区域清洁取暖适应性发展模式决策方法

王志强, 王晗钰, 林子鉴, 刘文霞*, 张馨月, 于延涛, 王春建

(1.华北电力大学,新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206；2.国网吉林省电力有限公司,长春 130000)

近年来,中国北方部分城市冬季供暖期雾霾天气频发,严重影响人们正常的生产生活和身体健康[1]。为改善采暖季空气污染,国家大力推行以电能为主的清洁能源替代项目[2-3]。

2017—2018年,北京、天津等首批入选的12个城市共计完成清洁取暖改造面积7.25×108m2,部分城市的农村地区清洁取暖率现已达到60%以上。现有改造中,按供暖方式可分为集中式和分散式,按设备种类主要可分为热泵类、直热式和蓄热式电采暖。

不同供暖方式和设备种类组合的发展模式会对电网、用户和社会产生不同影响:大量空气源热泵同时启动会产生较大启动电流,影响电网稳定运行[4]；蓄热式电锅炉的“低储高放”对电网负荷特性曲线移峰填谷的效果明显,可优化电网运行[5]；电负荷的可转移性能与可再生能源的随机性和间歇性互补,可实现冬季弃风消纳[6]；不同发展模式在投资、运维及采暖费用等方面也存在差异,会对用户经济性、舒适性产生影响[7-8]。

针对上述影响,已有相关文献对清洁取暖项目实际效益进行分析评价:文献[9]采用模糊综合评价方法,对几种电采暖方式的能耗情况、成本经济及环境影响等因素展开综合分析；文献[10]基于模糊数学评判理论从环保、社会及经济三方面对“煤改电”项目进行综合效益评判,并建立了相关评价指标；文献[11]从经济、社会及配网运行等方面,提出了“煤改电”工程综合效益的评价指标体系,可对已完成的项目进行综合效益评价。但目前研究存在较少考虑供暖方式差异性的影响，较少建立综合评价指标体系进行全面、合理评价，较少考虑新能源消纳效益，较多评价均为项目后评价,不能在规划阶段对决策者起指导作用等问题。

综上,本文在调研了北方各省清洁取暖工程实施现状的基础上,构建了涵盖电网、社会和用户三方主体的区域清洁取暖适应性发展模式综合评价体系,并采用云理论将体系中定性指标定量化；选取层次分析法和变异系数法对指标进行权重赋值。建立了以电网方利益为主,用户及社会维度指标作为客观加成的供热方式和设备类型的决策模型；采用极差变换法对计算结果进行归一化处理,最终得到的综合评分结果可为规划区域清洁取暖发展模式提供参考。

1 工程现状及区域适应性分析

1.1 发展模式

通过调研中国现有清洁取暖工程可知,不同地区的实施模式各不相同,主要体现在设备类型和供暖方式两方面。

从设备类型来看,较为常见的采暖设备包括热泵类、直热式和蓄热式三类。热泵类设备可主要分为三类:空气源热泵、水源热泵、地源热泵。这类设备利用少量电能,通过吸收和压缩的方式,把低温热源中分散的热聚集起来加热水或直接为用户供暖,其性能稳定、热效率高,但只能制热无法蓄热。目前应用较为广泛的有空气源热泵、污水源热泵等；此外,目前有关利用干热岩中的地热资源进行供热的研究与应用也越来越多；直热式设备与热泵类设备相似,主要区别在于直热式设备仅能利用电能；蓄热式设备通过耗电产热为用户供暖,能通过储热介质将多余热量储存起来并在需要时释放。蓄热式设备有利于实现停电不停暖、寿命长,但造价较高。目前常见的有水蓄热、相变蓄热电锅炉。

从供暖方式来看,目前普遍采取的有小区集中供暖和分散采暖。其中,小区集中供暖是由小区自行购置安装供热设备集中为小区居民供暖,通常采取物业公司自收费自管理的形式,小区物业公司负责其运行维护。由于供暖系统小且处于小区内部,出现问题后可以及时发现并处理。分散采暖是用户自行采购安装小型供热设备进行采暖,不同于集中供暖,用户可根据自身需求自由调节供暖温度和供暖时间,热量浪费极小且更加方便,但供暖设备需要用户自行购买、维修,相应投资、运行维护费用要比集中供暖高。

1.2 区域清洁取暖发展模式适应性影响因素

不同区域清洁取暖工程的主要区别在于发展模式的不同,通过对现有工程的总结分析发现自然地理环境及人文地理环境是影响模式的重要因素。

1.2.1 自然地理环境因素对发展模式的影响

在区域气候特征方面,不同设备对气候的适应性不同,因此设备种类的选取会对工程实施效果产生影响。以热泵类设备为例,其对环境要求较高,在低温环境中(-10 ℃以下)供热效率较低(能效比由3.0降低到1.8),室内温度可能无法满足用户供暖需求,同时用电量的增大会对电网可靠性产生影响,此外在极端气温下还存在着结霜和供热难等问题[12]。因此热泵类设备更适用于电网运维能力强,或气候温度条件好的地区。

在区域资源条件方面,不同区域新能源利用种类及情况各不相同,同时大规模新能源发电系统接入电网后,其具有的随机性和间歇性会对电网安全性产生威胁,因此在设备选取时,需考虑负荷与新能源匹配情况。以蓄热式电采暖设备为例,其主要在电网低谷时段运行,具有削峰填谷作用,提高了电力设备利用率,改善了电网运行特性,同时其具有的可转移性能够与新能源的随机性和间歇性互补,达到增强风电等新能源消纳的效果。因此蓄热式电采暖设备更适用于新能源利用率高的地区。

1.2.2 人文地理环境因素对发展模式的影响

不同区域的人口密集程度不同,在清洁取暖实施过程中会对发展模式产生较大影响。城市中居民住宅一般为楼房、保温性能较好,且人口密度大,便于集中管理；农村中住宅一般为平房、通常没有保温措施,且人口密度小、分布较为分散,不方便集中管理。因此集中式供暖适用于城市小区住宅,分散式供暖更适用于农村和城市棚户区。

不同区域的经济发展情况不同,不同模式的清洁取暖对电网及电力公司提出了不同的要求和挑战。选用集中式采暖的电采暖负荷分布集中,电网建设全部投资到10 kV及以上,减少了中低压配电网建设,有效补强了主网架,优化了电网网架结构,同时供热站直接供热给用户、并有专人运维,减小了电网的抢修压力；选用分散式采暖后电采暖负荷分布分散,运行同时率较高,对电力系统中低压电网影响较大,尤其是配电网末端的10 kV配变、线路,可能需要新增配变布点,增大导线截面等,还可能造成配电变压器偏移负荷中心,低压线损增大,线路末端用户的电压质量下降,同时加大电网抢修投诉服务压力,运维成本增加。

不同区域的用户消费水平不同,会影响供暖方式及设备种类的选取。集中供暖方式一般在原有供热管道的基础上进行,改造费用低,在供暖期按照传统采暖费计算方法进行收费；分散供暖方式中电采暖设备投资较大,现有的案例中大多由政府承担设备投资费用,少数是政府和用户共同承担。

除了上述自然地理环境和人文地理环境的因素外,仍有其他因素影响着清洁取暖模式的选择。例如不同模式的污染物减排情况、不同模式用户的接受度等。因此建立一个能全方位多角度地对各种模式进行综合评价的评价体系十分必要。

2 区域清洁取暖适应性发展模式决策方法

2.1 区域清洁取暖适应性综合评价指标体系构建

在第1节分析的基础上,为确定区域清洁取暖适应性发展模式并为清洁取暖的推进提供理论支撑,构建了涵盖电网、社会及用户等维度的清洁取暖适应性发展模式综合评价指标体系,该体系包含9个计算指标,如图1所示。

图1 清洁取暖适应性发展模式评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of clean heating adaptive development model

2.2 指标计算方法

本节对清洁取暖适应性发展模式综合评价指标体系中部分指标的计算作具体说明。

2.2.1 定量指标计算方法

(1)电网

①经济性：清洁取暖工程对电网经济性的影响主要体现在成本和收益两方面,采用收益/成本(B/C)评估方法,定义“单位投资的售电收益”指标来反映各模式实施后电网新增成本和售电收益的变化。

(1)

式(1)中:Bdw为单位投资的售电收益；B为电网新增售电收益；C为电网新增成本,万元。Exz，i为工程实施后电网各时段的新增售电量,kW·h；Pxx，i为现行各时段相应电价；i表示用电的峰、谷、平三个时段；cdw为工程配套电网单位造价,元·(kW·h)。

②对系统可靠性的影响：采暖设备类型的差异会使各模式实施后对负荷特性的影响不同,而负荷特性又直接影响配电网可靠性规划[12],因此,研究清洁取暖电负荷对系统可靠性的影响(impact of system reliability,IoSR)具有重要意义。传统配电网可靠性评估方法无法真实全面反映大规模且具有较强季节性和随机性的清洁取暖电负荷接入电网后系统充裕性的变化。因此,采用基于年度负荷持续曲线的指标计算方法[13],通过分层计算不同负荷水平下容载比的期望,反映清洁取暖电负荷接入后对系统可靠性的影响。其表达式为

(2)

式(2)中:Rs,k为每层负荷水平的容载比,其概率分布为pk；Szb，i为某电压等级供电区内公用变电站主变容量；Lk为该电压等级第k层的负荷水平；Tk为第k层负荷持续时间；M为负荷持续曲线被划分的子区间数。

(2)用户

①用户采暖费：用户采暖费指标表示用户在采暖季需支出的相应费用,其结算方式取决于供暖方式,集中式供暖用户采暖费Ccn计算方法如下:

Ccn=Sjzccn

(3)

式(3)中:Sjz为用户房屋面积,m2；ccn为单位面积采暖费,元/m2。

分散供暖用户采暖费Ccn计算方法如下:

(4)

式(4)中:i表示用电的峰、谷、平三个时段；Esb,i分别为各时段对应的电采暖设备用电量；Cbt为政府对用户的采暖电费补贴。

②用户可靠性：用户可靠性指标反映了各模式下配电网故障对用户生活的影响程度。传统配电网可靠性评估中,往往假定主网完全可靠,不区分不同供电通道可靠性水平的差异,没有考虑不同电压等级电网联合故障导致用户停电的情况。因此基于文献[14]提出的自上而下的全电压等级可靠性评估方法,计算供电可靠率指标用以评价用户可靠性。

(3)社会

①土地利用效益：土地利用效益指标表示单位面积土地投入与消耗所实现的物质产出或有效成果,投入土地的面积主要是新建变电站所占面积,实现的最终成果是为用户供热,因此土地利用效益LUB可用式(5)计算。

(5)

式(5)中:N为新增变电站总数目；Qgr,b为第b种模式的总供热量,kJ；Lab为第b种模式下第a个新增变电站的占地面积,m2,可以参考《城市电力规划规范》根据变电站电压等级和主变台数确定。

(6)

式(6)中:ηb为第b种模式下电采暖设备的电热转换效率。

②盈利能力：在清洁取暖工程实施初期,费用大多由政府承担,但随着实施规模的扩大,未来的发展趋势必然是以社会投资为主。模式的盈利能力是第三方投资主体决策的主要依据。根据不同项目盈利能力评价指标的定义及评价内容[15],选择投资回收期Pt来评价各模式的盈利能力,通过计算项目所得收益抵偿全部建设期投资费用所需要的年限,评估项目的抗风险能力。实际工程中通常假设项目每年的收益相同,以收回全投资金额的年限为投资回收期。

对于集中式供暖用户,考虑到实施过程中引入了第三方企业(小区供热站),其Pt的计算方法为

(7)

式(7)中:Ctz为项目建设期投资金额,即清洁取暖设备一次性投资金额；Cdf为供热站向电网缴纳的电费；Cwh为设备日常维护费,通常取设备投资金额的2%。

对于分散式供暖用户,假设未来清洁取暖设备投资由用户承担,则其投资回收期Pt的计算方法为

(8)

式(8)中:Crm为用户采用燃煤供暖需花费的燃煤费用。

③污染物减排效益:煤燃烧排放的污染物主要有CO、CO2、氮氧化物和烟尘四种。由于居民用户不具备监测核定污染物排放种类与数量的条件,因此,居民通过清洁取暖减排的污染物可根据《工业污染物产生和排放系数手册》中的污染物排放系数来计算。

Gwr,x=Qhm,bWx

(9)

式(9)中:Gwr,x为x种污染物的排放量；Qhm,b为清洁取暖实施前第b个模式对应的用户标准煤耗量；Wx为第x种污染物的排放系数。

(10)

式(10)中:煤的转换效率为0.83；标准煤低位发热量为29 288 kJ/kg。

④与新能源互补度：部分清洁取暖电负荷的可转移性能够与可再生能源的随机性和间歇性互补,从而提高新能源的上网电量。负荷用电规律与新能源电源发电规律的适应匹配度可以通过二者的特性曲线轮廓与形状体现,而与具体功率值大小无关[16],采用文献[16]中提出的负荷组合适应度来计算不同模式的电采暖用电负荷与新能源电源之间的匹配关系。

2.2.2 基于云理论的定性指标定量化方法

正态云模型是用语言值表示的某个定性概念与其定量表示之间的不确定性转换模型,它能将指标信息的模糊性和评价者主观判断的随机性集成并反映出来。用户满意度指标反映了用户对实施模式的满意程度,包括清洁取暖实施后用户采暖体感是否舒适、设备故障后用户维修是否方便、设备运行产生的噪声是否对用户生活产生影响等方面。在实际中用户不易给出一个确定的分值,但易给出指标的自然语言描述,如“非常满意、比较满意、不满意”等评语。因此本文基于云理论,使每一种语言描述对应一个云模型(Ex1,En1,He1),综合h个用户的评语得到定性指标的云评语(Ex,En,He),其中:

(11)

(12)

(13)

用户满意度指标定量化数值取其云评语中的期望Ex。

2.3 区域清洁取暖适应性发展模式的决策方法

清洁取暖发展模式具有可实施性的前提是用户的使用利益不受损,即用户在清洁取暖实施后支出的采暖费不应超过原本使用燃煤供暖时的费用。因此将“用户采暖费变化量”作为所有发展模式的初步筛选条件,只有用户采暖费相较于原燃煤取暖方式减小的模式才可进入下一轮综合评价,即满足如下约束:

ΔCcn=Ccn-C′cn>0

(14)

式(14)中:C′cn为用户使用燃煤供暖的支出费用。

清洁取暖适应性发展模式评价指标体系中包括电网、用户和社会三个维度,通过对现有清洁取暖项目调研发现,大部分项目均由电网公司主导开展。因此在决策时以电网方利益为主,用户和社会维度指标作为电网效益的客观加成,客观地反映了电网企业承担的社会责任。因此采用加权评分法建立了针对供热方式和设备类型的决策模型:

(15)

式(15)中:S为每种模式的综合得分；U为用户维度的评价系数；K为社会维度的评价系数；α1、α2分别为电网经济性和对系统可靠性的影响两个指标的权值。

2.3.1 用户维度的评价系数

U=β1U1+β2U2+β3U3

(16)

式(16)中:U1、U2、U3分别为用户采暖费、可靠性和满意度得分；β1、β2、β3分别为各指标权值。

2.3.2 社会维度得分

K=γ1K1+γ2K2+γ3K3+γ4K4

(17)

式(17)中:K1、K2、K3、K4分别为土地利用效益、盈利能力、污染物减排效益及与新能源适应度指标的得分；γ1、γ2、γ3、γ4分别为各指标权值。

在构建评价指标体系时,尽可能地去除了各维度指标的相关性,各指标间的差异度较大。在用户维度指标权重设置过程中,考虑到用户维度主要关注的是清洁取暖工程实施后用户主观的感受和意见,同时在对用户进行问卷调查过程中发现用户反馈结果较为一致,因此选择以决策者主观判断为根据的主观赋权法进行权值设置,采用应用较为广泛的具有将复杂问题层次化、将定性问题定量化的层次分析法[17]。在社会维度指标权重设置过程中,考虑到社会维度主要是为反映清洁取暖工程对全社会的影响程度,在评价过程中可获得大量数据,因此为反映出指标数据自身的信息,选取以客观数据为根据的客观赋权法。由于关注不同发展模式的区域适应性差异,所以选取根据各个指标在所有被评价对象上观测值的变异程度大小的变异系数法对社会维度指标进行赋权[17]。

数据主要来源于电网公司历史统计数据、实际调研数据和仿真计算结果数据,各项指标的最值基本能够确定,不易发生变化。因此,选用极差变换法[18]作为指标归一化的处理方法。

3 算例分析

3.1 基础数据

取京津冀地区某乡镇的实际数据建立测试算例,该地区目前处于农村城市化的过渡阶段,兼具城市与农村的特点,在建筑类型上通常包括平房和楼房,在居民类型上既有上班族也有务农人员,还包括小商贩等类型。该地区冬季室外温度约为-10～10 ℃,供暖期约为120 d,工程实施前一个采暖季户均燃煤支出费用约4 000元左右。其余参数如表1所示。改造区供电面积为5.74 km2,属于C类供电区。项目实施前已有110 kV变电站一个,以单母线分段接线方式为主,2 台20 MV·A主变,上一年度冬季最大负载率达65%,已无可开放容量,无法接入地区新增负荷。假设每台变压器的出线数量相同,均为12 回。基于该区域实际情况及上文对目前设备种类及性能的分析,提出四种发展模式:模式1为基于空气源热泵的分散采暖；模式2为基于相变蓄热电锅炉的分散采暖；模式3为基于污水源热泵的集中采暖；模式4为基于水蓄热电锅炉的集中采暖。

表1 常规参数

四种发展模式下的供暖期用户电负荷特性预测结果如表2所示。

表2 各模式4万户居民采暖季负荷预测结果

3.2 不同模式下各主体指标计算结果分析

根据式(1)～式(13)分别计算电网、用户和社会各项指标。在计算新能源互补度时,考虑到北方地区气候特点与电源结构特点,选择风电进行适应度分析。计算结果如表3～表5所示。

表3 各发展模式下电网评价指标计算结果

表4 各发展模式下用户评价指标计算结果

表5 各发展模式下社会评价指标计算结果

由表3中数据可见,在模式4下,电网单位投资的售电收益最好,表明选择该模式电网经济性最好。IoSR主要反映了清洁取暖电负荷接入电网后对电力系统供电能力的影响,该指标值越大,表明电网充裕性越好,可靠性越高。根据计算结果,模式4对系统可靠性的影响最小。这一结果也验证了1.2节的分析,蓄热式电采暖设备具有削峰填谷作用,能有效改善电网的运行特性,同时基于集中供暖的发展模式,电网新建配套供电工程大部分投资到10 kV及以上,优化了电网网架结构。

由表4中数据可以看出,对用户而言,在分散供暖方式下其具有更多的自主性,用户能根据自身需求更加合理的安排用能时间,节约采暖费用；而集中供暖方式虽然采暖费略贵,但用户无需投入精力,更加省时省心,体验更佳,满意程度更高。考虑到空气源热泵无法储热的特点,即使其能效比相较于电锅炉更高,其经济性仍然较差,且一旦停电用户将无法继续采暖,用户可靠性较差。因此,从用户角度出发,在四种模式中,模式2经济性最好,模式4用户满意度和可靠性均最高。

分析表5中数据,模式3的土地利用效益、污染物减排量及与新能源适应度在四种备选模式中都处于较好的水平,但其盈利能力较差,其原因主要在于设备初期投资成本较大,这也是热泵设备的缺点之一。污染物减排量主要由清洁取暖工程实施所节省的煤耗量决定,虽然环境温度低于5 ℃后,热泵机组能效会开始衰减,但其电热转换率仍然比电锅炉效果好,污染物减排量较多。相较于蓄热式电锅炉只在夜间启动,热泵类设备由于自身无法储能需要全天开启耗电,其负荷的用电规律对风力发电规律的适应度更高。

3.3 区域清洁取暖适应性发展模式决策结果分析

首先采用极差变换法对表3～表5中的指标数据进行标准化处理。结果如表6所示。

表6 各指标归一化结果

对各项指标进行赋权。对于电网来说,其首要任务是为用户供电,保障供电可靠性的重要程度应大于电网经济性,因此,计算过程中,α1和α2分别取0.4和0.6。用户和社会维度的指标权值根据2.3小节所确定的赋权方法进行计算,结果如表7所示。

表7 各指标权值分布

在计算每种模式的综合得分时,首先采用式(15)对四种备选发展模式进行初筛,经过计算四种模式实施后的采暖费用均小于实施前的燃煤采暖费,具有一定的经济可行性,能够进入下一阶段的综合评价环节。

根据2.3节所建立的决策模型计算4种发展模式的综合评价得分,结果如表8所示。

表8 各模式综合得分

由表8中的数据可以看出,对该乡镇地区来说,综合得分最高的发展模式是模式4,综合得分最低的是模式2。综合对比表3～表5中数据的分析结论可知,虽然该模式在社会维度的效益稍差,但从电网维度和用户维度出发,该模式能更好地满足二者的利益需求,因此综合三个维度的效益来看,模式4更符合区域的发展需求,同时,基于热泵类(直热式)设备的发展模式由于设备本身无法储能的缺点使其多项指标结果较差,在未来实施过程中应考虑搭配储能装置使用,以提高其经济效益。

4 结论

为提高清洁取暖的综合效益,提出了区域清洁取暖适应性发展模式的综合评价方法。通过对实际试点工程实施情况的调研分析,总结了供暖方式和设备类型对清洁取暖实施的影响；进而,在考虑各方主体利益、建筑类型及用户用能习惯等多方面影响因素的基础上,构建了涵盖电网、用户和社会三个维度的清洁取暖适应性发展模式评价指标体系,并建立了针对供热方式和设备类型的决策模型；在此基础上,以京津冀地区某乡镇为对象建立了测试算例,并对所提的四种发展模式进行了综合评价,计算结果表明,该区域清洁取暖适应性发展模式为基于水蓄热的小区集中供热模式,对实际清洁取暖工程给予了理论支撑。此外,提出的四种典型发展模式主要是基于对现有清洁取暖工程的调研总结,随着供暖设备种类的增长和性能的提升,未来可根据行业实际发展情况对发展模式和评价指标进行改进,更好地实现对清洁取暖工程的区域适应性分析。