趙忠啟,常喜強,,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)機電學(xué)院,新疆 石河子 832003)
隨著我國經(jīng)濟的快速發(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,能夠為廣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制度,分時電價受到了西方國家的大力推行,通過考慮當?shù)鼐用裆钣秒娏晳T、環(huán)境、氣候等因素,各個地區(qū)的分時電價制度時段劃分與電力價格會存在一定的差異性。
在20世紀80年代,隨著峰谷之間落差逐漸增大,我國為了改善負荷,開始實施分時電價制度,但早期僅用于工業(yè)用戶的范疇。國家能源局強調(diào)突出重點,強化能源民生服務(wù)保障,穩(wěn)妥推進北方地區(qū)清潔取暖,2020 年的目標是實現(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中的占比約為27%[2]。
目前已有較多學(xué)者對電采暖運行的經(jīng)濟性進行分析,文獻[3]把3 種典型電采暖負荷作為對象,對負荷聚合商參與實時調(diào)峰電力輔助服務(wù)市場的交易模式進行研究,分析了典型電采暖負荷促進風電消納的經(jīng)濟性。文獻[4]以臨界電價法對蓄熱式電鍋爐項目的經(jīng)濟性研究分析,這種經(jīng)濟性分析方法既可以定性判斷項目是否具備經(jīng)濟可行性,又能夠?qū)Χ喾桨高M行優(yōu)選。文獻[5]考慮運行狀態(tài)的影響,對蓄熱式電采暖進行消納棄風的經(jīng)濟性分析。文獻[6]對電采暖系統(tǒng)的熱源費用、系統(tǒng)水費及管理費用等運行成本分析。但是,從各個主體角度考慮對電采暖的經(jīng)濟效益進行分析,并分析各個主體間經(jīng)濟效益的影響卻鮮有報道。
通過考慮用戶運行費用、供暖企業(yè)征地初投資費用及燃煤費用、政府采暖污染物治理費用,建立電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟性模型及評估方法;以費用年值為評價指標,多能轉(zhuǎn)換、能源高效利用等作為輔助指標,分析分時電價政策對于電采暖這種典型的可時移性負荷的經(jīng)濟效益。
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。
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。直熱式的電鍋爐運行費用比較高,而且對于夜間的廉價電也不能充分進行利用,引起了電網(wǎng)峰谷差的加大。蓄熱式電鍋爐可以采用分時電價政策,實現(xiàn)低谷電蓄熱,一方面有利于電網(wǎng)的削峰填谷,另一方面促進了消納大量的棄風棄光電量、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
圖1 電采暖主要形式
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。
電暖器多用于用戶房間內(nèi),在形式上為分散式的電采暖。電暖器包括暖風機、電熱油汀、移動取暖器等[9],利用電暖器設(shè)備直接對采暖空間空氣進行加熱,升高供暖房間的溫度。
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、獨立的溫控裝置等,當其溫度達到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。
相變蓄熱電熱地板屬于新穎的采暖方式[9],通過相變材料儲存夜間廉價電轉(zhuǎn)變的熱能,并與地板采暖進行結(jié)合,既節(jié)約了采暖運行費用,又有利于電網(wǎng)的削峰填谷。
可時移性電采暖負荷屬于可控負荷的一種,指根據(jù)實際情況進行負荷供電時間調(diào)整,其對生產(chǎn)過程的連續(xù)性要求不高,且可接受實時調(diào)度,可以靈活控制,實現(xiàn)前移、后移、中斷等??蓵r移性電采暖負荷調(diào)控如圖2所示。
圖2 可時移性電采暖負荷調(diào)控
當煤炭、天然氣的價格出現(xiàn)波動上升時,采用分時電價下的電采暖進行取代供暖,同時,由于新能源消納棄風棄光電量的補充,可進一步降低電價。此外,電采暖與儲能裝置的結(jié)合,能夠把低谷的電能轉(zhuǎn)化為熱能進行儲存,峰電時段放熱,可以實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷,提高電網(wǎng)整體能源利用率[10]。
分時電價政策不僅有利于用戶調(diào)整更好的用電方式,還能夠增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行。分時電價的原理是按照一天之中負荷數(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較高時少用電、在谷段電價較低時多用電的手段,這樣既獲得了較大的經(jīng)濟效益,在電力系統(tǒng)中又起到了削峰填谷的作用。
執(zhí)行分時電價政策時,電采暖用戶在達到自己所需適宜的供暖舒適度后,為了節(jié)省用電的費用水平,會積極改變自己的用電行為,政策的時移激勵強度T可以表示為[11]
式中:T為分時電價政策時移激勵強度指標;QP2、QP1分別為分時電價政策實施前、實施后平段的用電量大??;QG2、QG1分別為分時電價政策實施前、實施后谷段的用電量大小。
對采暖用戶來說,不同供暖設(shè)備的功率密度范圍不一樣,在不同時段所需設(shè)定的功率密度大小也不一樣。采暖費用與供暖設(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為標準煤的價格,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,元/kWh;Wl.s、Wf.s分別為在低谷、平段時設(shè)定的不同時間段供暖設(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)定的時長,h;m為供暖鋪設(shè)面積,m2。
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,促進能源的節(jié)約。節(jié)約燃煤費用Fcc為
式中:Nc為采用電采暖后減少的燃煤量,t。
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用會存在很大的區(qū)別。電采暖系統(tǒng)比煤采暖系統(tǒng)節(jié)約的征地費用Flc為
式中:L為總負荷,MW;Re、Rc分別為熱泵機房、燃煤鍋爐房單位熱負荷占地面積,m2/MW;Cl為征地費,萬元/m2。
電采暖可以消納棄風棄光電量進行能源高效利用,通過新能源棄風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)于棄風棄光電量收益費用Fwl為
式中:Nwl為儲熱式電鍋爐消納的棄風棄光電量,kWh;Cwl為棄風棄光電量單價,元/kWh(低谷電價與棄風棄光電價相同);Clc為線路網(wǎng)損費,等于增量發(fā)電量、網(wǎng)損比例和電能上網(wǎng)單價的乘積[12],元。
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用??偛膳叟欧耪卫碣M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用,元/t。
在分時電價條件下,利用以上電采暖經(jīng)濟性模型,對電采暖系統(tǒng)在一個供暖季比煤采暖系統(tǒng)節(jié)約的費用進行計算,考慮到資金的時間價值,需要折算到一個相同的時間點上[13],這個結(jié)果被稱為費用年值(Annual Value of Expenses,AE),則表達式為
式中:rd為社會折現(xiàn)率,通常電力行業(yè)取為8%;n為年數(shù)。
2019年,對于我國的陸上風電來說,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電價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 新疆分時電價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
選取某小區(qū)某戶進行電采暖費用測算,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)分時設(shè)置如表2所示。
表2 電熱膜供暖系統(tǒng)分時設(shè)置
新疆供暖季約183 天,標準煤的價格約為707元/t,供暖季煤采暖耗煤約0.05 t/m2,分時電價、煤采暖、風力發(fā)電下每天需要的采暖費用分別為8.48 元/天、19.68 元/天、17.1 元/天。不同電價下的采暖費用對比如圖3所示。
圖3 不同電價下的采暖費用對比
對不同電價下采暖費用的對比可以發(fā)現(xiàn),分時電價下的整個供暖季的采暖費用可以降低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,可以進一步擴大電采暖的經(jīng)濟效益。
電采暖能夠為供暖企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益,其可以用節(jié)約燃煤費用、節(jié)約征地初投資費用和消納的棄風棄光電量表征。
以新疆2017 年的供暖季為例,由于采用了分時電價下的電采暖,新疆共計減少煤消耗13.6 萬t[14]。整個供暖季,可以節(jié)約燃煤費用為0.962億元。不同采暖方式下的鍋爐房占地面積如表3所示。
若總負荷2.8 MW,征地費0.45 萬元/m2,熱泵機房、燃煤鍋爐房的征地費分別為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棄光電量,不會增加運維成本,供暖企業(yè)關(guān)于棄風棄光電量收益費用Fwl>0,即供暖企業(yè)一直可以獲取穩(wěn)定的消納收益費用。因此,只要對棄風棄光電量進行能源高效利用,則經(jīng)濟性一定是可行的。
在2017 年供暖季,新疆減少的13.6 萬t 煤消耗相當于減排二氧化碳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用污染物如表4 所示。整個供暖季,可以節(jié)約的政府治理費用為0.516億元。
表4 采暖污排放政府治理費用 單位:元/t
在分時電價政策的影響下,電采暖相較于煤采暖,可為用戶、供暖企業(yè)、政府節(jié)約的費用年值約為1.38億元,因此實現(xiàn)多方的共贏,提高經(jīng)濟性。
通過建立電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟性模型,表明分時電價政策下的電采暖比煤采暖更具有靈活性和經(jīng)濟性,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)約費用年值,消納大量的棄風棄光電量,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,既可以利用分時電價降低用戶采暖費用水平,又能夠平衡用電的負荷狀況,發(fā)揮削峰填谷的作用。蓄熱式電采暖形成分時電價與可時移性、時空特性之間的互動,從而可以最好的利用分時電價。