分時電價政策下可時移性電采暖負荷經濟性分析

趙忠啟，常喜強，，孫開寧，樊 茂，姚錦松

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.石河子大學機電學院，新疆 石河子 832003）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和傳統常規能源的持續消耗，環境污染和能源短缺問題也變得越來越嚴重。與傳統形式煤采暖的方式不同，電采暖通過把電能轉換為熱能，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，緩解我國北方地區的空氣環境污染［1］。

早在1926 年，歐洲已著手應用電采暖系統；1930年，電采暖被美國推廣使用。目前，歐洲和北美地區約有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，通過考慮當地居民生活用電習慣、環境、氣候等因素，各個地區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，但早期僅用于工業用戶的范疇。國家能源局強調突出重點，強化能源民生服務保障，穩妥推進北方地區清潔取暖，2020 年的目標是實現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］。

目前已有較多學者對電采暖運行的經濟性進行分析，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峰電力輔助服務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濟性。文獻［4］以臨界電價法對蓄熱式電鍋爐項目的經濟性研究分析，這種經濟性分析方法既可以定性判斷項目是否具備經濟可行性，又能夠對多方案進行優選。文獻［5］考慮運行狀態的影響，對蓄熱式電采暖進行消納棄風的經濟性分析。文獻［6］對電采暖系統的熱源費用、系統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濟效益進行分析，并分析各個主體間經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，建立電采暖系統經濟性模型及評估方法；以費用年值為評價指標，多能轉換、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濟效益。

1 電采暖特性分析

目前，市場上涌現出越來越多的電采暖設備。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，引起了電網峰谷差的加大。蓄熱式電鍋爐可以采用分時電價政策，實現低谷電蓄熱，一方面有利于電網的削峰填谷，另一方面促進了消納大量的棄風棄光電量、優化電網結構。

圖1 電采暖主要形式

1.2 熱泵采暖系統

熱泵為高效節能電采暖設備［7-8］，只需要少量的電能做功，可以把低位熱能轉換成為高位熱能。通過這樣的提升熱量設備為建筑物供暖，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，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］，利用電暖器設備直接對采暖空間空氣進行加熱，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熱，在形式上為分散式的電采暖。電熱膜主要結構包括可導電的特制油墨、金屬載流條經印刷、獨立的溫控裝置等，當其溫度達到40～60 ℃的范圍內，通過輻射方式能夠把產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］，通過相變材料儲存夜間廉價電轉變的熱能，并與地板采暖進行結合，既節約了采暖運行費用，又有利于電網的削峰填谷。

2 分時電價政策分析

2.1 可時移性電采暖負荷

可時移性電采暖負荷屬于可控負荷的一種，指根據實際情況進行負荷供電時間調整，其對生產過程的連續性要求不高，且可接受實時調度，可以靈活控制，實現前移、后移、中斷等。可時移性電采暖負荷調控如圖2所示。

圖2 可時移性電采暖負荷調控

當煤炭、天然氣的價格出現波動上升時，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合，能夠把低谷的電能轉化為熱能進行儲存，峰電時段放熱，可以實現電網削峰填谷，提高電網整體能源利用率［10］。

2.2 分時電價對可時移性負荷調節的影響

分時電價政策不僅有利于用戶調整更好的用電方式，還能夠增強電力系統的穩定性運行。分時電價的原理是按照一天之中負荷數據曲線大小的不同，具體劃分為平段、谷段、峰值，且對應于不一樣的電價水平，在新疆地區把平段、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濟效益，在電力系統中又起到了削峰填谷的作用。

執行分時電價政策時，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小；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。

3 電采暖系統經濟性模型及評估方法

3.1 用戶節約費用

對采暖用戶來說，不同供暖設備的功率密度范圍不一樣，在不同時段所需設定的功率密度大小也不一樣。采暖費用與供暖設備的功率密度成正比。用戶采用電采暖相對于煤采暖所節約的費用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為供暖設備功率密度的種類數目；Clp、Cfp分別為低谷、平段電價，元/kWh；Wl.s、Wf.s分別為在低谷、平段時設定的不同時間段供暖設備的供暖密度，W/m2；hl.s、hf.s分別為低谷、平段下不同供暖設備功率密度設定的時長，h；m為供暖鋪設面積，m2。

3.2 節約燃煤費用

考慮燃煤提供電采暖所需的能量后，電采暖比傳統采暖減少了燃煤消耗量，促進能源的節約。節約燃煤費用Fcc為

式中：Nc為采用電采暖后減少的燃煤量，t。

3.3 節約占地投資費用

不同采暖方式下的鍋爐房占地面積是不相同的，則供暖企業對鍋爐房占地所需初投資費用會存在很大的區別。電采暖系統比煤采暖系統節約的征地費用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。

3.4 電采暖系統利用棄風棄光電量供暖

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均有利的一種方式，如可再生能源發電企業、電網企業等。企業關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為線路網損費，等于增量發電量、網損比例和電能上網單價的乘積［12］，元。

3.5 節約污染物治理費用

在采暖系統的壽命周期內，政府需要支付采暖污染物治理費用。總采暖污排放政府治理費用Fmc與排放的污染物種類有關，即

式中：i為污染物的種類數目；Ni為節約的污染物排放量，t；Ci為采暖污排放染物政府治理費用，元/t。

3.6 經濟性評估方法

在分時電價條件下，利用以上電采暖經濟性模型，對電采暖系統在一個供暖季比煤采暖系統節約的費用進行計算，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為社會折現率，通常電力行業取為8%；n為年數。

4 算例分析

4.1 基礎計算數據

2019年，對于我國的陸上風電來說，電力成本是0.315～0.565 元/kWh，平均發電成本為0.393 元/kWh。而新疆的發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數據如表1所示。

表1 新疆分時電價基礎數據

4.2 用戶的經濟效益分析

選取某小區某戶進行電采暖費用測算，該戶的電熱地膜只鋪設于臥室，鋪設面積約38.22 m2，建筑面積約為101.9 m2。電熱膜供暖系統分時設置如表2所示。

表2 電熱膜供暖系統分時設置

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現，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，通過引導居民用能行為及電網對電采暖采用可調整的政策，可以進一步擴大電采暖的經濟效益。

4.3 供暖企業的經濟效益分析

電采暖能夠為供暖企業帶來一定的經濟效益，其可以用節約燃煤費用、節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，即電采暖系統可為供暖企業節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，供暖企業關于棄風棄光電量收益費用Fwl＞0，即供暖企業一直可以獲取穩定的消納收益費用。因此，只要對棄風棄光電量進行能源高效利用，則經濟性一定是可行的。

4.4 政府的經濟效益分析

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、政府節約的費用年值約為1.38億元，因此實現多方的共贏，提高經濟性。

5 結語

通過建立電采暖系統經濟性模型，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濟性，可以減少化石能源利用和污染問題。與傳統采暖相比，電采暖不但可以節約費用年值，消納大量的棄風棄光電量，而且更加順應未來的發展趨勢。

此外，蓄熱式電采暖受到了電力企業的推廣，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。