典型電能替代技術(shù)的成本效益分析

袁興宇，梁俊宇，王達(dá)達(dá)，舒杰，劉夢(mèng)華，王浩，吳昌宏

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，昆明 650214；2.中國(guó)科學(xué)院 廣州能源研究所 可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引言

目前，電能替代推廣的難點(diǎn)在于替代的電氣設(shè)備或用電方式成本較高，導(dǎo)致用戶實(shí)施電能替代的積極性不高。為此，各地政府對(duì)電能替代都給予一定補(bǔ)貼。如何補(bǔ)貼及補(bǔ)貼額度，即具體的補(bǔ)貼方案，值得深入探討，以實(shí)現(xiàn)既使用戶有實(shí)施意愿，又不會(huì)造成財(cái)政資金浪費(fèi)的目標(biāo)。

現(xiàn)有研究大多從兼顧多方利益的角度給出電能替代實(shí)施建議，但其中有關(guān)電能替代的經(jīng)濟(jì)性分析很具參考價(jià)值。文獻(xiàn)［1］對(duì)電能從生產(chǎn)、使用到設(shè)備報(bào)廢處理的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)鏈條進(jìn)行分析，得出非常全面和客觀的節(jié)能減排效果評(píng)估。文獻(xiàn)［2—3］對(duì)岸電建造、運(yùn)營(yíng)成本從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度進(jìn)行分析，并構(gòu)建了相應(yīng)模型，研究如何確定港口電價(jià)以使電網(wǎng)公司、港口、航運(yùn)公司和政府4方成本效益最優(yōu)。文獻(xiàn)［4］對(duì)燃?xì)忮仩t等老式采暖設(shè)備和蓄熱式電鍋爐、熱泵、分散式電采暖等新型采暖設(shè)備從經(jīng)濟(jì)性和不同場(chǎng)合的適用性上做對(duì)比分析，得出了一些具有參考價(jià)值的結(jié)論。文獻(xiàn)［5］研究了蓄熱式電鍋爐的成本模型，據(jù)此提出了年度電費(fèi)和投資成本最少的應(yīng)用方式。文獻(xiàn)［6］討論在集成電鍋爐和地源熱泵的情況下，以經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)，二者的最優(yōu)化聯(lián)合使用策略。文獻(xiàn)［7］以學(xué)校為例，針對(duì)不同場(chǎng)合，采用負(fù)荷分解方式建立各種電能替代設(shè)備的選型模型，給出集中式和分布式設(shè)備的配置方案。文獻(xiàn)［8］主要以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全電廚房和傳統(tǒng)廚房進(jìn)行了對(duì)比，顯示全電廚房在各方面都較優(yōu)。文獻(xiàn)［9］分析石油鉆機(jī)的電能替代綜合效益，并用實(shí)例證實(shí)電能替代后的綜合效益更高。文獻(xiàn)［10］從用戶角度構(gòu)建了電能替代效益評(píng)估模型，以3個(gè)實(shí)例的分析得出適合地方特點(diǎn)的電能替代實(shí)施方案。

應(yīng)該指出，電能替代的落腳點(diǎn)是讓盡可能多的用戶用電能替代之前的化石能源。因此，首先必須抓住電能替代的主要矛盾，即用戶實(shí)施的意愿，其核心在于電能替代的經(jīng)濟(jì)性；再者，電能替代前后的成本分析應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，因?yàn)槠湟环矫嬗糜谥笇?dǎo)政府部門如何補(bǔ)貼，另一方面也要讓用戶認(rèn)可；其次，政府部門在對(duì)電能替代補(bǔ)貼時(shí)，可適當(dāng)讓利于用戶，從而提高用戶的積極性。鑒于文獻(xiàn)中鮮有提及具體的電能替代補(bǔ)貼方案，以致電能替代不便于推廣落實(shí)，從用戶使用經(jīng)濟(jì)性需求出發(fā)，對(duì)如表1所示國(guó)家發(fā)布的5大領(lǐng)域中20項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行成本分析，并提出補(bǔ)貼方案［11］。

基于上述思想，首先根據(jù)國(guó)家發(fā)布的20項(xiàng)電能替代技術(shù)的特點(diǎn)，將其分為5類，分別進(jìn)行成本分析，提出補(bǔ)貼方案，并隨之提出電能替代實(shí)施中的一些建議，之后計(jì)算若干實(shí)例，最后，總結(jié)全文。

1 新舊設(shè)備使用成本和補(bǔ)貼方案

本節(jié)將表1所示的20項(xiàng)技術(shù)分為5類，并逐一進(jìn)行成本分析。人們對(duì)化石能源、電能等的利用主要是為了獲取熱能（含制冷）和動(dòng)能，對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括鍋爐、電加熱器、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。就使用成本分析而言，制取熱能（動(dòng)能）的各設(shè)備有一定的相似性，故本文將制取熱能和動(dòng)能的相關(guān)技術(shù)各歸為一類進(jìn)行分析；電動(dòng)車技術(shù)是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)且應(yīng)用普遍，其使用方式和場(chǎng)景也較一般的動(dòng)能輸出設(shè)備特殊，因此將其單獨(dú)列為一類；在關(guān)于自備/地方電廠的電能替代前后，負(fù)荷都是使用電能，只是電能來源不同，故成本分析較為特殊，也單獨(dú)列為一類；岸電等航海/航空相關(guān)的電能替代涉及多方成本分析，且互相關(guān)聯(lián)，也作為一類技術(shù)單獨(dú)分析。

表1 典型電能替代技術(shù)和適用領(lǐng)域Table 1 Typical electric energy substitution technology and applicable fields

此外，本文中老設(shè)備指目前使用化石燃料的設(shè)備，新設(shè)備指提倡使用的電氣設(shè)備，計(jì)算的使用成本和補(bǔ)貼皆指一年的數(shù)額。

1.1 熱能生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)電能替代

本節(jié)所述領(lǐng)域/技術(shù)包括居民采暖領(lǐng)域、工業(yè)電鍋爐、建材電窯爐、冶金電爐、農(nóng)產(chǎn)品加工（熱）、電保溫設(shè)備、電廚炊技術(shù)、電洗浴技術(shù)等。

在具體分析之前，先給出如下定義（本文中折舊費(fèi)采用較簡(jiǎn)潔的年限平均法計(jì)算，不考慮成本和補(bǔ)貼的時(shí)間價(jià)值）

式中：上標(biāo)old和new分別為老設(shè)備（方式）和新設(shè)備（方式）；Cdoeldp/rncew為老/新設(shè)備每年折舊費(fèi)，萬元；Cpolcdh/snew為老/新設(shè)備購(gòu)入（含裝建、電力增容）成本，萬元；rroelsdd/new為老/新設(shè)備殘值率，意為設(shè)備使用期限到后的價(jià)值占購(gòu)入成本的比例；Lold/newuse為老/新設(shè)備壽命，年；Coldloss為老設(shè)備年均折損費(fèi)，萬元，描述電能替代后老設(shè)備剩余壽命使用價(jià)值的損失，同時(shí)對(duì)應(yīng)用戶投資損失；k為老設(shè)備折損系數(shù)（0＜k≤1），指電能替代后老設(shè)備剩余壽命使用價(jià)值損失的比例；Lormld為老設(shè)備剩余壽命，年。

其中，k的具體取值與老設(shè)備被替代后的使用情況有關(guān)。老設(shè)備被替代后，之前對(duì)其的投資必然有一定的損失，這里的投資損失以老設(shè)備剩余壽命里的全部或部分折舊費(fèi)表征，即kCdoeldprcLormld。如果被替代后老設(shè)備已不能使用，表明老設(shè)備剩余壽命的使用價(jià)值全部喪失，k取1；如果老設(shè)備可作為備用或轉(zhuǎn)售，表明老設(shè)備還有使用價(jià)值，只有部分投資損失，k可取一個(gè)較小的數(shù)值，如取0.5。由于需要計(jì)算一年的使用成本和補(bǔ)貼，故將老設(shè)備的投資損失按新設(shè)備的使用壽命均分，即式（2）的形式，后文會(huì)將這部分損失計(jì)入新設(shè)備每年的使用成本，以避免該損失削弱用戶對(duì)電能替代的積極性。式（1）是常見的折舊費(fèi)計(jì)算公式，指設(shè)備購(gòu)入成本除去殘值后折算至使用壽命里平均每年的費(fèi)用。

1.1.1 老設(shè)備改造改造前成本［4，6，8，10］

式中：Colduse為老設(shè)備每年使用成本，萬元；Qfuel為老設(shè)備年均煤/油/氣用量，kg或m3；Pfuel為煤/油/氣單價(jià)，元/kg或元/m3；Coldlabor為使用老設(shè)備的年均人工成本，萬元；Coldmntn為老設(shè)備年均維護(hù)成本，萬元。

在居民采暖領(lǐng)域，參照文獻(xiàn)［4］，有

式中：Sht為供暖面積，m2；Q1Sfuel為單位面積年均煤/油/氣用量，kg/m2或m3/m2。

在生活電器領(lǐng)域，為與電廚炊技術(shù)和電洗浴技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，類似也有［4］

式中：Nfml為家庭人數(shù)，個(gè)；Q1Nfuel為人均每年煤/油/氣用量，kg或m3。其它應(yīng)用場(chǎng)合，必須調(diào)研生產(chǎn)規(guī)模和Qfuel間的關(guān)系，據(jù)此，對(duì)一個(gè)確定的用戶，可根據(jù)其生產(chǎn)規(guī)模估計(jì)Qfuel。

為使成本計(jì)算更加簡(jiǎn)捷和對(duì)廣大用戶更加公平，計(jì)算中的一些參數(shù)應(yīng)該在當(dāng)?shù)亟?jīng)過大量數(shù)據(jù)調(diào)研得到，如Q1fuSel、Q1fuNel、Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew、Cdoeldp/rncew，尤其像Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew這種只具有參考意義的數(shù)值。當(dāng)然，如Qfuel也可直接由用戶提供，但為了準(zhǔn)確性和可信性，調(diào)研還是很有必要的。另外，如果是家庭自供熱采暖，可認(rèn)為沒有Cloalbdo/nrew和Cmolndt/nnew，但如果采用電氣設(shè)備，便利程度顯然更高。預(yù)計(jì)改造后成本如下，不同于文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［10］，本文將Coldloss計(jì)入，考慮到了改造后老設(shè)備剩余壽命使用價(jià)值的損失，從而在補(bǔ)貼中將這部分計(jì)入，以滿足用戶的改造經(jīng)濟(jì)型意愿

式中：Cnewuse為新設(shè)備每年使用成本，萬元；qfuel為煤/油/氣熱值，MJ/kg或MJ/m3；ηold/newth為老/新設(shè)備熱效率，即設(shè)備有效輸出能量與所消耗能量之比；Pelc為電價(jià)，元/kWh；Cnewlabor為使用新設(shè)備的年均人工成本，萬元；Cnewmntn為新設(shè)備年均維護(hù)成本，萬元。

其中，Cdneepwrc（以及Cpncehws）包含電力增容產(chǎn)生的費(fèi)用。通過無功補(bǔ)償?shù)仁侄慰梢越档碗娏υ鋈蓊~度，但對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)備的投資必須計(jì)入和中。

關(guān)于ηothld和ηnthew，考慮到市場(chǎng)上產(chǎn)品性能間的差異，可通過調(diào)研獲得一個(gè)同類產(chǎn)品效率的中間值。

若Sfina≤0，表明電能替代后使用成本已降低或持平，不需要補(bǔ)貼。另外，考慮到Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew所占成本比例較小，若其具體數(shù)據(jù)難以獲取或評(píng)估，為大體求取Sfina，可認(rèn)為

1.1.2 新設(shè)備投建

預(yù)計(jì)老設(shè)備成本：同式（3）。

按照式（3），利用已有數(shù)據(jù)或通過調(diào)研計(jì)算評(píng)估老設(shè)備的使用成本。

預(yù)計(jì)新設(shè)備成本［4，6，8，10］

同式（7），可得每年財(cái)政補(bǔ)貼為

1.2 機(jī)動(dòng)車電能替代

機(jī)動(dòng)車是大眾常用工具。與其它工具不同的是，用戶在購(gòu)入電動(dòng)車后，若之前擁有燃油車，燃油車一般并不會(huì)因此閑置（比如出售），故不存在“老設(shè)備改造”。由于電動(dòng)車中動(dòng)力電池占整車成本比重較高，約為40%，而其使用壽命（確保車輛具有良好動(dòng)力性能的壽命）只有約5～8年，因此，必須考慮電動(dòng)車生命周期內(nèi)的電池更換成本。此外，關(guān)于非運(yùn)營(yíng)機(jī)動(dòng)車，現(xiàn)在已沒有使用年限的規(guī)定，即只要能通過年檢，就可以繼續(xù)使用，但就車輛性能而言，實(shí)際是有使用年限的，本文約定（壽命）為20年；而運(yùn)營(yíng)機(jī)動(dòng)車則為8年使用年限。電動(dòng)車必須與同等功率下的燃油車進(jìn)行成本對(duì)比，方可得出較合理的補(bǔ)貼額度。由于機(jī)動(dòng)車商品化程度較高，即便是相同的功率等級(jí)，價(jià)格相差也很大，這將直接影響車輛的折舊費(fèi)。因此，為了使補(bǔ)貼公平合理，在計(jì)算某一功率的燃油車和電動(dòng)車成本時(shí)，各選一種市場(chǎng)主流且價(jià)格中等的車輛為參照車輛；此外，車輛行駛年里程數(shù)應(yīng)該通過調(diào)研統(tǒng)計(jì)獲得一個(gè)平均值。由于車輛功率等級(jí)較多，建議將其分為若干功率段，各段計(jì)算一個(gè)補(bǔ)貼值，每輛電動(dòng)車即按其所在功率段進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)貼。

在電動(dòng)車生命周期內(nèi)，預(yù)計(jì)會(huì)更換兩次動(dòng)力電池。于是仿照式（1），有［12］

式中：old和new分別為燃油車和電動(dòng)車；Sold/newscrap為燃油/電動(dòng)車輛報(bào)廢補(bǔ)貼，萬元；Cbatpchs為電池成本，萬元。

必須說明，上式中燃油車Coldpchs必須將購(gòu)置稅計(jì)入，電動(dòng)車目前無該稅。

燃油車成本［10，12］

式中：Mve為年里程數(shù)，km；Vfuel為百公里油耗，L；Pv_fuel為機(jī)動(dòng)車燃油單價(jià)，元/L。

電動(dòng)車成本［10，12］

式中：Eelc為百公里電耗，kWh。

于是同上，可得每年補(bǔ)貼額度為

1.3 動(dòng)力輸出相關(guān)技術(shù)電能替代

本節(jié)所述領(lǐng)域/技術(shù)包括輔助電動(dòng)力、礦山采選、農(nóng)業(yè)電排灌、電動(dòng)制氧機(jī)、電動(dòng)噴淋機(jī)、油田鉆機(jī)、油氣管線加壓機(jī)；電蓄冷空調(diào)；軌道交通，軌道式、輪胎式電動(dòng)集裝箱起重機(jī)，港口碼頭電動(dòng)皮帶廊裝卸等。

1.3.1 老設(shè)備改造

改造前成本：同式（3）。

預(yù)計(jì)改造后成本：同式（6）。

其中，Cdoeldprc和Cdneepwrc可根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和實(shí)際情況按式（1）、式（12）或式（13）計(jì)算。于是，可得如式（7）所示補(bǔ)貼值Sfina。

另外，由于這些設(shè)備多為單人操作或有固定的操作模式，可認(rèn)為式（8）和式（9）是成立的。關(guān)于ηothld和ηnewth，由于市場(chǎng)上產(chǎn)品眾多，同類產(chǎn)品的效率很可能并不一致，故可通過調(diào)研獲得一個(gè)中間值，或者更簡(jiǎn)單地，以內(nèi)燃機(jī)效率/電動(dòng)機(jī)效率代表ηothldηnthew。

1.3.2 新設(shè)備投建

預(yù)計(jì)老設(shè)備成本：同式（3）。

可通過調(diào)研獲得所需功率大小的老設(shè)備成本。

預(yù)計(jì)新設(shè)備成本：同式（10）。

同樣，可得如式（11）所示的補(bǔ)貼額度Sfina。

1.4 地方/自備電廠電能替代

地方/自備電廠電能替代是用公共電網(wǎng)電力代替地方/自備電廠電力，以減輕負(fù)荷區(qū)的環(huán)境污染問題。

1.4.1 地方/自備電廠改造

地方/自備電廠運(yùn)營(yíng)成本：同式（3）。

預(yù)計(jì)電網(wǎng)用電成本如下，這里參照了式（6），但電網(wǎng)的運(yùn)維無需用戶參與，故無人工和維護(hù)費(fèi)用。

式中：Eload為負(fù)荷年均用電量，kWh。

如果使用電網(wǎng)電能，則不存在人工成本、日常維護(hù)成本，但向電網(wǎng)公司申請(qǐng)工業(yè)用電會(huì)涉及設(shè)計(jì)、施工和設(shè)備投資（均計(jì)入Cnewpchs）。應(yīng)該說明，在這里，Colddeprc是對(duì)整個(gè)地方/自備電廠而言，為計(jì)算Cloolsds，由式（2），應(yīng)根據(jù)地方/自備電廠內(nèi)設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而確定k和Loldrm，或者直接評(píng)估地方/自備電廠的總折損，即kCdoeldprcLormld；此外，由于電網(wǎng)沒有使用壽命的概念，故Lnewuse可取為政府部門對(duì)用戶的補(bǔ)貼年限，而補(bǔ)貼年限可由地方政府根據(jù)財(cái)政實(shí)力確定。于是，政府部門每年補(bǔ)貼額度為

1.4.2 電網(wǎng)用電方式評(píng)估

預(yù)計(jì)地方/自備電廠運(yùn)營(yíng)成本：同式（3）。

地方/自備電廠運(yùn)營(yíng)成本可通過調(diào)研滿足負(fù)荷需求電廠的相應(yīng)數(shù)據(jù)獲得。

預(yù)計(jì)電網(wǎng)用電成本如下，與1.4.1小節(jié)所述的電廠改造相比，此處沒有Coldloss，因?yàn)楸拘」?jié)實(shí)際是對(duì)地方/自備電廠和電網(wǎng)用電成本的比較，并不涉及電廠改造

同樣，補(bǔ)貼年限仍由地方政府根據(jù)財(cái)政實(shí)力而定，每年補(bǔ)貼額度為

1.5 航海/航空相關(guān)技術(shù)電能替代

本節(jié)所述領(lǐng)域/技術(shù)包括船舶靠港岸電、岸電入海、機(jī)場(chǎng)橋載輔助動(dòng)力裝置（auxiliary power unit，APU）等。船舶岸電和機(jī)場(chǎng)APU的電氣化形式相同，簡(jiǎn)單起見，后文均以岸電表述。由于航運(yùn)公司和港口一般屬于不同的運(yùn)營(yíng)主體，故其只能從自身角度評(píng)估使用岸電或投建岸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

岸電與前述的幾種電能替代類型有所不同。首先，為了便于實(shí)施，地方政府可只對(duì)港口公司進(jìn)行補(bǔ)貼，再由港口公司調(diào)控輸出電價(jià)，進(jìn)而使船舶的岸電使用成本低于燃油發(fā)電；其次，港口公司投建岸電后有盈利需求，政府部門進(jìn)行補(bǔ)貼時(shí)應(yīng)有所顧及，這與前述幾種電能替代類型可接受替代前后成本持平是不同的。

（1）航運(yùn)公司

使用老設(shè)備成本［3］

預(yù)計(jì)使用岸電成本［3］

式中：Pportelc為港口輸出電價(jià)，元/kWh；Coldmntn可按船舶全年靠岸時(shí)間占發(fā)電系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間的比例折算；Qfuel和Eload分別為靠岸期間船舶的用油量和用電量；Cnewdeprc為船舶因接入岸電而新安裝的電氣設(shè)備的折舊費(fèi)，例如接入高壓電，則需要配備降壓變壓器。此外，因?yàn)榇霸诤叫羞^程中仍需要使用燃油輔機(jī)發(fā)電，無論使用岸電與否，輔機(jī)發(fā)電都存在相同的人工成本和折舊費(fèi)，所以Colduse中不計(jì)入人工成本和折舊費(fèi)。

政府部門通過補(bǔ)貼港口公司間接降低Pportelc，使Cunseew＜Cuoslde，從而使航運(yùn)公司愿意使用岸電，也即要求

（2）港口

港口電力屬于大工業(yè)用電，一般實(shí)行兩部制電價(jià)，故需要考慮配電變壓器增容產(chǎn)生的容量電費(fèi)。

岸電收益［2—3］如下

式中：PFport為港口岸電年收益，萬元；Eout為港口年輸出電量，kWh；ηconv為岸電系統(tǒng)效率；Strans為配電變壓器因岸電增加的容量，kVA；Ptrans為變壓器容量電價(jià)，元/（kVA·月）；Cportlabor為岸電系統(tǒng)年均人工成本，萬元；Cmponrttn為岸電系統(tǒng)年均維護(hù)成本，萬元；Cdpeoprtrc為岸電系統(tǒng)每年折舊費(fèi)，萬元。

其中，參照式（1），有

式中：Cppcohrts為岸電總建設(shè)成本，萬元；rrpeosrdt為岸電系統(tǒng)殘值率；Lportuse為岸電系統(tǒng)壽命，年。

對(duì)港口公司而言，配置岸電并非其經(jīng)營(yíng)所必須，所以，其希望在配置岸電后是有收益的，且有一定的利潤(rùn)率，即要求

式中：rPF為期望岸電利潤(rùn)率。

再根據(jù)式（24），則要求岸電超出期望的利潤(rùn)部分（萬元）ΔPFport有

其中，有

式（27）可另寫為

該式成立的必要條件是

式（28）和式（23）可共同用于指導(dǎo)港口公司設(shè)定Peplocrt。在滿足式（28）的情況下，Eout越大，使用岸電的船舶越多，式（27）越可能滿足，PFport也越大。只有當(dāng)式（27）不成立時(shí)，才需要政府部門對(duì)港口公司進(jìn)行補(bǔ)貼，每年補(bǔ)貼額度為

此外，在國(guó)際航運(yùn)中，由于航運(yùn)公司所屬國(guó)別不同，其物價(jià)可能差別較大，也即，Colduse有較大不同。為此，在投建岸電系統(tǒng)之前，政府部門和港口公司應(yīng)調(diào)研相應(yīng)港口船舶的用電成本和岸電使用意愿，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)確定一個(gè)航運(yùn)公司接受的Pportelc；然后預(yù)估初期Eout的值，再根據(jù)式（27）確定是否需要補(bǔ)貼及補(bǔ)貼額度。后期可根據(jù)港口每年的運(yùn)營(yíng)情況，調(diào)整補(bǔ)貼額度，如Eout增加，則可適當(dāng)降低補(bǔ)貼。

根據(jù)前文推導(dǎo)所得的各技術(shù)類別補(bǔ)貼額度，為高效發(fā)揮財(cái)政補(bǔ)貼對(duì)電能替代的促進(jìn)作用，應(yīng)優(yōu)先鼓勵(lì)新投建用戶進(jìn)行電能替代，并推薦使用效率更高的電氣設(shè)備；在電動(dòng)車和岸電等領(lǐng)域，可定期調(diào)整峰谷電價(jià)，以利于和浮動(dòng)煤/油/氣價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)。

2 電網(wǎng)企業(yè)收益分析

電網(wǎng)企業(yè)在電能替代中會(huì)配合進(jìn)行配電網(wǎng)改造，也會(huì)盡可能尋求盈利。下式中的PFgrid為電網(wǎng)企業(yè)在電能替代片區(qū)的年收益，這里在文獻(xiàn)［2］中模型基礎(chǔ)上增加了配電網(wǎng)改造及營(yíng)運(yùn)費(fèi)用，因?yàn)槿绻娔芴娲鷮?dǎo)致區(qū)域負(fù)荷大增，可能產(chǎn)生費(fèi)用如下

式中：Etotal為配電網(wǎng)改造后所供應(yīng)片區(qū)的年總用電量；Pg為各種能源發(fā)電的加權(quán)平均上網(wǎng)電價(jià)；rloss為輸電線損率；Ctr為配電網(wǎng)改造及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（折算為每年）。一般能夠確保Pelc＞Pg/（1-rloss），否則電網(wǎng)企業(yè)無法盈利。于是，根據(jù)式（30），Etotal越大，即配電網(wǎng)改造后服務(wù)的電能替代用戶越多，PFgrid越大。當(dāng)Etotal足夠大時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)就能夠?qū)崿F(xiàn)盈利。這要求政府部門一方面做好調(diào)研，選取用戶較集中、電能替代意愿較強(qiáng)的片區(qū)進(jìn)行電能替代試點(diǎn)；另一方面做好試點(diǎn)效果宣傳，吸引更多用戶進(jìn)行電能替代。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 供暖實(shí)例

本小節(jié)實(shí)例中的數(shù)據(jù)均取自文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［7］。另外，文獻(xiàn)［4］中未計(jì)及電力增容費(fèi)，但因和文獻(xiàn)［2］中的負(fù)荷相當(dāng)，故電力增容費(fèi)根據(jù)文獻(xiàn)［2］估出。

3.1.1 空氣源熱泵替代燃?xì)忮仩t

空氣源熱泵替代燃?xì)忮仩t相關(guān)費(fèi)用如表2所示。

表2 供暖實(shí)例（空氣源熱泵）相關(guān)費(fèi)用Table 2 Relevant cost of the heating case（air source heat pump）

這里，可認(rèn)為Clnaebwor和Cloalbdor大體相當(dāng)，故根據(jù)式（1）、式（4）、式（7）和式（2），有

在取k=1，Loldrm=5年的情況下，由式（31）可繪出圖1。由圖1可見，當(dāng)ηnewth＞2且電價(jià)Pelc＜1元/kWh時(shí)，是可以做到不補(bǔ)貼的，即Sfina≤0。目前，只有熱泵能做到熱效率高于1，所以，非常推薦使用熱泵替代燃?xì)猓?、油）鍋爐。

圖1 財(cái)政補(bǔ)貼與電價(jià)和新設(shè)備熱效率間的關(guān)系（空氣源熱泵替代燃?xì)忮仩t）Fig.1 Relationship between financial subsidies and electricity price and thermal efficiency of the electrical equipment（replacing gas boiler with air source heat pump）

將表2中的Pelc、ηnewth值代入式（31），得到

可見，即便k和Loldrm取最大值，上式結(jié)果也小于零。這表明，在用空氣源熱泵代替燃?xì)忮仩t后，使用成本必然會(huì)降低，不必進(jìn)行補(bǔ)貼。

3.2 電動(dòng)車實(shí)例

本例中，燃油車數(shù)據(jù)取自重慶某廠商一款乘用車的公開參數(shù)，標(biāo)稱最大功率94 kW；電動(dòng)車數(shù)據(jù)取自廣州某廠商一款純電動(dòng)乘用車的公開參數(shù)，標(biāo)稱最大功率100 kW；另有一些數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［12］。此外，電動(dòng)車使用民用電充電和充電樁充電的電價(jià)是不同的，地區(qū)間電價(jià)也有差異，本文約定為廣東地區(qū)常見的充電樁電價(jià)，相關(guān)費(fèi)用如表3所示。

表3 電動(dòng)車實(shí)例相關(guān)費(fèi)用Table 3 Relevant cost of the electric vehicle case

由式（12）、式（13）和式（16），可求得每年補(bǔ)貼額度為

由此，可繪得圖3。當(dāng)油價(jià)下跌時(shí)，補(bǔ)貼應(yīng)該增大，但事實(shí)上，油價(jià)是波動(dòng)的，而補(bǔ)貼一般是購(gòu)車時(shí)一次性全部發(fā)放。為避免因此降低用戶購(gòu)置電動(dòng)車的積極性，可定期調(diào)整峰谷電價(jià)，使低谷電價(jià)能確保使用電動(dòng)車的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 財(cái)政補(bǔ)貼與電價(jià)和油價(jià)間的關(guān)系（電動(dòng)車替代燃油車）Fig.2 Relationship between financial subsidies and electricity price and gasoline price（replacing gasoline car with electric car）

將表3中的Pelc、Pv_fuel值代入式（33），得到

于是，整個(gè)生命周期（20年）這款電動(dòng)車共需補(bǔ)貼6.48萬元。根據(jù)已經(jīng)出臺(tái)的2021年新能源車補(bǔ)貼方案，這款車只補(bǔ)貼1.8萬元，顯然，就經(jīng)濟(jì)性而言，2018年之前的補(bǔ)貼額度更為合理。

3.3 岸電實(shí)例

本例數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［13］，如表4所示。

表4 岸電實(shí)例相關(guān)費(fèi)用Table 4 Relevant cost of the shore power case

（1）航運(yùn)公司

Cmolndtn對(duì)應(yīng)船舶燃油發(fā)電系統(tǒng)一年累計(jì)靠岸期間的維護(hù)費(fèi)，而船舶上增加的岸電受電設(shè)備也只在靠岸期間使用，故這里認(rèn)為Cmolndtn和Cmnenwtn大體相同。則由式（1）、式（23）和式（28），并取Pfuel=4.5元/kg［13］，可選定

但應(yīng)注意，由于Pfuel是波動(dòng)的，Pportelc最好也設(shè)計(jì)有調(diào)整機(jī)制。

（2）港口

這里參照文獻(xiàn)［13］中的方式，Clpaobrotr和Cmponrttn因較小而將其忽略。則根據(jù)式（25）和式（27），可得

據(jù)此，可繪得圖3?？梢姡瑸楸苊飧劭谀贻敵鲭娏吭蕉?，收益越少的情況，一定要根據(jù)式（23）和式（28）確定Peplocrt，必要時(shí)，Peplocrt也可實(shí)行峰谷電價(jià)。

圖3 電網(wǎng)電價(jià)和港口輸出電價(jià)對(duì)港口收益的影響Fig.3 Effect of the grid electricity price and harbor output electricity price on the harbor profit

將表4中的Pelc和前面確定的Pportelc代入式（34），可得

故政府部門每年需補(bǔ)貼36萬元。

4結(jié)束語

促進(jìn)電能替代的關(guān)鍵是用戶具有實(shí)施意愿，故而要求電能替代后經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，地方政府和電網(wǎng)企業(yè)不會(huì)也不應(yīng)以短期經(jīng)濟(jì)效益的最大化為目標(biāo)［14］?；诖?，本文將國(guó)家公布的20項(xiàng)電能替代技術(shù)分為5類，從用戶視角分別分析了其在電能替代前后的成本，據(jù)此得出政府部門的補(bǔ)貼方案。該方案形式簡(jiǎn)潔，有利于被用戶接受，可作為用戶和地方政府作為成本分析和補(bǔ)貼計(jì)算的依據(jù)。

在采用上述補(bǔ)貼方案的基礎(chǔ)上分析得出電能替代實(shí)施建議：優(yōu)先鼓勵(lì)新投建用戶使用電氣設(shè)備，次之鼓勵(lì)使用年份較長(zhǎng)的老設(shè)備用戶換用電氣設(shè)備；推薦用戶使用效率更高的電氣設(shè)備；優(yōu)先選取用戶較集中，電能替代意愿較強(qiáng)的片區(qū)進(jìn)行電能替代；定期調(diào)整峰谷電價(jià)，以使電動(dòng)車能參與和燃油車的競(jìng)爭(zhēng)，而港口公司對(duì)輸出電力也可實(shí)施峰谷電價(jià)；此外，政府部門應(yīng)對(duì)電能替代效果進(jìn)行推廣宣傳，以提高用戶的接受度。這些建議可高效發(fā)揮財(cái)政補(bǔ)貼對(duì)電能替代的促進(jìn)作用，政府部門可參考采用。D