夏热冬暖地区的电能替代工作重点领域及发展趋势研究

李兰哲 崔 永 李 光

深圳供电局有限公司

0 引言

随着经济快速发展及我国工业化、城镇化进程持续推进，大气污染问题与能源资源短缺矛盾日益突出，在推进发展的同时实现快速减排，任务十分艰巨。电能具有清洁、便利和高效等优点。研究表明，电能的经济效率是石油的3.2 倍、煤炭的17.27倍［1］，电能相对于煤炭、石油、天然气等能源具有更加便捷、安全和清洁的优势。实施电能替代，在终端能源消费环节实施以电代煤、以电代油等［2］，有利于构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，保障能源安全，促进节能减排，助力实现碳达峰、碳中和目标。

1 我国电能替代应用的主要技术领域

电能替代是在终端能源消费环节，使用电能替代散烧煤、燃油的能源消费方式［3］。我国电能替代主要包括以电代煤、以电代油、以电代气和电能输送等方式。

1）以电代煤主要是将供暖燃煤锅炉、工业煤窑炉和燃煤厨炊等设施从用煤改为用电，减少直燃煤和污染物的排放。通过电采暖、电锅炉和热泵等替代燃煤锅炉，可实现零排放、零污染，通过电炊具替代燃煤炉灶，提高我国家庭与餐饮行业的电气化水平［4］。

2）以电代油主要体现在交通运输领域，同时也涉及农业灌溉领域。发展电动汽车、推动电气化轨道交通建设潜力巨大［4］。同时以电代油在航空航海领域也有不错的发展前景，例如着力推广船舶、航空等岸电项目。

3）以电代气主要集中在餐饮烹饪领域，例如电炊具替代燃气灶等。但由于天然气属于清洁能源，拥有较高的燃烧效率和更低的污染排放，故我国以电代气的发展状况整体缓慢。目前伴随国家终端能源消费结构的调整，以电代气也会有较大的发展空间。

4）电能输送主要将我国西部、北部的风电、光电以及西南部的水电等，通过超高压或特高压技术向全国各地进行输送，逐步减小内地的火电规模，优化终端能源消费结构。

2 我国电能替代工作现状

1）自2013 年起，我国逐步开展电能替代工作，为节能减排做出了巨大贡献。2016年，国家发展改革委等8 部委联合印发《关于推进电能替代的指导意见》将电能替代定位为国家落实能源战略、治理大气污染的重要举措［1］。2022年3月国家发展改革委等10部委联合印发《关于进一步推进电能替代的指导意见》，要求拓宽电能替代领域，发展综合能源服务，持续提升电能占终端能源消费比重。

2）国家电网公司有序开展电能替代，推进能源消费侧电气化，在工业、交通、建筑、居民生活及农业等领域电气化水平持续提升，有效降低化石能源消费、推动行业提质增效。依托以电为中心的数字化智能平台，进一步催生新模式、新业态，推动重点行业及领域转型升级。通过推广电气化技术设备，扩大用电规模，有效提高新能源发电的全社会消纳空间，进一步提升清洁电能占终端能源消费的比重，助力我国“双碳”目标实现。

截至2020 年底，国家电网公司全面完成冬奥核心区、沿线8.1万户“煤改电”改造和6座充电站建设任务，为保障冬奥会安全可靠电力供应奠定了坚实基础。全面完成北方地区“煤改电”。2020 年完成北方15 省份10 248 项“煤改电”配套电网工程建设任务，总投资199亿元，惠及北方地区17 028个村271 万户居民。累计完成取暖电量367 亿kWh，相当于在居民冬季取暖领域减少散烧煤2 055 万t，减排CO23 658 万t，减排SO2、NOx和粉尘等污染物1 162万t。同时在钢铁、铸造、玻璃、陶瓷等重点行业推广工业电锅炉、电窑炉等技术，因地制宜制定“一户一策”替代改造方案，替代燃煤锅炉、冲天炉，累计替代项目2.5万个，完成替代电量1 145亿kWh。

3）南方电网公司推进电能替代，不仅推动了能源领域供给侧结构性改革，也有效缓解了弃风、弃光的问题，对促进清洁能源消纳发挥了重要作用。“十三五”期间，南方电网推进或实施电能替代项目3.3 万多个，各领域电能替代量总计983 亿kWh，规划目标完成比例达123%。相当于在终端能源消费环节减少直燃煤4 268 万t，减排CO21.33 亿t、SO256.64 万t、NOx34.32 万t，节能减排效果显著。

南方电网公司还发挥绿色发展平台作用，在港口岸电、电蓄冷空调、电磁厨房、轨道交通、电动汽车充电等技术领域重点推进电能替代业务,通过多种举措推动形成绿色低碳生产生活方式。2020年，南方电网公司实现电能替代电量314 亿kWh，其中广东207 亿kWh。港口岸电方面，聚焦广东区域港口密集特点，大力推进港口岸电建设，做好配套服务，同时积极推动岸电标准化建设。向社会推出“场地、车队、充电站、销售渠道”4 种合作模式，主导投资建设的全国首个大规模工程车充电站——深圳光明公常路充电站开建，电动汽车充电服务蓬勃发展，助力珠三角实现电动化率100%。

3 夏热冬暖地区电能替代重点发展领域

目前，电能替代技术发展较为迅速，经过对能源消费分析和主要用能单位的走访调查，夏热冬暖地区电能替代主要以工商业与交通运输领域为主，电能替代重点发展领域汇总如下：

3.1 热泵

技术特点：热泵是利用低温热源，吸收其中的热量，经过压缩机升温升压后转移到高位热源的装置。热泵是从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，再向人们提供可被利用的高品位热能。由于回收利用了低温热源的热量，热泵的能效比较高。热泵系统是能量搬运系统而非能量转化系统，通常用一份能源驱动热泵系统，可以搬运三四倍于此的能量并加以利用，相当于消耗1 kWh 电可以产生3～4 kWh 电的热量，其能源效率可以达到3～4 倍，具有卓越的节能减排效果，经济效益可观。一般热泵可以“一机两用”，即冬季供暖，夏季制冷。按低温热源的种类不同，热泵可以分为水源热泵、地源热泵和空气源热泵。

以空气源热泵热水器与其他热水加热设备在每日加热40 m3的热水所需的运行费用作对比分析。空气源热泵热水机组热泵效率300% 到500%，全年效率以350%计，管道热损失5%，全年平均能效比3.5，耗电量559.54 kWh/天，电费0.85元/kWh，运行费用475.61元/天，则生产热水平均费用11.89元/t。燃油锅炉按轻柴油热值10 200 kcal/kg，效率80%，管道热损失5%，耗电量206.40 kg/天，油4.8 元/kg，运行费用990.72 元/天，则生产热水平均费用24.77 元/t。燃气锅炉按液化气热值23 000 kcal/kg，效率80%，管道热损失5%，耗气量91.53 kg/天，燃气价格12 元/kg，运行费用1 098.40 元/天，则生产热水平均费用27.46 元/t。从此可以看出，空气源热泵热水器平均加热1 t 水所需费用最少，电能替代的同时，实现良好的经济效益。

应用领域：热泵技术可以广泛应用于学校、医院、酒店和行政机关的热水供应，工业领域的烘干以及电镀领域。夏热冬暖地区适合应用空气源热泵，结合太阳能集热器，在学校、医院、酒店、办公楼的热水供应系统应用普遍，同时部分工业企业生产环节，余热利用也采用热泵。

3.2 电蓄冷空调

技术特点：电蓄冷空调是利用夜间电网低谷电价或平谷电价时段，制冷主机满负荷制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来，待电网高峰电价时段，再将冷量释放出来以满足高峰空调负荷需要的系统，电蓄冷空调系统分为蓄水、蓄冰两种形式，均包括冷却循环水系统、冷冻循环水系统以及乙二醇或水循环系统三大系统，通过智能控制自动运行，制冷耗电主要集中在夜间用电低谷期，实现用电负荷的“移峰填谷”，提高电网的稳定性和经济性，同时降低空调运行费用。

应用领域：电蓄冷空调适用于商业办公楼和城市综合体等具有相同冷负荷高峰和用电高峰，且持续时间长的场合。同样适用于食品加工、啤酒工业、奶制品工业等用冷量大、空调负荷集中在白天的制造业。夏热冬暖地区主要应用在办公楼、商业楼宇、购物中心、城市综合体、星级酒店、部分工业园区。

3.3 电锅炉

技术特点：电锅炉是采用电阻式或电磁感应式等加热器将电能转化为热能的设备，主要包括电热管式、电热棒式、电热板式、电极式、感应式等类别。又分为直热式电锅炉和蓄热式电锅炉两种。蓄热式电锅炉采暖是在夜间谷电时段，利用电加热锅炉产生热量，然后将热量蓄积在蓄热装置中(目前蓄热方式主要包含热水蓄热和镁砂固体蓄热),在白天用电高峰时段，停止电锅炉运行，利用蓄热装置向外供热。

电锅炉与其他燃料锅炉燃料费用测算，以每日制55 ℃热水10 t，升温40 ℃，1 t锅炉为例，测算用天然气、煤、柴油、电为燃料的费用投入。电锅炉燃料费用相对较高，但清洁能源，无污染物排放。

应用领域：电锅炉可用于替代燃煤、燃气锅炉，为纺织、印染、造纸、食品、橡胶、塑料、化工、医药、钢铁、冶金等行业提供加工环节所需蒸汽。电锅炉相比燃煤锅炉体积更小、能耗更低，同时高度智能化，不需要专人看管，且不属于特种设备，因此运维成本更低，降低了安全隐患。

夏热冬暖地区目前在医院、星级酒店、木材加工、食品加工等领域应用较为广泛。

3.4 轨道交通

技术特点：轨道交通按服务范围可划分为电气化铁路和城市轨道交通。电气化铁路是指需要电气化设备为列车供电，或者能供电力火车运行的铁路。城市轨道交通是指在不同型式轨道上运行的大、中运量城市公共交通工具，是当代城市中地铁、轻轨、单轨、自动导向、磁浮等轨道交通的总称。运量大、安全快速、准点、环保、节约能源和用地等是城市轨道和电气化铁路运输的特点。

应用领域：国家铁路系统，城际、城内轨道交通领域，主要应用于地铁、高铁、有轨电车建设。

表1 电锅炉与其他燃料锅炉燃料费用及投入费用对比表

3.5 电动汽车

技术特点：电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电能替代所分析的电动汽车专指纯电动汽车和插电式混合动力车，主要依靠外部补充电能实现续航。相对燃油汽车而言，主要差别在于四大部件:驱动电机、调速控制器、动力电池和车载充电器。大力推广电动汽车，不仅能大幅度减少汽车尾气排放，降低NOx、碳氧化物排放，为减少环境污染做出贡献，而且能有效降低中国对石油的依赖度，提升我国的能源安全系数［2］。同时电动车的使用成本明显低于传统汽车。

应用领域：电动汽车目前已逐步应用于公交车、出租车、物流环卫、私家车等领域。

3.6 港口岸电

技术特点：船舶港口岸电技术是指船舶靠港期间，停止使用船舶上的化石燃料发电机，改用陆地电源供电，港口提供岸电的功率应能保证满足船舶停泊后所必需的全部电力设施用电需求，包括生产设备、生活设施、安全设备和其他辅助设备。岸电系统由安装在码头的供电系统和安装在船舶上的变电系统两大部分组成。码头供电系统由码头前沿港区变电所供电，经过变压、变频，将输入供电转化为满足船只需求的电源，利用电缆沟和输送栈桥等设施，将高压电缆敷设至码头前沿，码头前沿安装高压接线箱供船舶连接，通过船载变电站变压后为船舶供电。高压变频变压船用岸电技术，采用分离式设计，通过有效地利用码头现有设施资源，合理分布设备，在码头区域上配置高压变频变压装置，仅需一根高压电缆，船体上设置降压变压器，供电末端则采用IT 供电模式（保证了不间断供电要求），连接十分便捷。高压岸电电源所提供的供电容量大，可以满足船舶在靠港期间的作业用电。

应用领域：各类沿海港口、内河、湖泊等船舶停靠的区域［5］，深圳市主要应用于港口码头。

3.7 港口龙门吊“油改电”

技术特点：轮胎式集装箱门式起重机(以下简称“龙门吊”)是目前世界上应用最为广泛的集装箱码头堆场装配设备，在用的数量均占场桥总量的85%左右。龙门吊因在码头堆场内作业，自身配备有柴油发电机组作为动力能源，满足了作业的灵活方便性和转场的需要，在堆场内不受供电的局限，具有良好的机动性能，大大提高了集装箱装卸效率。但其有耗油量大、噪声大、排放污染严重等缺点。近几年来，国内外各码头公司以及起重机制造厂商纷纷投入大量的人力物力进行龙门吊节能降耗的技术改造项目，其中实施的改造有在原柴油发动机动力基础上的改进，以及完全用市电电源的供电方式。从改造的效果看，以市电为动力源的龙门吊“油改电”技术改造无论是在运营费用还是在节能环保方面都有着巨大的优势。

应用领域：主要应用于尚未实施改电的，仍采用燃油方式的港口码头。

3.8 机场桥载设备

技术特点：廊桥陆电通过在登机廊桥处安装桥载设备，直接为停靠廊桥的飞机供应电力和冷气。机场桥载设备主要包括静变电源和飞机地面专用空调。静变电源是为飞机在地面停留期间提供电能的地面设备，飞机地面专用空调为飞机靠桥期间为飞机客舱提供（冷）热空气的专用空调机组，使得在飞机靠桥期间可以关闭APU，从而有效节省航空燃油，同时不产生废气和噪声。综上，廊桥陆电相较于APU 具有经济、节能、环保和静音等优点。

应用领域：机场区域，深圳市主要应用于尚未实施陆电改造的机场廊桥。

3.9 电磁厨房

技术特点：电磁厨房改造是指对原有燃气烹饪设备改造为使用电力的电磁炒灶、电磁蒸柜等设备。电磁厨房与传统厨房相比节能高效、低碳环保。热效率高达90%以上，使用成本较传统燃气灶具低40%～75%，加热速度更快，比传统厨具效率高出30%～60%，碳排放量比传统厨具降低45%以上。

应用领域：任何使用传统炉具（煤气炉、燃气炉）的场所，包括所有餐饮行业的厨房，深圳市主要应用于餐饮、工业园区、医院、政府机关、企事业单位食堂改造。

3.10 家庭电气化

技术特点：家庭电气化让电能更广泛地运用于家庭生活的每个角落，实现厨房电器化、家居电气化和洁卫电气化。家庭电气化广泛使用各种家用电器，提高电能在家庭能源消费中的比重，具有洁净卫生、安全可靠的特点，能让家务劳动更轻松，大大改善家庭环境，使人们享受更优质的现代生活。

应用领域：主要面向居民客户。

4 夏热冬暖地区电能替代发展建议

实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展意义重大，目前我国电能替代政策引领，发展形势整体向好，通过深入开展夏热冬暖地区电能替代潜力调查工作策略研究，建议重点推进以下领域。

4.1 加快工商业领域再电气化进程

以重点工业园区为试点，实施能源综合利用升级改造行动，打造“统一供应、多能协同、梯级利用”的能源综合利用示范园区，加快厂房光伏、分布式风电、多元储能、热泵、余热余压利用，智慧能源管控等一体化系统开发运行，推进多能高效互补利用，开展供应电能替代示范，推进工业电锅炉、电窑炉、热泵应用，推进新增热负荷电能替代。在食品加工、装备制造等领域推广使用高效电动工具，实现电能高效利用。

4.2 加强公共机构电能替代服务

公共机构中的医院消毒设施需热量大，应重点跟进医院类消毒锅炉更新和新建，住院楼热水系统采用空气源热泵的更新和新建，住宿学校的热水系统应用空气源热泵，医院、学校、国家机关办公楼食堂的电磁厨房更新和新建，推动政府制定节能政策和绿色建筑政策，推动公共机构在电锅炉、热泵、电蓄冷空调、电磁厨房和电气化方面的电能替代工作，为居民电能替代起到示范作用。

4.3 积极推进商业领域电能替代工作

四星及五星级酒店、大规模购物中心、大型连锁购物中心、超市、百货等采用中央空调系统，日间空调用电负荷大，可开展电能替代服务工作，推进电蓄冷中央空调，利用峰谷电价优惠政策，节约运行电费。在餐饮领域，推进沿街商铺“瓶改电”，建设全电街区和全电食堂，支持电能用户参与电力市场。同时推进品牌连锁餐饮企业“气改电”，采用电磁厨房和电气化，节能的同时可较大程度杜绝厨房的明火隐患。

4.4 大力推进电能替代综合能源服务

通过创新研发数字化、智能化电能替代技术，聚合电动汽车V2G、数据中心、数据通信基站、工业、楼宇、储能、充电桩等各类电能替代设备，采用虚拟电厂等形式参与需求侧响应、辅助电力服务市场［3］，提升电力系统调峰调频能力，促进电网削峰填谷，实现全领域电能替代与电网友好互动协调发展。推行电能替代综合能源服务，积极开展区域能源站、光储充一体化、风光互补等技术，实现新能源发电就地消纳，促进绿色电力消费。