采取電采暖方式消納清潔能源的綜合效能分析

姚錦松，常喜強，，于 冰，郭小龍，徐吉智，劉博文

(1.石河子大學機電學院，新疆 石河子 832003；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

北方冬季的供暖會造成環(huán)境污染和資源嚴重浪費，而清潔能源發(fā)電的消納空間有限，棄電嚴重。特別是北方地區(qū)，如果將冬季采暖方式調(diào)整為電采暖，一方面可提高清潔能源利用，增大消納空間，減少棄電比，保存煤炭、天然氣資源；另一方面也可提高環(huán)境保護能力，降低污染物排放，對提升空氣質(zhì)量起到重要作用。

針對現(xiàn)有的環(huán)境污染和不可再生能源枯竭以及電力資源浪費等問題，國內(nèi)外研究學者開展了一系列研究。文獻[1]通過建設費用和運行費用的計算，進行電采暖設備應用的經(jīng)濟性分析以及綜合電價等經(jīng)濟性因素對比。文獻[2-3]采用臨界電價法判斷高溫固體蓄熱電鍋爐方案最佳，并利用儲能技術達到“峰谷”電價杠桿降低運行成本的效果。文獻[4]研究了采用蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)風電消納規(guī)模的經(jīng)濟性評估問題。文獻[5]建立分布式電采暖負荷模型并分析模型參數(shù)，從可行性與經(jīng)濟性兩方面對該備用方式與現(xiàn)有備用方式進行對比。文獻[6-7]研究了蓄熱電鍋爐使用電作為熱源，尤其是在夜間利用廉價的低谷電進行加熱蓄熱，這種運行方式可對電網(wǎng)的供電起到一定的削峰填谷作用，有利于平衡用電負荷，緩解供電矛盾。對于棄風嚴重的 “三北”地區(qū)，可以利用棄風轉(zhuǎn)化為熱能，充分發(fā)揮了電、熱兩系統(tǒng)互補的優(yōu)勢，促進了風電的消納。文獻[8]對集中采暖地區(qū)住宅建筑幾種主要的采暖方式進行了經(jīng)濟性比較,提出了采暖方式的選擇原則。

圖1 燃煤、燃氣供暖

上述研究成果多側(cè)重于單一變量研究，突出變量對電采暖方式的影響，或多變量經(jīng)濟性分析，缺乏“產(chǎn)-效-能”結合研究。同時缺乏對電采暖供電可靠性和城市附加成本的研究，下面以電采暖供電可靠性為基礎，以能源二次轉(zhuǎn)換、環(huán)保效益為出發(fā)點，對電采暖與燃煤、燃氣采暖進行對比分析，提出了采用電采暖方式需關注的方面，對電采暖的推廣和提升城市清潔化水平提供借鑒意義。

1 傳統(tǒng)能源與清潔能源供熱對比

1.1 傳統(tǒng)能源供熱

目前供暖系統(tǒng)主要采用的是燃煤和燃氣，依靠相對完善的水暖管道和天然氣管道進行供暖，普遍采用集中供暖的方式較多，集中供暖技術較為成熟，使用安全方便，可以全天候供暖，集中供暖主要是以城市熱網(wǎng)、區(qū)域熱網(wǎng)或較大規(guī)模的集中供暖為熱源的供暖方式，如圖1所示。

傳統(tǒng)的供暖方式為燃煤鍋爐供暖，即采暖效率取決于鍋爐效率，鍋爐的效率是指將燃料燃燒后的熱能轉(zhuǎn)換給鍋爐水使其加熱變?yōu)檎羝?，或鍋爐水吸收的熱能占燃料燃燒的熱能的百分比，效率公式如式(1)所示。

(1)

式中：η1為燃煤鍋爐熱效率；c1為燃煤鍋爐輸出熱量；r1為燃煤鍋爐輸入熱量。

能量轉(zhuǎn)換形式為煤炭化石能源轉(zhuǎn)換為熱能，現(xiàn)代鍋爐的熱效率隨著鍋爐容量增大而上升，這里η1取燃煤鍋爐平均熱效率90%。

1.2 清潔能源供熱

由于燃煤、燃氣會造成環(huán)境污染和資源浪費，而電能作為二次能源，具有比煤、燃氣等化石能源更方便高效、清潔安全的優(yōu)勢。城市電網(wǎng)既是電力系統(tǒng)的主要負荷中心，也是城市現(xiàn)代化建設的重要基礎設施。電能生產(chǎn)過剩、清潔能源消納難的問題也一直存在，所以依靠現(xiàn)代完備的城市電網(wǎng)體系，應用清潔可靠的電能，具備大規(guī)模實行電采暖方案的可行性，電采暖如圖2所示。

若采用電加熱鍋爐，假設全部為火力發(fā)電，則先考慮將煤炭轉(zhuǎn)換為電能，再將電能轉(zhuǎn)換為熱能，總熱效率為

(2)

式中：η2為電鍋爐熱效率；c2為電鍋爐輸出熱量；r2為電鍋爐輸入熱量；q2為火電轉(zhuǎn)換效率，一般為40%～60%，取50%。

對比η1和η2熱效率，在鍋爐輸出熱量等于輸入熱量時，顯然η1>η2，即燃煤鍋爐熱效率大于電鍋爐熱效率。若輸出熱量和輸入熱量相等，即c1=c2，r1=r2，η1為90%時，將式(1)帶入式(2)得η2為60%，燃煤鍋爐熱效率遠大于電鍋爐熱效率。綜上所述，無論輸入、輸出熱量是否相等，加上考慮能源轉(zhuǎn)換損耗，即燃煤鍋爐熱效率總是大于電鍋爐熱效率。

圖2 清潔電能供暖

電能替代政策的實施主要依賴于清潔能源的規(guī)?；?，由于燃煤和燃氣供暖的熱效率要比轉(zhuǎn)換為電能再進行供熱的效率高一些，所以供暖成本相對低，但是造成的環(huán)境成本卻很高，資源浪費比較嚴重。而電能作為清潔可靠的二次能源，能夠保證供暖可靠性，不會造成環(huán)境污染，提高清潔能源的消納空間，有利于緩解能源、經(jīng)濟和環(huán)境間日益突出的矛盾問題。所以，適當采用電能進行供暖，提高電能取暖的比例，是未來取暖的發(fā)展趨勢。

2 不同電采暖方式對比研究

2.1 電鍋爐采暖

電鍋爐裝置按照其加熱原理和使用功能分為直熱式鍋爐和蓄熱式電鍋爐。直熱式電鍋爐[9]主要由電腦控制系統(tǒng)、壓力測試系統(tǒng)、電加熱管、進出水管和溫度檢測儀表等組成；蓄熱式電鍋爐是在電熱鍋爐的基礎上，加裝蓄熱裝置，使其通過循環(huán)水泵、熱交換系統(tǒng)構成蓄熱式電鍋爐。

蓄熱式電鍋爐一般在夜間低電價時運行，一方面可以幫助電網(wǎng)起到削峰填谷作用；另一方面有利于提高風電消納、平衡電網(wǎng)負荷，緩解供電矛盾，如圖3所示。

圖3 蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)

2.2 直接電采暖技術

目前較為成熟的直接電采暖技術分別為發(fā)熱電纜和電熱膜供暖系統(tǒng)。發(fā)熱電纜[10]埋設在填充層內(nèi)，通電后將熱能通過熱傳導(對流)的方式和發(fā)出8～13 μM遠紅外線的輻射方式傳給受熱體，通過溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度進行自動調(diào)整；電熱膜供暖系統(tǒng)[11]采用一種通電后能發(fā)熱的半透明聚脂薄膜，工作時以電熱膜為發(fā)熱體，將熱量以輻射的形式送入空間，通過溫控系統(tǒng)對溫室內(nèi)度進行自動調(diào)整。

2.3 電熱泵

熱泵是一種高效節(jié)能設備，利用壓縮機做功，將低位熱能轉(zhuǎn)換為高位熱能(吸收低溫熱源蘊藏的發(fā)熱，并將其提升到高溫熱源中)，1 kWh電能產(chǎn)生約3倍熱，即熱效率為300%，它同時具備冬季采暖和夏季制冷的功能[12-13]。

根據(jù)上述分析，可得熱效率關系：η熱泵>η電纜=η熱膜>η蓄熱>η直熱。具體情況如表1所示。

3 綜合分析

3.1 經(jīng)濟成本對比

傳統(tǒng)取暖方式為燃煤、燃氣直接供暖，省去燃煤

表1 不同電采暖方式對比研究

發(fā)電的過程，減少能量損失，熱效率大于電采暖方式，即η煤>η電，且熱力管網(wǎng)和燃氣管道鋪設工作已經(jīng)基本覆蓋城市網(wǎng)，與居民取暖或燃氣做飯等生活息息相關。但考慮清潔能源并網(wǎng)采用集中蓄熱電鍋爐方式，直接利用現(xiàn)有相對完備的熱力管網(wǎng)即可，無需新增鋪設電纜、安裝熱泵等設備，使得電采暖成本大大降低，關系如圖4所示。

圖4 加入清潔能源時電網(wǎng)與熱網(wǎng)關系

3.2 清潔能收益對比

若清潔能源作為冬季取暖主要方式，考慮減少棄光帶來的經(jīng)濟效益，則大大填補了因熱效率不足而導致取暖比例降低的缺點。在城市負荷低谷時段和棄電時段采用電采暖，有效利用新能源發(fā)電，減少棄電比，日負荷如圖5所示。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，僅從能源轉(zhuǎn)換角度考慮，燃煤鍋爐熱效率大于電鍋爐熱效率，但考慮加入清潔能源消納棄風、棄光量，可以有效減少能源浪費，降低經(jīng)濟損失。2018年新疆光伏發(fā)電量11 660 GWh，風電發(fā)電量36 026 GWh，但棄光量1 807.3 GWh，棄風量8 249.9 GWh，造成巨大經(jīng)濟損失。如若使用電采暖方式，將棄風、棄光電量合理應用到用電終端，可以有效提升清潔能源消納空間。同時，若改造燃煤鍋爐1 204.1 t/h，預計年替代電量6483 GWh，年節(jié)約標準煤 634.8 kt，年減排二氧化碳1 650.4 kt，年減排二氧化硫5.5 kt，年減排氮氧化物4.4 kt，年減排粉塵3.9 kt[14]。可以看出，改造燃煤鍋爐可有效降低大氣污染，節(jié)約大量資源。

圖5 新疆某城市冬季日負荷曲線

4 結 語

通過研究得出電采暖發(fā)展可以緩解環(huán)境污染，提升新能源消納空間，綜合考慮設備投資、供熱效率、供暖時間等因素，得出以下結論：1)宜煤擇煤。在熱力管網(wǎng)已經(jīng)建成且改造電采暖成本較高區(qū)域，如老舊小區(qū)、城市邊緣地區(qū)等繼續(xù)采用清潔燃煤方式供暖，但后續(xù)應該逐步減少燃煤供熱推廣電采暖方式。2)宜氣擇氣。在燃氣管道鋪設完善區(qū)域，考慮燃氣的便捷性能、經(jīng)濟性以及居民取暖、做飯等生活方式，可以繼續(xù)保持燃氣供暖方式。3)宜電擇電。在大型商場、學校、公共設施應逐步推廣電采暖方式，加熱效果好、速度快，且清潔環(huán)保，在新建小區(qū)可以鋪設電纜等電力取暖設備。

未來應進一步提高電采暖的應用面積與比重，合理推廣電采暖方式。一是大力推廣經(jīng)濟性相對較好的供暖方式，在非連續(xù)性取暖的學校、政府機關等場所優(yōu)先推廣；二是推廣電鍋爐與熱電聯(lián)產(chǎn)機組相結合的靈活性改造模式，增加熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供暖能力和電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力；三是創(chuàng)新開展新能源發(fā)電供暖新交易模式，加強新能源發(fā)電供暖的機制研究和推廣，探索直接交易的市場化模式，合理降低取暖輸配電價，鼓勵清潔取暖用電電量與電力市場直接交易。