分析分布式供能與區(qū)域能源的異與同

　　分布式供能在我國的發(fā)展是從世紀(jì)之交開始的。最早的成功案例是1995-1997年上海浦東新機場的冷熱電聯(lián)供能源站。我國政府機構(gòu)開始介入分布式供能領(lǐng)域始于2011年的四部委聯(lián)合通知——《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源[2011]2196號），隨后中國城市燃?xì)鈪f(xié)會等行業(yè)組織先后設(shè)立了“分布式能源專業(yè)委員會”。而區(qū)域能源概念在中國的提出和組織機構(gòu)的成立則晚于此。首次有中國人參加的國際區(qū)域能源協(xié)會是2015年6月28日在美國波士頓召開的第106屆年會。2016年中國建筑節(jié)能協(xié)會成立了區(qū)域能源專業(yè)委員會，直到不久前才開始與政府有關(guān)機構(gòu)建立聯(lián)系。人們一般認(rèn)為這是兩個不同的領(lǐng)域和不同的概念，其實不然，要理解這一點還須從歷史的回顧說起。

　　二者不同發(fā)展歷史和共同點

　　1、 區(qū)域能源具有悠久的歷史

　　區(qū)域能源(District Energy)概念是在20世紀(jì)初、第一次工業(yè)革命中期工業(yè)由“小而分散”向“大而集中”時代發(fā)展起來的，其旨在高效滿足區(qū)域內(nèi)所有用能需求 。“區(qū)域”可以是一個城市、一個工業(yè)區(qū)或大型住區(qū)，也可以是一個小區(qū)或建筑群，涵蓋從熱電聯(lián)產(chǎn)，到集中供暖、區(qū)域供冷、供電等各種技術(shù)措施，100多年來其內(nèi)涵在不斷進化。紐約市最近提出“能源區(qū)塊鏈”的概念，以實時和公開記錄的能源交易大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)鄰近區(qū)域內(nèi)各種能源終端利用的優(yōu)化耦合，這是區(qū)域能源概念的新進展。

　　區(qū)域能源包括政策、商業(yè)模式、市場成熟度、技術(shù)積累和本地資源。服務(wù)商包括設(shè)備廠商、運營商、能源服務(wù)公司、電力企業(yè)以及相關(guān)機構(gòu)，尤其是能源站運營管理服務(wù)商作用很大。重點從前期的單純規(guī)劃向建設(shè)、后期運營偏重。

　　國際區(qū)域能源協(xié)會成立于20世紀(jì)初。100多年來隨著工業(yè)化進程推進，美國建立了大批百兆瓦級的工業(yè)或社區(qū)區(qū)域能源系統(tǒng)。 50年前日本完成第二次工業(yè)革命時興建了許多多種終端用能總體優(yōu)化匹配的工業(yè)園區(qū)，能效大幅度提高。以丹麥和瑞典為代表的較小國家也發(fā)展了另一類區(qū)域能源模式。中國近30年才開始經(jīng)濟騰飛，第一次工業(yè)革命所標(biāo)志的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化還在進行中，是其區(qū)域能源發(fā)展較晚的歷史原因。

　　2、分布式供能的由來

　　分布式供能譯自英文Distributed Energy System（下稱DES）。最早按字面直譯為“分布式能源系統(tǒng)”，其實質(zhì)是一種先進的供能系統(tǒng)。DES產(chǎn)生于第二次工業(yè)革命中后期、工業(yè)和建筑物燃料用一次能源由煤和石油向天然氣轉(zhuǎn)換的歷史階段，在美國是1970年代，其他國家稍晚。

　　DES由兩個不同角度催生：其一是電力生產(chǎn)的集中和分散。100多年來，盡可能提高效率、降低成本的目標(biāo)促使電力生產(chǎn)越來越集中和大型化，電站規(guī)模達到幾個吉瓦。大電網(wǎng)覆蓋上百萬平方公里范圍。 但因上世紀(jì)末以來發(fā)生了多起大面積停電事故，而促使人們重新考慮分散式供電。 2003年北美大停電后紐約、墨西哥各自在負(fù)荷中心新建了數(shù)個幾十兆瓦級的較小型天然氣發(fā)電設(shè)施。除了保障供電和協(xié)助大電網(wǎng)黑啟動之外，就地直供也能節(jié)省絕大部分輸變電費用；其二是提高能效。按照熱力學(xué)第二定律，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電力的效率不可能為100%，必定有一部分以較低溫位的熱量形式排放到環(huán)境。按“高熱高用、低熱低用”的高效用能原理，這些原來排棄的低品位能量在分散式供電下可以通過冷、暖、熱水、蒸汽等形式供給用戶，可使能效達到70%以上。但對集中的吉瓦級大電廠并不經(jīng)濟。

　　迄今為止，國際上并沒有給DES下“定義”。國際分布式能源聯(lián)盟的解釋是：“設(shè)在負(fù)荷中心，向用戶就地聯(lián)供冷熱電蒸汽終端用能的高效系統(tǒng)”，即DES/CCHP。“就地、高效”實際上已經(jīng)界定了其最大規(guī)模：即冷熱電蒸汽供應(yīng)都在經(jīng)濟輸送距離內(nèi)。蒸汽和采暖熱水的經(jīng)濟輸送距離原來認(rèn)為是8-10km，近年來由于隔熱和降低輸送功耗技術(shù)突破，已經(jīng)可達20km以上。10kV電力經(jīng)濟輸送距離1-2km, 110kV以上遠(yuǎn)得多。在我國，住建部規(guī)范的區(qū)域供冷系統(tǒng)（DCS）的5-12°C冷水輸送距離在1.5km之內(nèi)。但在一個能源站DES可帶動幾個DCS的情況下，多個DCS可覆蓋的范圍就是幾十平方千米了。通常被稱作區(qū)域型DES/CCHP。例如，2011年規(guī)劃建設(shè)的珠海橫琴新區(qū)冷熱電聯(lián)供能源站就是有2臺9F機組的一個能源站、11個區(qū)域供冷站，以及多個熱水供應(yīng)站組成。

　　為什么發(fā)達國家90%以上的DES 項目都是小的“用戶型”甚至“樓宇型”呢？回顧歷史便知，在DES發(fā)展的1970年代左右，發(fā)達國家第二次工業(yè)革命都已完成，城鎮(zhèn)建設(shè)更已定型。在已建成和定型的城市中建設(shè)區(qū)域型DES受到三方面的限制：

　　一是既有建筑物和市政設(shè)施使供、熱、蒸汽管道的敷設(shè)或不可能（特別是在土地私有的國家），或者投資倍增；二是各個用戶原來已經(jīng)投資自建了供應(yīng)冷、熱、蒸汽的設(shè)施，如果沒有達到經(jīng)濟壽命，會使新規(guī)劃的CCHP系統(tǒng)投資大大增加；三是商業(yè)運作比新建區(qū)大，合作投資建設(shè)受眾多用戶觀念各異制約。外部的投資主體面臨說服所有用戶、協(xié)調(diào)利益關(guān)系等問題。所以既有城區(qū)的大部分項目只能因地制宜在有限空間內(nèi)建設(shè)小型的，才能夠取得經(jīng)濟效益。

　　3、區(qū)域能源與分布式供能的異同

　　總的來說，兩者都是以提高能效，從而能更經(jīng)濟和碳減排為目標(biāo)。具體來說：

　　共同點之一：都不涵蓋全部能源利用系統(tǒng)，而限于能源轉(zhuǎn)換傳輸子系統(tǒng)。整個能源系統(tǒng)包括終端利用、轉(zhuǎn)換傳輸、回收再利用三個子系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）。由于各不同用戶的能量利用和能量回收兩個環(huán)節(jié)的內(nèi)涵各自不同，宏觀規(guī)劃都只涵蓋由一次能源轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)嚼錈犭娬羝h(huán)節(jié)，不可能過細(xì)深入。以建筑物為例，暖通空調(diào)只決定一次能源轉(zhuǎn)換傳輸?shù)嚼錈徇^程的效率，而單位面積供能需求則由圍護結(jié)構(gòu)和余熱回收所決定。對此方面要求極為嚴(yán)格的歐洲供暖負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)是20-25 W/m2。同緯度我國是50 W/m2，即使轉(zhuǎn)換能效100%能耗也不可能低于50 W/m2?？梢娹D(zhuǎn)換傳輸效率提高并不是能耗降低的全部內(nèi)涵。

　　共同點之二：都是以冷熱電聯(lián)供作為提高轉(zhuǎn)換傳輸效率的最主要手段。

　　工業(yè)和建筑物能源終端利用形式可以歸納為電、熱（包括冷、暖、蒸汽）兩種。冶金、化工、醫(yī)藥等過程工業(yè)，電/熱約為2/8，“熱”包括高、中溫工業(yè)爐供熱、蒸汽和冷。機械、電子、輕工等離散制造業(yè)，電/熱大約為8/2，“熱”主要是廠房供冷暖，建筑物包括住宅和三產(chǎn)，主要終端耗能是供冷暖和熱水，電/熱目前為2/8，未來有可能趨向3/7。所以工業(yè)和建筑物合起來大致是電/熱各半。所以在以節(jié)能為第一要義的未來可再生能源為主的時代，必走通過冷熱電聯(lián)供提高能效之路。區(qū)域能源的范圍是從人口聚居，產(chǎn)業(yè)集聚或行政區(qū)劃角度考慮的。一個大的、覆蓋上百平方千米的區(qū)域，可以設(shè)置幾個DES/CCHP。這就是區(qū)域能源與DES的關(guān)系。例如，面積163平方千米、遠(yuǎn)期人口53萬人的西安市副中心和信息產(chǎn)業(yè)基地的陜西西咸新區(qū)灃西新城,在2013年制訂的區(qū)域能源規(guī)劃中，就包括了兩個DES/CCHP，6-8個DC(W)S，還采用了遠(yuǎn)程CHP電廠低溫余熱為主、包括熱泵、地?zé)岬葟?fù)合的供暖系統(tǒng)。

　　共同點之三：都面臨化石能源替代的歷史轉(zhuǎn)折。2015年的巴黎協(xié)議、2016年杭州會議提出的G20 能源宣言都指出了這個發(fā)展方向。非化石能源到世紀(jì)中占比可達40-50%，到本世紀(jì)末將達80%。可再生能源本質(zhì)上是低能量密度、有利于分散就地利用的，當(dāng)然也可在地廣人稀地區(qū)搞集中大規(guī)模水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電，但須付出超遠(yuǎn)程輸送的代價。分散和集中也是相對的。百MW級太陽能熱發(fā)電和第四代小型百MW級核電也都可以用作區(qū)域型DES/CCHP的一次能源。

　　區(qū)別：除了規(guī)模大小和區(qū)域能源對DES的包容性之外，區(qū)域能源規(guī)劃還應(yīng)該包括交通運輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的用能。規(guī)劃考慮的時間段更長，牽涉的生產(chǎn)關(guān)系和上層建筑的內(nèi)容更深。

　　走出熱電聯(lián)產(chǎn)的思維局限

　　——明確系統(tǒng)的主體

　　1、熱電聯(lián)產(chǎn)CHP是是第一次工業(yè)革命產(chǎn)生的技術(shù)。

　　基于將被排棄的熱用起來的思維，把發(fā)電燃料（當(dāng)時是煤）作為主體和基數(shù)來計算能源利用效率。以“熱電比”為指標(biāo)是因為產(chǎn)熱越多總效率越高。熱電聯(lián)產(chǎn)是相較于“熱電分產(chǎn)”的進步，但它只管“產(chǎn)”而不管蒸汽“供”和“用”是否合理。最典型案例是流行了幾十年的用1Mpa、160°C的蒸汽供20°C室內(nèi)溫度供暖，這是典型的“高能低用”。現(xiàn)在已可把汽輪機復(fù)水器25-30°C的冷凝潛熱，藉吸收式熱泵升溫供暖了。

　　2、冷熱電聯(lián)供是第二次工業(yè)革命后期產(chǎn)生的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。

　　冷熱電聯(lián)供DES/CCHP是第二次工業(yè)革命后期，天然氣為終端燃料時從CHP發(fā)展來的，主體是用戶。計算能效是以全區(qū)域全年8650 h/a累計的供能總量為分子，總一次能源消耗為分母。目前流行的“CCHP=CHP+蒸汽吸收制冷”觀點是過于簡單化的理解。如果要簡單表達應(yīng)是“CCHP=CHP+科學(xué)用能、系統(tǒng)優(yōu)化”。DES/CCHP建模優(yōu)化的本質(zhì)是：選擇最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，使之能夠就近利用各種一次能源，經(jīng)轉(zhuǎn)換傳輸和儲存，滿足用戶對電力和冷、暖、蒸汽、熱水等各種終端用能源的、負(fù)荷實時變化的需求，達到最高能效、最經(jīng)濟、最少碳排放的目標(biāo)。充分利用計算機和信息技術(shù)，進行系統(tǒng)建模優(yōu)化，才能求得最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)施組合和運營方案。

　　3、 主體不同，系統(tǒng)規(guī)劃和效率計算完全不一樣。

　　首先，按“以熱定電”作的CCHP項目，為保夜間供熱也要運行，所產(chǎn)生的低谷時段電力強制上網(wǎng)，不僅沒有價值，而且增加電網(wǎng)調(diào)峰難度； 其次，按最大供冷、熱工況設(shè)計。實際運行時絕大多數(shù)均非設(shè)計工況，實際負(fù)荷率常常很低。以設(shè)計工況主機燃料為基數(shù)核算系統(tǒng)能效嚴(yán)重夸大； 第三，“聯(lián)產(chǎn)”思維局限導(dǎo)致“必須采用蒸汽吸收制冷”的不合理限制。不僅降低制冷效率，而且只要供冷就必須開啟主機，不問電力是否過剩，同時制約系統(tǒng)優(yōu)化運營； 第四，無供冷、暖季節(jié)時段大量余熱不能利用，或低效率運行、或停運，使全年運行時數(shù)減少，設(shè)備折舊費成倍增加； 第五，“并網(wǎng)不上網(wǎng)”催生“以電定熱”。為追求機組“高效”，只能提供用戶需求的冷熱的很少部分，而不考慮全局絕大部分用戶能效如何；第六，沒有把非24h/d連續(xù)運行的、特別是區(qū)域型的DES/CCHP協(xié)同電網(wǎng)調(diào)峰作為互利雙贏的普遍規(guī)律性的準(zhǔn)則，把目前違背市場規(guī)律的電網(wǎng)壟斷視為不可改變的約束條件。

　　以上幾點是造成目前國內(nèi)的許多DES 項目經(jīng)濟性不好的內(nèi)在原因。

　　規(guī)劃要點：滿足終端用戶不同時空變化需求

　　1、 以用戶需求為考慮主體——最大特點是負(fù)荷有巨大的時空變化。

　　空間變化的內(nèi)涵是：充分考慮各種工業(yè)和建筑物用能戶冷、暖、熱、電、蒸汽需求的空間分布，區(qū)域能源和DES系統(tǒng)空間范圍如何選擇，是否應(yīng)覆蓋邊遠(yuǎn)用戶，這均需由能效提高的收益與管網(wǎng)投資的付出相比較的經(jīng)濟性決定。 時間變化包括：一年四季冷、暖、熱水需求不同；一天24小時之內(nèi)不同用戶用能需求峰谷時段不同，總量也在變化；除連續(xù)運行的過程工業(yè)之外，絕大部分用戶后半夜需求很少；隨著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，用能負(fù)荷隨用戶增加而逐年、逐月變化；要求規(guī)劃分期。季節(jié)和晝夜變化要求構(gòu)建一個采用多技術(shù)的多種組合以適應(yīng)多種工況的系統(tǒng)，以使DES/CCHP在多個工況下都實現(xiàn)高效運行。

　　2、 以用戶需求為考慮主體的首要原則是考慮全區(qū)域用能。

　　區(qū)域能源或DES規(guī)劃的目標(biāo)既然是提高整體的能效，就必須考慮全區(qū)域、全年，所有用戶。當(dāng)然，以經(jīng)濟性為準(zhǔn)則，少數(shù)邊遠(yuǎn)用戶、空間十分分散的農(nóng)業(yè)地區(qū)，以及少量用能時段特殊的用戶可以不納入DES/CCHP管網(wǎng)供應(yīng)范圍。判斷依據(jù)就是敷設(shè)過長冷熱管道的投入能否由能效提高的經(jīng)濟收益得到補償？但是在計算區(qū)域能源利用效率時必須把這些DES未覆蓋用戶的全部用能數(shù)據(jù)包括在內(nèi)。

　　3、 同時系數(shù)是重要基礎(chǔ)參數(shù)。

　　同時系數(shù)系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷在總用戶高峰負(fù)荷（也就是各用戶自己供能時的設(shè)計負(fù)荷）中所占的比例，因不同用戶終端需求高峰在不同時段而產(chǎn)生。區(qū)域較大，區(qū)內(nèi)包括的用戶種類和數(shù)量越多，同時系數(shù)越小，設(shè)備總投資就越低。同時系數(shù)低于0.7-0.8時，所節(jié)省的投資已可以與敷設(shè)各種管網(wǎng)所額外增加的投資持平。此外，區(qū)域較大的好處還有：大設(shè)備效率單機高，單位投資低。根據(jù)近年工程實例，百MW級DES投資大約7000元/kW左右, 10MW級以下則需1-2萬元/kW。

　　4、晝開夜停16h/d運行，配合電網(wǎng)調(diào)峰是滿足用戶需求，互利雙贏的重要創(chuàng)新。

　　除了過程工業(yè)（園區(qū)）自己都有專設(shè)的24h/d CCHP系統(tǒng)，即自備公用工程單元外，一般工業(yè)和建筑物用能的時間特點是：（1），生活熱水只要有一天用量的儲存設(shè)施，16h/d還是24h/d生產(chǎn)都能夠滿足；（2），供冷和熱泵供暖白天用DES電、夜間DES主機停運時改用低谷價網(wǎng)電，更經(jīng)濟；（3），離散制造業(yè)所用蒸汽多半16h/d運行，與DES同步，需加班時可啟動輔助燃燒器；（4），無供暖和空調(diào)季節(jié)仍可調(diào)峰供電兼聯(lián)供熱水和蒸汽運行，可使年開工時數(shù)加倍、折舊費低。在正在到來的智能電網(wǎng)時代，分時電價不可避免，DES協(xié)同電力調(diào)峰是互利雙贏。這是處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的同時推廣區(qū)域能源和DES的中國能夠集成創(chuàng)新的歷史機遇。

　　未來智慧能源網(wǎng)絡(luò)的基本單元

　　1、低碳時代一次能源和終端利用的走勢。

　　到本世紀(jì)中葉可再生能源成為一次能源的主體。其中可能有近半，即非光伏太陽能、核能、地?zé)?、生物質(zhì)等可用做大型工業(yè)園區(qū)CCHP的一次能源；另外一半多無需經(jīng)過熱力循環(huán)而直接發(fā)電利用的是水力、風(fēng)、光伏、潮汐等。各種可再生能源增速和占比，由新科技突破形成的經(jīng)濟競爭力決定。

　　未來仍占終端用能三成多的冷、暖、熱、蒸汽終端需求是分散的，通過高效的冷熱電聯(lián)供DES/CCHP就地直供的距離是受限的，一次能源中大部分可再生能源也是分散和低能量密度的，這三點決定了大部分從一次能源轉(zhuǎn)換傳輸供終端利用的供能系統(tǒng)是分布式的。

　　2、能源轉(zhuǎn)換傳輸系統(tǒng)演化為智慧能源網(wǎng)絡(luò)。

　　集中、單向、垂直的“能源供應(yīng)系統(tǒng)”將轉(zhuǎn)為分散、雙向、扁平化的智慧能源網(wǎng)絡(luò)，或稱能源互聯(lián)網(wǎng)。借助于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，目前只管輸配的電網(wǎng)將發(fā)展成智能電網(wǎng)Smart Grid（簡稱SG），成為所有電力的集散、交易的平臺和智能調(diào)度、控制中樞，從而實現(xiàn)能源和電力的實時供需平衡。因此SG是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心架構(gòu)。

　　3、兩種類型分布式供能的走勢。

　　覆蓋絕大部分工業(yè)和建筑物用戶的千萬個分布式供能子系統(tǒng)DES/CCHP將成為未來智慧能源網(wǎng)絡(luò)，也就是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元。大型DES/CCHP的服務(wù)對象為各類工業(yè)（及園區(qū)）和大型社區(qū)，以百MW級的太陽能熱發(fā)電、小型CHP核電、地?zé)岷吞烊粴獍l(fā)電，與集中供暖、區(qū)域供冷及熱泵技術(shù)相結(jié)合，將會占新開發(fā)區(qū)域絕大部分。小型DES/CCHP可以用任何一次能源，規(guī)模可以從小于1 MW級到10MW級。主要用于已建成城區(qū)能源供應(yīng)系統(tǒng)的改造升級。以光伏等為主、帶儲能的小DES沒有基于熱力循環(huán)的CCHP，可用熱泵或太陽能光熱方式制冷熱。由于光伏發(fā)電和儲能技術(shù)不斷突破、成本逐年遞降，天然氣微燃機+余熱利用系統(tǒng)將很難與之競爭。

　　4、與DES和區(qū)域能源同步建設(shè)微電網(wǎng)是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。

　　可再生能源的分散性決定了一次能源的分布式轉(zhuǎn)換和就地利用。如杰米里·里夫金所言，歐盟1.9億個大樓將成為1.9億座發(fā)電廠，但其不可能“孤網(wǎng)運行”而需借助于大電網(wǎng)。可再生能源發(fā)電的不確定性要求實行自動分時電價，在分時電價帶來的利益驅(qū)動下電力在億萬個有儲電的、光伏為主的DES與大電網(wǎng)之間的雙向流動是電力供需隨機性波動的重要調(diào)節(jié)手段，成千上萬晝開夜停的DES/ CCHP則是電網(wǎng)晝夜調(diào)峰重要手段。這就要求每一個DES都在一個有源的微電網(wǎng)之內(nèi)，現(xiàn)有的配電網(wǎng)顯然不能適應(yīng)。目前必須先建設(shè)微電網(wǎng)才能為DES/CCHP與大電網(wǎng)的互動提供硬件條件。從發(fā)展來說，必須先構(gòu)建億萬個智能微電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)集成、協(xié)同才能構(gòu)建和發(fā)展SG和智慧能源網(wǎng)絡(luò)——即能源互聯(lián)網(wǎng)。

　　5、促進分布式供能和區(qū)域能源規(guī)劃建設(shè)的關(guān)鍵問題。

　　簡言之，有以下五點：第一是擺脫利益格局和思維定勢，認(rèn)清中國發(fā)展分布式供能和區(qū)域能源的歷史必然性；第二是遵循市場經(jīng)濟規(guī)律，取消多層次交易和“交叉補貼”，使過高的天然氣價格回歸合理；第三是正確界定走向可再生能源時代智能電網(wǎng)建設(shè)的側(cè)重點，建設(shè)微電網(wǎng)和實行分時電價；第四是必須加快“區(qū)域能源規(guī)劃法”、“城市燃?xì)夥?rdquo;立法和執(zhí)法；第五是目前我國能源革命重點并非在生產(chǎn)力和技術(shù)層面，而是在生產(chǎn)關(guān)系和上層建筑層面依法治國替代行政審批。（華賁作者系中國建筑節(jié)能協(xié)會區(qū)域能源專委會理事會顧問、中國城市燃?xì)鈪f(xié)會分布式能源專委會特別顧問）