中国生活部门固体燃料消耗的排放贡献和健康风险的区域性差异

中国生活部门固体燃料消耗的排放贡献和健康风险的区域性差异 RegionaldifferencesinemissioncontributionsandhealthrisksfromsolidfuelconsumptioninChina’sresidentialsector 北京大学 2024.01.30 PekingUniversityJanuary30,2024 主要作者：陶澍作者：沈国锋沈惠中 孟文君韵潇徐浩然任宇昂张馨梁旭阳谢栋张津建 致谢 本研究由北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟实验室统筹撰写，由能源基金会提供资金支持。 我们衷心感谢每一位在问卷调查、模型开发、室内外监测以及模拟研究中做出贡献的团队成员。对于在监测、调查及分析过程中给予我们巨大帮助和热情指导的各位专家、教师和当地居民，我们表达最深的敬意和感激。此外，我们也要感谢能源基金会和中国国家自然科学基金委，他们的资助对本研究的成功起到了关键性的作用。 目录 摘要1 1.介绍2 1.1背景2 1.2项目目标3 2.民用固体燃料消耗量的空间分布4 3.民用固体燃料消耗产生的大气污染物排放空间分布7 3.1煤炭消耗产生的大气污染物排放空间分布7 3.1.1煤炭消耗产生的PM2.5、PM10和TSP排放空间分布7 3.1.2煤炭消耗产生的BC和OC排放空间分布9 3.3.3煤炭消耗产生的SO2和NOx排放空间分布11 3.3.4煤炭消耗产生的棕碳（BrC）和CO排放空间分布14 3.2生物质消耗产生的大气污染物排放空间分布15 3.2.1生物质消耗产生的PM2.5、PM10和TSP排放空间分布16 3.2.2生物质消耗产生的BC和OC排放空间分布18 3.3.3生物质消耗产生的SO2和NOx排放空间分布19 3.4.4生物质消耗产生的BrC和CO排放空间分布21 4.生活源固体燃料排放的环境影响及区域差异22 4.1农村生活源排放的环境影响及区域差异23 4.1.1农村生活源的排放和空间分布特征23 4.1.2农村生活源的排放贡献24 4.2城市生活源排放的环境影响及区域差异26 4.3环境影响的放大效应29 5.居民炊事和取暖能源使用的区域差异32 5.1能源消耗的人均变化趋势32 5.2区域经济与能耗变化35 5.3居民炊事和取暖的能源使用情况38 5.4回归分析42 6.生活源固体燃料排放的健康危害44 6.1生活源排放健康风险的影响44 6.1.1疾病负担44 6.1.2心理健康47 6.2燃煤排放引起的PM2.5暴露的空间分布及区域差异49 6.3农村生活源排放对PM2.5暴露的影响52 7.生活能源清洁转型过程及效应56 7.1农村生活能源清洁转型过程及效应56 7.2城市生活能源清洁转型过程及效应60 7.3生活能源清洁转型效应分析63 8.碳中和路径下区域生活源控制路径和政策意义64 8.1重点地区农村生活源排放的未来预测及潜在干预方案64 8.1.1未来排放及PM2.5浓度预测65 8.1.2生活源潜在干预方案与环境健康效益66 8.1.3潜在干预方案的成本效益分析70 8.2重点区域城市生活源燃煤控制分析73 9.政策与建议76 免责声明78 参考文献78 摘要 中国农村居民取暖及炊事活动大量依赖于传统固体燃料（如煤炭、生物质）。然而，由于固体燃料燃烧效率低和缺乏末端控制措施，民用固体燃料燃烧会导致室内和室外环境中排放大量污染物，对PM2.5浓度、人群暴露和过早死亡的贡献较大，还会对居民的心理健康产生负面影响。多年来生活燃料的变化导致其对环境和健康效应的贡献发生了显著变化，评估其排放对环境及人群健康效应的影响以及量化干预措施及其它驱动因素的效益对于进一步降低生活燃料使用所带来的环境健康危害具有重要意义。 结合当前干预措施的进展情况，更新了1980年到2019年中国生活源排放清单，使用大气传输模型、室内浓度综合模型、生理与心理影响的量化模型等对中国生活源污染物排放、环境及健康影响进行计算，对当前主要的针对生活燃料排放的干预措施进行评估，并进行了驱动因素的分析。在此基础上，对未来生活燃料的使用进行了预测，并且评估重点地区生活源减排潜力及可能的干预方案的成本和效益。 报告探讨了2014、2019年不同燃料类型产生的大气污染物排放的空间分布特征，包括燃煤和生物质消耗产生的颗粒物、氮氧化物和二氧化硫等。居民生活燃煤消耗产生的大气污染物，主要排放集中于北方地区，而南方地区较少，这是由于南北方海拔、气候，对烹饪、取暖需求和能源转型过程差异所导致。生物质消耗产生的污染物主要排放均集中在中部地区，而东部沿海地区较低。 固体燃料的燃烧产生的污染物，不仅会排放到室外空气中，同时也会直接进入室内环境，导致室内空气质量恶化。研究表明，生活源在能源-排放-室内外浓度-暴露-过早死亡的路径上的贡献呈现显著的放大趋势。虽然近年来生活源排放引起的过早死亡贡献有了较为明显的下降，但从全国平均而言，生活源消耗了全国7%的能源，却依然贡献了27%的PM2.5排放，对室外PM2.5浓度贡献了23%，室内PM2.5浓度贡献了71%，在人群暴露和过早死亡的贡献分别为68%和67%。值得注意的是，在生活源能源消耗占比相对较高的地区，如西北、东北、华北地区，其生活源消耗对PM2.5排放和暴露的贡献更加显著。而经济发展较为快速的东部沿海地区过早死亡的下降趋势则更为明显。 此外，居民炊事和取暖能源使用也存在区域差异，多种能源并用的情况普遍存在。随着人均收入的增加和城市化进程的推进，能源消耗用量和能源转换效率发生了变化。从1980年至2019年，全国民用固体燃料人均消耗总体下降。在能源转型过程中，城市地区逐 渐采用清洁能源替代民用固体燃料，而农村地区仍然依赖于传统固体燃料。 本报告还对1980-2014年期间中国农村的炉灶改造、能源转型以及炉灶—能源的交互作用所带来的环境和健康效益进行了定量评估。政府政策干预的清洁能源转型主要在京津冀和汾渭平原，一系列环境政策（如煤改气、煤改电）后，这些地区取暖的清洁能源占比短期内大增。自发使用新型清洁能源主导东北和西部地区，原因是这些省份本身取暖需求大，缺乏政府政策这种强外部性力量驱动清洁能源转型，居民收入不如东部地区，清洁能源转型主动性不足，使得这些省份的清洁能源占比提升不大。此外，在技术进步和社会经济发展的推动下，国内炉具已经从以开放和传统炉具为主升级为节能、清洁炉具和燃气灶/电炉。炉灶改造显著减少了PM2.5排放（25%）、室外和室内PM2.5浓度（49%和28%）、人口暴露（31%）和生活源排放造成的过早死亡（37%）。炉灶—能源的交互作用使过早死亡人数额外减少15%。在从排放到健康影响的因果路径上，生活源的影响以及炉灶改造和能源转换的有利影响被放大。 2014-2021年间，中国北方农村居民能源转型主要来自清洁取暖规划的实施。这项干预措施有效降低了生活源对排放及室外浓度的贡献，同时还对室内污染带来了更大的效益，直接减少了居民40%以上的PM2.5暴露，显著降低了人群健康风险。对于京津冀重点地区预测了至2030年的能源使用情况，对清洁取暖规划未覆盖的人群评估五种生活源干预方案的环境健康效益和成本。用电和燃气替代会更有力地减少空气污染和过早死亡；而压缩生物质颗粒及气化炉方案中，由于生物质大部分是碳中性，从而具有更强的碳减排效果。实施生物质颗粒替代方案由于其投资成本相对较低，在综合效益成本比方面具有最高价值，使其成为更可行的策略。 1.介绍 1.1背景 在全球范围内，有近28亿人依靠煤炭和生物质燃料等传统固体燃料进行日常烹饪、取暖等活动。在发展中国家（如中国、印度）和经济欠发达的农村和边远地区，这些传统固体燃料（煤、农作物秸秆、木材等）仍然是主要的民用能源类型（Bonjouretal.,2013）。由于固体燃料燃烧效率低和消耗量大，且缺乏工业部门常见的末端控制措施，住宅环境中的室内固体燃料燃烧会排放大量污染物，包括初级颗粒物(PM)、黑碳(BC)和有机碳(OC)等 不完全燃烧的副产物。该污染源是区域空气污染的重要根源，也是室内空气污染的主要来源，它们对居民健康构成严重威胁。在中国，2014年生活源仅占总能源消耗的7.5%，但在一次PM2.5排放中的贡献率为27%，其中对室外环境和室内环境PM2.5浓度的贡献分别为23%和71%（Yunetal.,2020）。 而家庭能源从固体燃料到清洁能源（如用于烹饪和取暖的电力或天然气）的转型不仅涉及能源类型的转变，还包括能源消耗用量的变化，但居民使用方式和能源转换效率有所不同。无论是在城市还是农村地区，由于人均收入的增加，中国居民的生活条件和消费能力正在经历巨大的变化（Taoetal.,2018）。居民家庭中，单一燃料或炉灶用具难以满足所有需求，多种能源并用的现象非常普遍，特别是在中国北方等冬季需要供暖的地区。生物质和化石燃料的联合使用可能会导致额外的能源消耗（Zhuetal.,2018）。而城市化导致城市排放量显著增加，同时在农村地区排放量下降也更为显著（Shenetal.,2017）。 在全国平均水平上，研究发现生物质燃料和煤炭对健康影响的贡献相似，在烹饪和取暖方面都很重要（Yunetal.,2020）。然而，全国的家庭能源结构却大相径庭。在北京、天津和华北地区26个市开展“清洁供暖”行动中，以电力或天然气替代民用固体燃料，显著加速了民用能源转型（Mengetal.,2019;2020）。同时，中国农村的生活条件得到迅速改善，但中国西部和山区数百万农村居民仍然大量使用传统固体燃料（ShenGetal.,2022）。这种区域性差异表明，中国不同地区在能源消耗和改造方面面临着各自不同的挑战。 近年来，在国家“双碳”战略目标指引下，控制生活源部门的碳排放，特别是燃煤使用将是许多行动的重要组成部分。为了区分不同地区的控制策略在生态系统和人类健康的成本和效益方面的有效性，本项目旨在研究我国民用煤炭和生物质消耗的详细空间变化，确定高热点地区，评估民用固体燃料消耗、大气污染物排放和健康影响的空间异质性，为制定区域差异化的减排政策提供科学依据。 1.2项目目标 以高空间分辨率（住宅排放1公里，非住宅排放10公里）模拟住宅和非住宅排放对环境空气质量的贡献。 以高空间分辨率评估与不同家庭组合相关的室内空气污染，并评估清洁能源转型的好处。 根据室内外暴露和时间活动计算整体暴露。 与非住宅来源相比，估算因空气污染物暴露导致的过早死亡以及住宅煤炭和生物质燃料的相对贡献。 对典型采暖和非采暖区域的贡献进行分析和区分，针对京津冀、长三角、珠三角、汾渭平原、成渝地区等重点区域进行具体的贡献区分。 根据碳中和背景下变化减缓措施的情景，提出室内空气质量标准建议，以及不同地区对住宅用煤和生物质能的控制政策和行动。 2.民用固体燃料消耗量的空间分布 由于中国不同地区的经济发展水平和地理位置气候条件存在差异，煤炭和生物质的使用情况在各地区呈现出不同的特征。为更好地了解这些差异特征，我们进行了深入的调查和研究。在城市地区，居民生活源燃料主要为非生物质燃料，如城市煤炭、液化石油气等。相比之下，在农村地区，居民生活源固体燃料的组成则包括农村煤炭和生物质燃料，如柴火、秸秆等。因此，在本项研究中，我们将城乡居民生活源固体燃料组成进行了分类，分别为农村煤炭、农村生物质和城市煤炭。这样的分类方式更加科学、合理，有助于深入了解不同地区居民生活源燃料的使用情况，为进一步探讨和解决能源与环境问题提供科学依据。 图2-1展示了1980-2019年全国城乡居民生活源固体燃料消耗组成及其年际变化。结 果显示，在研究期间内，我国居民生活源固体燃料消耗量整体呈现下降趋势，由1980年的 93,806万吨降低到2019年的23,859万吨，下降了75%。虽然消耗量前期呈现缓慢增长趋势，但在1990年达到峰值（97,260万吨）后，逐年降低。固体燃料的组成结构也发生了变化，其中农村生