分时电价政策下可时移性电采暖负荷经济性分析

赵忠啟，常喜强，，孙开宁，樊 茂，姚锦松

（1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；3.石河子大学机电学院，新疆 石河子 832003）

0 引言

随着我国经济的快速发展和传统常规能源的持续消耗，环境污染和能源短缺问题也变得越来越严重。与传统形式煤采暖的方式不同，电采暖通过把电能转换为热能，能够为广大采暖用户提供供热保障，有利于减少煤灰烟尘的排放，缓解我国北方地区的空气环境污染［1］。

早在1926 年，欧洲已着手应用电采暖系统；1930年，电采暖被美国推广使用。目前，欧洲和北美地区约有50%以上的电采暖家庭用户［2］。在1970年，许多国家改革了电价制度，分时电价受到了西方国家的大力推行，通过考虑当地居民生活用电习惯、环境、气候等因素，各个地区的分时电价制度时段划分与电力价格会存在一定的差异性。

在20世纪80年代，随着峰谷之间落差逐渐增大，我国为了改善负荷，开始实施分时电价制度，但早期仅用于工业用户的范畴。国家能源局强调突出重点，强化能源民生服务保障，稳妥推进北方地区清洁取暖，2020 年的目标是实现清洁高效的取暖面积增加约15亿m2，且电能在终端能源消费中的占比约为27%［2］。

目前已有较多学者对电采暖运行的经济性进行分析，文献［3］把3 种典型电采暖负荷作为对象，对负荷聚合商参与实时调峰电力辅助服务市场的交易模式进行研究，分析了典型电采暖负荷促进风电消纳的经济性。文献［4］以临界电价法对蓄热式电锅炉项目的经济性研究分析，这种经济性分析方法既可以定性判断项目是否具备经济可行性，又能够对多方案进行优选。文献［5］考虑运行状态的影响，对蓄热式电采暖进行消纳弃风的经济性分析。文献［6］对电采暖系统的热源费用、系统水费及管理费用等运行成本分析。但是，从各个主体角度考虑对电采暖的经济效益进行分析，并分析各个主体间经济效益的影响却鲜有报道。

通过考虑用户运行费用、供暖企业征地初投资费用及燃煤费用、政府采暖污染物治理费用，建立电采暖系统经济性模型及评估方法；以费用年值为评价指标，多能转换、能源高效利用等作为辅助指标，分析分时电价政策对于电采暖这种典型的可时移性负荷的经济效益。

1 电采暖特性分析

目前，市场上涌现出越来越多的电采暖设备。从形式上可分为集中式电采暖和分散式电采暖，从方式上又可分为直热式电采暖和蓄热式电采暖。电采暖主要形式如图1所示。

1.1 电锅炉采暖

电锅炉采暖是通过集中供热管道把产生的热水或蒸汽送入到用户的房间，在形式上为集中式的电采暖。

此外，根据使用功能和加热原理的不同，电锅炉又可分为直热式、蓄热式的方式。直热式的电锅炉运行费用比较高，而且对于夜间的廉价电也不能充分进行利用，引起了电网峰谷差的加大。蓄热式电锅炉可以采用分时电价政策，实现低谷电蓄热，一方面有利于电网的削峰填谷，另一方面促进了消纳大量的弃风弃光电量、优化电网结构。

图1 电采暖主要形式

1.2 热泵采暖系统

热泵为高效节能电采暖设备［7-8］，只需要少量的电能做功，可以把低位热能转换成为高位热能。通过这样的提升热量设备为建筑物供暖，很大程度上减少对一次能源的消耗，提高了一次能源的利用率。

1.3 电暖器

电暖器多用于用户房间内，在形式上为分散式的电采暖。电暖器包括暖风机、电热油汀、移动取暖器等［9］，利用电暖器设备直接对采暖空间空气进行加热，升高供暖房间的温度。

1.4 电热膜

电热膜属于半透明聚酯薄膜，其在接通电后可以发热，在形式上为分散式的电采暖。电热膜主要结构包括可导电的特制油墨、金属载流条经印刷、独立的温控装置等，当其温度达到40～60 ℃的范围内，通过辐射方式能够把产生的热量送入用户的房间。

1.5 相变蓄热电热地板

相变蓄热电热地板属于新颖的采暖方式［9］，通过相变材料储存夜间廉价电转变的热能，并与地板采暖进行结合，既节约了采暖运行费用，又有利于电网的削峰填谷。

2 分时电价政策分析

2.1 可时移性电采暖负荷

可时移性电采暖负荷属于可控负荷的一种，指根据实际情况进行负荷供电时间调整，其对生产过程的连续性要求不高，且可接受实时调度，可以灵活控制，实现前移、后移、中断等。可时移性电采暖负荷调控如图2所示。

图2 可时移性电采暖负荷调控

当煤炭、天然气的价格出现波动上升时，采用分时电价下的电采暖进行取代供暖，同时，由于新能源消纳弃风弃光电量的补充，可进一步降低电价。此外，电采暖与储能装置的结合，能够把低谷的电能转化为热能进行储存，峰电时段放热，可以实现电网削峰填谷，提高电网整体能源利用率［10］。

2.2 分时电价对可时移性负荷调节的影响

分时电价政策不仅有利于用户调整更好的用电方式，还能够增强电力系统的稳定性运行。分时电价的原理是按照一天之中负荷数据曲线大小的不同，具体划分为平段、谷段、峰值，且对应于不一样的电价水平，在新疆地区把平段、谷段均划分为12 h。因此，电采暖用户可以通过在平段电价较高时少用电、在谷段电价较低时多用电的手段，这样既获得了较大的经济效益，在电力系统中又起到了削峰填谷的作用。

执行分时电价政策时，电采暖用户在达到自己所需适宜的供暖舒适度后，为了节省用电的费用水平，会积极改变自己的用电行为，政策的时移激励强度T可以表示为［11］

式中：T为分时电价政策时移激励强度指标；QP2、QP1分别为分时电价政策实施前、实施后平段的用电量大小；QG2、QG1分别为分时电价政策实施前、实施后谷段的用电量大小。

3 电采暖系统经济性模型及评估方法

3.1 用户节约费用

对采暖用户来说，不同供暖设备的功率密度范围不一样，在不同时段所需设定的功率密度大小也不一样。采暖费用与供暖设备的功率密度成正比。用户采用电采暖相对于煤采暖所节约的费用Foc为

式中：C为煤采暖供暖季每平方米取暖耗煤量，t/m2；Cc为标准煤的价格，元/t；M为建筑面积，m2；s为供暖设备功率密度的种类数目；Clp、Cfp分别为低谷、平段电价，元/kWh；Wl.s、Wf.s分别为在低谷、平段时设定的不同时间段供暖设备的供暖密度，W/m2；hl.s、hf.s分别为低谷、平段下不同供暖设备功率密度设定的时长，h；m为供暖铺设面积，m2。

3.2 节约燃煤费用

考虑燃煤提供电采暖所需的能量后，电采暖比传统采暖减少了燃煤消耗量，促进能源的节约。节约燃煤费用Fcc为

式中：Nc为采用电采暖后减少的燃煤量，t。

3.3 节约占地投资费用

不同采暖方式下的锅炉房占地面积是不相同的，则供暖企业对锅炉房占地所需初投资费用会存在很大的区别。电采暖系统比煤采暖系统节约的征地费用Flc为

式中：L为总负荷，MW；Re、Rc分别为热泵机房、燃煤锅炉房单位热负荷占地面积，m2/MW；Cl为征地费，万元/m2。

3.4 电采暖系统利用弃风弃光电量供暖

电采暖可以消纳弃风弃光电量进行能源高效利用，通过新能源弃风弃光电量供暖是对各类企业均有利的一种方式，如可再生能源发电企业、电网企业等。企业关于弃风弃光电量收益费用Fwl为

式中：Nwl为储热式电锅炉消纳的弃风弃光电量，kWh；Cwl为弃风弃光电量单价，元/kWh（低谷电价与弃风弃光电价相同）；Clc为线路网损费，等于增量发电量、网损比例和电能上网单价的乘积［12］，元。

3.5 节约污染物治理费用

在采暖系统的寿命周期内，政府需要支付采暖污染物治理费用。总采暖污排放政府治理费用Fmc与排放的污染物种类有关，即

式中：i为污染物的种类数目；Ni为节约的污染物排放量，t；Ci为采暖污排放染物政府治理费用，元/t。

3.6 经济性评估方法

在分时电价条件下，利用以上电采暖经济性模型，对电采暖系统在一个供暖季比煤采暖系统节约的费用进行计算，考虑到资金的时间价值，需要折算到一个相同的时间点上［13］，这个结果被称为费用年值（Annual Value of Expenses，AE），则表达式为

式中：rd为社会折现率，通常电力行业取为8%；n为年数。

4 算例分析

4.1 基础计算数据

2019年，对于我国的陆上风电来说，电力成本是0.315～0.565 元/kWh，平均发电成本为0.393 元/kWh。而新疆的发电成本处于全国的最低，为0.315元/kWh。

新疆平谷段下的分时电价基础数据如表1所示。

表1 新疆分时电价基础数据

4.2 用户的经济效益分析

选取某小区某户进行电采暖费用测算，该户的电热地膜只铺设于卧室，铺设面积约38.22 m2，建筑面积约为101.9 m2。电热膜供暖系统分时设置如表2所示。

表2 电热膜供暖系统分时设置

新疆供暖季约183 天，标准煤的价格约为707元/t，供暖季煤采暖耗煤约0.05 t/m2，分时电价、煤采暖、风力发电下每天需要的采暖费用分别为8.48 元/天、19.68 元/天、17.1 元/天。不同电价下的采暖费用对比如图3所示。

图3 不同电价下的采暖费用对比

对不同电价下采暖费用的对比可以发现，分时电价下的整个供暖季的采暖费用可以降低50%以上。另外，通过引导居民用能行为及电网对电采暖采用可调整的政策，可以进一步扩大电采暖的经济效益。

4.3 供暖企业的经济效益分析

电采暖能够为供暖企业带来一定的经济效益，其可以用节约燃煤费用、节约征地初投资费用和消纳的弃风弃光电量表征。

以新疆2017 年的供暖季为例，由于采用了分时电价下的电采暖，新疆共计减少煤消耗13.6 万t［14］。整个供暖季，可以节约燃煤费用为0.962亿元。不同采暖方式下的锅炉房占地面积如表3所示。

若总负荷2.8 MW，征地费0.45 万元/m2，热泵机房、燃煤锅炉房的征地费分别为81.9万元、189万元，即电采暖系统可为供暖企业节约的占地投资费用为107.1万元。

表3 不同采暖方式下的锅炉房占地面积 单位：m2/MW

此外，通过蓄热式电采暖消纳弃风弃光电量，不会增加运维成本，供暖企业关于弃风弃光电量收益费用Fwl＞0，即供暖企业一直可以获取稳定的消纳收益费用。因此，只要对弃风弃光电量进行能源高效利用，则经济性一定是可行的。

4.4 政府的经济效益分析

在2017 年供暖季，新疆减少的13.6 万t 煤消耗相当于减排二氧化碳34 万t、二氧化硫1 万t、氮氧化物0.5 万t、粉尘9.27 万t［14］。采暖污排放政府治理费用污染物如表4 所示。整个供暖季，可以节约的政府治理费用为0.516亿元。

表4 采暖污排放政府治理费用 单位：元/t

在分时电价政策的影响下，电采暖相较于煤采暖，可为用户、供暖企业、政府节约的费用年值约为1.38亿元，因此实现多方的共赢，提高经济性。

5 结语

通过建立电采暖系统经济性模型，表明分时电价政策下的电采暖比煤采暖更具有灵活性和经济性，可以减少化石能源利用和污染问题。与传统采暖相比，电采暖不但可以节约费用年值，消纳大量的弃风弃光电量，而且更加顺应未来的发展趋势。

此外，蓄热式电采暖受到了电力企业的推广，既可以利用分时电价降低用户采暖费用水平，又能够平衡用电的负荷状况，发挥削峰填谷的作用。蓄热式电采暖形成分时电价与可时移性、时空特性之间的互动，从而可以最好的利用分时电价。