天津電能替代形勢與電采暖經濟性分析

袁新潤，吳 亮 ，張 劍 ，項添春

（1.國網天津市電力公司，天津 300384；2.國網天津市電力公司 電力科學研究院，天津 300384；3.國網天津節能服務有限公司，天津 300384）

發達國家早在20世紀90年代起就十分重視電能替代工作，但多數發達國家并非像我國一樣終端用能以煤為主，研究及應用主要集中于電動汽車、家庭電氣化和新能源發電等幾個方面。文獻多采用成本—效益對比分析法來研究電能替代的可推廣性。文獻[4]還引入了全壽命周期的概念以更全面地測算電能替代中新設備、新技術應用的成本和效益。在技術、經濟指標的選取方面則主要對節電量、峰荷削減量、有害氣體減排量以及動態投資、運維費用、用戶可節省電費等指標進行測算和分析。

雖然電能替代的概念近年才在我國被正式提出，但關于終端用能領域中電能與其他能源的對比論證，學術界卻早有研究。早期的研究主要集中于對電能取暖方式和集中供暖方式的對比論證；電能、天然氣、液化氣、汽油等終端應用的能效對比；有些文獻還通過問卷調查和市場分析，研究電代氣、電代煤市場潛力。

但目前的研究還存在幾方面的問題：對電能替代技術尚缺乏系統的研究分析；對電能替代技術推廣的經濟性尚缺乏可靠的依據。這些問題將會影響電能替代推廣工作的成效。為此，本文調研分析天津地區的電能替代形勢，并對電能替代技術進行系統分析，針對天津地區供熱需求大的實際情況，著重介紹電采暖技術，并分析其經濟性。

1 天津終端能源消費現狀及電能替代形勢分析

天津是典型的能源輸入型工業化城市，煤炭、天然氣等能源主要依靠外省區調入。下面依據終端能源消費狀況、及政府出臺的一系列規劃方案進行分析。

1.1 煤炭消費狀況及形勢

2013年，天津市煤炭消費總量5 338萬t。其中，終端煤炭消耗2 173 t，占40.7%，主要集中在供熱及工業領域，是城市主要大氣污染源。按照“美麗天津一號工程”的要求，到2017年凈削減煤炭消費總量1 000萬t。即2017年，燃煤消耗總量需要控制在4 300萬t以下。

目前，天津市共有燃煤鍋爐約有6 845臺，5 t/h以下的燃煤鍋爐有3 569臺，占52%，共6 826.91 t。其中，供熱燃煤鍋爐有1 269臺，共2 683.49 t，占39.3%；生產用蒸汽燃煤鍋爐有2300臺，共4143.42t，占60.7%。燃煤鍋爐主要集中在環城4區和遠郊區縣。圖1為天津市5t/h以下的燃煤鍋爐統計。

1.2 天然氣消費狀況及形勢

（1）天然氣需求劇增，供應缺口不斷加大

受天然氣電廠、供熱鍋爐“煤改氣”等影響，天然氣需求劇增，供應缺口不斷加大。2014年，天津市全年用量約52.2億m3，比2013年增長71%。圖2為天津市天然氣用氣量及供氣缺口。

圖2 天津市天然氣用氣量及供氣缺口

（2）天然氣價格短期內進行了多輪上調

由于天然氣需求激增，天津市對天然氣價格進行了多輪上調：①用氣價格調整。2013年按照國家要求先后提高了居民和非居民用氣價格。居民用氣由每立方米2.2元提高到2.4元，非居民增量用氣每立方米由平均2.8元提高到3.25元；②非居民供熱價格調整。2013年，天津市對非居民供熱價格進行了調整，供熱價格由每平米每采暖季36元提高到40元；③2014年居民用氣再次調價，由每立方米2.4元提高到2.6元。

（3）燃氣供熱比重上升，居民供熱價格上調壓力大

2014年，中心城區和環城4區燃氣供熱面積增加到7 800萬m2，燃氣供熱比重上升為40%。燃氣價格上漲和燃氣供熱面積不斷增加，造成供熱成本上升。按照現行燃氣價格測算，燃氣鍋爐供熱成本達每平方米每采暖季40多元。

1.3 電能消費狀況及形勢

（1）電力消費狀況

2013年，天津市全社會用電量775億kWh，其中外購電166萬kWh，約占全部用電的20%。發電裝機容量1 137萬kW，其中煤電1 084萬kW，約占95.3%，其余53萬kW為燃氣、可再生能源等清潔能源裝機。

（2）電力網絡分布廣，供應充足

2013年“鎮鎮電氣化”建設目標已完成，天津市城鄉供配電網絡更堅強。錫盟至南京、蒙西至天津南2項交流特高壓工程已核準開工，可提供500萬kW容量，預計2016年外電入津比例將超過30%。

1.4 天津電能替代潛力分析

（1）電能消費比重低，增長空間大

電能占終端能源消費比重是衡量一個地區經濟發達程度的重要標志。在終端能源消費里，電能占比越高，越有助于節能減排和能源系統綜合效率的提升。統計顯示，電能占終端能源消費比重每提高1個百分點，單位GDP能耗可降低4個百分點。

2012年電能占終端能源消費的比重，北京、上海分別為19.80%、17.92%，國內平均約22.38%。而天津僅為14.02%，低于國內平均水平超過8個百分點。隨著近些年經濟水平的提高、軌道交通領域的電氣化應用，到2013年，天津地區電能終端消費水平略有上升。

（2）燃煤淘汰壓力大，替代需求高

《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》提出，到2017年底，天津市區淘汰35 t及以下燃煤鍋爐，城郊、區縣淘汰10 t及以下燃煤鍋爐。在供熱供氣管網覆蓋不到的其他地區，改用電、新能源或潔凈煤。

為完成2017年底凈削減煤炭消費總量1 000萬t的目標，天津市政府陸續出臺了萬企轉型、燃煤鍋爐淘汰計劃、熱泵、電動汽車等一系列行動方案，給電能替代提供了良好的機遇。據調研，天津市每年預計新增供熱面積約3 000萬m2，其中供熱管網不能覆蓋的約占30%，達900萬m2，給電鍋爐應用提供了條件。

2 電采暖技術介紹

電能替代，是指充分發揮電能便捷、安全、清潔、高效等優勢，面向終端能源消費市場，積極倡導“以電代煤、以電代油、電從遠方來”的能源消費新模式，推廣應用電采暖、電蓄冷、現代設施農業、家庭電氣化和電動交通等，提高電能在終端能源消費的比重，減少化石能源消耗和環境污染。目前市場上應用較成熟的電能替代技術有10多種，涉及供暖、制冷、工業、農業、交通、家居等多個領域，分為以電代煤、以電代油兩大類。

國家及各地政府紛紛出臺政策，要求通過天然氣或電能替代供熱與工業燃煤，減少負荷中心直燃煤造成的城市霧霾。本文針對天津地區供熱需求大的實際情況，著重介紹電采暖技術。

2.1 分戶電采暖技術

（1）技術特點

分戶電采暖是將電能轉化為熱能輻射放熱，主要媒介有電熱膜、碳晶板、發熱電纜等。

（2）使用優點

一是輻射式供暖，無需水，無干燥和悶熱感；二是實現分戶分室控制，減少不必要熱量浪費；三是舍棄管道、管溝、散熱器片等設備，可增加約3%的使用面積。

（3）電熱膜技術

以電熱膜為例，它的發熱體由特制油墨及稀有元素組成的碳漿料印刷在基膜上形成，具有熱效率高、分時分室控制等優點，尤其適合新建住宅小區供暖配套。電熱膜采暖系統由電熱膜、T型電纜、連接電纜、電力分配器、膜片溫感器、溫控器等組成，如圖3。通過溫控器可以手動或自動分戶調節室溫。

圖3 電熱膜采暖系統示意圖

2.2 集中電采暖技術

集中電采暖技術主要包括蓄熱式電鍋爐和熱泵兩大類技術。

（1）蓄熱式電鍋爐

蓄熱式電鍋爐又分水蓄熱和固體蓄熱2種，通過水、固體相變材料蓄熱，將“夜間電”轉化為“白天熱”，主要用于商場、賓館、辦公樓等公共建筑。主要優點有：一是無需外管網，減少建設投資；二是能源轉化效率高；三是無人值守，全自動運行；四是清潔、環保，節省燃煤存儲空間。水蓄熱電鍋爐采暖系統由蓄熱水箱、板式換熱器、電鍋爐、循環水泵、軟化水處理器、末端散熱器等組成，如圖4。

圖4 水蓄熱電鍋爐采暖系統示意圖

（2）熱泵

熱泵主要分為土壤源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵，從空氣、土壤、水中獲取低品位熱能，通過熱泵機組輸出高品位熱能，主要用于廣泛應用于商廈、辦公樓、醫院、學校等公共建筑和別墅、居民小區等住宅建筑的供冷（熱）。主要優點有：一是利用可再生能源，對環境無污染；二是能效比高，運行費用低；三是冷暖兼備，經濟高效。以土壤源熱泵為例，采暖系統包括：熱泵主機、地埋管換熱器、循環水泵、末端散熱器等，如圖5。

圖5 土壤源熱泵采暖系統示意圖

3 電采暖經濟性分析

以天然氣作為比較對象，分析電采暖的經濟性。

3.1 建設成本經濟性比較方法

主要從等年值成本折算進行比較分析，公式為式中：I為初投資；i為折現率，取商業貸款銀行利率6.15%；N為設備壽命，年。

3.2 運行費用經濟性比較方法

以天然氣為基準，通過測算電采暖設備的等效能電價和臨界電價分析其運行經濟性。

（1）等效能電價

天然氣當量熱值是電力熱值的9.8倍，但由于各類電設備在用能效率上的不同，效能上相差很大。依據成本相等方法，測算理論上的等效能價格，公式為

式中：pgas為天然氣價格；為等效能電價；ηgas、ηep分別為天然氣設備與電設備的效率；Hgas、Hep分別為天然氣與電力的當量熱值。

根據表1和表2，以公共建筑為例，與天然氣設備相比，電鍋爐的等效能電價為0.382 4元/kWh，電熱泵的等效能電價為0.877 9元/kWh，兩者相差很大，因此不能以此作為通用的、唯一的電采暖與其他能源供暖的經濟性比較標準。

表1 天然氣、電力當量熱值及鍋爐效率對比

表2 燃煤供熱、天然氣、電力的價格和供熱配套費

（2）臨界電價

由于天津地區目前未執行天然氣分時價格，而在很多行業執行了峰谷電價。在執行峰谷電價的行業里，理論上的等效能電價不能準確反映電能替代技術的經濟性。而根據實際發生成本測算得出的臨界電價，更能夠反映實際應用中的經濟性。按照電供熱和天然氣供熱全采暖季運行費用相等的原則，測算得出電供熱的臨界電價[17]。臨界電價測算公式為

式中：E為電采暖設備用電量，Vgas為燃氣集中供熱每采暖季總用氣量分別為電采暖設備和燃氣鍋爐維護成本。

若電供熱運行均電價高于臨界電價，相差值為負，負值越小，則說明應用電能替代技術經濟性越好。

3.3 非居民供熱經濟性分析

非居民供熱領域，以土壤源熱泵和水蓄熱電鍋爐2種為例進行分析。

（1）建設成本分析

根據調研分析得出非居民供熱建設成本情況，如表3。對于建設方來說，燃煤、燃氣鍋爐集中供熱收費標準一樣。天津地區非居民集中供熱收費標準為160元/m2，加上內部供熱管網和散熱設施費，燃氣鍋爐集中供熱建設成本約為235元/m2。水蓄熱電鍋爐建設成本約為155元/m2，比燃氣集中供熱少80元/m2，等年值與燃氣集中供熱相當；土壤源熱泵初期建設成本較高，約為355元/m2，等年值成本約為燃氣鍋爐集中供熱的2倍。

表3 非居民供熱建設成本比較元/m2

（2）運行費用分析

將用電成本和用氣成本折算成單位面積供熱成本進行對比分析。下面式（5）、式（6）分別表示電采暖和燃氣鍋爐單位面積供熱成本計算公式式中：A為供熱面積；pc、pf、pv分別為峰、谷、平價格，燃氣不分峰谷。

表4 非居民供熱運行費用比較

根據調研分析得出非居民供熱運行費用情況，如表4。土壤源熱泵與水蓄熱電鍋爐運行費用分別為33元/m2、35元/m2，比燃煤鍋爐集中供熱運行費用低5～7元/m2，比燃氣鍋爐集中供熱運行費用低8.8～10.8元/m2。

以燃氣集中供熱運行費用為對比基準，從表5可以看出，土壤源熱泵效能高，等效能電價高于實際運行均電價；水蓄熱電鍋爐等效能電價低于實際運行均電價。表明在能源使用效率方面，土壤源熱泵高于燃氣鍋爐和水蓄熱電鍋爐。根據公式（3）和（4），測算土壤源熱泵和水蓄熱電鍋爐的臨界電價，實際運行均電價都比臨界電價少約0.14元/kWh。表明土壤源熱泵運行經濟性最高，其次是水蓄熱電鍋爐，最后是燃氣鍋爐集中供熱。

電力可近似認為“零排放”，而燃氣鍋爐二氧化碳排放量則是燃煤鍋爐的一半。表5為非居民供熱等效能電價、臨界電價與運行均電價比較。

表5 非居民供熱等效能電價、臨界電價與運行均電價比較元/kWh

3.4 居民供熱經濟性分析

居民供熱領域中電能替代技術有電熱膜、碳晶板、發熱電纜等幾種，其中電熱膜技術在天津推廣面積比較大。以電熱膜為例，分析居民供熱經濟性。

（1）建設成本分析

根據調研分析得出居民供熱建設成本情況，如表6。天津地區居民集中供熱收費標準為122元/m2，加上內部供熱管網和散熱設施費，對于建設方來說，燃氣鍋爐集中供熱建設成本為225元/m2。電熱膜采暖不需要建設管網，對于滿足3步節能標準及以上的住宅小區，現有居民住宅電力配套標準（50 W/m2）基本滿足冬季電采暖用電需求，不增加電力配套成本。對于建設方來說，電熱膜建設成本160元/m2，使用壽命為50年，等年值成本比燃氣鍋爐約低30%。

表6 居民供熱建設成本比較元/m2

（2）運行費用分析

根據調研分析得出居民供熱運行費用情況，如表7。電熱膜熱效率達到98%，在嚴苛條件下，運行費用為33.2元/m2；用戶實施調低采暖溫度、關閉不常用區域采暖等行為節能情況下，運行費用為21.4元/m2。因此，電熱膜運行費用低于燃氣鍋爐。與燃煤鍋爐相比，重點在于用戶用能是否粗放，在執行行為節能后，運行費用較燃煤鍋爐低。

以燃氣集中供熱運行費用為對比基準，從表8可以看出，電熱膜等效能電價低于執行電價，但比測算得出的臨界電價低約0.16元/kWh。表明電熱膜運行經濟性高于燃氣鍋爐集中供熱。

表7 居民供熱運行費用比較

表8 居民供熱等效能電價、臨界電價與執行電價比較元/kWh

4 結論

根據現有材料，經過上述分析，可以看出：

（1）建設成本方面：土壤源熱泵建設成本等年值約為燃氣鍋爐的2倍左右；水蓄熱電鍋爐、電熱膜在建設成本上面優于燃氣鍋爐。

（2）運行費用方面：非居民供熱領域，土壤源熱泵、水蓄熱電鍋爐均比燃氣、燃煤鍋爐集中供熱運行費用低5元/m2以上，運行均電價低于臨界電價約0.14元/kWh，經濟性明顯。居民供熱領域，電熱膜運行費用低于燃氣鍋爐，運行均電價比臨界電價低約0.16元/kWh，在用戶實施行為節能后，甚至比燃煤鍋爐運行費用還低。

（3）以上燃氣熱源配套費用未計入管網建設費用，在廣大城郊和農村等地區的供熱供氣管網覆蓋率較低，而管網建設成本巨大，適宜在該區域優先推廣電采暖。

（4）需要平衡峰谷電價引起的電力公司收益損失。峰谷電價下，水蓄熱電鍋爐、電熱膜運行均電價為0.5元/kWh左右，比平均銷售電價低約0.2元/kWh。

（5）隨著清潔煤技術及風電和光伏技術的發展，通過特高壓電網從外部輸入的電力可近似認為“零排放”。而燃氣鍋爐二氧化碳排放量雖是燃煤鍋爐的一半，但燃煤改燃氣形成規模效應后，二氧化碳排放總量將會很大。

（6）需要進一步提高對電能替代的認識，理順能源發展相關方的利益關系。從有利于天津市能源安全和天津市經濟社會發展大局出發，正確引導各類清潔能源發展。充分利用電、氣、潔凈煤、新能源等各自應用特點，合理配置，優化終端能源應用結構，提高終端能源利用效率，保障能源安全。

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