趙忠啟，常喜強(qiáng)，，孫開寧，樊 茂，姚錦松

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子 832003）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和傳統(tǒng)常規(guī)能源的持續(xù)消耗，環(huán)境污染和能源短缺問題也變得越來越嚴(yán)重。與傳統(tǒng)形式煤采暖的方式不同，電采暖通過把電能轉(zhuǎn)換為熱能，能夠?yàn)閺V大采暖用戶提供供熱保障，有利于減少煤灰煙塵的排放，緩解我國北方地區(qū)的空氣環(huán)境污染［1］。

早在1926 年，歐洲已著手應(yīng)用電采暖系統(tǒng)；1930年，電采暖被美國推廣使用。目前，歐洲和北美地區(qū)約有50%以上的電采暖家庭用戶［2］。在1970年，許多國家改革了電價(jià)制度，分時(shí)電價(jià)受到了西方國家的大力推行，通過考慮當(dāng)?shù)鼐用裆钣秒娏?xí)慣、環(huán)境、氣候等因素，各個(gè)地區(qū)的分時(shí)電價(jià)制度時(shí)段劃分與電力價(jià)格會(huì)存在一定的差異性。

在20世紀(jì)80年代，隨著峰谷之間落差逐漸增大，我國為了改善負(fù)荷，開始實(shí)施分時(shí)電價(jià)制度，但早期僅用于工業(yè)用戶的范疇。國家能源局強(qiáng)調(diào)突出重點(diǎn)，強(qiáng)化能源民生服務(wù)保障，穩(wěn)妥推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖，2020 年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)清潔高效的取暖面積增加約15億m2，且電能在終端能源消費(fèi)中的占比約為27%［2］。

目前已有較多學(xué)者對電采暖運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，文獻(xiàn)［3］把3 種典型電采暖負(fù)荷作為對象，對負(fù)荷聚合商參與實(shí)時(shí)調(diào)峰電力輔助服務(wù)市場的交易模式進(jìn)行研究，分析了典型電采暖負(fù)荷促進(jìn)風(fēng)電消納的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［4］以臨界電價(jià)法對蓄熱式電鍋爐項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性研究分析，這種經(jīng)濟(jì)性分析方法既可以定性判斷項(xiàng)目是否具備經(jīng)濟(jì)可行性，又能夠?qū)Χ喾桨高M(jìn)行優(yōu)選。文獻(xiàn)［5］考慮運(yùn)行狀態(tài)的影響，對蓄熱式電采暖進(jìn)行消納棄風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)［6］對電采暖系統(tǒng)的熱源費(fèi)用、系統(tǒng)水費(fèi)及管理費(fèi)用等運(yùn)行成本分析。但是，從各個(gè)主體角度考慮對電采暖的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，并分析各個(gè)主體間經(jīng)濟(jì)效益的影響卻鮮有報(bào)道。

通過考慮用戶運(yùn)行費(fèi)用、供暖企業(yè)征地初投資費(fèi)用及燃煤費(fèi)用、政府采暖污染物治理費(fèi)用，建立電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型及評估方法；以費(fèi)用年值為評價(jià)指標(biāo)，多能轉(zhuǎn)換、能源高效利用等作為輔助指標(biāo)，分析分時(shí)電價(jià)政策對于電采暖這種典型的可時(shí)移性負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)效益。

1 電采暖特性分析

目前，市場上涌現(xiàn)出越來越多的電采暖設(shè)備。從形式上可分為集中式電采暖和分散式電采暖，從方式上又可分為直熱式電采暖和蓄熱式電采暖。電采暖主要形式如圖1所示。

1.1 電鍋爐采暖

電鍋爐采暖是通過集中供熱管道把產(chǎn)生的熱水或蒸汽送入到用戶的房間，在形式上為集中式的電采暖。

此外，根據(jù)使用功能和加熱原理的不同，電鍋爐又可分為直熱式、蓄熱式的方式。直熱式的電鍋爐運(yùn)行費(fèi)用比較高，而且對于夜間的廉價(jià)電也不能充分進(jìn)行利用，引起了電網(wǎng)峰谷差的加大。蓄熱式電鍋爐可以采用分時(shí)電價(jià)政策，實(shí)現(xiàn)低谷電蓄熱，一方面有利于電網(wǎng)的削峰填谷，另一方面促進(jìn)了消納大量的棄風(fēng)棄光電量、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 電采暖主要形式

1.2 熱泵采暖系統(tǒng)

熱泵為高效節(jié)能電采暖設(shè)備［7-8］，只需要少量的電能做功，可以把低位熱能轉(zhuǎn)換成為高位熱能。通過這樣的提升熱量設(shè)備為建筑物供暖，很大程度上減少對一次能源的消耗，提高了一次能源的利用率。

1.3 電暖器

電暖器多用于用戶房間內(nèi)，在形式上為分散式的電采暖。電暖器包括暖風(fēng)機(jī)、電熱油汀、移動(dòng)取暖器等［9］，利用電暖器設(shè)備直接對采暖空間空氣進(jìn)行加熱，升高供暖房間的溫度。

1.4 電熱膜

電熱膜屬于半透明聚酯薄膜，其在接通電后可以發(fā)熱，在形式上為分散式的電采暖。電熱膜主要結(jié)構(gòu)包括可導(dǎo)電的特制油墨、金屬載流條經(jīng)印刷、獨(dú)立的溫控裝置等，當(dāng)其溫度達(dá)到40～60 ℃的范圍內(nèi)，通過輻射方式能夠把產(chǎn)生的熱量送入用戶的房間。

1.5 相變蓄熱電熱地板

相變蓄熱電熱地板屬于新穎的采暖方式［9］，通過相變材料儲(chǔ)存夜間廉價(jià)電轉(zhuǎn)變的熱能，并與地板采暖進(jìn)行結(jié)合，既節(jié)約了采暖運(yùn)行費(fèi)用，又有利于電網(wǎng)的削峰填谷。

2 分時(shí)電價(jià)政策分析

2.1 可時(shí)移性電采暖負(fù)荷

可時(shí)移性電采暖負(fù)荷屬于可控負(fù)荷的一種，指根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行負(fù)荷供電時(shí)間調(diào)整，其對生產(chǎn)過程的連續(xù)性要求不高，且可接受實(shí)時(shí)調(diào)度，可以靈活控制，實(shí)現(xiàn)前移、后移、中斷等。可時(shí)移性電采暖負(fù)荷調(diào)控如圖2所示。

圖2 可時(shí)移性電采暖負(fù)荷調(diào)控

當(dāng)煤炭、天然氣的價(jià)格出現(xiàn)波動(dòng)上升時(shí)，采用分時(shí)電價(jià)下的電采暖進(jìn)行取代供暖，同時(shí)，由于新能源消納棄風(fēng)棄光電量的補(bǔ)充，可進(jìn)一步降低電價(jià)。此外，電采暖與儲(chǔ)能裝置的結(jié)合，能夠把低谷的電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，峰電時(shí)段放熱，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，提高電網(wǎng)整體能源利用率［10］。

2.2 分時(shí)電價(jià)對可時(shí)移性負(fù)荷調(diào)節(jié)的影響

分時(shí)電價(jià)政策不僅有利于用戶調(diào)整更好的用電方式，還能夠增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行。分時(shí)電價(jià)的原理是按照一天之中負(fù)荷數(shù)據(jù)曲線大小的不同，具體劃分為平段、谷段、峰值，且對應(yīng)于不一樣的電價(jià)水平，在新疆地區(qū)把平段、谷段均劃分為12 h。因此，電采暖用戶可以通過在平段電價(jià)較高時(shí)少用電、在谷段電價(jià)較低時(shí)多用電的手段，這樣既獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，在電力系統(tǒng)中又起到了削峰填谷的作用。

執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策時(shí)，電采暖用戶在達(dá)到自己所需適宜的供暖舒適度后，為了節(jié)省用電的費(fèi)用水平，會(huì)積極改變自己的用電行為，政策的時(shí)移激勵(lì)強(qiáng)度T可以表示為［11］

式中：T為分時(shí)電價(jià)政策時(shí)移激勵(lì)強(qiáng)度指標(biāo)；QP2、QP1分別為分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施前、實(shí)施后平段的用電量大小；QG2、QG1分別為分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施前、實(shí)施后谷段的用電量大小。

3 電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型及評估方法

3.1 用戶節(jié)約費(fèi)用

對采暖用戶來說，不同供暖設(shè)備的功率密度范圍不一樣，在不同時(shí)段所需設(shè)定的功率密度大小也不一樣。采暖費(fèi)用與供暖設(shè)備的功率密度成正比。用戶采用電采暖相對于煤采暖所節(jié)約的費(fèi)用Foc為

式中：C為煤采暖供暖季每平方米取暖耗煤量，t/m2；Cc為標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格，元/t；M為建筑面積，m2；s為供暖設(shè)備功率密度的種類數(shù)目；Clp、Cfp分別為低谷、平段電價(jià)，元/kWh；Wl.s、Wf.s分別為在低谷、平段時(shí)設(shè)定的不同時(shí)間段供暖設(shè)備的供暖密度，W/m2；hl.s、hf.s分別為低谷、平段下不同供暖設(shè)備功率密度設(shè)定的時(shí)長，h；m為供暖鋪設(shè)面積，m2。

3.2 節(jié)約燃煤費(fèi)用

考慮燃煤提供電采暖所需的能量后，電采暖比傳統(tǒng)采暖減少了燃煤消耗量，促進(jìn)能源的節(jié)約。節(jié)約燃煤費(fèi)用Fcc為

式中：Nc為采用電采暖后減少的燃煤量，t。

3.3 節(jié)約占地投資費(fèi)用

不同采暖方式下的鍋爐房占地面積是不相同的，則供暖企業(yè)對鍋爐房占地所需初投資費(fèi)用會(huì)存在很大的區(qū)別。電采暖系統(tǒng)比煤采暖系統(tǒng)節(jié)約的征地費(fèi)用Flc為

式中：L為總負(fù)荷，MW；Re、Rc分別為熱泵機(jī)房、燃煤鍋爐房單位熱負(fù)荷占地面積，m2/MW；Cl為征地費(fèi)，萬元/m2。

3.4 電采暖系統(tǒng)利用棄風(fēng)棄光電量供暖

電采暖可以消納棄風(fēng)棄光電量進(jìn)行能源高效利用，通過新能源棄風(fēng)棄光電量供暖是對各類企業(yè)均有利的一種方式，如可再生能源發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)等。企業(yè)關(guān)于棄風(fēng)棄光電量收益費(fèi)用Fwl為

式中：Nwl為儲(chǔ)熱式電鍋爐消納的棄風(fēng)棄光電量，kWh；Cwl為棄風(fēng)棄光電量單價(jià)，元/kWh（低谷電價(jià)與棄風(fēng)棄光電價(jià)相同）；Clc為線路網(wǎng)損費(fèi)，等于增量發(fā)電量、網(wǎng)損比例和電能上網(wǎng)單價(jià)的乘積［12］，元。

3.5 節(jié)約污染物治理費(fèi)用

在采暖系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)，政府需要支付采暖污染物治理費(fèi)用?？偛膳叟欧耪卫碣M(fèi)用Fmc與排放的污染物種類有關(guān)，即

式中：i為污染物的種類數(shù)目；Ni為節(jié)約的污染物排放量，t；Ci為采暖污排放染物政府治理費(fèi)用，元/t。

3.6 經(jīng)濟(jì)性評估方法

在分時(shí)電價(jià)條件下，利用以上電采暖經(jīng)濟(jì)性模型，對電采暖系統(tǒng)在一個(gè)供暖季比煤采暖系統(tǒng)節(jié)約的費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，考慮到資金的時(shí)間價(jià)值，需要折算到一個(gè)相同的時(shí)間點(diǎn)上［13］，這個(gè)結(jié)果被稱為費(fèi)用年值（Annual Value of Expenses，AE），則表達(dá)式為

式中：rd為社會(huì)折現(xiàn)率，通常電力行業(yè)取為8%；n為年數(shù)。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)

2019年，對于我國的陸上風(fēng)電來說，電力成本是0.315～0.565 元/kWh，平均發(fā)電成本為0.393 元/kWh。而新疆的發(fā)電成本處于全國的最低，為0.315元/kWh。

新疆平谷段下的分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新疆分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4.2 用戶的經(jīng)濟(jì)效益分析

選取某小區(qū)某戶進(jìn)行電采暖費(fèi)用測算，該戶的電熱地膜只鋪設(shè)于臥室，鋪設(shè)面積約38.22 m2，建筑面積約為101.9 m2。電熱膜供暖系統(tǒng)分時(shí)設(shè)置如表2所示。

表2 電熱膜供暖系統(tǒng)分時(shí)設(shè)置

新疆供暖季約183 天，標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格約為707元/t，供暖季煤采暖耗煤約0.05 t/m2，分時(shí)電價(jià)、煤采暖、風(fēng)力發(fā)電下每天需要的采暖費(fèi)用分別為8.48 元/天、19.68 元/天、17.1 元/天。不同電價(jià)下的采暖費(fèi)用對比如圖3所示。

圖3 不同電價(jià)下的采暖費(fèi)用對比

對不同電價(jià)下采暖費(fèi)用的對比可以發(fā)現(xiàn)，分時(shí)電價(jià)下的整個(gè)供暖季的采暖費(fèi)用可以降低50%以上。另外，通過引導(dǎo)居民用能行為及電網(wǎng)對電采暖采用可調(diào)整的政策，可以進(jìn)一步擴(kuò)大電采暖的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 供暖企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益分析

電采暖能夠?yàn)楣┡髽I(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，其可以用節(jié)約燃煤費(fèi)用、節(jié)約征地初投資費(fèi)用和消納的棄風(fēng)棄光電量表征。

以新疆2017 年的供暖季為例，由于采用了分時(shí)電價(jià)下的電采暖，新疆共計(jì)減少煤消耗13.6 萬t［14］。整個(gè)供暖季，可以節(jié)約燃煤費(fèi)用為0.962億元。不同采暖方式下的鍋爐房占地面積如表3所示。

若總負(fù)荷2.8 MW，征地費(fèi)0.45 萬元/m2，熱泵機(jī)房、燃煤鍋爐房的征地費(fèi)分別為81.9萬元、189萬元，即電采暖系統(tǒng)可為供暖企業(yè)節(jié)約的占地投資費(fèi)用為107.1萬元。

表3 不同采暖方式下的鍋爐房占地面積 單位：m2/MW

此外，通過蓄熱式電采暖消納棄風(fēng)棄光電量，不會(huì)增加運(yùn)維成本，供暖企業(yè)關(guān)于棄風(fēng)棄光電量收益費(fèi)用Fwl＞0，即供暖企業(yè)一直可以獲取穩(wěn)定的消納收益費(fèi)用。因此，只要對棄風(fēng)棄光電量進(jìn)行能源高效利用，則經(jīng)濟(jì)性一定是可行的。

4.4 政府的經(jīng)濟(jì)效益分析

在2017 年供暖季，新疆減少的13.6 萬t 煤消耗相當(dāng)于減排二氧化碳34 萬t、二氧化硫1 萬t、氮氧化物0.5 萬t、粉塵9.27 萬t［14］。采暖污排放政府治理費(fèi)用污染物如表4 所示。整個(gè)供暖季，可以節(jié)約的政府治理費(fèi)用為0.516億元。

表4 采暖污排放政府治理費(fèi)用 單位：元/t

在分時(shí)電價(jià)政策的影響下，電采暖相較于煤采暖，可為用戶、供暖企業(yè)、政府節(jié)約的費(fèi)用年值約為1.38億元，因此實(shí)現(xiàn)多方的共贏，提高經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

通過建立電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，表明分時(shí)電價(jià)政策下的電采暖比煤采暖更具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，可以減少化石能源利用和污染問題。與傳統(tǒng)采暖相比，電采暖不但可以節(jié)約費(fèi)用年值，消納大量的棄風(fēng)棄光電量，而且更加順應(yīng)未來的發(fā)展趨勢。

此外，蓄熱式電采暖受到了電力企業(yè)的推廣，既可以利用分時(shí)電價(jià)降低用戶采暖費(fèi)用水平，又能夠平衡用電的負(fù)荷狀況，發(fā)揮削峰填谷的作用。蓄熱式電采暖形成分時(shí)電價(jià)與可時(shí)移性、時(shí)空特性之間的互動(dòng)，從而可以最好的利用分時(shí)電價(jià)。