双碳目标下北京市煤改电工程减排成效分析_李太继.pdf

收稿日期：基金项目：北京印刷学院校级基础研究重点项目（）。通讯作者：马添翼第 卷 第 期.北 京 印 刷 学 院 学 报 年 月 双碳目标下北京市煤改电工程减排成效分析李太继，马添翼，李 婷，辛世纪，王磐鸿，王 静（北京印刷学院，北京）摘 要：以北京市煤改电工程对双碳目标达成的贡献度分析为出发点，结合北京市煤改电工程的运营现状对该工程所取得的减排成效进行了分析。采用标准煤换算的方式对煤改电工程在二氧化碳及其他污染物减排贡献度上进行了深度调研和详细分析，计算得出该工程所节约的污染治理成本。在此基础上，选取典型减排指标作为评价标准，采用优劣解距离评价法对北京与其他实施市煤改电工程地区煤改电减排成效进行了综合评价，评价结果显示，北京煤改电工程的减排成效最为显著。关键词：双碳目标；北京市煤改电；减排成效评价；优劣解距离评价法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）改革开放以来，我国经济飞速增长，但“高污染、高能耗”的发展模式却付出了化石能源过度消耗的代价。我国以煤为主的资源构成决定了以煤电为主的电力生产和消费结构。其中民用煤炭燃烧在我国能源用量中只占一小部分，但因其燃烧效率低下等问题，产生了大量污染物，而最为典型的便是借助散煤燃烧供暖。北京在内的大量北方农村及部分北方城市在燃煤供暖过程中会排放出大量大气污染物。并且民用散煤的燃烧排放严重缺乏有效的监管机制，无序的煤炭使用使其危害性远高于其他来源的污染物排放。所以在坚持可持续发展的道路上，通过电能替代达成能源结构调整是实现能源转型的重要途径，并且电能替代产生了庞大的电力市场，需求侧急需大量且灵活的电力供应。而煤改电是在终端能源消费领域用电能替代煤炭，从而达到减少化石能源在终端能源消费领域的占比、提高能源利用效率等效果，能够成功填补国内电力市场的空缺。同时，随着双碳战略的全面展开，煤改电工程作为能源结构调整的重要组成部分，不仅能促进城市清洁、环保、高效的能源消费结构形成，更能够有效解决农村取暖利用效率低等问题。因此煤改电是我国终端能源消费结构调整，达成双碳目标的必然趋势。煤改电工程是北京市实施空气污染治理工作、落实首都能源改革的一项重要政治工程和民生工程。北京作为我国煤改电工程的示范区，其煤改电工程推进与实施具有先驱性引导作用，针对其进行减排成效的评估与分析有助于进一步探索电能替代的实现路径，促进煤改电工程在全国其他省份的落实。本文围绕双碳目标下北京煤改电工程的减排成效展开，通过二氧化碳及典型空气污染物排放数据对北京市煤改电工程的减排成效进行了系统性分析，同时，从北京市煤改电工程投资运营成本和节约污染治理成本两部分全面地分析了北京市煤改电工程带来的经济投入和产出情况。在此基础上，选取了三个典型的煤炭燃烧污染参数作为评价指标，采用优劣解距离法（，）对北京及其他四个具有代表性的煤改电工程示范区域进行了减排成效评价。北京煤改电工程运营现状北京市煤改电主要以“政府主导电网推动社会参与”的模式运营。通过政府、电网公司和设备供应商以及社会群众之间的多方配合推进并落实北京市煤改电工程。政府确定供暖改造目标并给予相关企业财政补贴，电网公司提供传输保障，市场化的设备厂商提供下游的终端设备运维和收取供暖设备费用，社会群众也积极参与其中，配合DOI:10.19461/ki.1004-8626.2023.03.009相关工作人员完成当地设备建设和改造。在电力运营模式方面，北京采用全新电力交易模式，打造“传统售电业务新型能源服务”综合平台。同时创新交易机制，借鉴河南电能替代“打包交易”模式，建立取暖用电市场竞价采购机制，通过多种交易方式，由地方政府委托电网企业代理用户采购市场最低价电，优选可再生能源电，促进可再生能源消纳的同时，进一步降低了取暖用电成本。在投入成本方面，北京市发改委煤改电工程报告中显示，自 年来，北京市政府对煤改电工程基础设施的建设部分的投资至少占比。其中对北京市西城区府右街的 户居民实施煤改电工程改造，投资就高达.亿元。除此之外，针对居民用户的煤改电配套设施建设，政府也提供了一定的资助，同时也对居民供暖用电进行了资金补贴。其中，年，北京市政府对各户提供了.元 度的电费补贴，年后该补贴由国家电网公司承担。在运营结果方面，截止 年，北京市农村已安装电采暖设备 万户，农村煤改电用户总用电量是 亿千瓦时，户均总用电量约 千瓦时。北京市城区已安装电采暖设备 万户，城区煤改电用户总用电量是 亿千瓦时，户均总用电量约 千瓦时。北京市煤改电减排效益分析.二氧化碳排放情况分析北京持续开展产业结构调整、能源结构优化以及非首都核心功能疏解。中国碳核算数据库（，）显示，在全国 省市当中（无西藏数据，不包括港澳台地区），北京 年碳排放量占全国碳排放总量的.，人均碳排放量.吨，均位居第 位。的二氧化碳排放量计算方式是按照联合国政府间气候变化专门委员会（，）的计算方法，即根据能源消耗数据和排放因子计算得出。碳排放法的计算方式为：碳排放量 活动数据排放因子，其中排放因子由地域分布、生产工艺、技术水平等因素共同决定，碳排放法是依据联合国气候变化委员会编写的温室气体清单指南设定的，该方法在整个计算过程中全方位考量了温室气体的排放情况。本文对近二十年北京市碳排放量和人均碳排放量进行整理，不难发现北京的碳排放量和人均碳排放量在前期呈现总体上升趋势，在中期（年）即北京市各项规定颁布前，呈现反复振荡趋势，而在政策颁布后，碳排放量和人均碳排放量呈现出总体性下降趋势。具体情况如图 所示。图 北京的碳排放量及人均碳排放量变化曲线.其他污染物排放情况分析据北京市环保局公布数据，北京 排放绝大部分来自燃煤，燃煤所排放的 约占全市的，.占全市的.。这其中，民用散煤的污染物排放量相对较高，占全市的，占全市的，烟尘占到。北京市空气污染物排放主要来自电力供热、民用、工业、移动源、溶剂使用、扬尘源几个部分，其主要成分为、.。自 年北京开始空气污染治理，北京空气质量逐年提升，截止 年度，主要大气污染物浓度变化趋势如图 所示，对比 及 年北京空气污染物排放及大气污染物浓度变化如图 所示。图 年北京市主要大气污染物浓度变化趋势北 京 印 刷 学 院 学 报 年图 北京空气污染物排放及大气污染物浓度变化.北京市煤改电减排效益分析北京市污染物减排效益主要包含燃煤锅炉、民用散煤两部分。数据显示，与 年相比，年北京政府对燃煤锅炉部分的改造使.、年排放量分别减少.万吨、.万吨、.万吨和.万吨。相应污染物减排量情况如图 所示。图 年北京市燃煤锅炉改造污染物减排量在民用散煤控制方面，在 年间，优质煤替换和煤改电、煤改气等措施的实施 使.、和 年排放量分别减少了.万吨、.万吨、.万吨和 万吨。截至 年，北京市煤改电的政策投资部分的总成本为.亿 元 取 暖 季，环 境 收 益 为.亿元 取暖季，净收益为.亿元 取暖季，本文采用文献给出的成本核算方法，对相关数据进行计算后得到 年的北京煤改电政策成本与收益如表 和表 所示。相关成本核算方法如下：（）依据国家统计局规定的等价热值的电力折算标准煤系数为.（），按照每千克标准煤的热值为 大卡换算，每千瓦时电提供的热值为 大卡。（）电和燃煤的原始价格比电单价 标准煤单价。电价依据各省市发展和改革委员会或物价局公布的居民生活用电中的一户一表第一档的价格设定。（）同等热值条件下的电与标准煤的实际价格比原始价格比 电与标准煤热值比。表 北京市煤改电政策成本平均每户元 取暖季成本年化基础设施建设年化设备补贴 安装政府取暖补贴年化家庭一次性开支家庭取暖开支成本小计表 北京市煤改电环境收益平均每户元 取暖季收益煤炭变化量.散煤.无烟煤煤球.无烟煤蜂窝煤.天然气变化量 电力变化量（）.收益小计收益 成本.北京市煤改电节约大气污染治理成本分析北京地区居民采暖煤改电改造后，城区居民采暖季户均减少燃煤约 吨，农村居民用户采暖季户均减少燃煤约 吨。根据第一次全国污染普查工业污染源产排污系数手册，燃煤主要产生的污染物包括、和烟尘，每吨标准煤燃烧的污染物排放量如表 所示。根据国家能源局统计，散煤燃烧污染物排放约为标准煤排放量的 倍，本节按 倍计算，分别得到采暖季城区居民和农村居民减少的污染排放量，如表 所示。表 吨标煤燃烧主要污染物减排量污染物烟尘煤（）.表 北京居民户均污染物减排量污染物 烟尘 城区居民.农村居民.依据中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估算文献得出的数据，可计算出每千克污染物所需要的治理成本，如表 所示。在此基础第 期李太继，马添翼，李 婷，等：双碳目标下北京市煤改电工程减排成效分析上，进一步计算得到城区和农村居民采暖季户均节省的减排效益，如图 所示。表 各类污染物治理成本污染物种类烟尘治理成本（元）.图 煤改电用户户均节省污染物治理费用数据显示，年北京市农村安装电采暖设备用户 万户、城区 万户。由此可计算，北京市 年农村煤改电节约大气污染治理成本.亿元，城市煤改电节约大气污染治理成本.亿元。基于 法对比分析煤改电成效.煤改电环境效益评价方法选择由表 可见，目前采用的环境效益特征分析方法主要包括对比分析法、结构分析法、动态分析法、因素分析法、主成分分析法和聚类分析法几种。其中，文献采用了主成分分析法对煤改电带来的环境效益进行了具体分析，通过调研北京、河北、山东、陕西、新疆 个区域的煤改电成效数据，对煤改电方案进行综合效益评价分析。并基于人工排序原则，确定了各地区煤改电项目综合效益的优劣排序为：北京河北陕西山东新疆。其中，涉及指标包括经济效益、社会效益和环境效益三类共 个指标。但是该方法在得到效益结果后需进行人为手动分析排序，影响了计算的客观性和精确性。表 环境效益特征分析方法总结方法内涵适用范围对比分析法将环境污染物信息和能源资源消耗信息相结合，通过各指标之间的内在联系，对比分析能源资源消耗情况。所对比各指标内容、口径、计量单位和计算方法要统一，要具有可比性。结构分析法对类型能源消耗构成及要紧指标变化情况进行分析，对各类型能源进行各指标分析。适用单一指标的情况进行特征分析。可了解各类型能源消耗在综合能耗中的权重，掌握各类型能源消耗的大概情况。动态分析法将资源消耗要紧指标，按照时刻序列进行排列，形成一个动态数列，从数量方面分析资源消耗变化的趋势和规律。运用动态分析法，对逐年（月）资源等消耗总量、人均消耗量、单位建筑面积消耗量进行分析。因素分析法分析能源资源消耗中导致要紧指标变动的各因素阻碍方向和程度的一种方法。用于专题分析中，深入分析内因，使用时可将阻碍能耗变化的要紧指标分解为各个能够计量的因素。主成分分析将多项指标转化为少数几项综合指标，用综合指标来解释多变量的方差协方差结构。综合指标即为主成分。利用降维技术用少数几个综合变量来代替原始多个变量，通过计算综合主成分承数得分，对客观经济现象进行科学评价。聚类分析依据数据本身的定性或定量的特征来对大量的数据行分组归类以了解数据集的内在结构，并且对每一个数据集行描述的过程。直观，结论形式简明。为了有效提升煤改电效益评价算法的客观性和精确性，本文提出了一种基于 的综合评价算法。其中，方法较 方法具有综合考虑反应评价对象不同属性的多个评价指标、能够处理相互约束的评价准则、能够敏锐表现各评价指标值之间的异同、能够通过标准化降低极大值与极小值影响等优势，但是该方法无法进行合理分档。因此，本文在 评价法基础上，结合秩和比综合评价法（），构成了 联合评价法。由于 方法能够将效益型指标从小到大进行排名、将成本型指标从大到小进行排名，计算秩和比，最后统计回归、完成分档排序，结合该方法可实现效益评估结果的分档统计，为环境综合效益改善分类指导提供有效参考。.法的基本原理 法是一种基于距离的综合评价法，该方法可以确定最优方案和最劣方案，评价对象可根据方案的相对接近程度分为优、差作为评价好坏的依据。法的评价思想如图 所示，通过将评价对象的属性指标原始数据进行同向化和归一化处理，消除指标量纲的影响。根据归一化后的矩阵采用余弦法在有限方案中确定最优方案和最劣方案，然后分别计算各评价对象与最优方案和最劣方北 京 印 刷 学 院 学 报 年案间的距离。得到各评价对象与最优方案，基于评价目标对理想化目标的接近程度进行排序，进而实现对现有评价对象的优劣评价。图 优劣解距离法 思想综上，应用 评价方法构建减排效益评价模型主要包含以下步骤：（）指标属性同向化 法根据指标值的相对大小对各单元进行综合评价，根据属性的不同，指标分为极小型指标：指标值越小评价越高；中间型指标：指标值为中间值评价最高；极大型指标：指标值越大评价越高；区间型指标：指标值在接近某个确定区间或者在某个区间内评价高。由于 法使用距离尺度来度量样本的优劣，所以需要对指标属性进行同向化处理。（）构造归一化初始矩阵假设有 个待评价对象，每个对象有 个指标（属性），原始数据矩阵为：|经过同向化后的数据矩阵为：|将 个指标（属性）进行向量规范化（归一化），得到标准化矩阵：|其中归一化计算如式（）所示，式中 为第 个评价对象的第 个指标值：（）（）确定最优方案和最劣方案前面分析过程中将指标属性同向化为效益型，则最优方案 由标准化矩阵 中每列的最大值构成：（，），（，），（）最劣方案 由标准化矩阵 中每列的最小值构成：（，），（，），（）若指标属性同向为成本型，则最优方案、最劣方案的确定方法与指标属性同向为效益型时相反。（）确定正欧氏距离与负欧氏距离正欧氏距离是评价对象与最优方案的欧氏距离：（）（）负欧氏距离是评价对象与最劣方案的欧氏距离：（）（）其中 为第 个指标的权重，越大，则 指标对综合评价的影响越大。可靠的评估结果与精确的指标权重密不可分。根据减排成效评价的需求，采用熵权法进行赋权。熵权法依据客观实际数据的离散程度，通过分析数据所含信息有序程度的差异性，确定指标权重。熵权法的分析过程如下：（）对原始矩阵 按列进行归一化，为防止损失原始信息不采用同向化矩阵进行计算：（）（）确定各指标的熵值：，（，）（）其中 为第 类指标的熵值；若 则令。（）确定各指标的熵权系数：（），（，）（）第 期李太继，马添翼，李 婷，等：双碳目标下北京市煤改电工程减排成效分析 式中，为第 类指标的权重；为第 类指标的熵值。（）确定各评估对象的相对接近度 并进行评价：，（）（）表示各评估对象与最优方法的相对接近度，其值越接近 评价越高，评估对象越优；式中分子也可更换成，则 表示各评估对象与最劣方法的相对接近度，值越接近 评价越高，评估对象越优。.基于 法的评价分析本节通过 法，对包括北京在内的五个区域煤改电减排成效进行综合分析。由于本文仅针对煤改电所带来的减排成效，故引用文献中涉及环境效益的三个指标：烟尘排放量、排放量和 排放量，如表 所示。表 减排效益原始评价指标指标名称北京河北山东陕西新疆烟尘排放量（）.排放量（）.排放量（）.将表 进行正向化处理，烟尘排放量、排放量、排放量均属于极小型指标。所谓的将原始矩阵正向化，就是要将所有的指标同义转化为统一的形式。正向化数据如表 所示。表 正向化数据表指标名称烟尘排放量排放量排放量北京.河北山东.陕西.新疆.为了消去不同指标量纲的影响，需要对已经正向化的矩阵进行标准化处理，如表 所示。表 标准化数据表指标名称烟尘排放量排放量排放量北京.河北山东.陕西.新疆.按照 方法分析 个省份减排效果与最大值的距离、最小值的距离，并计算得分。结果如表 所示。表 减排效益得分表城市北京河北山东陕西新疆得分.表 为对原始数据处理后得到的五个区域减排效益排序表，各区域煤改电项目减排效益的优劣排序为：北京山东新疆陕西河北。由此排序可以看出，随着烟尘排放量、排放量和 排放量的逐渐增大，能耗强度指标整体呈现明显的上升趋势。但由于评价指数是在综合考虑三个因素下分析计算得到的，因此评价指数与减排效果指标之间不是严格单调。表 样本减排效益排序表指标名称烟尘排放量 排放量 排放量 减排成效排序北京.山东.新疆.陕西.河北.本节采用 综合评价方法，综合考虑反映各省份节能减排成效的多个指标合理，对其进行 排 序 评 价。基 于 引 用 得 到 的 数 据，利 用 方法将五个省份的减排效果进行排序评价，得到五个省份实行推动煤改电所达到的减排效果存在差异，其中，北京市的减排成效最为显著。结论本文结合北京市煤改电工程的运营情况，分析了现如今煤改电对北京市达成双碳目标所做出的巨大贡献。同时引入投资成本对工程建设的影响，通过标准煤换算的方式对煤改电所取得的节能减排效益及其节省的污染治理成本进行探讨与分析，根据换算得出煤改电节省的污染治理成本和近 年煤炭减少燃烧等量计算的二氧化碳排放量及其他大气污染物浓度变化结果。为进一步探讨北京煤改电工程取得成效在全国范围内的影响，本文选取烟尘排放量、排放量和 排放量三个参数作为减排效益评价指标，并通过 法对比北京市和全国范围内具有代表性的四个煤改电区域北 京 印 刷 学 院 学 报 年进行了评价对比，评价结果显示，北京市煤改电工程所取得的成效最为显著。由分析结果可见，北京市煤改电节约了大量用于治理污染的财政支出，取得了显著的环境治理成效，具有较高的节能减排效益。同时从全国范围内来看，北京市煤改电工程所带来的减排效益处于领先位置，其相关工作经验对其他各地区的煤改电工程有重要指导作用，对国家可持续发展战略及双碳目标的达成起到了重要的引领和推动作用。参考文献：边晓燕，张璐瑶，周波，等基于知识图谱的国内外电力市场研究综述电工技术学报，（）：吴界辰，艾欣，胡俊杰需求侧资源灵活性刻画及其在日前优化调度中的应用电工技术学报，（）：肖天颖，黄豫，聂金峰，等我国能源行业未来发展趋势研判：到 年，能源消费总量基本达峰（）：郝朝，张浩然，张晓崎，等北京郊区电网冬季典型日“煤改电”负荷特性分析电气技术，（）：，刘兴龙，刘罡，张娜，等北方地区清洁供暖对电网负荷特性影响分析电气技术，（）：贾凯北京农村“煤改电”台区运行管控农村电气化，（）：，郑宽，傅观君煤改电技术路线及运营模式研究电力决策与舆情参考，（）：环境保护部，国家质量监督检验检疫总局锅炉大气污染物排放标准：（）：孔少飞，白志鹏，陆炳民用燃料燃烧排放.和 中碳组分排放因子对比中国环境科学，（）：杜晓林，冯相昭，王敏，等京津冀地区散煤综合治理成本效益分析环境与可持续发展，（）：无锡市环境监察局第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册无锡，魏学好，周浩中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估算环境科学研究，（）：环境保护部，北京市人民政府，天津市人民政府，等关于印发京津冀大气污染防治强化措施（年）的通知北京，张红斌，冯明灿，孙钦斐，等基于主成分分析法的煤改电综合效益评价模型研究电测与仪表，（）：，（，）：，：；（责任编辑：周宇）第 期李太继，马添翼，李 婷，等：双碳目标下北京市煤改电工程减排成效分析