队综合优势，基于多方自主构建的IMED综合评估模型体系在双碳政策评估方面取得的又一重要研究进展。论文由北京航空航天大学经济管理学院谢杨副教授指导博士生马腾和博士后方艳茹共同完成，主要合作者来自北京航空航天大学大学经济管理学院、北京大学环境科学与工程学院、北京大学城市与环境学院、北京大学碳中和研究院等机构。本研究得到国家自然科学基金委管理学部青年项目“中国碳减排与空气污染控制政策的成本效益分析”、重点项目“温室气体减排、空气污染治理的健康效益评估与协同政策设计”、北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者项目等支持。

研究背景

农村居民部门是重要的能源消费领域，同时排放大量的温室气体和空气污染物。农村居民用能向现代能源转型有助于协同实现多个可持续发展目标（SDGs），如获取清洁能源（SDG7）、良好的健康与福祉（SDG3）等。在“双碳”战略背景下，农村居民能源如何实现低碳转型及其协同影响值得关注。

先前研究主要集中在两个方面：一是基于农村能源调查及排放清单回溯性地静态评估居民能源使用的空气质量和人群健康影响；二是构建能源规划模型分析建筑部门的中长期节能减排潜力。但由于缺乏精细化数据和综合性模型，鲜有研究在省级层面关注农村居民部门实现碳中和目标的转型路径，能源转型的成本与健康效益分析尤其缺乏。

鉴于此，本研究聚焦农村炊事和取暖活动（占农村居民能源消耗的80%以上），通过构建“省级居民能源系统模型-空气质量模型-健康评估模型”综合模型框架，基于情景分析法从省级层面模拟农村居民部门实现碳中和目标的能源转型路径，识别关键减排技术，进一步探究空气质量协同改善产生的货币化健康效益能否抵消技术转型成本。

研究方法

本研究拓展了北京大学IMED|TEC能源技术优化模型，深度融合了陶澍院士/沈国锋研究员团队编制的全国农村居民能源调查和排放清单等特征数据库，极大提升了IMED模型农村居民模块的精准度。进一步将本土化的省级居民能源系统模型（IMED|TEC居民部门）与IIASA的空气质量模型（GAINS）、北航谢杨团队主导开发的公众健康评估模型（IMED|HEL）深度耦合，形成了双碳政策成本与效益分析的全链条综合评估框架。

本研究设置了两个主情景：基线情景（BaU）与碳中和情景（CNS）。BaU情景是无碳排放限制的参考情景，农村炊事和取暖活动的技术结构延续历史趋势进行自发、缓慢的技术升级。CNS情景是有省级碳限额的碳中和情景，假设各省2035年的碳排放较2014年下降25-35%，2060年的碳排放较2014年下降90-95%。此外，为检验结果的稳健性，本研究在主情景BaU和CNS的基础上，通过构建116个敏感性情景对农村炊事、取暖服务需求、现代技术初始成本、现代技术效率、现代能源价格、暴露-响应函数、生命统计价值等关键输入变量进行敏感性分析。

图 1 研究框架

研究结果

农村炊事和取暖能源向现代能源转型，能源贫困在全国范围内明显改善。1）国家层面。在BaU和CNS情景中，由于持续的城镇化趋势，全国农村炊事和取暖能源消费在2014至2060年间均下降，但在CNS情景中下降趋势更加显著。在BaU情景中，农村炊事和取暖能源消费由2014年的1.51亿吨标准油下降至2060年的0.79亿吨标准油；而在CNS情景中，农村能源首先向天然气转型，再向电力转型，由于现代技术和能源的效率高于传统的生物质和煤炭，2060年的能源消费仅为0.26亿吨标准油。另一方面，未来农村传统固体燃料的使用量逐渐减少，但在BaU情景中煤炭和传统生物质仍为2060年的主导能源；而在CNS情景中，2060年电和气等现代能源消费较2014年增加2倍，其中电力成为主导能源，农村炊事和取暖分别消耗0.14和0.04亿吨标准油的电力。

图2 中国农村炊事、取暖的能源消耗和现代能源占比

2）省级层面。2014年，除沿海发达地区外，传统固体燃料是大部分省份农村炊事、取暖的主导能源，如广西、四川、辽宁的生物质使用占比分别为91%、79%和73%，而山西、贵州煤炭使用占比约50%。此外，由于北方地区的冬季取暖需求大且传统固体燃料效率低，北方省份的能源消费一般高于南方省份。在CNS情景中，现代能源成为2060年所有省份农村炊事、取暖的主导能源，占比超过90%；此时，全国人均现代能源消费达到80千克标准油（kgoe），远超2014年（14kgoe）和同时期BaU情景（23kgoe）水平。根据国际能源署定义的能源发展指数（EDI），人均现代能源消费量和现代能源占比是衡量居民能源贫困的重要指标，因此碳中和目标有利于在全国范围内大幅改善农村能源贫困，但人均现代能源消费的省际不平等可能扩大。

图3 农村炊事、取暖的能源消耗和现代能源占比的空间分布

农村现代能源转型促进空气污染减排，协同改善空气质量和人群健康。农村炊事、取暖活动脱碳有利于协同减少SO2、NOX、PM2.5排放，BaU情景中农村居民部门的三类空气污染物直接排放分别由2014年的121、58、256万吨下降至2060年的108、27、124万吨，而2060年CNS情景较BaU情景分别继续下降99%、97%和99%。值得注意的是，由于传统生物质和煤炭的快速淘汰，SO2、PM2.5排放在2040年之前显著下降；另一方面，电力将居民部门的排放转移到上游发电部门，因此全生命周期的CO2和空气污染物减排要求电力部门采取减污减碳措施。北方地区因此获得显著的空气质量改善和人群健康效益，2050年，北方大部分省份的PM2.5浓度降低超过2 μg/m3，避免约52000 例/年过早死亡，占全国70%。其中山西(5.4 μg/m3)、河北(5.2 μg/m3)、陕西(4.6 μg/m3)的PM2.5浓度降低最多，而山东(9288 例/年)、河南(9280 例/年)、河北(8014 例/年)避免的过早死亡人数最多。

图 4 全国CO2和污染物排放、PM2.5浓度和避免的PM2.5相关过早死亡人数

碳中和目标促使农村炊事和取暖向电炊事炉具、空气源热泵转型。在碳中和目标下，使用传统固体燃料的秸秆炉灶、薪柴炉灶、煤炉等设备逐步淘汰，在2040年之前主要向天然气/LPG设备转型，而随后逐步向电炊事炉和空气源热泵转型，至2060年后两类设备分别满足94%的炊事需求和72%的取暖需求。现代技术设备伴随着更高的成本，2060年全国技术转型成本约130亿美元，其中主要由山东、山西、河北、黑龙江等华北、东北省份承担，对应的人均转型成本更高。在省级层面，由于CNS情景中南方省份的碳约束更紧，技术升级发生得更快，2040年时电炊事炉具、空气源热泵已成为大部分南方省份的炊事、取暖主导技术。

图 5 农村炊事、取暖活动的技术转型趋势和年度技术成本

农村居民部门脱碳的健康效益可观，大部分省份的货币化人群健康效益可抵消转型成本。研究通过比较2035年（“美丽中国”目标年）和2050年省级层面的技术转型成本和货币化人群健康效益，构建简易的“成本-效益”框架。无论2035年或2050年，在中VSL水平下，全国大部分省份的货币化人群健康效益高于转型成本，2050年全国效益-成本比为11.9。北方地区的技术转型成本和健康效益都相对更大，其中净效益最大的省份是山东、河南和河北，2050年的净效益分别为32、19、14亿美元。即使在低VSL水平下，大部分省份的货币化人群健康效益可抵消转型成本的结论依旧成立。对于技术转型成本高于PM2.5相关室外健康收益的少数西南地区，主要原因包括1）本底PM2.5浓度很低，造成的PM2.5相关过早死亡人数很少；2）社会经济发展水平相对落后，代表避免过早死亡支付意愿的VSL参数估计值相对较低。

图 6 农村炊事、取暖脱碳对应的技术转型成本和货币化人群健康效益（基于中VSL）

敏感性分析。敏感性分析发现农村社会经济发展相关的炊事、取暖需求是影响能源使用、CO2和污染物排放、居民能源系统成本等最显著的输入参数。然而，尽管敏感性情景中的研究结果与主情景（BaU和CNS）在定量方面略有不同，但本研究的主要结论是稳健的。

研究总结

在碳中和目标下，农村炊事、取暖能源由传统固体燃料向电力和气转型，现代能源消费在2014至2060年间增加2倍，全国范围内的农村能源贫困明显改善。全国农村居民将广泛使用电炊事炉和空气源热泵，2060年的技术转型成本约130亿美元，主要由华北和东北地区承担。农村居民部门的低碳转型明显改善北方地区的空气质量，2050年全国预计避免约75500例PM2.5相关过早死亡，其中北方地区占69%。值得注意的是，农村居民部门实现碳中和目标的健康效益可观，大部分省份的货币化人群健康效益可抵消转型成本。

作者简介

第一作者：马腾，北京大学环境科学与工程学院环境管理专业2020级直博生，研究方向为能源环境经济与政策评估，聚焦居民能源系统的气候适应与低碳转型及成本效益分析，以第一作者在Nature Communications发表论文1篇，共同作者论文7篇。

通讯作者：方艳茹，博士，时任北京大学环境科学与工程学院博士后，现任中国环境科学研究院环境管理研究中心助理研究员。主要从事能源环境与气候政策研究，着重运用综合评估模型探索不同行业（如电力、交通和建筑）的可持续低碳转型。综合考虑经济、环境、能源、人群健康等多方面因素，明晰不同行业的碳中和优化发展路径。以一作及通讯作者在Nature Communications、Resources, Conservation and Recycling、Applied Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews等期刊发表论文10余篇。

通讯作者：谢杨，北京航空航天大学经济管理学院副教授，博士生导师。主要从事环境与气候变化的健康经济影响研究，主导开发了全球和地区多层级人群健康综合评估模型，定量评估清洁空气与气候政策的成本与效益。主持国家自然科学基金委青年项目、面上项目、重点项目课题、科技部国家重点研发计划课题等项目，入选北航“青年拔尖人才支持计划”、 “卓越百人计划”等。以第一或通讯作者在Nature Communications、Lancet Regional Health、Global Environmental Change、ES&T等主流期刊发表论文30余篇，ESI前1%高被引论文累计8篇。担任Energy，Ecology and Environment期刊领域编辑、中国优选法统筹法与经济数学研究会青年委员、IPCC AR6报告评审人、《全球疾病负担》Collaborator。