北方農(nóng)村清潔供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

尹波 張濤 張成昱 戴吉平 李以通

摘 ?要：我國冬季傳統(tǒng)供暖方式造成空氣污染嚴(yán)重問題，研究我國常用的供暖技術(shù)特點(diǎn)和采用新型清潔能源應(yīng)用方式十分重要。該文在分析不同清潔供暖技術(shù)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究包括耦合太陽能的多種情節(jié)供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，研究結(jié)果表明：不同取暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性各異。從能耗角度來看，采用太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)的能耗最小。從運(yùn)行費(fèi)用來看，運(yùn)行費(fèi)用最低的是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)。從投資費(fèi)用來看，投資費(fèi)用最高的是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)。此外，該文基于電力系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出基于發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電供暖企業(yè)之間的內(nèi)部讓利機(jī)制，通過電采暖設(shè)備參與輔助服務(wù)市場獲得收益，從而降低清潔供暖的電費(fèi)支出;通過設(shè)定區(qū)域清潔供暖配額制度，促進(jìn)可再生能源發(fā)電供暖，從而促進(jìn)清潔能源消納。

關(guān)鍵詞：清潔供暖 ?熱泵 ?電供暖 ?經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：TU832 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（b）-0069-05

Abstract： It is very important to study the characteristics of heating technology in China and adopt new clean energy application methods. Based on the analysis of the characteristics of different heating technologies， this paper studies the economics of various heating technologies， which includes coupled solar energy. The results show that different heating technologies economy is different. From the point of view of energy consumption， the energy consumption of solar coupled air source heat pump heating technology is the least. In terms of operating cost， the lowest operating cost is solar coupled air source heat pump heating technology. In terms of investment cost， the highest investment cost is solar coupled air source heat pump heating technology. In addition， based on the experience of power system development， this paper puts forward the internal profit-making mechanism between power generation enterprises， power grid enterprises and electric heating enterprises to obtain benefits through the participation of electric heating equipment in the auxiliary service market， thus reducing the electricity cost of clean heating; and promoting renewable energy power generation and heating through the establishment of regional clean heating quota system， thus promoting clean energy consumption and consumption.

Key Words： Clean energy heating; Heat pump; Electric heating; Economy

我國大氣污染嚴(yán)重，散煤燃燒利用是造成北方城市重霧霾天氣的主要因素之一。城鎮(zhèn)地區(qū)以燃煤集中供暖，非城鎮(zhèn)地區(qū)燃煤分散取暖，主要是采用鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組等方式。國家對節(jié)能環(huán)保越來越重視，清潔供暖對于落實(shí)國家能源戰(zhàn)略發(fā)展具有重大意義[1]。清潔供暖是通過高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式。清潔供暖的方式多種多樣，主要有清潔煤燃燒、生物質(zhì)、煤改氣、煤改清潔電和地?zé)岬萚2]。

于紅等人針對清潔供暖政策補(bǔ)貼難以持續(xù)、運(yùn)行費(fèi)用高、散煤供暖難以完全替代等問題，提出了可以降低用戶取暖能耗相關(guān)建議[3]。支國瑞等人調(diào)查北方農(nóng)村燃煤情況，揭示了重灰霾與集中燃煤供暖的時間相關(guān)性，建議著重完成對農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，消除散煤污染排放[4]。李雪玉等人通過研究發(fā)現(xiàn)年均霧霾天數(shù)與煤炭消費(fèi)量正相關(guān)，并提出相應(yīng)的治理建議[5]。劉超波等研究分析國外建立完善的法律法規(guī)體系和利用清潔能源技術(shù)等應(yīng)對霧霾等環(huán)境問題，論述世界散煤治理相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并對我國散煤治理提出具體建議和方針[6]。梁斌等人研究了潔凈型煤的燃燒特性，設(shè)計并搭建了一套針對正燒類爐具、反燒類爐具和解耦燃燒爐具的評估民用爐具熱性能的測試系統(tǒng)[7]。孫瀾濤研究了電采暖的臨界電價，并提出了推廣應(yīng)用的方式[8]。趙婷婷等人研究了多種供暖方式的經(jīng)濟(jì)性，選出適宜的電供暖方案。

綜上所述，采取何種能源、何種利用方式極為重要，如何針對一個具體場景選取最適合的供暖方式，具有重要利用價值。該文重點(diǎn)研究了城鄉(xiāng)居民清潔供暖的不同方案，并對不同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，獲得不同清潔供暖方案的適應(yīng)性。

1 ?我國供暖現(xiàn)狀

我國每年消耗散燒煤約7億t～8億t，約占煤炭消費(fèi)總量20%。用于取暖所消耗的標(biāo)煤占散燒燃燒的一半，農(nóng)村是散煤的主要應(yīng)用區(qū)域。北方城鎮(zhèn)供暖面積呈快速增長趨勢。供暖方式包括集中、分散式供暖，其中分散式供暖消耗大量散煤，因此減少小型燃煤鍋爐房是實(shí)施北方清潔供暖的重要舉措。如圖1所示，山東省近年各類供暖占比，盡管集中供暖發(fā)展較為快速，但散煤燃燒也增長迅速，成本較低的集中供暖方式很受歡迎。針對北方供熱污染，清潔供暖以替代散煤燃燒為主，主要是圍繞著“煤改電”“煤改氣”，對具備電供暖條件的，“宜集中則集中、宜分散則分散”，通過蓄熱電鍋爐、空氣源熱泵、熱膜、發(fā)熱電纜、碳晶等多種形式實(shí)行清潔供暖。

2 ?清潔供暖技術(shù)

2.1 電供暖技術(shù)

電供暖技術(shù)即是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能，電直接取暖方式主要有電鍋爐、電暖器、電熱膜、電纜加熱等。電鍋爐以水為介質(zhì)，通過電加熱管使水溫升高，從而再室內(nèi)循環(huán)熱水釋放熱能。電暖器、電熱膜等是直接在電源上安裝散熱裝置實(shí)現(xiàn)室內(nèi)取暖。其中熱泵供暖是電力驅(qū)動間接取暖的方式，一般歸結(jié)為空氣能、地?zé)崮艿睦谩墓╇娍煽啃苑矫鎭砜?，在電網(wǎng)檢修或電力故障期間，供暖可靠性由電網(wǎng)決定，從而增加供電服務(wù)的壓力。針對“煤改電”的區(qū)域或鄉(xiāng)村，將在配電網(wǎng)層面增加電網(wǎng)配套投資。使用電采暖的費(fèi)用可通過如下公式計算可得：

2.4 太陽能供暖技術(shù)

太陽能是一種作為可再生能源越來越受到大家的重視，利用方式包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、熱利用等，由于太陽能的間歇性，一般與不同供暖技術(shù)相結(jié)合使用，從而提高可再生能源的利用比例。一般包括太陽能輔助電供暖、太陽能輔助空氣源熱泵、太陽能輔助地源熱泵、太陽能輔助燃?xì)夤┡?、太陽能輔助燃煤鍋爐供暖等。

3 ?清潔供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

針對北方某農(nóng)村住宅，建筑面積為120m2，供暖天為120天，設(shè)計熱負(fù)荷為50W/m2;峰谷電價為0.5 ? ? ?元/kWh和0.3元/kWh，日平均電價為0.4元/kWh，天然氣為2.3元/Nm3，燃煤為1.2元/kgce。不同供暖方式熱源設(shè)備熱效率：電采暖技術(shù)中電鍋爐、電蓄熱鍋爐、電熱膜的熱效率分別為0.95、0.90、0.98，燃?xì)鉄崴仩t熱效率為0.88，燃煤鍋爐熱效率為0.7，冬季空氣源熱熱泵機(jī)組平均COP為3.2，冬地源熱泵機(jī)組平均COP為3.8;對于耦合太陽能系統(tǒng)，假設(shè)太陽能設(shè)計貢獻(xiàn)率為35%。分析各類清潔供暖的技術(shù)與使用燃煤鍋爐房的經(jīng)濟(jì)性，具體見表1。

根據(jù)以上案例分析，比較了不同供暖方式的經(jīng)濟(jì)性。從能耗角度來看，采用太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)的能耗最小，可見耦合可再生能源可有效減少供暖能耗。能耗最大的是采用燃煤鍋爐，主要因?yàn)槿济哄仩t的效率最低。從運(yùn)行費(fèi)用來看，運(yùn)行費(fèi)用最低的也是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)，最高的是直接采用電鍋爐供暖。從投資費(fèi)用來看，投資費(fèi)用最高的是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)，最低的是燃煤鍋爐供暖技術(shù)。

4 ?清潔供暖發(fā)展建議

4.1 結(jié)合電力系統(tǒng)的清潔供暖發(fā)展建議

目前清潔供暖技術(shù)主要依靠政府補(bǔ)貼得以發(fā)展，以北京為例，空氣源熱泵供暖，其政策補(bǔ)貼費(fèi)用為0.20元/kWh，電價補(bǔ)貼是推進(jìn)清潔供暖的有效政策。隨著補(bǔ)貼范圍的不斷擴(kuò)大，給國家財政帶來很大挑戰(zhàn)?？紤]我國可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電供暖企業(yè)之間的內(nèi)部讓利機(jī)制，通過電采暖設(shè)備參與輔助服務(wù)市場，降低清潔供暖的電費(fèi)支出，進(jìn)一步提高清潔供暖的經(jīng)濟(jì)性，是一條非常有前景的途徑。借助電力交易平臺，發(fā)電企業(yè)和電供暖企業(yè)在雙方達(dá)成交易的電價基礎(chǔ)上，采用等額價差聯(lián)動模式下，讓利額疊加在當(dāng)前終端銷售電價下，電供暖項(xiàng)目其全生命周期內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用得以降低，有利于電采暖技術(shù)的推廣應(yīng)用。在完善電力交易平臺的同時，根據(jù)可再生能源電力發(fā)展態(tài)勢和自身用電結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前我國棄風(fēng)、棄光與棄水情況，近期清潔能源電力供暖交易可考慮以短期集中交易為主，消納更多新能源。

4.2 清潔供暖配額制的建立

目前國內(nèi)可再生能源配額制主要目的是建立可再生能源長效消納機(jī)制，促進(jìn)可再生能源消納。電力交易買方包括供暖、冶金、制造等行業(yè)的眾多企業(yè)，均在電力市場中競價購電。同樣，供暖作為民生工程，電供暖項(xiàng)目的電價承受能力比其他類型電力用戶低，每年用電時間又比較短，可能無法在電力交易中買到足夠的棄電或低價電力。因此，建立北方清潔供暖配額制發(fā)展模式十分必要。通過設(shè)定區(qū)域清潔供暖配額，規(guī)定一個區(qū)域可再生能源供暖、清潔能源供暖、燃煤供暖的能源利用比例，協(xié)同發(fā)展不同類型能源，在保證低收入人群供暖的前提下，促進(jìn)可再生能源發(fā)電供暖，從而促進(jìn)清潔能源消納。

5 ?結(jié)語

我國主要采用燃煤供暖，導(dǎo)致冬季污染嚴(yán)重。該文在分析不同清潔供暖技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究包括耦合太陽能的多種清潔供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，研究結(jié)果表明：不同取暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性各異。從能耗角度來看，采用太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)的能耗最小，可見耦合可再生能源可有效減少供暖能耗。能耗最大的是采用燃煤鍋爐。從運(yùn)行費(fèi)用來看，運(yùn)行費(fèi)用最低的是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)，最高的是直接采用電鍋爐供暖。從投資費(fèi)用來看，投資費(fèi)用最高的是太陽能耦合空氣源熱泵供暖技術(shù)，最低的是燃煤鍋爐供暖技術(shù)。此外，該文基于電力系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出基于發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電供暖企業(yè)之間的內(nèi)部讓利機(jī)制，通過電采暖設(shè)備參與輔助服務(wù)市場獲得收益，從而降低清潔供暖的電費(fèi)支出;通過設(shè)定區(qū)域清潔供暖配額制度，促進(jìn)可再生能源發(fā)電供暖，從而促進(jìn)清潔能源消納。

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