第４３卷第５期２０１５年１０月
浙江工业大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＥＪＩＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．２０１５
供暖领域电能替代效益分析
武 中，李 强，徐红涛
（）国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原０３０００２
摘要：供暖领域用电能供暖替代传统燃煤供暖方式，是减少雾霾的主要措施之一．将电锅炉和地源热泵技术等进行集成，基于能耗及经济成本等因素，建立分析模型，并通过调研数据对分析模型进分析电锅炉以及热泵在不同性能曲线（的联合使用的运行策略，寻找最优的运行方案行验证，ＣＯＰ）是实现电能替代效益的关键步骤．基于系统模型以及优化目标，借助计算机辅助编程，通过坐标轮换法，对模型进行分析和计算，得出采用地源热泵作为主供暖设施，电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳解决方案．关键词：电能替代；供暖；能耗；经济效益
中图分类号：ＴＭ９２５ 文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００６４３０３２０１５０５０５０８０４－－－
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｉｎｈｅａｔｓｕｌｓｓｔｅｍ ｙｇｙｐｐｙｙ
，，ＷＵＺｈｏｎＬＩＱｉａｎＸＵ Ｈｏｎｔａｏ ｇｇｇ
（，）ＥｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＳｈａｎｘｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍａｎＴａｉｕａｎ０３０００２，Ｃｈｉｎａ ｇｙｐｙｙ
：Ａ，Ａｂｓｔｒａｃｔｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｄｉｓｅｒｓｅｈａｚｅｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍｓｗｉｌｌｒｅｌａｃｅｔｈｅ ｐｇｙｐ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏａｌｆｉｒｅｄｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｈｅａｔｓｕｌ．Ｉｎｔｅｒａｔｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｂｏｉｌｅｒｓａｎｄ － ｇｙｐｐｙｇｇ
ｒｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｕｍｔｈｅａｎａｌｓｉｓｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｅｎｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎ，ｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｓｔｓａｎｄ ｇｐｐ，ｙｇｙｐ ｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓｉｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅａｎａｌｓｉｓｍｏｄｅｌｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｖｉａｔｈｅｓｕｒｖｅｄａｔａａｎｄｔｈｅｃｏｒｕｎｎｉｎ －ｙｙｇ ｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｂｏｉｌｅｒｓａｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔＣＯＰａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｓｔｒａｔｅｉｅｓｒｏｕｎｄｕｍ ｇｇｐｐ ｆｉｎｄｔｈｅｏｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅａｒｅｔｈｅｋｅｓｔｅｓｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｔｏ ｐｙｐｙ
，ｅｎｅｒＢａｓｅｄｏａｌｏｎｔｈｅｓｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌａｎｄｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｒｏｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄ ｇｙ．ｇｙｐａｎａｌｚｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌｔｈｒｏｕｈｃｏｍｕｔｅｒａｉｄｅｄｂｅｓｔｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｒｏｒａｍｍｉｎ．Ｔｈｅｔｏ － ｙｇｐｐｇｇｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｌｉｓｔｏｕｓｅｒｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｕｍｓａｓｔｈｅｍａｉｎｈｅａｔｉｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｐｙｇｐｐｇ ｂｏｉｌｅｒｓａｓａｎａｕｘｉｌｉａｒｉｅｓ．
：；；Ｋｅｗｏｒｄｓａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｈｅａｔｓｕｌｅｎｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎ；ｅｃｏｎｏｍｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｇｙｐｐｙｇｙｐｙｙ 环保形势严峻，严重雾霾频繁发生，尤其 当前，
是在北方冬季供暖期间，雾霾大规模长时间的爆发，
１］严重影响了人们的生活和健康［研究表明：．ＰＭ２．５
生活环境质量．电能替代是推进节能减排工作的有
］５６－
，效途径之一［但与传统供暖方式相比，过高的运］７８－
在供暖行费用是其大规模推广的主要障碍之一［．
中的５０％～６０％源于燃煤，２０％～３０％源于燃
２］３］
，油［直燃煤是造成环境污染的重要因素［随着清．
领域通过对燃煤锅炉、电锅炉和地源热泵的进行经提出了电能替代传统燃煤方济性和环保效益分析，式供暖的解决方案．
洁能源发电比重的提高，电能的污染物排放明显优
４］
，能显著减少城市的空气污染，能够改善于直燃煤［
收稿日期：２０１５０３１９－－
）基金项目：国家星火计划项目（２０１０ＧＡ７００１５６
—），：作者简介：武 中（男，山西太原人，高级工程师，研究方向为电能替代、智能电网通信网规划，１９７１Ｅａｉｌ１５３３３６６８４３６２ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ．－ｍ＠
第５期武 中，等：供暖领域电能替代效益分析
·５０９·
设配件成本为Ａ，供暖系统的配件包括给水泵
１ 模型研究
国内研究主要从简单的经济效益角度出发，但没
］９１０－
，从一种普适地角度提出有考虑环境的经济成本［
及控制箱、循环水泵、软水器、换热设备、引风机、鼓风机、除尘器、除渣机、上煤机、脱硫脱销除尘、配电柜、变压器、线缆等一系列配套设备．则配件成本折算成每平米的年均投资ａ为
主要讲成本分为初期投资（设备、安装、建替代模型，
、设等）运行成本（运行、设备折旧费等）两个分类，如同时将环保成本归增加到上述分类的子类表１所示，
当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益．计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护费用，标准化折算成每平方供暖年化费用．
表１ 模型参数
ａｒａｍｅｔｅｒＴａｂｌｅ１ Ｔｈｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ ｐ
分类初期投资
子类土建成本配件成本其他成本人工费用
运营成本
耗材费用维修费用
说明
所占用的土地及兴建建筑物与主设备运行方式相关的附加设备安装费、人工费以及监理费用等使用过程中投入的人工费用
每年投入的耗材费用，包括解决产生污染物所需费用
生产过程中用于检修用能装置的费用
主设备成本用于产生热量、做功的用能主设备
Ａｉ
（）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，３ ｇｐ
ＮｉＳ
）其他成本４
主要包括安装费、人工费以及设其他成本为Ｏ，
ａｉ＝
监理费用等等．这些费用一般和工程总造价的购地费用不计算在工程造价内，其他成本折算２０％，
成每平米的年均投资ｏ为
（ｏ．１ｍｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝０ｉ＋ａｉ）
）人工费用５
（）４
对于供暖环节，设需要ｎ个工设人工费用为Ｅ，
作人员，月工资为ｄ，员工的节假日补助及福利费用一年员工工作ｔ个月，对于三种设Ｇ，Ｇ＝Ｃ１４％，ｉ×备，其年人工费用记作ｅ，即
ｅｉ＝
（ｉｉ）ｉｉ
ｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐ
Ｓ
（）５
）耗材费用６
辅耗材费用Ｃ主要有主要包括辅助配件费用，），助设备的电费Ｃ（水费，ｅＣ（ｗ）以及其他耗材费用，其他耗材费用购买软化水剂等产生的费用，Ｃ（ｏ）
对于燃煤锅炉，其他费用还包括脱硫脱硝除尘所需），的脱硫剂、脱硝催化剂等，Ｃ＝Ｃ（ｅｗ）ｏ）＋Ｃ（＋Ｃ（耗材费用每平米供暖年化耗材成本ｃ为
）Ｃ（ｅｗ）ｏ）ｉＣ（ｉＣ（ｉ
ｃｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝
Ｓ
（）６
）维修费用７
即初始投资的线性函数Ｒ＝（Ｍ＋Ａ）ξ，ξ取值
为３．每平米供暖年化维修成本为５％，
（ＭＡｉ）（）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，７ ｇｐ
Ｓ针对不同的供能设备，计算在产生相同的经济
设备、安装、建 将环保成本归增加到初期投资（
、设等）运行成本（运行、设备折旧费等）等环节当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益．计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护标准化折算成每平方供暖年化费用．费用，
为了方便表示和计算，做以下约定：燃煤锅炉、电锅炉、地源热泵分别用下标ｃ比如，ｂ，ｅｂ，ｇｐ表示，则ＮｃＮ表示折旧年限，ｂ代表燃煤锅炉的折旧年限；则ＭｅＭ代表主设备价格，ｂ表示电锅炉的价格．
）主设备成本１
设主设备成本为Ｍ，主设备是指用供暖系统使用能源实现加热的主体设备，即燃煤锅炉、电锅炉、热泵设备本身．主设备的折旧年限Ｎ，供暖面积为则三种设备折算成每平米的年均投资ｍ为Ｓ，
ｒｉ＝
Ｍｉ
ｍｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝
ＮｉＳ
）土建成本２
（）１
在生命周期内共使用了多少费用效益的基础上，
使用费用Ｗ较少的具备较好的经济性，其表达Ｗ，
式为
）Ｗ＝（Ｍ＋Ｆ＋Ａ＋Ｏ）Ｅ＋Ｃ＋Ｒ）（８＋Ｎ（
其中Ｎ为设备可使用年限．
），根据式（有以下多种判断逻辑：８
）正向判别．不同的设备和用能方式，具有不１
同的生命期费用．令ｃ为用煤方式，如ｅ为用电方式，）＜Ｗ（），果Ｗ（则说明用电方式更经济，具有相ｅｃ对于用煤方式的替代性．
设土建成本为Ｆ，包含土地和建筑两部分．设土建筑造价为β，面积为Ｓ场地面积（例地单价为α，１，
如堆煤及渣料等非建筑场地）则土建成本折算为Ｓ２，每平米的年均投资ｆ为
（２）１ｉｉ
）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，２ ｇｐ（
ＮｉＳ
Ｆｉ＝
）配件成本３
·５１０·
浙江工业大学学报
表３ 每平米年化供暖费用
第４３卷
）延迟判别．由各个参数的主要受制于价格因２
）可以表达为时素，而价格又随时间变化，所以式（８））））））间的函数，即Ｗ（ｔＭ（ｔｔｔｔ＝（＋Ｆ（＋Ａ（＋Ｏ（）））），则如在ｔ有Ｗ（Ｅ（ｔｔｔｅ，＋Ｎ（＋Ｃ（＋Ｒ（０时刻，
，则有可能在ｔｔｃ，ｔＷ（ｅ，ｔ０）０）１时刻，１）＜＜Ｗ（，即经济性具有时间效应，并不是一成不Ｗ（ｃ，ｔ１）
变的．
）反向推导．如果ｔ在短期内无法使Ｗ（３ｅ，ｔ０）
，而电能替代又必须实施，则通过干预ｃ，ｔ０）＜Ｗ（
某个参数，如政府实施优惠电价，使Ｗ（ｅ，ｔ０）＜
Ｗ（ｃ，ｔ．０）
在实际情形下，因为能源价格的波动性，参数很同时，政府干预参数也难用简单的时间函数来表示，
属于不可控范畴，所以选择正向判别作为惟一的判断逻辑．
ｅｒｅａｒＴａｂｌｅ３ Ｔｈｅｃｏｓｔｏｆｈｅａｔｓｕｌｓｕａｒｅｍｅｔｅｒ ｐｙｐｐｙｑ
２
（·年）元／ｍ
分类主设备成本土建成本配件成本其他成本人工费用耗材费用维修费用上述合计年化费用
燃煤锅炉０．９１ ２．１８ ６．７３ １．５３ ４．１５ ３．４９ ０．４０ １９．４０ １９．４０＋ｓｃｂ
电锅炉０．１７ ０．１４ ０．６６ ０．１７ ３．６１ ３．１６ ０．０４ ７．９４ ７．９４＋ｓｅｂ
地源热泵０．８２０．２３１．３８０．４１３．６１３．７３０．１０１０．２９１０．２９＋ｓｇｐ
热效率为Ｃ，采暖热负荷修正系 考虑热当量μ，
［１－１２］
，数Ｋ１＝０．传输热损失Ｋ２＝０．那么燃煤８，７１锅炉的能量消耗量Ａ与Ｑ的关系为
２ 模型构建
）初始投资成本１
热泵的生产销售企业调研，了解企通过对锅炉、
业近２年来实施案例的初始投资成本，按照一蒸吨（７００ｋＷ）的规模折算如表２所示．
表２ 初始投资成本调研数据
Ｔａｂｌｅ２ Ｔｈｅｓｕｒｖｅｄａｔａｏｆｉｎｉｔｉａｌｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃｏｓｔ ｙ
元
分类主设备土地建筑配件其他合计
初始投资成本
燃煤锅炉６５０００ １５５７１２ ４８００００ １０９０００ ８０９７１２
电锅炉７５０００ ６３７９２ ３０００００ ７５０００ ５２８７９２
地源热泵２８００００ ７９７４０ １８００００ １４００００ ６７９７４０
Ｑ＝μＫ１Ｋ２ＡＣ
ｓｐｃｂ＝Ａｃ
对于电供暖设备，其功率为Ｐ，与Ｑ的关系满足
Ｑ＝Ｋ１Ｋ２ＰＣｔ
ｓ＝Ｐｔｐ对于电锅炉和热泵，其费用分别为
ｓｔｐｅｂ＝Ｐｅｂｅ
（）１０
（）１１（）１２（）１３（）１４（）１５
ｓｔｐｅｇｐ＝Ｐｇｐ
［３］
，太原地区一个采暖季天数为１一天供２７天１
暖１累计供暖２可以单独采用燃煤锅炉８ｈ，２８６ｈ， 供暖或电锅炉、地源热泵联合供暖．将以上数据代入）中，式（化简可得９～１５
Ｑｃｂ＝Ｑｅｂ＋ＱｇｐＣ９．４＋Ａｐｃｂ＝１ｃＣ．９４＋Ｐｔｐｅｂ＝７ｅｂｅ
（）１６（）１７
（）１８
）模型计算 ２
将折旧年限Ｎｃ煤锅０，Ｎｅ５，Ｎｇ５，ｂ＝１ｂ＝１ｐ＝１炉司炉工ｃ电锅炉和热泵看管员１按２３００元／月，
）工ｃ并求和，２按２０００元／月等参数带入式（１～７ 得到年化费用Ｃ，该费用分为由两部分组成，实际产生的费用和供能费用如表３所示．
，对于供能费用ｓ对于燃煤锅炉，可以表达成燃
煤单价的函数，同样，对于电锅炉，也可以表达成其电价的函数，而对于地源热泵，其Ｃ随温度而变化，可以表达成电价和温度的函数．
，热负荷为ｑ，供暖面积为ｓ在一定时间ｔ所消耗的热量Ｑ可表示为
（）Ｃ．５３＋Ｐｇｔ１９ｐｅｇｐ＝９ｐ
）的约束条件下，由此可以看出：在式（燃煤１６价格、电价、电锅炉初装功率和热泵初装功率分别为多少时，电能替代经济上可行，即判别式Δ≥１，有
／（ＣΔ＝Ｃｃｂｅｂ＋Ｃｇｐ）
（）２０
３ 模型求解
判别式Δ包含５个自变量，加之自变量之间的判别式直接求解较困难．采用坐标轮换法耦合关系，
的思路，把多参数转换为单参数进行求解．
）令Ｃ为用电设备的每平米年总１Ｃｅ＝Ｃｅｂ＋ｇｐ，
开销，假定ｐ为当前电价０．则变量ｐ４７，ｅ为常量，ｅｂ，太原地区的采暖热．９７ＰＣ实际＝ｑ，ｐｅｂ＋Ｐｇｐ满足０ｇｐ
Ｑ＝ｑｓｔ
（）９
第５期武 中，等：供暖领域电能替代效益分析
·５１１·
２
／，负荷ｑ＝６电锅炉的热效率Ｃ燃０Ｗｍ．９７，ｅｂ＝０
煤锅炉热效率Ｃ地源热泵的Ｃ名义＝３．标．８；３，ｃｂ＝０
准出水温度为４其实际Ｃ随出水温度关系５度，
［１４］
４ 结 论
电锅炉费用远高于燃煤锅炉，经济上替代可行性不大，热泵费用虽然低于燃煤锅炉费用，但实际应由于热泵出水温度不高，在严寒季节的夜用中发现，
间无法达到室内取暖最低温度的标准，单独替代可行性不大．采用地源热泵作为主供暖设施，小功率电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳当电锅炉的供暖比例１∶１，电价保持不解决方案，
变，煤炭价格高于１供暖利用完全可５００元／吨时， 以实施电能替代．参考文献：
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［］刘峰，陶红霞，等．１４Ｒ４１０Ａ风冷热泵冷热水机组变出 翁文兵，
／满足Ｃ名义＝Ｃ则费用Ｃ１０１．５－２．２５Ｘ）１００， ｅｂ（ｅ表
从图１可以看出：热泵实际Ｃ越低，总体费示见图１．
用也低，但考虑到实际取暖效果，出水温度不应低于热泵单独供暖可以保证采暖季初期和末期的４５度，
供暖需求．综合太原地区的天气情况，配套电锅炉应则两者最佳初装功该满足最冷供暖日满负荷供应，率比为１∶１
．
图１ 电设备费用
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｃｏｓｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｅｕｉｍｅｎｔｓ ｇｑｐ
）依旧假定为常量，为当前电价０．则费用２４７，比率与煤电价的关系如图２所示．从图２可以看出：总费用随着煤电价比的增高而增高，根据测算，以当前电价为基准，煤炭价格为电价的３．即煤炭价２倍，格超过１具有可替代性
．５００元／吨时，
图２ 费用比率Ｆｉ．２ Ｔｈｅｒａｔｅｏｆｃｏｓｔ ｇ
］（）：水温度制热性能分析［低温工程，Ｊ．２００９３６０６４．－
（责任编辑：刘 岩）
第４３卷第５期２０１５年１０月
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Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．２０１５
供暖领域电能替代效益分析
武 中，李 强，徐红涛
（）国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原０３０００２
摘要：供暖领域用电能供暖替代传统燃煤供暖方式，是减少雾霾的主要措施之一．将电锅炉和地源热泵技术等进行集成，基于能耗及经济成本等因素，建立分析模型，并通过调研数据对分析模型进分析电锅炉以及热泵在不同性能曲线（的联合使用的运行策略，寻找最优的运行方案行验证，ＣＯＰ）是实现电能替代效益的关键步骤．基于系统模型以及优化目标，借助计算机辅助编程，通过坐标轮换法，对模型进行分析和计算，得出采用地源热泵作为主供暖设施，电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳解决方案．关键词：电能替代；供暖；能耗；经济效益
中图分类号：ＴＭ９２５ 文献标志码：Ａ
（）文章编号：１００６４３０３２０１５０５０５０８０４－－－
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｉｎｈｅａｔｓｕｌｓｓｔｅｍ ｙｇｙｐｐｙｙ
，，ＷＵＺｈｏｎＬＩＱｉａｎＸＵ Ｈｏｎｔａｏ ｇｇｇ
（，）ＥｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＳｈａｎｘｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍａｎＴａｉｕａｎ０３０００２，Ｃｈｉｎａ ｇｙｐｙｙ
：Ａ，Ａｂｓｔｒａｃｔｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｄｉｓｅｒｓｅｈａｚｅｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍｓｗｉｌｌｒｅｌａｃｅｔｈｅ ｐｇｙｐ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏａｌｆｉｒｅｄｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｈｅａｔｓｕｌ．Ｉｎｔｅｒａｔｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｂｏｉｌｅｒｓａｎｄ － ｇｙｐｐｙｇｇ
ｒｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｕｍｔｈｅａｎａｌｓｉｓｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｅｎｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎ，ｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｓｔｓａｎｄ ｇｐｐ，ｙｇｙｐ ｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓｉｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅａｎａｌｓｉｓｍｏｄｅｌｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｖｉａｔｈｅｓｕｒｖｅｄａｔａａｎｄｔｈｅｃｏｒｕｎｎｉｎ －ｙｙｇ ｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｂｏｉｌｅｒｓａｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔＣＯＰａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｓｔｒａｔｅｉｅｓｒｏｕｎｄｕｍ ｇｇｐｐ ｆｉｎｄｔｈｅｏｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅａｒｅｔｈｅｋｅｓｔｅｓｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｔｏ ｐｙｐｙ
，ｅｎｅｒＢａｓｅｄｏａｌｏｎｔｈｅｓｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌａｎｄｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｒｏｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄ ｇｙ．ｇｙｐａｎａｌｚｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌｔｈｒｏｕｈｃｏｍｕｔｅｒａｉｄｅｄｂｅｓｔｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｒｏｒａｍｍｉｎ．Ｔｈｅｔｏ － ｙｇｐｐｇｇｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｌｉｓｔｏｕｓｅｒｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｕｍｓａｓｔｈｅｍａｉｎｈｅａｔｉｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｐｙｇｐｐｇ ｂｏｉｌｅｒｓａｓａｎａｕｘｉｌｉａｒｉｅｓ．
：；；Ｋｅｗｏｒｄｓａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｈｅａｔｓｕｌｅｎｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎ；ｅｃｏｎｏｍｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｇｙｐｐｙｇｙｐｙｙ 环保形势严峻，严重雾霾频繁发生，尤其 当前，
是在北方冬季供暖期间，雾霾大规模长时间的爆发，
１］严重影响了人们的生活和健康［研究表明：．ＰＭ２．５
生活环境质量．电能替代是推进节能减排工作的有
］５６－
，效途径之一［但与传统供暖方式相比，过高的运］７８－
在供暖行费用是其大规模推广的主要障碍之一［．
中的５０％～６０％源于燃煤，２０％～３０％源于燃
２］３］
，油［直燃煤是造成环境污染的重要因素［随着清．
领域通过对燃煤锅炉、电锅炉和地源热泵的进行经提出了电能替代传统燃煤方济性和环保效益分析，式供暖的解决方案．
洁能源发电比重的提高，电能的污染物排放明显优
４］
，能显著减少城市的空气污染，能够改善于直燃煤［
收稿日期：２０１５０３１９－－
）基金项目：国家星火计划项目（２０１０ＧＡ７００１５６
—），：作者简介：武 中（男，山西太原人，高级工程师，研究方向为电能替代、智能电网通信网规划，１９７１Ｅａｉｌ１５３３３６６８４３６２ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ．－ｍ＠
第５期武 中，等：供暖领域电能替代效益分析
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设配件成本为Ａ，供暖系统的配件包括给水泵
１ 模型研究
国内研究主要从简单的经济效益角度出发，但没
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，从一种普适地角度提出有考虑环境的经济成本［
及控制箱、循环水泵、软水器、换热设备、引风机、鼓风机、除尘器、除渣机、上煤机、脱硫脱销除尘、配电柜、变压器、线缆等一系列配套设备．则配件成本折算成每平米的年均投资ａ为
主要讲成本分为初期投资（设备、安装、建替代模型，
、设等）运行成本（运行、设备折旧费等）两个分类，如同时将环保成本归增加到上述分类的子类表１所示，
当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益．计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护费用，标准化折算成每平方供暖年化费用．
表１ 模型参数
ａｒａｍｅｔｅｒＴａｂｌｅ１ Ｔｈｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ ｐ
分类初期投资
子类土建成本配件成本其他成本人工费用
运营成本
耗材费用维修费用
说明
所占用的土地及兴建建筑物与主设备运行方式相关的附加设备安装费、人工费以及监理费用等使用过程中投入的人工费用
每年投入的耗材费用，包括解决产生污染物所需费用
生产过程中用于检修用能装置的费用
主设备成本用于产生热量、做功的用能主设备
Ａｉ
（）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，３ ｇｐ
ＮｉＳ
）其他成本４
主要包括安装费、人工费以及设其他成本为Ｏ，
ａｉ＝
监理费用等等．这些费用一般和工程总造价的购地费用不计算在工程造价内，其他成本折算２０％，
成每平米的年均投资ｏ为
（ｏ．１ｍｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝０ｉ＋ａｉ）
）人工费用５
（）４
对于供暖环节，设需要ｎ个工设人工费用为Ｅ，
作人员，月工资为ｄ，员工的节假日补助及福利费用一年员工工作ｔ个月，对于三种设Ｇ，Ｇ＝Ｃ１４％，ｉ×备，其年人工费用记作ｅ，即
ｅｉ＝
（ｉｉ）ｉｉ
ｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐ
Ｓ
（）５
）耗材费用６
辅耗材费用Ｃ主要有主要包括辅助配件费用，），助设备的电费Ｃ（水费，ｅＣ（ｗ）以及其他耗材费用，其他耗材费用购买软化水剂等产生的费用，Ｃ（ｏ）
对于燃煤锅炉，其他费用还包括脱硫脱硝除尘所需），的脱硫剂、脱硝催化剂等，Ｃ＝Ｃ（ｅｗ）ｏ）＋Ｃ（＋Ｃ（耗材费用每平米供暖年化耗材成本ｃ为
）Ｃ（ｅｗ）ｏ）ｉＣ（ｉＣ（ｉ
ｃｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝
Ｓ
（）６
）维修费用７
即初始投资的线性函数Ｒ＝（Ｍ＋Ａ）ξ，ξ取值
为３．每平米供暖年化维修成本为５％，
（ＭＡｉ）（）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，７ ｇｐ
Ｓ针对不同的供能设备，计算在产生相同的经济
设备、安装、建 将环保成本归增加到初期投资（
、设等）运行成本（运行、设备折旧费等）等环节当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益．计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护标准化折算成每平方供暖年化费用．费用，
为了方便表示和计算，做以下约定：燃煤锅炉、电锅炉、地源热泵分别用下标ｃ比如，ｂ，ｅｂ，ｇｐ表示，则ＮｃＮ表示折旧年限，ｂ代表燃煤锅炉的折旧年限；则ＭｅＭ代表主设备价格，ｂ表示电锅炉的价格．
）主设备成本１
设主设备成本为Ｍ，主设备是指用供暖系统使用能源实现加热的主体设备，即燃煤锅炉、电锅炉、热泵设备本身．主设备的折旧年限Ｎ，供暖面积为则三种设备折算成每平米的年均投资ｍ为Ｓ，
ｒｉ＝
Ｍｉ
ｍｉ＝ｃｂ，ｅｂ， ｇｐｉ＝
ＮｉＳ
）土建成本２
（）１
在生命周期内共使用了多少费用效益的基础上，
使用费用Ｗ较少的具备较好的经济性，其表达Ｗ，
式为
）Ｗ＝（Ｍ＋Ｆ＋Ａ＋Ｏ）Ｅ＋Ｃ＋Ｒ）（８＋Ｎ（
其中Ｎ为设备可使用年限．
），根据式（有以下多种判断逻辑：８
）正向判别．不同的设备和用能方式，具有不１
同的生命期费用．令ｃ为用煤方式，如ｅ为用电方式，）＜Ｗ（），果Ｗ（则说明用电方式更经济，具有相ｅｃ对于用煤方式的替代性．
设土建成本为Ｆ，包含土地和建筑两部分．设土建筑造价为β，面积为Ｓ场地面积（例地单价为α，１，
如堆煤及渣料等非建筑场地）则土建成本折算为Ｓ２，每平米的年均投资ｆ为
（２）１ｉｉ
）ｉ＝ｃｂ，ｅｂ，２ ｇｐ（
ＮｉＳ
Ｆｉ＝
）配件成本３
·５１０·
浙江工业大学学报
表３ 每平米年化供暖费用
第４３卷
）延迟判别．由各个参数的主要受制于价格因２
）可以表达为时素，而价格又随时间变化，所以式（８））））））间的函数，即Ｗ（ｔＭ（ｔｔｔｔ＝（＋Ｆ（＋Ａ（＋Ｏ（）））），则如在ｔ有Ｗ（Ｅ（ｔｔｔｅ，＋Ｎ（＋Ｃ（＋Ｒ（０时刻，
，则有可能在ｔｔｃ，ｔＷ（ｅ，ｔ０）０）１时刻，１）＜＜Ｗ（，即经济性具有时间效应，并不是一成不Ｗ（ｃ，ｔ１）
变的．
）反向推导．如果ｔ在短期内无法使Ｗ（３ｅ，ｔ０）
，而电能替代又必须实施，则通过干预ｃ，ｔ０）＜Ｗ（
某个参数，如政府实施优惠电价，使Ｗ（ｅ，ｔ０）＜
Ｗ（ｃ，ｔ．０）
在实际情形下，因为能源价格的波动性，参数很同时，政府干预参数也难用简单的时间函数来表示，
属于不可控范畴，所以选择正向判别作为惟一的判断逻辑．
ｅｒｅａｒＴａｂｌｅ３ Ｔｈｅｃｏｓｔｏｆｈｅａｔｓｕｌｓｕａｒｅｍｅｔｅｒ ｐｙｐｐｙｑ
２
（·年）元／ｍ
分类主设备成本土建成本配件成本其他成本人工费用耗材费用维修费用上述合计年化费用
燃煤锅炉０．９１ ２．１８ ６．７３ １．５３ ４．１５ ３．４９ ０．４０ １９．４０ １９．４０＋ｓｃｂ
电锅炉０．１７ ０．１４ ０．６６ ０．１７ ３．６１ ３．１６ ０．０４ ７．９４ ７．９４＋ｓｅｂ
地源热泵０．８２０．２３１．３８０．４１３．６１３．７３０．１０１０．２９１０．２９＋ｓｇｐ
热效率为Ｃ，采暖热负荷修正系 考虑热当量μ，
［１－１２］
，数Ｋ１＝０．传输热损失Ｋ２＝０．那么燃煤８，７１锅炉的能量消耗量Ａ与Ｑ的关系为
２ 模型构建
）初始投资成本１
热泵的生产销售企业调研，了解企通过对锅炉、
业近２年来实施案例的初始投资成本，按照一蒸吨（７００ｋＷ）的规模折算如表２所示．
表２ 初始投资成本调研数据
Ｔａｂｌｅ２ Ｔｈｅｓｕｒｖｅｄａｔａｏｆｉｎｉｔｉａｌｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃｏｓｔ ｙ
元
分类主设备土地建筑配件其他合计
初始投资成本
燃煤锅炉６５０００ １５５７１２ ４８００００ １０９０００ ８０９７１２
电锅炉７５０００ ６３７９２ ３０００００ ７５０００ ５２８７９２
地源热泵２８００００ ７９７４０ １８００００ １４００００ ６７９７４０
Ｑ＝μＫ１Ｋ２ＡＣ
ｓｐｃｂ＝Ａｃ
对于电供暖设备，其功率为Ｐ，与Ｑ的关系满足
Ｑ＝Ｋ１Ｋ２ＰＣｔ
ｓ＝Ｐｔｐ对于电锅炉和热泵，其费用分别为
ｓｔｐｅｂ＝Ｐｅｂｅ
（）１０
（）１１（）１２（）１３（）１４（）１５
ｓｔｐｅｇｐ＝Ｐｇｐ
［３］
，太原地区一个采暖季天数为１一天供２７天１
暖１累计供暖２可以单独采用燃煤锅炉８ｈ，２８６ｈ， 供暖或电锅炉、地源热泵联合供暖．将以上数据代入）中，式（化简可得９～１５
Ｑｃｂ＝Ｑｅｂ＋ＱｇｐＣ９．４＋Ａｐｃｂ＝１ｃＣ．９４＋Ｐｔｐｅｂ＝７ｅｂｅ
（）１６（）１７
（）１８
）模型计算 ２
将折旧年限Ｎｃ煤锅０，Ｎｅ５，Ｎｇ５，ｂ＝１ｂ＝１ｐ＝１炉司炉工ｃ电锅炉和热泵看管员１按２３００元／月，
）工ｃ并求和，２按２０００元／月等参数带入式（１～７ 得到年化费用Ｃ，该费用分为由两部分组成，实际产生的费用和供能费用如表３所示．
，对于供能费用ｓ对于燃煤锅炉，可以表达成燃
煤单价的函数，同样，对于电锅炉，也可以表达成其电价的函数，而对于地源热泵，其Ｃ随温度而变化，可以表达成电价和温度的函数．
，热负荷为ｑ，供暖面积为ｓ在一定时间ｔ所消耗的热量Ｑ可表示为
（）Ｃ．５３＋Ｐｇｔ１９ｐｅｇｐ＝９ｐ
）的约束条件下，由此可以看出：在式（燃煤１６价格、电价、电锅炉初装功率和热泵初装功率分别为多少时，电能替代经济上可行，即判别式Δ≥１，有
／（ＣΔ＝Ｃｃｂｅｂ＋Ｃｇｐ）
（）２０
３ 模型求解
判别式Δ包含５个自变量，加之自变量之间的判别式直接求解较困难．采用坐标轮换法耦合关系，
的思路，把多参数转换为单参数进行求解．
）令Ｃ为用电设备的每平米年总１Ｃｅ＝Ｃｅｂ＋ｇｐ，
开销，假定ｐ为当前电价０．则变量ｐ４７，ｅ为常量，ｅｂ，太原地区的采暖热．９７ＰＣ实际＝ｑ，ｐｅｂ＋Ｐｇｐ满足０ｇｐ
Ｑ＝ｑｓｔ
（）９
第５期武 中，等：供暖领域电能替代效益分析
·５１１·
２
／，负荷ｑ＝６电锅炉的热效率Ｃ燃０Ｗｍ．９７，ｅｂ＝０
煤锅炉热效率Ｃ地源热泵的Ｃ名义＝３．标．８；３，ｃｂ＝０
准出水温度为４其实际Ｃ随出水温度关系５度，
［１４］
４ 结 论
电锅炉费用远高于燃煤锅炉，经济上替代可行性不大，热泵费用虽然低于燃煤锅炉费用，但实际应由于热泵出水温度不高，在严寒季节的夜用中发现，
间无法达到室内取暖最低温度的标准，单独替代可行性不大．采用地源热泵作为主供暖设施，小功率电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳当电锅炉的供暖比例１∶１，电价保持不解决方案，
变，煤炭价格高于１供暖利用完全可５００元／吨时， 以实施电能替代．参考文献：
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从图１可以看出：热泵实际Ｃ越低，总体费示见图１．
用也低，但考虑到实际取暖效果，出水温度不应低于热泵单独供暖可以保证采暖季初期和末期的４５度，
供暖需求．综合太原地区的天气情况，配套电锅炉应则两者最佳初装功该满足最冷供暖日满负荷供应，率比为１∶１
．
图１ 电设备费用
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｃｏｓｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｅｕｉｍｅｎｔｓ ｇｑｐ
）依旧假定为常量，为当前电价０．则费用２４７，比率与煤电价的关系如图２所示．从图２可以看出：总费用随着煤电价比的增高而增高，根据测算，以当前电价为基准，煤炭价格为电价的３．即煤炭价２倍，格超过１具有可替代性
．５００元／吨时，
图２ 费用比率Ｆｉ．２ Ｔｈｅｒａｔｅｏｆｃｏｓｔ ｇ
］（）：水温度制热性能分析［低温工程，Ｊ．２００９３６０６４．－
（责任编辑：刘 岩）