阶梯气价与电价对居民用户能源费用的影响

作者：张雄君，王倩微，乔佳

第一作者单位：北京市燃气集团研究院

摘自《煤气与热力》2017年7月刊

 

1   概述

 

2016年1月1日，北京市正式实施居民用天然气阶梯气价。以每年1月1日至12月31日一个日历年为计量周期，普通居民用户年使用天然气量处于不超过350 m3/（a·户）区间的气量，执行第1档天然气价格，维持原有2.28元/m3不变；处于超过350 m3/（a·户）且不超过500 m3/（a·户）区间的气量，执行第2档天然气价格2.50元/m3；处于超过500 m3/（a·户）区间的气量，执行第3档天然气价格3.90 元/m3。此次天然气价格调整是继2012年12月居民用天然气价格上涨10%后的又一次调整，也是北京市首次实施天然气阶梯计价。而早在2012年7月1日，29个省（区、市）都已实施了居民用户阶梯电价。北京市对电压等级不满1 kV的居民用户，一个日历年用电量处于不超过2 880 kW·h/（a·户）区间的电量，执行第1档电价0.488 3元/（kW·h）；处于超过2 880 kW·h/（a·户）且不超过4 800 kW·h/（a·户）区间的电量，执行第2档电价0.538 3 元/（kW·h）；处于超过4 800 kW·h/（a·户）区间的电量，执行第3档电价0.788 3元/（kW·h）。

 

同为优质能源，均已实现阶梯价格，在居民用户中易彼此替代的天然气与电力，究竟哪种能源更经济？本文以北京市天然气与电力的阶梯价格为例，以居民用户为研究对象，通过调研、计算与分析，对比家庭炊事与生活热水终端用天然气与用电的费用。

 

2   天然气和电力全生命周期内利用效率对比

 

天然气为未经过转换的一次能源；电力则为二次能源，主要由天然气、燃煤、燃油等一次能源转换获得。能源在开采、加工、输送、转换和分配环节都会有能量损失。终端应用环节由于终端设备的热效率不同，能量损失也不同。根据以往研究结果，可知天然气与电力全生命周期内利用效率（见表1），从而可以分别计算出天然气和电力从开采到不同终端设备的综合利用效率。

表1   天然气与电力全生命周期内综合利用效率

 

由表1可知，从全生命周期角度而言，天然气综合利用效率约为电力的2.5～4倍。这种综合利用效率的差别会体现在能源价格上。

 

3   居民用户用能设备天然气和电力费用对比

 

市场上家庭用能设备众多，居民用户选用的用能设备的热效率会直接影响能源费用支出。本文以国家产品二级能效标准为例，按照不同炊事、生活热水单体设备分别进行试验取数，并计算、对比用天然气和电两种能源费用。需要说明的是，由于居民用户个人生活习惯区别很大，本文计算结果只作为平均参考。

 

根据近年北京市城市管道天然气气质检测结果，天然气低热值平均值取36.5 MJ/m3。电力热值取3.6 MJ/（kW·h）。不同终端用能设备的热效率不同，为达到同样炊事效果，根据热量换算公式，可得使用天然气与电力两种能源的换算关系见式（1）。

 

 

3.1  炊事设备天然气与电力费用对比分析

 

居民用户的炊事设备，使用天然气的是燃气灶，使用电力的主要是电水壶、电饭锅和电磁灶。根据GB 30720—2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》，燃气灶热效率二级能效下限值为59%。燃气灶用于炊事时需要锅具的配合，本文将锅具的影响考虑在内，选取文献［1］的测试结果，以燃气灶开水壶烧开水热效率为48%、燃气灶高压锅蒸饭热效率为43%、燃气灶炒锅炒菜热效率为52%进行计算。电水壶暂未进入《中华人民共和国实行能源效率标识的产品目录（2016版）》，其热效率根据GB/T 22089—2008《电水壶性能要求及试验方法》选取B级产品下限值，为85%；电饭锅热效率根据GB 12021.6—2008《自动电饭锅能效限定值及能效等级》，选取二级能效等级下限值，为81%；电磁灶热效率根据GB 21456—2014《家用电磁灶能效限定值及能效等级》，选取二级能效等级下限值，为88%。

 

①烧开水用天然气与用电费用对比

 

本文编制过程中，研究人员在同一燃气灶上使用同一开水壶，将2.5 L水烧开后读取天然气耗气量，对多次试验取平均值，为0.07 m3。根据公式（1），计算出使用电水壶烧开同样质量水的耗电量为0.40 kW·h。

 

按照目前阶梯价格的第1档天然气价2.28元/m3、第1档电价0.488 3 元/（kW·h），可以计算出，烧开2.5 L的水，使用燃气灶花费0.16元，使用电水壶花费0.20元。可见，在烧开水这一环节，天然气费用是电力费用的81.6%。

 

需要说明的是，本文中的计算均采用编程计算，文中呈现的数据经过了四舍五入处理，可能存在不完全闭合的现象。

 

②蒸饭用天然气与用电费用对比

 

中国人的饮食习惯中，主食有米饭和各类面食。随着人民生活水平的提高，食用面食的家庭，基本上以从超市购买成品为主。因此，此部分只计算居民用户蒸饭的用能量。研究人员在燃气灶上用高压锅按3人量多次试验，获得平均耗气量为0.16 m3。利用公式（1），计算出使用电饭锅的耗电量为0.86 kW·h。与上述烧开水同理，可以分别计算出蒸熟同样质量米饭用燃气灶花费0.36元，用电饭锅花费0.42 元。可见，在蒸饭这一环节，天然气费用是电力费用的86.8%。

 

③炒菜用天然气与用电费用对比

 

中国人的饮食习惯与西方人不同，以爆炒、煎炸为主，目前居民用户以炒家常菜为主。研究人员在燃气灶上用炒锅做一道3人量半荤半素的菜土豆炒肉片，多次试验获得平均耗气量为0.05 m3。利用公式（1），计算出使用电磁灶的耗电量为0.30 kW·h。与上述烧开水同理，可以分别计算出炒制同一道菜时用燃气灶花费0.11元，用电磁灶花费0.15元。可见，在炒菜这一环节，天然气费用是电力费用的77.9%。

 

由上可得，为达到同样的炊事效果，居民用户不同炊事设备天然气费用与电力费用对比见图1，天然气费用为电力费用的77.9%～86.8%。

 

图1   居民用户不同炊事设备天然气费用与电力费用对比

 

3.2  生活热水设备天然气与电力费用对比分析

 

目前北京市居民用户获取生活热水的设备主要有燃气快速热水器（以下简称燃气热水器）和储水式电热水器（以下简称电热水器）两种。下面以这两种生活热水设备进行费用对比。

 

燃气热水器热效率根据GB 20665—2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》，选取二级能效等级下限值，为85%。电热水器的热效率极限值理论上可以达到100%，也就是电能完全转化为热量。但目前由于保温及热水输出率等方面的技术限制，市场上电热水器产品的热效率一般在50%以上。实际调研中发现，使用电热水器的居民用户又分为两类情形，一类是使用前通电，即需要使用生活热水前才通电，以下简称间歇运行电热水器，此类电热水器热效率为80%；另一类是24 h待机，电热水器一直通电保持加热或保温状态以保证随时能输出生活热水，以下简称连续运行电热水器，由于保温储热过程中的热量损失往往数倍于加热过程中的热量损失，因此热效率较低，为60%。

 

试验设定需要的生活热水量为40 L，水初温为15 ℃，热水目标温度为40 ℃。计算可得需要的热量为4 186 kJ，从而计算出燃气热水器的耗气量为0.13 m3。根据公式（1），可以计算出间歇运行电热水器的耗电量为1.45  kW·h，连续运行电热水器的耗电量为1.94 kW·h。

 

按照目前阶梯价格的第1档天然气价2.28元/m3、第1档电价0.488 3元/（kW·h），可以计算出，使用燃气热水器、间歇运行电热水器和连续运行电热水器的费用分别为0.31元、0.71元和0.95元。使用燃气热水器费用为使用间歇运行电热水器费用的43.3%，为使用连续运行电热水器费用的32.5%。

 

由上可得，为获得同等体积热水（40 L），居民用户不同生活热水设备天然气费用与电力费用对比见图2，使用燃气热水器的经济性相对于电热水器具有明显的优势。

 

图2   居民用户不同生活热水设备天然气费用与电力费用对比

 

4   居民用户天然气与电力年费用对比

 

以上分别对居民用户使用单体炊事及生活热水设备的能源费用进行了对比。为使对比更加清晰，对用户实际使用更有指导意义，需要对居民用户天然气费用与电力费用进行对比分析。目前我国居民用户家庭常见人口为3人/户，2010年第六次人口普查常住人口的户均人口数为2.5人/户。本文取3人/户和2.5人/户分别试算。考虑到天然气和电的阶梯计价周期都为一个自然年，以下以年为计费周期。

 

4.1  居民用户人均日耗能量计算

 

参照已有北京市用气指标课题成果，选用北京地区居民用户炊事人均日耗气量为0.197 m3/（d·人），生活热水人均日耗气量为0.128 m3/（d·人）。根据此次部分样本的抽样调查结果，对于每户炊事使用的天然气，用于烧开水的用气量为炊事人均日耗气量的1/3，用于蒸饭的用气量为炊事人均日耗气量的1/4，其余用于炒菜。按照本文热效率取值，根据公式（1），可以分别计算出居民用户用电水壶、电饭锅及电磁灶的人均日耗电量分别为0.38 kW·h/（d·人）、0.27 kW·h/（d·人）、0.49 kW·h/（d·人）。同理可以计算出间歇运行电热水器、连续运行电热水器人均日耗电量分别为1.38 kW·h/（d·人）、1.84 kW·h/（d·人）。

 

4.2  居民用户理想家庭能源费用模型建立

 

为方便后续计算实际家庭年天然气费用和年电力费用，此处将实际家庭用能情况理想化处理，即仅炊事用能、仅生活热水用能、炊事和生活热水都使用能源且使用同一种能源共3种工况。

 

①炊事用天然气与炊事用电模型

 

假设居民用户仅炊事用能，生活热水不用能。

 

情形1：若家庭炊事全部用天然气，根据第4.1节居民用户人均日耗能量，可以计算出3 人/户年用气量为215.72 m3/（a·户）。用气量在阶梯天然气价第1档350 m3内，计算出3 人/户炊事用年天然气费用为 491.83 元/a。同理，可以计算出2.5人/户炊事用年天然气费用为409.86 元/a。

 

情形2：若家庭炊事全部用电力，为达到同样炊事效果，可以计算出3 人/户年用电量为1 240.45 kW·h/（a·户）。用电量在阶梯电价第1档2 880 kW·h内，计算出3 人/户炊事用年电力费用为605.71 元/a。同理，可以计算出2.5人/户炊事用年电力费用为504.76元/a。

 

可知，炊事用年天然气费用为年电力费用的81.2%。

 

②生活热水用天然气与用电模型

 

假设居民用户仅生活热水用能，炊事不用能。

 

情形3：若家庭生活热水全部用天然气，根据第4.1节居民用户人均日耗能量，可以计算出3 人/户年用气量为140.16 m3/（a·户），采用阶梯天然气价格第1档，年天然气费用为319.56 元/a。同理，可以计算出2.5人/户生活热水用年天然气费用为266.30 元/a。

 

情形4：若家庭生活热水全部用电力，为达到同样生活热水效果，可计算出3人/户使用间歇运行电热水器、使用连续运行电热水器时年用电量分别为1 509.88 kW·h/（a·户）、2 013.18 kW·h/（a·户），采用阶梯电价第1档，对应的年电力费用分别为737.28 元/a、983.03 元/a。同理，可以计算出2.5人/户生活热水使用间歇运行电热水器、连续运行电热水器时的年电力费用分别为614.40 元/a、819.20 元/a。

 

可知，生活热水用年天然气费用分别为使用间歇运行电热水器和连续运行电热水器时年电力费用的43.3%、32.5%。

 

③炊事和生活热水用天然气与用电模型

 

假设居民用户炊事和生活热水都使用能源。

 

情形5：若家庭炊事和生活热水全部用天然气，则3 人/户年用气量为355.88 m3/（a·户），用气量超出阶梯气价第1档5.88 m3/（a·户），需用阶梯天然气价的第1档2.28 元/m3和第2档2.50 元/m3分别计算，从而得出年天然气费用为812.69 元/a。同理，可以计算出2.5 人/户炊事和生活热水全部使用天然气时的年天然气费用为676.16 元/a。

 

情形6：若家庭炊事和生活热水全部用电力，为达到同样炊事和生活热水效果，可以计算出3 人/户分别使用间歇运行电热水器、连续运行电热水器时的年用电量（包含炊事用电量）为2 750.33 kW·h/（a·户）、3 253.63 kW·h/（a·户）。其中使用连续运行电热水器用电量超出阶梯电价第1档373.63 kW·h/（a·户），需用阶梯电价的第1档0.488 3 元/ （kW·h）和第2档0.538 3 元/（kW·h）分别计算，从而得出，炊事和生活热水全部用电力时，间歇运行电热水器工况时的年电力费用（包含炊事用电费用，以下简称工况A年电力费用）为1 342.99 元/a，连续运行电热水器工况时的年电力费用（包含炊事用电费用，以下简称工况B年电力费用）为1 607.43 元/a。同理，可以计算出，2.5 人/户炊事和生活热水全部用电力时，工况A年电力费用为1 119.16 元/a，工况B年电力费用为1 323.96 元/a。

 

由此可见，对于3人/户，炊事和生活热水全部用天然气时的年天然气费用为全部用电力时工况A年电力费用的60.5%，为工况B年电力费用的50.6%。对于2.5人/户，炊事和生活热水全部用天然气时的年天然气费用为全部用电力时工况A年电力费用的60.4%，为工况B年电力费用的51.1%。

 

为便于直观比较，分别将以上模型结果汇总，3人/户的居民用户年天然气费用与年电力费用对比见图3，2.5人/户的居民用户年天然气费用与年电力费用对比见图4。

 

图3   3人/户的居民用户年天然气费用与电力费用对比

 

图4   2.5人/户的居民用户年天然气费用与电力费用对比

 

4.3  居民用户实际家庭用能方式调研

 

对周边人群进行调研，可以将目前北京市居民用户用能情况分为以下5类：

 

①第1类：使用天然气进行炊事，并提供生活热水。

 

②第2类：使用天然气进行炊事，使用电力提供生活热水。

 

③第3类：使用电力进行炊事，使用天然气提供生活热水。这部分家庭实际在家做饭时间较少，且对于居室环境要求较高。为了避免燃气灶炒菜出现的油烟而选择使用电磁灶简单地煮、蒸食品。为了随时用上生活热水，使用燃气热水器且处于常开状态。

 

④第4类：使用电力进行炊事，并提供生活热水。目前，北京市少部分新建商用改民用楼盘尚未通天然气，因此，居民用户家中只能使用电力进行烧开水、蒸饭、炒菜甚至提供生活热水。这部分楼盘没有设置燃气管道，且此部分人群不存在天然气涨价而更换用能设备的可能，因而没有费用对比的意义。

 

⑤第5类：炊事与生活热水采用天然气与电相结合。例如使用电水壶烧开水、电饭锅蒸饭，使用燃气灶炒菜，使用电热水器获得生活热水等。这类用户实际上是以上4种类型用户的中间状态。当达到炊事和生活热水都使用天然气的极限状态时，就是第1类用户；当达到炊事全部用天然气，生活热水用电力的极限状态时，就是第2类用户；当达到炊事全部用电力，生活热水用天然气的极限状态时，就是第3类用户；当达到炊事和生活热水都使用电力的极限状态时，就是第4类用户。随着家用小电器的普及和细分，以及个人用能喜好，使用天然气和电力两种随机组合的第5类在实际家庭中很常见。

 

4.4  居民用户实际家庭年能源总费用对比分析

 

将第4.3节居民用户家庭实际用能方式与第4.2节理想家庭模型对比可知，实际工况为理想模型的一种或几种的组合。因而，将第4.2节理想家庭费用计算结果作为基础数据，结合第4.3节实际家庭用能方式，可以方便地计算出居民用户实际家庭能源总费用。

 

由于实际每户家庭生活习惯和用能习惯不同，家庭年能源费用也会千差万别。为更好地体现出天然气和电力两种能源对居民用户家庭能源费用的影响，便于比较，以下将费用进行无量纲化处理以弱化费用绝对值，即可以将炊事和生活热水全部使用电力时的家庭年能源费用设为基数，再计算出第4.3节所列5类家庭实际年能源费用与基数之比（以下简称年气电费用比）。

 

以下以2.5人/户第2类居民用户为例计算。

 

基于第4.2节中理想家庭能源费用模型，可知第2类实际家庭为理想家庭模型中炊事用天然气与生活热水用电力的组合。根据情形1结果可知，2.5人/户居民用户年天然气费用为409.86 元/a。根据情形4结果可知，使用间歇运行电热水器与使用连续运行电热水器时的年电力费用分别为614.40 元/a、819.20 元/a。则可以计算得出2.5 人/户第2类实际家庭在间歇运行电热水器工况时年能源费用为1 024.26 元/a，在连续运行电热水器工况时年能源费用为1 229.06 元/a。

 

根据第4.2节情形6可知，2.5人/户家庭在炊事和生活热水全部使用电力时，工况A年电力费用为1 119.16 元/a、工况B年电力费用为1 323.96 元/a。以此为基数，对2.5人/户第2类居民用户实际家庭年能源费用进行无量纲化处理，可得2.5 人/户的第2类居民用户在电热水器运行工况为间歇运行、连续运行时的年气电费用比分别为0.915、0.928。

 

同理，可以分别计算出实际共5类3人/户和2.5 人/户的居民用户的年气电费用比，见表2。

 

表2   居民用户年气电费用比

 

需要说明的是：

 

①由于使用间歇运行电热水器和连续运行电热水器时电力费用不同，导致第1、2、3、5类居民用户年气电费用比为一个区间值。

 

②第4类居民用户全部使用电力，没有气电对比的意义，无年气电费用比。

 

③第5类居民用户用能方式的不同组合使得年用能费用不确定，其年能源费用是前4类费用的中间值，因此，其年气电费用比取前4类数据的区间值。

 

从表2可见，不考虑设备造价及折旧的前提下，3人/户居民用户年能源费用是全用电力费用的0.506～0.918 倍，2.5人/户居民用户年能源费用是全用电力费用的0.511～0.928倍。3人/户与2.5人/户费用比率的区别体现了阶梯价格对家庭能源支出的影响。

 

5   结论

 

①对于居民用户单体用能设备，达到同样炊事效果时，烧开水、蒸饭和炒菜环节，天然气费用分别是用电费用的81.6%、86.8%和77.9%；获得同样体积的生活热水时，燃气热水器费用为间歇运行电热水器的43.3%，为连续运行电热水器的32.5%。

 

②对于居民用户年能源费用，在阶梯价格下，3人/户居民用户年能源费用是全用电力费用的0.506～0.918倍，2.5 人/户居民用户年能源费用是全用电力费用的0.511～0.928倍。阶梯价格对居民用户年能源费用有影响。使用天然气的年费用低于使用电力的年费用。

 

③实际家庭耗气量与家庭人口数并不具备线性关系。本文计算结果是基于北京市用气指标的人均用气量计算得出的居民用户年天然气与电力费用，可为居民用户选择用能方式提供参考。

 

参考文献：

 

［1］李兆坚，江亿. 家用燃气灶热效率特性测试分析［J］. 应用基础与工程科学学报，2006，14（3）：368-374.