電能替代應(yīng)用及效益評價

曹東莉，袁越，李志祥

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 210098；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024）

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必不可少的生產(chǎn)資料，更是人們?nèi)粘１匦璧纳钯Y料，它在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、建設(shè)和諧、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會中具有舉足輕重的作用。能源替代是能源領(lǐng)域科技進(jìn)步和能源合理利用要求的反映。在人類歷史上已經(jīng)出現(xiàn)用煤炭替代薪柴，用石油、天然氣替代煤炭，用可再生能源替代礦物質(zhì)能源的過程[1]。可再生能源要大量方便地利用和輸送，最好的辦法是將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘2-3]。因此可以說現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了用電能替代礦物質(zhì)能的時期。從19世紀(jì)末發(fā)明電力至今，電力工業(yè)的發(fā)展越來越快，電價越來越趨于合理，電器制造技術(shù)也在不斷提高，這使得電力使用的領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，為電能替代提供了很好的支撐。21世紀(jì)是電力工業(yè)的大發(fā)展時期，可再生能源利用技術(shù)的水平不斷提高，已經(jīng)有條件大量開發(fā)和利用可再生能源，電能替代薪柴、煤炭、石油和天然氣的進(jìn)程也將會加快[4]。電能替代必須與經(jīng)濟(jì)水平和能源、電氣制造的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平相一致，要講求經(jīng)濟(jì)性和合理性，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，逐步實(shí)施，在可能的條件下提高全社會終端能源消費(fèi)中的電力比重[5-7]。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電能的生產(chǎn)過程也將越來越經(jīng)濟(jì)，越來越清潔，電網(wǎng)的安全性、自動化水平將越來越高，這些都為電能替代提供了良好的支撐，保障了電力的供應(yīng)。電能替代可以在很多方面得到應(yīng)用，工業(yè)上越來越多的鋼鐵企業(yè)、陶瓷企業(yè)用電加熱代替煤或油加熱[8]；生活上電飯煲、電磁爐、微波爐等電器得到了應(yīng)用；交通上電氣化鐵路在快速發(fā)展，電動汽車在大力推廣[9-10]。在以后的發(fā)展過程中，電能會以自身的優(yōu)越性而成為社會首選的能源，從而完成人類歷史上的第三次能源替代。

本文以電能替代在生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析電能替代所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，建立考慮環(huán)境效益的計算模型和評價模型，并實(shí)例驗(yàn)證。以往對熱水供應(yīng)系統(tǒng)效益的研究只注重經(jīng)濟(jì)效益，而沒有體現(xiàn)出環(huán)境效益的價值，主要原因是長期以來熱水供應(yīng)系統(tǒng)的效益計算一般只包括初期一次性投資（設(shè)備、安裝、建設(shè)等）、運(yùn)行成本（人力、燃料、維修、年檢等）以及設(shè)備折舊費(fèi)，而不包含環(huán)境成本[11-12]。這樣不僅導(dǎo)致了電力熱水系統(tǒng)的環(huán)境價值被無償占有，還會造成清潔和非清潔熱水供應(yīng)系統(tǒng)的不平衡發(fā)展，使電能替代的發(fā)展受到限制。本文建立了考慮環(huán)境效益的生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的效益計算和評價模型，旨在通過定量的分析體現(xiàn)電能替代的長遠(yuǎn)效益，提高民眾對電能替代的認(rèn)識，為我國電能替代的推廣提供參考。

1 常用生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)

1.1 鍋爐的分類

目前，常用的生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中最多的還是鍋爐系統(tǒng)，而鍋爐的發(fā)展源遠(yuǎn)流長，分類方式也很多。鍋爐常用的分類方法是按燃料分，分為燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、電加熱鍋爐、生物質(zhì)鍋爐等。另外比較常用的分類方法有：按用途分為生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、車船用鍋爐；按制造鍋爐的壓力分為A級、B級、C級、D級、E級；按壓力分為常壓鍋爐、低壓鍋爐、中壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐等等[13]。

1.2 常用高校生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)

目前高校浴室常用的生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)有[13]：

1）燃煤鍋爐。燃煤鍋爐是以煤炭為燃料，煤炭熱量經(jīng)轉(zhuǎn)化后，產(chǎn)生蒸汽或者加熱水。燃煤鍋爐燃料成本低，設(shè)備投資少，技術(shù)水平要求不高，但是燃燒熱效率低、排放污染嚴(yán)重、占地面積大、工作環(huán)境差、使用壽命短，同時存在一定的安全隱患。

2）燃油鍋爐。燃油鍋爐是以燃油為燃料的鍋爐，燃料包括柴油，廢油等。自動化程度高、改善勞動條件、運(yùn)行管理方便、自重輕、體積小、熱效率較高、用電少、噪音低、故障率低。但是近幾年，石油資源緊缺，油價日益上漲，使用成本也會不斷增加，對維修人員的素質(zhì)及管理水平要求較高，存在一定的環(huán)境污染。

3）燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t燃用發(fā)熱量高的燃?xì)猓諝庥昧看螅谷細(xì)饽艹浞秩紵枰罅康目諝馀c之混合。燃?xì)獾娜紵^程沒有燃油的霧化過程與氣化過程。燃?xì)馀c空氣的混合方式，對燃燒的強(qiáng)度、火焰長度和火焰溫度都有很大的影響。燃?xì)忮仩t燃燒熱效率較高、排放污染較少、設(shè)備投資少、占地面積小。此外，燃?xì)忮仩t需要專門配備鍋爐房，消防要求高，燃?xì)庋b置的防火防爆問題不容忽視，再加上一些人為因素造成的安裝、使用、維修不當(dāng)，事故時有發(fā)生。

4）電鍋爐。電鍋爐是以電能為能源，通過電磁加熱供暖、空調(diào)或衛(wèi)生用熱水，加熱快、熱效率高、體積小、無噪音、節(jié)約能源、自動化程度高、操作簡單、安全穩(wěn)定、溫度可調(diào)范圍廣、無污染、使用壽命長，但設(shè)備投資成本高。

5）熱泵系統(tǒng)[14]。熱泵系統(tǒng)由熱泵吸收熱源制取熱水，是目前世界上最為先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保熱水系統(tǒng)。熱泵熱水機(jī)組采用的是逆卡諾原理，遵循能量守恒定律和熱力學(xué)第2定律。熱泵只需要消耗小部分的機(jī)械功（電能），將處于低溫環(huán)境（大氣或地下水等）下的熱量轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境下的熱水器中，去加熱制取高溫的熱水。熱泵的作用是將空氣中或低溫水中的熱量取出，連同本身所用的電能轉(zhuǎn)變成的熱能，一起送到高溫環(huán)境中去應(yīng)用。熱泵耗電少、效率高、自動化程度高、操作簡單、安全穩(wěn)定、溫度可調(diào)范圍大、無污染、使用壽命長，但設(shè)備投資成本高。

2 生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)電能替代效益研究

2.1 只考慮經(jīng)濟(jì)效益的計算模型

僅僅從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，高校生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的費(fèi)用包括初期一次性投資、燃料費(fèi)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)、工人工資、年檢費(fèi)等，其年費(fèi)用A可估算為

式中，AF為每年的燃料費(fèi)，萬元；AOM為年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)，萬元；AS為工人工資，萬元；AA為年檢費(fèi)，萬元。

推而廣之，由m種鍋爐形式組成的混合系統(tǒng)年費(fèi)用可估算為

式中，αi是第i種鍋爐供應(yīng)的熱水量占總熱水供應(yīng)量的比例系數(shù)。

2.2 考慮環(huán)境效益的計算模型

由于電能替代后，電鍋爐和熱泵系統(tǒng)不產(chǎn)生污染氣體，具有明顯的環(huán)境效益，而式（2）并沒有考慮到環(huán)境因素，因此，有必要在電能替代的評價時考慮環(huán)境因素。考慮環(huán)境因素后，鍋爐的年費(fèi)用則為

式中，Aei為第i種鍋爐排放污染物所需支付的費(fèi)用。

表1為主要污染氣體費(fèi)用。由于化石燃料的環(huán)境污染嚴(yán)重，對污染物排放實(shí)施罰款在現(xiàn)階段是促使其提高環(huán)保型的一種行之有效的手段，也充分體現(xiàn)了電能替代的價值和意義[15-16]。

表1 主要污染氣體費(fèi)用

3 生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)電能替代評價研究

3.1 節(jié)能評價方法

按照節(jié)能工作的簡易程度，節(jié)能工作分為4個層次：不使用能源；降低能源的使用質(zhì)量；通過技術(shù)手段提高能源使用效率；通過調(diào)整社會和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)提高能源利用效率[17]。電能替代是一種根據(jù)實(shí)地情況，合理并擴(kuò)大使用電能，從而達(dá)到提高能源利用效率的一種節(jié)能方法，廣義上講，電能替代是最高層次的節(jié)能工作之一。對于如此多的節(jié)能技術(shù)，我們必須對節(jié)能技術(shù)進(jìn)行全面的、綜合的評價，方能在眾多的節(jié)能方案中挑選技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境污染最小化、社會效益最大化的節(jié)能方案。常用的能源評價方法有能源利用效率評價、經(jīng)濟(jì)效益評價、生命周期評價。能源利用效率評價側(cè)重在能源的高效轉(zhuǎn)化及充分利用上；經(jīng)濟(jì)效益評價需要考慮節(jié)能技術(shù)所付出的代價其節(jié)能所帶來的效益。隨著環(huán)境污染的加劇，人們開始研究從節(jié)能方案的全生命周期進(jìn)行評價，力爭使節(jié)能方案對環(huán)境的各種影響降至最低。

經(jīng)濟(jì)評價就是在節(jié)能措施實(shí)施之前全面考察其在技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)劣，進(jìn)行方案比較，確定投資方向，避免由于盲目性而造成人力、物力、財力上的浪費(fèi)。經(jīng)濟(jì)評價一般按以下步驟進(jìn)行：首先建立不同的技術(shù)方案，分析各種方案在技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)劣及影響其經(jīng)濟(jì)性的各種因素，找出經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與各有關(guān)因素之間的關(guān)系，經(jīng)數(shù)學(xué)計算，求解指標(biāo)的最優(yōu)方案，最后綜合分析做決策[17]。

由于投資多少、影響范圍和時間不同，經(jīng)濟(jì)效益計算的繁簡程度也不相同。當(dāng)處于可行性研究的初期階段或項(xiàng)目較小、補(bǔ)償期很短時，可采用計算投資回收時間的補(bǔ)償期法。此法未考慮投資的利息，或?qū)Σ煌?xiàng)目投資時相互間的橫向比較以及對其他方面的影響。在進(jìn)行2個或幾個方案間的比較時，可采用計算費(fèi)用法。對于較大型的項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)壽命比較長的項(xiàng)目（10年以上），就需要進(jìn)行包括時間因素和利率因素在內(nèi)的計算方法。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種評價產(chǎn)品工藝過程或服務(wù)系統(tǒng)，從原材料的采集、加工到生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護(hù)、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)對環(huán)境負(fù)荷影響的方法。生命周期評價應(yīng)用于節(jié)能技術(shù)，可以遵循ISO的生命周期評價技術(shù)框架，確定評價的目的和范圍，對不同的節(jié)能技術(shù)需要進(jìn)行溯源分析，收集對該技術(shù)所需的原料的清單分析數(shù)據(jù)，按照原料獲得、原料生產(chǎn)、產(chǎn)品加工、節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能技術(shù)后期整個生命周期，計算各種LCA指標(biāo)數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行周期影響評價。生命周期評價和經(jīng)濟(jì)評價方法一樣，不同的節(jié)能方案，最后達(dá)到的效果應(yīng)該一樣，評價的基礎(chǔ)、條件與經(jīng)濟(jì)評價的方法也一樣。由于生命周期評價的內(nèi)容全面，目前其評價體系還不夠完善，加上經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)已發(fā)展成熟，所以生命周期評價在實(shí)際中還沒有得到廣泛應(yīng)用[18]。

3.2 電能替代效益評價研究

高校浴室鍋爐的使用壽命一般為15年，要想更合理地評價電能替代的效益，應(yīng)選用可以綜合考慮初期投資、運(yùn)行維護(hù)、折舊費(fèi)、能源節(jié)約費(fèi)、環(huán)境保護(hù)等諸多因素的評價方法。由上述節(jié)能評價方法可見，生命周期評價是可以給出全面的評價，但由于其方法還不夠成熟，所以退而選擇采用相對成熟的經(jīng)濟(jì)評價。在經(jīng)濟(jì)評價的基礎(chǔ)上加入環(huán)境因素，將燃料的廢氣排放折算成懲罰值，從而對電能替代做全面的評價。

能綜合考慮諸多因素的經(jīng)濟(jì)評價方法是凈收益-投資比值法[17]，即設(shè)備壽命周期內(nèi)的年凈收益與一次性投資的年均攤費(fèi)的比值，計算公式如下：

式中，β為凈收益—投資比值；AP為節(jié)能項(xiàng)目年度凈收益，即年費(fèi)用的凈收益；AI為節(jié)能項(xiàng)目一次性投資折算成的年度均攤費(fèi)用。AP和AI的表達(dá)式如下：

式中，NS為設(shè)備使用壽命；Aj為壽命年限內(nèi)第j年的凈節(jié)約費(fèi)用，萬元；IP為節(jié)能項(xiàng)目的一次性投資費(fèi)用，萬元；i為資金年利率，%；F為壽命周期末的設(shè)備殘值，萬元。

假設(shè)項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用相等，均為A，則式（4）可以簡化為

假設(shè)以南京某高校為例，為4 000人宿舍區(qū)學(xué)生供應(yīng)生活熱水，按照經(jīng)驗(yàn)值人均每天用水50 L，全年?duì)I業(yè)200天，平均初始水溫為15℃，出水溫度為50℃，考慮鍋爐一個使用周期（約15年）內(nèi)的投入和使用的總支出，包括投資成本、燃料成本、工人工資、年檢、其他（運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、燃料損耗費(fèi)、意外事故費(fèi)等）。具體參數(shù)如表2、3所示。

表2 算例數(shù)據(jù) 萬元

表3 幾種生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的凈收益-投資比

表3顯示的是以燃煤鍋爐為參照而得到的凈收益-投資比值。無論是考慮環(huán)境效益還是不考慮環(huán)境效益，燃油鍋爐的值均小于0，說明采用這種方案收益為負(fù)值，即不具有經(jīng)濟(jì)可行性；燃?xì)狻㈦婂仩t和熱泵系統(tǒng)的值均大于0，說明這3種方案是具有經(jīng)濟(jì)可行性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮，而熱泵系統(tǒng)的值最大，則說明其很具有經(jīng)濟(jì)可行性。對比2種情況下的計算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，加入環(huán)境效益后，凈收益-投資比值均有所提高，則側(cè)面說明了燃煤系統(tǒng)是環(huán)境污染最嚴(yán)重的系統(tǒng)，而凈收益-投資比值的增幅越大，則說明對應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境效益越高。從結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)燃?xì)忮仩t的凈收益-投資比值比電鍋爐的大，主要原因是因?yàn)橐夯瘹獾臒嶂迪喈?dāng)高，而價格又相對便宜，這也與當(dāng)前人們更多選擇燃?xì)忮仩t相符，然而隨著電價的調(diào)整以及人們對環(huán)境的重視，燃?xì)忮仩t會慢慢被電鍋爐取代。

4 小結(jié)

本文建立了考慮環(huán)境效益的電能替代效益評價計算模型，結(jié)合凈收益-投資比值法對生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)評價。以高校熱水供應(yīng)系統(tǒng)為例定量分析電能替代帶來的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，計算結(jié)果表明，該計算模型能反映出電能替代的環(huán)境效益，評價結(jié)果更合理，從而使得電能替代的環(huán)境效益得到充分體現(xiàn)。

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