電采暖典型技術綜合效益評價研究

周景宏 王春建 王靜

摘要：近年來我國持續出現大范圍霧霾天氣，城市燃煤供暖引發的環境污染問題再次引人關注。電采暖作為一種新型的采暖方式，是應對化石能源危機和環境問題的重要途徑。本文首先對電采暖典型技術進行了分析，為電采暖方式選擇提供了建議;繼而以某地區項目為例將其應用電采暖與其它采暖方式從費用年值、能耗量、污染物排放量等方面展開了經濟、環境效益的綜合評價，對電采暖技術的綜合效益進行全面的量化評價，并依據評價結果給電采暖的健康發展提供建議，對于電采暖實施推廣有重要的現實意義。

Abstract： The continuous severe haze weather has been experiencing in China recent years， which drew attention about the air pollution problem caused by the coal-fired heating in northern cities. Electric heating as a new type of heating method， it is an important technique to deal with the fossil energy crisis and environmental problems. This paper firstly analyzed the technical scheme of electric heating and provides suggestions for the choice of electric heating mode. Then， taking a project in a certain area of China as an example， the application of electric heating and other heating methods from the annual cost， energy consumption， pollutant emissions and other aspects of the economic and environmental benefits evaluation， comprehensive evaluation of the benefit of electric heating technology was finished to obtain revelation for development based on evaluation result. Thus， this research has important practical significance for the implementation of electric heating technique.

關鍵詞：電采暖技術;經濟效益評價;環境效益評價

Key words： electrical heating technique;economic benefit evaluation;environmental benefit evaluation

中圖分類號：F426;F299.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0122-04

0? 引言

為應對日益嚴重的化石能源危機和環境污染問題，我國明確了實施電能替代能源發展方向，通過以電代煤、以電代氣、以電代油，推動能源結構性改革，實現能源供應清潔化。電采暖技術作為一種電能替代方式，是解決我國冬季供暖引發大范圍環境問題的重要途徑，能夠獲得經濟、環境和社會等方面的綜合效益。而針對電采暖技術構建合理的綜合效益評價模型，是選擇具有競爭性電采暖方式的必要環節，因此進行電采暖項目的綜合效益評價是十分必要的。

國內外學者對電采暖項目必要性及其效益進行了相關研究，主要包括能效提升[1]、降低污染物排放，顯著提升環境效益[2]、地源熱泵[3]、蓄熱式[4]、分散式[5]和集中式電采暖技術經濟性分析。可以看出研究者在考慮電采暖應用技術及效益的過程中，主要是將電采暖技術和效益分開來看，并僅從單一的經濟、環境或社會等角度對電采暖效益進行了分析，不能整體體現電采暖技術的競爭性。針對這一問題，本文構建電采暖技術綜合評價模型，以華北某地區項目為例將其應用電采暖與其它采暖方式從費用年值、能耗量、污染物排放量等方面展開了經濟、環境、社會三個角度的綜合分析研究，對電采暖項目綜合效益進行了綜合量化評價，評價結果對電采暖的健康發展提供一些建議。

1? 評價體系構建

在進行電采暖典型項目綜合效益評價時，首先對電采暖技術方案進行分析，確定采暖對象可采用的各種電采暖形式，再與其他非電采暖方式經濟性、節約能耗、污染物減排等方面的對比分析來論證電采暖的技術可行性、經濟合理性和社會環境友好性，研究思路如圖1。

1.1 電采暖技術分析

1.1.1 電采暖對象及技術介紹

在電采暖技術的應用選擇時，需針對不同類型采暖對象，因地制宜的選取與其相適應的電采暖技術，充分發揮電采暖的應用優勢，實現電采暖應用的效益最大化。如果不能根據采暖對象及其所處地區具體實際情況選擇最適宜的電采暖技術和設備，將可能導致運行中故障頻出，運行費用高出正常水平，不能發揮出電采暖的應有效果。電采暖對象主要包括：山區、農村等分散建筑;居民、商業小區等集中建筑;廠房、商場、學校、辦公樓等公共建筑。

近年來，隨著電采暖產業的發展，電采暖技術不斷創新，可供選擇的電采暖方式和技術種類繁多，各種新型電采暖設備不斷涌現。目前，國內的電采暖技術主要分為電阻式和熱泵式，其中電阻式主要包括電鍋爐、電暖器、電熱膜和電熱地板，熱泵式主要包括氣源、水源、地源熱泵[5]，各類電采暖技術如圖2所示。

1.1.2 電采暖技術選擇

本文針對各種電采暖技術的特點，為不同類型的電采暖替代對象采用電采暖形式提供了選擇建議。在熱力（燃氣）管網無法達到的山區、農村等分散式居民住宅，可推廣蓄熱式電鍋爐、電暖器和電熱膜等分散電采暖技術，以加快新一輪農村電網改造升級;對集中的居民、商業小區這類建筑可采用電鍋爐和熱泵式進行采暖，其產生的熱媒（熱水或蒸汽）由集中供熱管道輸送到每個房間，很大程度上提高了資源利用率，降低了資源的消耗;對包括廠房、商場、學校、辦公樓在內的公共建筑可采用電暖器和相變電熱式電熱地板等采暖方式，使公共建筑的施工工藝更加符合綠色節能的概念。

1.2 電采暖綜合效益評價

結合不同電采暖項目帶來的經濟性和社會性影響因素，經過文案調查、實地調查、專家調查等途徑，采用定性分析與定量分析相結合的方法，將電采暖綜合效益評價指標分為經濟效益指標、環境效益指標和社會效益指標3類一級指標，10類二級指標，構建出基于電采暖項目綜合效益評價指標體系，見表1。

1.2.1 經濟效益評價模型

電采暖經濟效益評價模型考慮項目初始投資成本和運行成本，引入費用年值概念，將初投資成本按項目壽命周期折舊到每一年，在與每年的運行費用相加得到，通過計算項目費用年值 AW，可以對比不同壽命周期的項目進行經濟效益對比，計算公式如下：

其中，i為投資收益率，取 10%;n為壽命期;Co為初投資費用;C為年運行費用。

1.2.2 環境效益評價模型

采暖期環境效益主要體現在替代傳統化石燃料污染物排放量，污染物排放量與采暖能耗量有著直接的關系，因此將除天然氣之外的能耗量統一折算為標準煤的消耗，再根據標準煤的消耗量計算各自的污染物排放量，設定標準煤低位燃料熱值29.27MJ/kg。不同形式標準煤燃燒污染物排放因子如表2所示。

污染物排放量=排放因子×單位面積能耗量 （3）

2? 實例分析

2.1 數據選取說明

隨著住宅小區建筑規模的不斷擴大，人們對環境的要求越來越高，房間冬季供暖需求逐年增加。我國秦嶺和淮河以北的華北、西北、東北三北地區一直是傳統的主要供暖地區，在這些地區冬季供暖是居民生產和生活的必要條件。并且其他的4個地區并不全是不需要采暖，只是這幾個地區的大部分區域根據國家規定沒有集中供暖的政策要求，一般采用分散電采暖。各地區采暖期及主要采暖方式見表3。其中，建筑物類型設定為普通住宅，建筑面積設定為11111m2，供暖時段為120天。據本文建筑物特點，取采暖熱指標為63W/m2，因此采暖設計熱負荷約為0.7MW。

目前，我國華北地區對集中的居民、商業小區這類建筑主要采暖方式可分為以煤碳、天然氣為能源的采暖方式、電采暖方式三類，其中由1.1.2電采暖技術選擇建議可知電采暖可選用的技術主要有地源熱泵和電鍋爐。因此項目冬季采暖可選用的方式主要有以下四種：①燃煤鍋爐房;②燃氣鍋爐;③地源熱泵式;④電鍋爐。

2.2 評價過程

2.2.1 經濟效益評價

①初始投資費用。

由基礎數據計算得電鍋爐房初投資總費用為132.35萬元。并對電采暖和其它采暖方式的初投資進行測算，并將對比方案的初投資折算到單位供暖面積進行比較，如表4所示。

通過對比項目燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、地源熱泵、電采暖四種采暖方式的初投資費用，可以發現，地源熱泵采暖系統在初投資方面要顯著高于其它采暖方式，電鍋爐采暖和燃煤、燃氣采暖初投資費相近。

②運行維護費用。

住宅樓設計負荷設定為700kW，計算采暖季總熱負荷，采暖期120天，每天采暖24h，熱負荷平均系數取值計算為0.66：則該住宅采暖季總熱負荷為1.33×106kWh。通過上文的計算，表5給出了幾種采暖方式的單位采暖面積運行費用比較結果。

③不同采暖方式費用年值。

費用年值是將初投資費用按設備的壽命周期折舊到每一年，在與每年的運行費用相加得到，通過計算項目費用年值AW，可以對比不同壽命周期的項目進行經濟效益對比，各種燃煤、燃氣鍋爐、外網的使用壽命均取15年;地源熱泵使用壽命20年;電鍋爐系統25年，上面分別對幾種采暖方式的費用年值進行了測算，現將對比方案的費用年值折算到單位供暖面積進行比較，比較結果見表6。

通過對比某普通居民住宅小區各種采暖方式的費用年值，可以發現電鍋爐直接電采暖費用顯著高于其它采暖方式，比費用年值最低的地源熱泵電采暖系統高75.56%，比燃煤鍋爐房高59.98%，比燃氣鍋爐房還要高15.11%。因此可以得出，電鍋爐直接電采暖進行采暖經濟效益不好，經濟上可行性不大;地源熱泵電采暖費用遠低于其它采暖方式，具有良好的經濟效益。

2.2.2 環境效益評價

電采暖方式替代燃煤鍋爐采暖的環境效益主要體現在減少散布在城市各處的鍋爐房煤炭燃燒直接向大氣中排放污染物，不同電采暖方式折算的污染物排放量數據如表7所示。

本文選用地源熱泵和電鍋爐的采暖能耗和污染物排放量進行模擬計算，并以燃煤鍋爐房、燃氣鍋爐房采暖作為對比進行研究，論證電采暖方式的環境效益。將幾種采暖方式污染物排放量進行對比如表1所示，可以發現利用火力發電廠生產的電能進行電鍋爐采暖與采用清潔能源發電的電鍋爐采暖污染物排放差別巨大，且多種電采暖方式中地源熱泵系統供熱的環境效益最優，是最具有環境效益的供暖方式。

3? 結論

為更好地了解電采暖典型技術，推進采用這一新型的采暖形式，本文對電采暖典型技術進行了綜合評價，并從經濟、環境效益角度將電采暖與燃煤、燃氣等采暖方式進行了深入的對比研究，得出了以下結論：

①對國內的主要電采暖技術進行了分類，主要分為電阻式和熱泵式，其中電阻式主要包括電鍋爐、電暖器、電熱膜和電熱地板，熱泵式主要包括氣源、水源、地源熱泵;對各種電采暖技術特點進行了介紹，并依據各種電采暖技術的特點為各類采暖對象的電采暖應用技術提供了建議;同時應注意在進行電采暖應用技術的選擇時，要針對不同類型采暖對象，因地制宜的選取與其相適應的電采暖技術，充分發揮電采暖的應用優勢，實現電采暖應用的效益最大化。

②相較而言，電鍋爐直接電采暖經濟上可行性不大。通過對比某普通居民住宅小區各種采暖方式的費用年值，可以發現電鍋爐直接電采暖費用要顯著高于其它采暖方式，比費用年值最低的地源熱泵電采暖系統高75.56%，比燃煤鍋爐房高59.98%，比燃氣鍋爐房還要高15.11%。可以看出，地源熱泵電采暖費用遠低于其它采暖方式，但實際應用中發現，其限制條件過多，不能廣泛應用。

③電采暖對采暖地環境效益顯著，對發電地環境有不良影響。采用火力發電廠生產的電能進行電鍋爐和地源熱泵電采暖對采暖地污染物幾乎為0，但是對發電地，各種污染物排放量較多。電采暖能讓污染源轉移，使采暖季城市環境有所改善，但目前火電廠的發電效率不高，以及脫氮、除塵技術的限制，采用直接電采暖會增加污染物的排放量，僅CO2排放量就比比燃煤鍋爐房高56.4%、比地源熱泵機房高344.7%、比燃氣鍋爐房高260.6%;長遠來看，直接采用火力發電廠生產的電能進行采暖的方式對環境帶來極大的危害;而采用清潔能源發電進行電采暖能有效降低發電地能耗和污染物的排放，顯著提高電采暖環境效益。

參考文獻：

[1]Chu K， Kim D， Sohn Y， et al. Electrical and Thermal Properties of Carbon-Nanotube Composite for Flexible Electric Heating-Unit Applications[J]. IEEE Electron Device Letters， 2013， 34（5）：668-670.

[2]叢艷輝，張齊斌.淺析電采暖技術應用的經驗[J].科技創新與應用，2016（29）：140.

[3]呂維斯，陳云濤.電采暖技術在我國的應用現狀分析[J].科技創新與應用，2016（29）：151.

[4]Sanbao Y E， Diao Y， Zhao Y. Heat Storage-Release Property of Phase-Change Thermal Storage System with New Flat Heat Pipe[J]. Electric Power Construction， 2014， 35（7）：136-140.

[5]張劍，吳亮，袁新潤，等.分散電采暖在天津地區的應用分析[J].電力需求側管理，2015，17（6）：33-36.

[6]Bi Y， Chen L， Wu C. Heat source performance for solar–ground source heat pump[J]. Journal- Energy Institute， 2016， 78（4）：185-189.

[7]Hein P， Kolditz O， G？觟rke U J， et al. A numerical study on the sustainability and efficiency of borehole heat exchanger coupled ground source heat pump systems[J]. Applied Thermal Engineering， 2016， 100：421-433.

[8]Oliver D， Groulx D. Thermo-economic assessment of end user value in home and community scale renewable energy systems[J]. Journal of Renewable & Sustainable Energy， 2012， 4（2）：1295-1300.

[9]Blum P， Campillo G， K？觟lbel T. Techno-economic and spatial analysis of vertical ground source heat pump systems in Germany[J]. Energy， 2011， 36（5）：3002-3011.