王志強(qiáng), 王晗鈺, 林子鑒, 劉文霞*, 張馨月, 于延濤, 王春建

(1.華北電力大學(xué),新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司,長春 130000)

近年來,中國北方部分城市冬季供暖期霧霾天氣頻發(fā),嚴(yán)重影響人們正常的生產(chǎn)生活和身體健康[1]。為改善采暖季空氣污染,國家大力推行以電能為主的清潔能源替代項(xiàng)目[2-3]。

2017—2018年,北京、天津等首批入選的12個(gè)城市共計(jì)完成清潔取暖改造面積7.25×108m2,部分城市的農(nóng)村地區(qū)清潔取暖率現(xiàn)已達(dá)到60%以上?，F(xiàn)有改造中,按供暖方式可分為集中式和分散式,按設(shè)備種類主要可分為熱泵類、直熱式和蓄熱式電采暖。

不同供暖方式和設(shè)備種類組合的發(fā)展模式會(huì)對電網(wǎng)、用戶和社會(huì)產(chǎn)生不同影響:大量空氣源熱泵同時(shí)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大啟動(dòng)電流,影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[4]；蓄熱式電鍋爐的“低儲(chǔ)高放”對電網(wǎng)負(fù)荷特性曲線移峰填谷的效果明顯,可優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行[5]；電負(fù)荷的可轉(zhuǎn)移性能與可再生能源的隨機(jī)性和間歇性互補(bǔ),可實(shí)現(xiàn)冬季棄風(fēng)消納[6]；不同發(fā)展模式在投資、運(yùn)維及采暖費(fèi)用等方面也存在差異,會(huì)對用戶經(jīng)濟(jì)性、舒適性產(chǎn)生影響[7-8]。

針對上述影響,已有相關(guān)文獻(xiàn)對清潔取暖項(xiàng)目實(shí)際效益進(jìn)行分析評價(jià):文獻(xiàn)[9]采用模糊綜合評價(jià)方法,對幾種電采暖方式的能耗情況、成本經(jīng)濟(jì)及環(huán)境影響等因素展開綜合分析；文獻(xiàn)[10]基于模糊數(shù)學(xué)評判理論從環(huán)保、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)三方面對“煤改電”項(xiàng)目進(jìn)行綜合效益評判,并建立了相關(guān)評價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[11]從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及配網(wǎng)運(yùn)行等方面,提出了“煤改電”工程綜合效益的評價(jià)指標(biāo)體系,可對已完成的項(xiàng)目進(jìn)行綜合效益評價(jià)。但目前研究存在較少考慮供暖方式差異性的影響，較少建立綜合評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行全面、合理評價(jià)，較少考慮新能源消納效益，較多評價(jià)均為項(xiàng)目后評價(jià),不能在規(guī)劃階段對決策者起指導(dǎo)作用等問題。

綜上,本文在調(diào)研了北方各省清潔取暖工程實(shí)施現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了涵蓋電網(wǎng)、社會(huì)和用戶三方主體的區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式綜合評價(jià)體系,并采用云理論將體系中定性指標(biāo)定量化；選取層次分析法和變異系數(shù)法對指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。建立了以電網(wǎng)方利益為主,用戶及社會(huì)維度指標(biāo)作為客觀加成的供熱方式和設(shè)備類型的決策模型；采用極差變換法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,最終得到的綜合評分結(jié)果可為規(guī)劃區(qū)域清潔取暖發(fā)展模式提供參考。

1 工程現(xiàn)狀及區(qū)域適應(yīng)性分析

1.1 發(fā)展模式

通過調(diào)研中國現(xiàn)有清潔取暖工程可知,不同地區(qū)的實(shí)施模式各不相同,主要體現(xiàn)在設(shè)備類型和供暖方式兩方面。

從設(shè)備類型來看,較為常見的采暖設(shè)備包括熱泵類、直熱式和蓄熱式三類。熱泵類設(shè)備可主要分為三類:空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵。這類設(shè)備利用少量電能,通過吸收和壓縮的方式,把低溫?zé)嵩粗蟹稚⒌臒峋奂饋砑訜崴蛑苯訛橛脩艄┡?其性能穩(wěn)定、熱效率高,但只能制熱無法蓄熱。目前應(yīng)用較為廣泛的有空氣源熱泵、污水源熱泵等；此外,目前有關(guān)利用干熱巖中的地?zé)豳Y源進(jìn)行供熱的研究與應(yīng)用也越來越多；直熱式設(shè)備與熱泵類設(shè)備相似,主要區(qū)別在于直熱式設(shè)備僅能利用電能；蓄熱式設(shè)備通過耗電產(chǎn)熱為用戶供暖,能通過儲(chǔ)熱介質(zhì)將多余熱量儲(chǔ)存起來并在需要時(shí)釋放。蓄熱式設(shè)備有利于實(shí)現(xiàn)停電不停暖、壽命長,但造價(jià)較高。目前常見的有水蓄熱、相變蓄熱電鍋爐。

從供暖方式來看,目前普遍采取的有小區(qū)集中供暖和分散采暖。其中,小區(qū)集中供暖是由小區(qū)自行購置安裝供熱設(shè)備集中為小區(qū)居民供暖,通常采取物業(yè)公司自收費(fèi)自管理的形式,小區(qū)物業(yè)公司負(fù)責(zé)其運(yùn)行維護(hù)。由于供暖系統(tǒng)小且處于小區(qū)內(nèi)部,出現(xiàn)問題后可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。分散采暖是用戶自行采購安裝小型供熱設(shè)備進(jìn)行采暖,不同于集中供暖,用戶可根據(jù)自身需求自由調(diào)節(jié)供暖溫度和供暖時(shí)間,熱量浪費(fèi)極小且更加方便,但供暖設(shè)備需要用戶自行購買、維修,相應(yīng)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用要比集中供暖高。

1.2 區(qū)域清潔取暖發(fā)展模式適應(yīng)性影響因素

不同區(qū)域清潔取暖工程的主要區(qū)別在于發(fā)展模式的不同,通過對現(xiàn)有工程的總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)自然地理環(huán)境及人文地理環(huán)境是影響模式的重要因素。

1.2.1 自然地理環(huán)境因素對發(fā)展模式的影響

在區(qū)域氣候特征方面,不同設(shè)備對氣候的適應(yīng)性不同,因此設(shè)備種類的選取會(huì)對工程實(shí)施效果產(chǎn)生影響。以熱泵類設(shè)備為例,其對環(huán)境要求較高,在低溫環(huán)境中(-10 ℃以下)供熱效率較低(能效比由3.0降低到1.8),室內(nèi)溫度可能無法滿足用戶供暖需求,同時(shí)用電量的增大會(huì)對電網(wǎng)可靠性產(chǎn)生影響,此外在極端氣溫下還存在著結(jié)霜和供熱難等問題[12]。因此熱泵類設(shè)備更適用于電網(wǎng)運(yùn)維能力強(qiáng),或氣候溫度條件好的地區(qū)。

在區(qū)域資源條件方面,不同區(qū)域新能源利用種類及情況各不相同,同時(shí)大規(guī)模新能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后,其具有的隨機(jī)性和間歇性會(huì)對電網(wǎng)安全性產(chǎn)生威脅,因此在設(shè)備選取時(shí),需考慮負(fù)荷與新能源匹配情況。以蓄熱式電采暖設(shè)備為例,其主要在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行,具有削峰填谷作用,提高了電力設(shè)備利用率,改善了電網(wǎng)運(yùn)行特性,同時(shí)其具有的可轉(zhuǎn)移性能夠與新能源的隨機(jī)性和間歇性互補(bǔ),達(dá)到增強(qiáng)風(fēng)電等新能源消納的效果。因此蓄熱式電采暖設(shè)備更適用于新能源利用率高的地區(qū)。

1.2.2 人文地理環(huán)境因素對發(fā)展模式的影響

不同區(qū)域的人口密集程度不同,在清潔取暖實(shí)施過程中會(huì)對發(fā)展模式產(chǎn)生較大影響。城市中居民住宅一般為樓房、保溫性能較好,且人口密度大,便于集中管理；農(nóng)村中住宅一般為平房、通常沒有保溫措施,且人口密度小、分布較為分散,不方便集中管理。因此集中式供暖適用于城市小區(qū)住宅,分散式供暖更適用于農(nóng)村和城市棚戶區(qū)。

不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況不同,不同模式的清潔取暖對電網(wǎng)及電力公司提出了不同的要求和挑戰(zhàn)。選用集中式采暖的電采暖負(fù)荷分布集中,電網(wǎng)建設(shè)全部投資到10 kV及以上,減少了中低壓配電網(wǎng)建設(shè),有效補(bǔ)強(qiáng)了主網(wǎng)架,優(yōu)化了電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),同時(shí)供熱站直接供熱給用戶、并有專人運(yùn)維,減小了電網(wǎng)的搶修壓力；選用分散式采暖后電采暖負(fù)荷分布分散,運(yùn)行同時(shí)率較高,對電力系統(tǒng)中低壓電網(wǎng)影響較大,尤其是配電網(wǎng)末端的10 kV配變、線路,可能需要新增配變布點(diǎn),增大導(dǎo)線截面等,還可能造成配電變壓器偏移負(fù)荷中心,低壓線損增大,線路末端用戶的電壓質(zhì)量下降,同時(shí)加大電網(wǎng)搶修投訴服務(wù)壓力,運(yùn)維成本增加。

不同區(qū)域的用戶消費(fèi)水平不同,會(huì)影響供暖方式及設(shè)備種類的選取。集中供暖方式一般在原有供熱管道的基礎(chǔ)上進(jìn)行,改造費(fèi)用低,在供暖期按照傳統(tǒng)采暖費(fèi)計(jì)算方法進(jìn)行收費(fèi)；分散供暖方式中電采暖設(shè)備投資較大,現(xiàn)有的案例中大多由政府承擔(dān)設(shè)備投資費(fèi)用,少數(shù)是政府和用戶共同承擔(dān)。

除了上述自然地理環(huán)境和人文地理環(huán)境的因素外,仍有其他因素影響著清潔取暖模式的選擇。例如不同模式的污染物減排情況、不同模式用戶的接受度等。因此建立一個(gè)能全方位多角度地對各種模式進(jìn)行綜合評價(jià)的評價(jià)體系十分必要。

2 區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式?jīng)Q策方法

2.1 區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性綜合評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在第1節(jié)分析的基礎(chǔ)上,為確定區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式并為清潔取暖的推進(jìn)提供理論支撐,構(gòu)建了涵蓋電網(wǎng)、社會(huì)及用戶等維度的清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式綜合評價(jià)指標(biāo)體系,該體系包含9個(gè)計(jì)算指標(biāo),如圖1所示。

圖1 清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of clean heating adaptive development model

2.2 指標(biāo)計(jì)算方法

本節(jié)對清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式綜合評價(jià)指標(biāo)體系中部分指標(biāo)的計(jì)算作具體說明。

2.2.1 定量指標(biāo)計(jì)算方法

(1)電網(wǎng)

①經(jīng)濟(jì)性：清潔取暖工程對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響主要體現(xiàn)在成本和收益兩方面,采用收益/成本(B/C)評估方法,定義“單位投資的售電收益”指標(biāo)來反映各模式實(shí)施后電網(wǎng)新增成本和售電收益的變化。

(1)

式(1)中:Bdw為單位投資的售電收益；B為電網(wǎng)新增售電收益；C為電網(wǎng)新增成本,萬元。Exz，i為工程實(shí)施后電網(wǎng)各時(shí)段的新增售電量,kW·h；Pxx，i為現(xiàn)行各時(shí)段相應(yīng)電價(jià)；i表示用電的峰、谷、平三個(gè)時(shí)段；cdw為工程配套電網(wǎng)單位造價(jià),元·(kW·h)。

②對系統(tǒng)可靠性的影響：采暖設(shè)備類型的差異會(huì)使各模式實(shí)施后對負(fù)荷特性的影響不同,而負(fù)荷特性又直接影響配電網(wǎng)可靠性規(guī)劃[12],因此,研究清潔取暖電負(fù)荷對系統(tǒng)可靠性的影響(impact of system reliability,IoSR)具有重要意義。傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評估方法無法真實(shí)全面反映大規(guī)模且具有較強(qiáng)季節(jié)性和隨機(jī)性的清潔取暖電負(fù)荷接入電網(wǎng)后系統(tǒng)充裕性的變化。因此,采用基于年度負(fù)荷持續(xù)曲線的指標(biāo)計(jì)算方法[13],通過分層計(jì)算不同負(fù)荷水平下容載比的期望,反映清潔取暖電負(fù)荷接入后對系統(tǒng)可靠性的影響。其表達(dá)式為

(2)

式(2)中:Rs,k為每層負(fù)荷水平的容載比,其概率分布為pk；Szb，i為某電壓等級供電區(qū)內(nèi)公用變電站主變?nèi)萘?；Lk為該電壓等級第k層的負(fù)荷水平；Tk為第k層負(fù)荷持續(xù)時(shí)間；M為負(fù)荷持續(xù)曲線被劃分的子區(qū)間數(shù)。

(2)用戶

①用戶采暖費(fèi)：用戶采暖費(fèi)指標(biāo)表示用戶在采暖季需支出的相應(yīng)費(fèi)用,其結(jié)算方式取決于供暖方式,集中式供暖用戶采暖費(fèi)Ccn計(jì)算方法如下:

Ccn=Sjzccn

(3)

式(3)中:Sjz為用戶房屋面積,m2；ccn為單位面積采暖費(fèi),元/m2。

分散供暖用戶采暖費(fèi)Ccn計(jì)算方法如下:

(4)

式(4)中:i表示用電的峰、谷、平三個(gè)時(shí)段；Esb,i分別為各時(shí)段對應(yīng)的電采暖設(shè)備用電量；Cbt為政府對用戶的采暖電費(fèi)補(bǔ)貼。

②用戶可靠性：用戶可靠性指標(biāo)反映了各模式下配電網(wǎng)故障對用戶生活的影響程度。傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評估中,往往假定主網(wǎng)完全可靠,不區(qū)分不同供電通道可靠性水平的差異,沒有考慮不同電壓等級電網(wǎng)聯(lián)合故障導(dǎo)致用戶停電的情況。因此基于文獻(xiàn)[14]提出的自上而下的全電壓等級可靠性評估方法,計(jì)算供電可靠率指標(biāo)用以評價(jià)用戶可靠性。

(3)社會(huì)

①土地利用效益：土地利用效益指標(biāo)表示單位面積土地投入與消耗所實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)產(chǎn)出或有效成果,投入土地的面積主要是新建變電站所占面積,實(shí)現(xiàn)的最終成果是為用戶供熱,因此土地利用效益LUB可用式(5)計(jì)算。

(5)

式(5)中:N為新增變電站總數(shù)目；Qgr,b為第b種模式的總供熱量,kJ；Lab為第b種模式下第a個(gè)新增變電站的占地面積,m2,可以參考《城市電力規(guī)劃規(guī)范》根據(jù)變電站電壓等級和主變臺(tái)數(shù)確定。

(6)

式(6)中:ηb為第b種模式下電采暖設(shè)備的電熱轉(zhuǎn)換效率。

②盈利能力：在清潔取暖工程實(shí)施初期,費(fèi)用大多由政府承擔(dān),但隨著實(shí)施規(guī)模的擴(kuò)大,未來的發(fā)展趨勢必然是以社會(huì)投資為主。模式的盈利能力是第三方投資主體決策的主要依據(jù)。根據(jù)不同項(xiàng)目盈利能力評價(jià)指標(biāo)的定義及評價(jià)內(nèi)容[15],選擇投資回收期Pt來評價(jià)各模式的盈利能力,通過計(jì)算項(xiàng)目所得收益抵償全部建設(shè)期投資費(fèi)用所需要的年限,評估項(xiàng)目的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。實(shí)際工程中通常假設(shè)項(xiàng)目每年的收益相同,以收回全投資金額的年限為投資回收期。

對于集中式供暖用戶,考慮到實(shí)施過程中引入了第三方企業(yè)(小區(qū)供熱站),其Pt的計(jì)算方法為

(7)

式(7)中:Ctz為項(xiàng)目建設(shè)期投資金額,即清潔取暖設(shè)備一次性投資金額；Cdf為供熱站向電網(wǎng)繳納的電費(fèi)；Cwh為設(shè)備日常維護(hù)費(fèi),通常取設(shè)備投資金額的2%。

對于分散式供暖用戶,假設(shè)未來清潔取暖設(shè)備投資由用戶承擔(dān),則其投資回收期Pt的計(jì)算方法為

(8)

式(8)中:Crm為用戶采用燃煤供暖需花費(fèi)的燃煤費(fèi)用。

③污染物減排效益:煤燃燒排放的污染物主要有CO、CO2、氮氧化物和煙塵四種。由于居民用戶不具備監(jiān)測核定污染物排放種類與數(shù)量的條件,因此,居民通過清潔取暖減排的污染物可根據(jù)《工業(yè)污染物產(chǎn)生和排放系數(shù)手冊》中的污染物排放系數(shù)來計(jì)算。

Gwr,x=Qhm,bWx

(9)

式(9)中:Gwr,x為x種污染物的排放量；Qhm,b為清潔取暖實(shí)施前第b個(gè)模式對應(yīng)的用戶標(biāo)準(zhǔn)煤耗量；Wx為第x種污染物的排放系數(shù)。

(10)

式(10)中:煤的轉(zhuǎn)換效率為0.83；標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量為29 288 kJ/kg。

④與新能源互補(bǔ)度：部分清潔取暖電負(fù)荷的可轉(zhuǎn)移性能夠與可再生能源的隨機(jī)性和間歇性互補(bǔ),從而提高新能源的上網(wǎng)電量。負(fù)荷用電規(guī)律與新能源電源發(fā)電規(guī)律的適應(yīng)匹配度可以通過二者的特性曲線輪廓與形狀體現(xiàn),而與具體功率值大小無關(guān)[16],采用文獻(xiàn)[16]中提出的負(fù)荷組合適應(yīng)度來計(jì)算不同模式的電采暖用電負(fù)荷與新能源電源之間的匹配關(guān)系。

2.2.2 基于云理論的定性指標(biāo)定量化方法

正態(tài)云模型是用語言值表示的某個(gè)定性概念與其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型,它能將指標(biāo)信息的模糊性和評價(jià)者主觀判斷的隨機(jī)性集成并反映出來。用戶滿意度指標(biāo)反映了用戶對實(shí)施模式的滿意程度,包括清潔取暖實(shí)施后用戶采暖體感是否舒適、設(shè)備故障后用戶維修是否方便、設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲是否對用戶生活產(chǎn)生影響等方面。在實(shí)際中用戶不易給出一個(gè)確定的分值,但易給出指標(biāo)的自然語言描述,如“非常滿意、比較滿意、不滿意”等評語。因此本文基于云理論,使每一種語言描述對應(yīng)一個(gè)云模型(Ex1,En1,He1),綜合h個(gè)用戶的評語得到定性指標(biāo)的云評語(Ex,En,He),其中:

(11)

(12)

(13)

用戶滿意度指標(biāo)定量化數(shù)值取其云評語中的期望Ex。

2.3 區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式的決策方法

清潔取暖發(fā)展模式具有可實(shí)施性的前提是用戶的使用利益不受損,即用戶在清潔取暖實(shí)施后支出的采暖費(fèi)不應(yīng)超過原本使用燃煤供暖時(shí)的費(fèi)用。因此將“用戶采暖費(fèi)變化量”作為所有發(fā)展模式的初步篩選條件,只有用戶采暖費(fèi)相較于原燃煤取暖方式減小的模式才可進(jìn)入下一輪綜合評價(jià),即滿足如下約束:

ΔCcn=Ccn-C′cn>0

(14)

式(14)中:C′cn為用戶使用燃煤供暖的支出費(fèi)用。

清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式評價(jià)指標(biāo)體系中包括電網(wǎng)、用戶和社會(huì)三個(gè)維度,通過對現(xiàn)有清潔取暖項(xiàng)目調(diào)研發(fā)現(xiàn),大部分項(xiàng)目均由電網(wǎng)公司主導(dǎo)開展。因此在決策時(shí)以電網(wǎng)方利益為主,用戶和社會(huì)維度指標(biāo)作為電網(wǎng)效益的客觀加成,客觀地反映了電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。因此采用加權(quán)評分法建立了針對供熱方式和設(shè)備類型的決策模型:

(15)

式(15)中:S為每種模式的綜合得分；U為用戶維度的評價(jià)系數(shù)；K為社會(huì)維度的評價(jià)系數(shù)；α1、α2分別為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和對系統(tǒng)可靠性的影響兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)值。

2.3.1 用戶維度的評價(jià)系數(shù)

U=β1U1+β2U2+β3U3

(16)

式(16)中:U1、U2、U3分別為用戶采暖費(fèi)、可靠性和滿意度得分；β1、β2、β3分別為各指標(biāo)權(quán)值。

2.3.2 社會(huì)維度得分

K=γ1K1+γ2K2+γ3K3+γ4K4

(17)

式(17)中:K1、K2、K3、K4分別為土地利用效益、盈利能力、污染物減排效益及與新能源適應(yīng)度指標(biāo)的得分；γ1、γ2、γ3、γ4分別為各指標(biāo)權(quán)值。

在構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系時(shí),盡可能地去除了各維度指標(biāo)的相關(guān)性,各指標(biāo)間的差異度較大。在用戶維度指標(biāo)權(quán)重設(shè)置過程中,考慮到用戶維度主要關(guān)注的是清潔取暖工程實(shí)施后用戶主觀的感受和意見,同時(shí)在對用戶進(jìn)行問卷調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)用戶反饋結(jié)果較為一致,因此選擇以決策者主觀判斷為根據(jù)的主觀賦權(quán)法進(jìn)行權(quán)值設(shè)置,采用應(yīng)用較為廣泛的具有將復(fù)雜問題層次化、將定性問題定量化的層次分析法[17]。在社會(huì)維度指標(biāo)權(quán)重設(shè)置過程中,考慮到社會(huì)維度主要是為反映清潔取暖工程對全社會(huì)的影響程度,在評價(jià)過程中可獲得大量數(shù)據(jù),因此為反映出指標(biāo)數(shù)據(jù)自身的信息,選取以客觀數(shù)據(jù)為根據(jù)的客觀賦權(quán)法。由于關(guān)注不同發(fā)展模式的區(qū)域適應(yīng)性差異,所以選取根據(jù)各個(gè)指標(biāo)在所有被評價(jià)對象上觀測值的變異程度大小的變異系數(shù)法對社會(huì)維度指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)[17]。

數(shù)據(jù)主要來源于電網(wǎng)公司歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù),各項(xiàng)指標(biāo)的最值基本能夠確定,不易發(fā)生變化。因此,選用極差變換法[18]作為指標(biāo)歸一化的處理方法。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

取京津冀地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實(shí)際數(shù)據(jù)建立測試算例,該地區(qū)目前處于農(nóng)村城市化的過渡階段,兼具城市與農(nóng)村的特點(diǎn),在建筑類型上通常包括平房和樓房,在居民類型上既有上班族也有務(wù)農(nóng)人員,還包括小商販等類型。該地區(qū)冬季室外溫度約為-10～10 ℃,供暖期約為120 d,工程實(shí)施前一個(gè)采暖季戶均燃煤支出費(fèi)用約4 000元左右。其余參數(shù)如表1所示。改造區(qū)供電面積為5.74 km2,屬于C類供電區(qū)。項(xiàng)目實(shí)施前已有110 kV變電站一個(gè),以單母線分段接線方式為主,2 臺(tái)20 MV·A主變,上一年度冬季最大負(fù)載率達(dá)65%,已無可開放容量,無法接入地區(qū)新增負(fù)荷。假設(shè)每臺(tái)變壓器的出線數(shù)量相同,均為12 回?；谠搮^(qū)域?qū)嶋H情況及上文對目前設(shè)備種類及性能的分析,提出四種發(fā)展模式:模式1為基于空氣源熱泵的分散采暖；模式2為基于相變蓄熱電鍋爐的分散采暖；模式3為基于污水源熱泵的集中采暖；模式4為基于水蓄熱電鍋爐的集中采暖。

表1 常規(guī)參數(shù)

四種發(fā)展模式下的供暖期用戶電負(fù)荷特性預(yù)測結(jié)果如表2所示。

表2 各模式4萬戶居民采暖季負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

3.2 不同模式下各主體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)式(1)～式(13)分別計(jì)算電網(wǎng)、用戶和社會(huì)各項(xiàng)指標(biāo)。在計(jì)算新能源互補(bǔ)度時(shí),考慮到北方地區(qū)氣候特點(diǎn)與電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇風(fēng)電進(jìn)行適應(yīng)度分析。計(jì)算結(jié)果如表3～表5所示。

表3 各發(fā)展模式下電網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表4 各發(fā)展模式下用戶評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表5 各發(fā)展模式下社會(huì)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可見,在模式4下,電網(wǎng)單位投資的售電收益最好,表明選擇該模式電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最好。IoSR主要反映了清潔取暖電負(fù)荷接入電網(wǎng)后對電力系統(tǒng)供電能力的影響,該指標(biāo)值越大,表明電網(wǎng)充裕性越好,可靠性越高。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,模式4對系統(tǒng)可靠性的影響最小。這一結(jié)果也驗(yàn)證了1.2節(jié)的分析,蓄熱式電采暖設(shè)備具有削峰填谷作用,能有效改善電網(wǎng)的運(yùn)行特性,同時(shí)基于集中供暖的發(fā)展模式,電網(wǎng)新建配套供電工程大部分投資到10 kV及以上,優(yōu)化了電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

由表4中數(shù)據(jù)可以看出,對用戶而言,在分散供暖方式下其具有更多的自主性,用戶能根據(jù)自身需求更加合理的安排用能時(shí)間,節(jié)約采暖費(fèi)用；而集中供暖方式雖然采暖費(fèi)略貴,但用戶無需投入精力,更加省時(shí)省心,體驗(yàn)更佳,滿意程度更高?？紤]到空氣源熱泵無法儲(chǔ)熱的特點(diǎn),即使其能效比相較于電鍋爐更高,其經(jīng)濟(jì)性仍然較差,且一旦停電用戶將無法繼續(xù)采暖,用戶可靠性較差。因此,從用戶角度出發(fā),在四種模式中,模式2經(jīng)濟(jì)性最好,模式4用戶滿意度和可靠性均最高。

分析表5中數(shù)據(jù),模式3的土地利用效益、污染物減排量及與新能源適應(yīng)度在四種備選模式中都處于較好的水平,但其盈利能力較差,其原因主要在于設(shè)備初期投資成本較大,這也是熱泵設(shè)備的缺點(diǎn)之一。污染物減排量主要由清潔取暖工程實(shí)施所節(jié)省的煤耗量決定,雖然環(huán)境溫度低于5 ℃后,熱泵機(jī)組能效會(huì)開始衰減,但其電熱轉(zhuǎn)換率仍然比電鍋爐效果好,污染物減排量較多。相較于蓄熱式電鍋爐只在夜間啟動(dòng),熱泵類設(shè)備由于自身無法儲(chǔ)能需要全天開啟耗電,其負(fù)荷的用電規(guī)律對風(fēng)力發(fā)電規(guī)律的適應(yīng)度更高。

3.3 區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式?jīng)Q策結(jié)果分析

首先采用極差變換法對表3～表5中的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。結(jié)果如表6所示。

表6 各指標(biāo)歸一化結(jié)果

對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。對于電網(wǎng)來說,其首要任務(wù)是為用戶供電,保障供電可靠性的重要程度應(yīng)大于電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性,因此,計(jì)算過程中,α1和α2分別取0.4和0.6。用戶和社會(huì)維度的指標(biāo)權(quán)值根據(jù)2.3小節(jié)所確定的賦權(quán)方法進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表7所示。

表7 各指標(biāo)權(quán)值分布

在計(jì)算每種模式的綜合得分時(shí),首先采用式(15)對四種備選發(fā)展模式進(jìn)行初篩,經(jīng)過計(jì)算四種模式實(shí)施后的采暖費(fèi)用均小于實(shí)施前的燃煤采暖費(fèi),具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性,能夠進(jìn)入下一階段的綜合評價(jià)環(huán)節(jié)。

根據(jù)2.3節(jié)所建立的決策模型計(jì)算4種發(fā)展模式的綜合評價(jià)得分,結(jié)果如表8所示。

表8 各模式綜合得分

由表8中的數(shù)據(jù)可以看出,對該鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)來說,綜合得分最高的發(fā)展模式是模式4,綜合得分最低的是模式2。綜合對比表3～表5中數(shù)據(jù)的分析結(jié)論可知,雖然該模式在社會(huì)維度的效益稍差,但從電網(wǎng)維度和用戶維度出發(fā),該模式能更好地滿足二者的利益需求,因此綜合三個(gè)維度的效益來看,模式4更符合區(qū)域的發(fā)展需求,同時(shí),基于熱泵類(直熱式)設(shè)備的發(fā)展模式由于設(shè)備本身無法儲(chǔ)能的缺點(diǎn)使其多項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果較差,在未來實(shí)施過程中應(yīng)考慮搭配儲(chǔ)能裝置使用,以提高其經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

為提高清潔取暖的綜合效益,提出了區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式的綜合評價(jià)方法。通過對實(shí)際試點(diǎn)工程實(shí)施情況的調(diào)研分析,總結(jié)了供暖方式和設(shè)備類型對清潔取暖實(shí)施的影響；進(jìn)而,在考慮各方主體利益、建筑類型及用戶用能習(xí)慣等多方面影響因素的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了涵蓋電網(wǎng)、用戶和社會(huì)三個(gè)維度的清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式評價(jià)指標(biāo)體系,并建立了針對供熱方式和設(shè)備類型的決策模型；在此基礎(chǔ)上,以京津冀地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)為對象建立了測試算例,并對所提的四種發(fā)展模式進(jìn)行了綜合評價(jià),計(jì)算結(jié)果表明,該區(qū)域清潔取暖適應(yīng)性發(fā)展模式為基于水蓄熱的小區(qū)集中供熱模式,對實(shí)際清潔取暖工程給予了理論支撐。此外,提出的四種典型發(fā)展模式主要是基于對現(xiàn)有清潔取暖工程的調(diào)研總結(jié),隨著供暖設(shè)備種類的增長和性能的提升,未來可根據(jù)行業(yè)實(shí)際發(fā)展情況對發(fā)展模式和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn),更好地實(shí)現(xiàn)對清潔取暖工程的區(qū)域適應(yīng)性分析。