天津电能替代形势与电采暖经济性分析

袁新润，吴 亮 ，张 剑 ，项添春

（1.国网天津市电力公司，天津 300384；2.国网天津市电力公司 电力科学研究院，天津 300384；3.国网天津节能服务有限公司，天津 300384）

发达国家早在20世纪90年代起就十分重视电能替代工作，但多数发达国家并非像我国一样终端用能以煤为主，研究及应用主要集中于电动汽车、家庭电气化和新能源发电等几个方面。文献多采用成本—效益对比分析法来研究电能替代的可推广性。文献[4]还引入了全寿命周期的概念以更全面地测算电能替代中新设备、新技术应用的成本和效益。在技术、经济指标的选取方面则主要对节电量、峰荷削减量、有害气体减排量以及动态投资、运维费用、用户可节省电费等指标进行测算和分析。

虽然电能替代的概念近年才在我国被正式提出，但关于终端用能领域中电能与其他能源的对比论证，学术界却早有研究。早期的研究主要集中于对电能取暖方式和集中供暖方式的对比论证；电能、天然气、液化气、汽油等终端应用的能效对比；有些文献还通过问卷调查和市场分析，研究电代气、电代煤市场潜力。

但目前的研究还存在几方面的问题：对电能替代技术尚缺乏系统的研究分析；对电能替代技术推广的经济性尚缺乏可靠的依据。这些问题将会影响电能替代推广工作的成效。为此，本文调研分析天津地区的电能替代形势，并对电能替代技术进行系统分析，针对天津地区供热需求大的实际情况，着重介绍电采暖技术，并分析其经济性。

1 天津终端能源消费现状及电能替代形势分析

天津是典型的能源输入型工业化城市，煤炭、天然气等能源主要依靠外省区调入。下面依据终端能源消费状况、及政府出台的一系列规划方案进行分析。

1.1 煤炭消费状况及形势

2013年，天津市煤炭消费总量5 338万t。其中，终端煤炭消耗2 173 t，占40.7%，主要集中在供热及工业领域，是城市主要大气污染源。按照“美丽天津一号工程”的要求，到2017年净削减煤炭消费总量1 000万t。即2017年，燃煤消耗总量需要控制在4 300万t以下。

目前，天津市共有燃煤锅炉约有6 845台，5 t/h以下的燃煤锅炉有3 569台，占52%，共6 826.91 t。其中，供热燃煤锅炉有1 269台，共2 683.49 t，占39.3%；生产用蒸汽燃煤锅炉有2300台，共4143.42t，占60.7%。燃煤锅炉主要集中在环城4区和远郊区县。图1为天津市5t/h以下的燃煤锅炉统计。

1.2 天然气消费状况及形势

（1）天然气需求剧增，供应缺口不断加大

受天然气电厂、供热锅炉“煤改气”等影响，天然气需求剧增，供应缺口不断加大。2014年，天津市全年用量约52.2亿m3，比2013年增长71%。图2为天津市天然气用气量及供气缺口。

图2 天津市天然气用气量及供气缺口

（2）天然气价格短期内进行了多轮上调

由于天然气需求激增，天津市对天然气价格进行了多轮上调：①用气价格调整。2013年按照国家要求先后提高了居民和非居民用气价格。居民用气由每立方米2.2元提高到2.4元，非居民增量用气每立方米由平均2.8元提高到3.25元；②非居民供热价格调整。2013年，天津市对非居民供热价格进行了调整，供热价格由每平米每采暖季36元提高到40元；③2014年居民用气再次调价，由每立方米2.4元提高到2.6元。

（3）燃气供热比重上升，居民供热价格上调压力大

2014年，中心城区和环城4区燃气供热面积增加到7 800万m2，燃气供热比重上升为40%。燃气价格上涨和燃气供热面积不断增加，造成供热成本上升。按照现行燃气价格测算，燃气锅炉供热成本达每平方米每采暖季40多元。

1.3 电能消费状况及形势

（1）电力消费状况

2013年，天津市全社会用电量775亿kWh，其中外购电166万kWh，约占全部用电的20%。发电装机容量1 137万kW，其中煤电1 084万kW，约占95.3%，其余53万kW为燃气、可再生能源等清洁能源装机。

（2）电力网络分布广，供应充足

2013年“镇镇电气化”建设目标已完成，天津市城乡供配电网络更坚强。锡盟至南京、蒙西至天津南2项交流特高压工程已核准开工，可提供500万kW容量，预计2016年外电入津比例将超过30%。

1.4 天津电能替代潜力分析

（1）电能消费比重低，增长空间大

电能占终端能源消费比重是衡量一个地区经济发达程度的重要标志。在终端能源消费里，电能占比越高，越有助于节能减排和能源系统综合效率的提升。统计显示，电能占终端能源消费比重每提高1个百分点，单位GDP能耗可降低4个百分点。

2012年电能占终端能源消费的比重，北京、上海分别为19.80%、17.92%，国内平均约22.38%。而天津仅为14.02%，低于国内平均水平超过8个百分点。随着近些年经济水平的提高、轨道交通领域的电气化应用，到2013年，天津地区电能终端消费水平略有上升。

（2）燃煤淘汰压力大，替代需求高

《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》提出，到2017年底，天津市区淘汰35 t及以下燃煤锅炉，城郊、区县淘汰10 t及以下燃煤锅炉。在供热供气管网覆盖不到的其他地区，改用电、新能源或洁净煤。

为完成2017年底净削减煤炭消费总量1 000万t的目标，天津市政府陆续出台了万企转型、燃煤锅炉淘汰计划、热泵、电动汽车等一系列行动方案，给电能替代提供了良好的机遇。据调研，天津市每年预计新增供热面积约3 000万m2，其中供热管网不能覆盖的约占30%，达900万m2，给电锅炉应用提供了条件。

2 电采暖技术介绍

电能替代，是指充分发挥电能便捷、安全、清洁、高效等优势，面向终端能源消费市场，积极倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新模式，推广应用电采暖、电蓄冷、现代设施农业、家庭电气化和电动交通等，提高电能在终端能源消费的比重，减少化石能源消耗和环境污染。目前市场上应用较成熟的电能替代技术有10多种，涉及供暖、制冷、工业、农业、交通、家居等多个领域，分为以电代煤、以电代油两大类。

国家及各地政府纷纷出台政策，要求通过天然气或电能替代供热与工业燃煤，减少负荷中心直燃煤造成的城市雾霾。本文针对天津地区供热需求大的实际情况，着重介绍电采暖技术。

2.1 分户电采暖技术

（1）技术特点

分户电采暖是将电能转化为热能辐射放热，主要媒介有电热膜、碳晶板、发热电缆等。

（2）使用优点

一是辐射式供暖，无需水，无干燥和闷热感；二是实现分户分室控制，减少不必要热量浪费；三是舍弃管道、管沟、散热器片等设备，可增加约3%的使用面积。

（3）电热膜技术

以电热膜为例，它的发热体由特制油墨及稀有元素组成的碳浆料印刷在基膜上形成，具有热效率高、分时分室控制等优点，尤其适合新建住宅小区供暖配套。电热膜采暖系统由电热膜、T型电缆、连接电缆、电力分配器、膜片温感器、温控器等组成，如图3。通过温控器可以手动或自动分户调节室温。

图3 电热膜采暖系统示意图

2.2 集中电采暖技术

集中电采暖技术主要包括蓄热式电锅炉和热泵两大类技术。

（1）蓄热式电锅炉

蓄热式电锅炉又分水蓄热和固体蓄热2种，通过水、固体相变材料蓄热，将“夜间电”转化为“白天热”，主要用于商场、宾馆、办公楼等公共建筑。主要优点有：一是无需外管网，减少建设投资；二是能源转化效率高；三是无人值守，全自动运行；四是清洁、环保，节省燃煤存储空间。水蓄热电锅炉采暖系统由蓄热水箱、板式换热器、电锅炉、循环水泵、软化水处理器、末端散热器等组成，如图4。

图4 水蓄热电锅炉采暖系统示意图

（2）热泵

热泵主要分为土壤源热泵、水源热泵、空气源热泵，从空气、土壤、水中获取低品位热能，通过热泵机组输出高品位热能，主要用于广泛应用于商厦、办公楼、医院、学校等公共建筑和别墅、居民小区等住宅建筑的供冷（热）。主要优点有：一是利用可再生能源，对环境无污染；二是能效比高，运行费用低；三是冷暖兼备，经济高效。以土壤源热泵为例，采暖系统包括：热泵主机、地埋管换热器、循环水泵、末端散热器等，如图5。

图5 土壤源热泵采暖系统示意图

3 电采暖经济性分析

以天然气作为比较对象，分析电采暖的经济性。

3.1 建设成本经济性比较方法

主要从等年值成本折算进行比较分析，公式为式中：I为初投资；i为折现率，取商业贷款银行利率6.15%；N为设备寿命，年。

3.2 运行费用经济性比较方法

以天然气为基准，通过测算电采暖设备的等效能电价和临界电价分析其运行经济性。

（1）等效能电价

天然气当量热值是电力热值的9.8倍，但由于各类电设备在用能效率上的不同，效能上相差很大。依据成本相等方法，测算理论上的等效能价格，公式为

式中：pgas为天然气价格；为等效能电价；ηgas、ηep分别为天然气设备与电设备的效率；Hgas、Hep分别为天然气与电力的当量热值。

根据表1和表2，以公共建筑为例，与天然气设备相比，电锅炉的等效能电价为0.382 4元/kWh，电热泵的等效能电价为0.877 9元/kWh，两者相差很大，因此不能以此作为通用的、唯一的电采暖与其他能源供暖的经济性比较标准。

表1 天然气、电力当量热值及锅炉效率对比

表2 燃煤供热、天然气、电力的价格和供热配套费

（2）临界电价

由于天津地区目前未执行天然气分时价格，而在很多行业执行了峰谷电价。在执行峰谷电价的行业里，理论上的等效能电价不能准确反映电能替代技术的经济性。而根据实际发生成本测算得出的临界电价，更能够反映实际应用中的经济性。按照电供热和天然气供热全采暖季运行费用相等的原则，测算得出电供热的临界电价[17]。临界电价测算公式为

式中：E为电采暖设备用电量，Vgas为燃气集中供热每采暖季总用气量分别为电采暖设备和燃气锅炉维护成本。

若电供热运行均电价高于临界电价，相差值为负，负值越小，则说明应用电能替代技术经济性越好。

3.3 非居民供热经济性分析

非居民供热领域，以土壤源热泵和水蓄热电锅炉2种为例进行分析。

（1）建设成本分析

根据调研分析得出非居民供热建设成本情况，如表3。对于建设方来说，燃煤、燃气锅炉集中供热收费标准一样。天津地区非居民集中供热收费标准为160元/m2，加上内部供热管网和散热设施费，燃气锅炉集中供热建设成本约为235元/m2。水蓄热电锅炉建设成本约为155元/m2，比燃气集中供热少80元/m2，等年值与燃气集中供热相当；土壤源热泵初期建设成本较高，约为355元/m2，等年值成本约为燃气锅炉集中供热的2倍。

表3 非居民供热建设成本比较元/m2

（2）运行费用分析

将用电成本和用气成本折算成单位面积供热成本进行对比分析。下面式（5）、式（6）分别表示电采暖和燃气锅炉单位面积供热成本计算公式式中：A为供热面积；pc、pf、pv分别为峰、谷、平价格，燃气不分峰谷。

表4 非居民供热运行费用比较

根据调研分析得出非居民供热运行费用情况，如表4。土壤源热泵与水蓄热电锅炉运行费用分别为33元/m2、35元/m2，比燃煤锅炉集中供热运行费用低5～7元/m2，比燃气锅炉集中供热运行费用低8.8～10.8元/m2。

以燃气集中供热运行费用为对比基准，从表5可以看出，土壤源热泵效能高，等效能电价高于实际运行均电价；水蓄热电锅炉等效能电价低于实际运行均电价。表明在能源使用效率方面，土壤源热泵高于燃气锅炉和水蓄热电锅炉。根据公式（3）和（4），测算土壤源热泵和水蓄热电锅炉的临界电价，实际运行均电价都比临界电价少约0.14元/kWh。表明土壤源热泵运行经济性最高，其次是水蓄热电锅炉，最后是燃气锅炉集中供热。

电力可近似认为“零排放”，而燃气锅炉二氧化碳排放量则是燃煤锅炉的一半。表5为非居民供热等效能电价、临界电价与运行均电价比较。

表5 非居民供热等效能电价、临界电价与运行均电价比较元/kWh

3.4 居民供热经济性分析

居民供热领域中电能替代技术有电热膜、碳晶板、发热电缆等几种，其中电热膜技术在天津推广面积比较大。以电热膜为例，分析居民供热经济性。

（1）建设成本分析

根据调研分析得出居民供热建设成本情况，如表6。天津地区居民集中供热收费标准为122元/m2，加上内部供热管网和散热设施费，对于建设方来说，燃气锅炉集中供热建设成本为225元/m2。电热膜采暖不需要建设管网，对于满足3步节能标准及以上的住宅小区，现有居民住宅电力配套标准（50 W/m2）基本满足冬季电采暖用电需求，不增加电力配套成本。对于建设方来说，电热膜建设成本160元/m2，使用寿命为50年，等年值成本比燃气锅炉约低30%。

表6 居民供热建设成本比较元/m2

（2）运行费用分析

根据调研分析得出居民供热运行费用情况，如表7。电热膜热效率达到98%，在严苛条件下，运行费用为33.2元/m2；用户实施调低采暖温度、关闭不常用区域采暖等行为节能情况下，运行费用为21.4元/m2。因此，电热膜运行费用低于燃气锅炉。与燃煤锅炉相比，重点在于用户用能是否粗放，在执行行为节能后，运行费用较燃煤锅炉低。

以燃气集中供热运行费用为对比基准，从表8可以看出，电热膜等效能电价低于执行电价，但比测算得出的临界电价低约0.16元/kWh。表明电热膜运行经济性高于燃气锅炉集中供热。

表7 居民供热运行费用比较

表8 居民供热等效能电价、临界电价与执行电价比较元/kWh

4 结论

根据现有材料，经过上述分析，可以看出：

（1）建设成本方面：土壤源热泵建设成本等年值约为燃气锅炉的2倍左右；水蓄热电锅炉、电热膜在建设成本上面优于燃气锅炉。

（2）运行费用方面：非居民供热领域，土壤源热泵、水蓄热电锅炉均比燃气、燃煤锅炉集中供热运行费用低5元/m2以上，运行均电价低于临界电价约0.14元/kWh，经济性明显。居民供热领域，电热膜运行费用低于燃气锅炉，运行均电价比临界电价低约0.16元/kWh，在用户实施行为节能后，甚至比燃煤锅炉运行费用还低。

（3）以上燃气热源配套费用未计入管网建设费用，在广大城郊和农村等地区的供热供气管网覆盖率较低，而管网建设成本巨大，适宜在该区域优先推广电采暖。

（4）需要平衡峰谷电价引起的电力公司收益损失。峰谷电价下，水蓄热电锅炉、电热膜运行均电价为0.5元/kWh左右，比平均销售电价低约0.2元/kWh。

（5）随着清洁煤技术及风电和光伏技术的发展，通过特高压电网从外部输入的电力可近似认为“零排放”。而燃气锅炉二氧化碳排放量虽是燃煤锅炉的一半，但燃煤改燃气形成规模效应后，二氧化碳排放总量将会很大。

（6）需要进一步提高对电能替代的认识，理顺能源发展相关方的利益关系。从有利于天津市能源安全和天津市经济社会发展大局出发，正确引导各类清洁能源发展。充分利用电、气、洁净煤、新能源等各自应用特点，合理配置，优化终端能源应用结构，提高终端能源利用效率，保障能源安全。

[1]A M A,Haidar,K M Muttaqi.Impact assessment of electric vehicle demand through load modeling[C]∥In Proceedings of 2013 Australasian Universities Power Engineering Conference,AUPEC 2013.

[2]B J van Ruijven,J Schers,D P van Vuuren.Model-based scenarios for rural electrification in developing countries[J].Energy,2012,38（1）：386-397.

[3]A Tereci,D Schneider,D Kesten,et al.Energy saving potential and economical analysis of solar systems in the urban quarter scharnhauser park.in the Proceedings of the 29th ISES Biennial Solar World Congress 2009[C].ISES 2009,2009（2）：1 814-1 822.

[4]A M Lewis,J C Kelly,G A Keoleian.Vehicle lightweighting vs.electrification:Life cycle energy and GHG emissions results for diverse power train vehicles[J].Applied Energy,2014（6）：13-20.

[5]张晓非，胡纯杰，蒋南波.电能取暖方式替代集中供热方式的探讨[J].科技情报开发与经济，2003（6）：84-85.

[6]李媛媛，牛东晓，李韩房，等.电能在终端能源中的竞争力分析评价指标体系的构建研究[J].华东电力，2008，35（3）：90-94.

[7]吴玲，刘秋华，牛文琪.商业电锅炉替代传统锅炉的调查分析[J].工业技术经济，2012（1）：31-36.

[8]柴晓军.我国火电发展现状与挑战[EB/OL].[2013-11-28].http：//www.cec.org.cn/huanbao/jienenghbfenhui/huanbaochanyejijishufuwu/zhuanjiashijiao.

[9]林坤平，张寅平，狄洪发，等.定形相变材料蓄热地板电采暖系统热性能[J].清华大学学报：自然科学版，2004，44（12）：1 618-1 621.

[10]樊瑛，龙惟定.冰蓄冷系统的碳减排分析[J].同济大学学报（自然科学版），2011，39（1）：105-108.

[11]徐秀知，王淑凡，王巍，等.全数字智能LED植物补光灯控制系统[J].天津工业大学学报，2012，31（4）：57-60.

[12]胡建，肖雨.现代设施农业与传统农业的比较研究[J].科技创新导报，2009（5）：219.

[13]黄细霞，包起帆，葛中雄，等.典型港口岸电比较及对中国港口岸电的启示[J].交通节能与环保，2009（4）：2-4.

[14]黄永红，王成，兰新如，等.临界峰谷电价比在电锅炉蓄热技术中的应用[J].长沙理工大学学报：自然科学版，2014（2）：82-85.