區域分布式能源規劃方法探討

阮紅權 高 欣孫森才陸建榮

1.同濟大學經濟與管理學院 2.上海新奧能源科技有限公司3.上海石油化工股份有限公司

統計數據顯示，2011年中國GDP能耗為512 tec/百萬美元（按匯率計），遠高于252tec/百萬美元的世界平均值[1]。從能源結構的角度進行分析，以煤為主的能源體系是單位GDP能耗過高的主要原因，并導致C O2排放強度高，環境壓力大。天然氣是一種優質、高效、清潔的低碳能源。采用已經在發達國家成熟應用的分布式冷熱電聯供能源系統（DES/CCHP）是逐步建立我國無碳/低碳能源體系的必經之路[2]。本文以某國家級生態園的DES/CCHP為例，探討區域分布式能源系統的規劃方法。

1 區域DES/CCHP的優勢

樓宇DES/CCHP的特點是冷熱電都在一棟或領近的幾棟建筑物內直供，輸送距離短，建設運行較為簡單，但其經濟性容易受到負荷變化的影響。區域DES/CCHP，其供能對象可能同時包括酒店、寫字樓、商場、居民住宅和工廠等，占地面積在幾十平方公里以下，建筑面積巨大，容易實現負荷錯峰和優化供給，因而系統能效高，單位產能造價低，經濟性好，但其建設運行復雜。

中國正處在加速城鎮化的進程中，由于受土地資源限制，各種高科技園區、開發區、新城中的多種功能區塊都是規劃在一起的，這就提供了冷、熱、電、工業蒸汽、生活熱水、天然氣多種負荷集成互補、能夠充分梯級利用能源的有利條件。

2 生態園項目概況

規劃區域DES/CCHP的某國家級生態園，占地面積約12km2，總建筑面積達75萬m2，主要用于住宅、商業、金融業、文化娛樂、體育、教育科研、醫療衛生、電子科技工業、機械工業等。規劃居住人口6萬，目標打造成我國“兩型社會”示范城。

3 區域DES/CCHP規劃與其它規劃的關系

生態園開發是個龐大的系統工程，涉及概念性規劃、指標體系、產業規劃、控制性規劃和區域DES/CCHP規劃，各個規劃相輔相成，構成生態園總體規劃不可或缺的一部份。產業規劃提供產業布局等信息，控制性規劃提供建筑和市政設施規劃信息，這些信息都是編制區域DES/CCHP規劃的基礎。反之，區域DES/CCHP規劃又用于產業規劃、控制性規劃和指標體系的調整。區域DES/CCHP規劃與其它規劃的關系如圖1所示。

4 可利用能源分析

規劃過程中確認的區域DES/CCHP可利用能源有常規能源、可再生能源和未利用能源。

圖1 區域DES/CCHP與其它規劃的關系

第一、常規能源：電力、天然氣、熱力。距生態園最近的電廠采用燃煤熱電聯產工藝，可通過國營電網公司的變電站接入生態園。天然氣將通過中壓管線從最近的門站引入。附近的熱電廠可提供富裕的一部分采暖熱水或蒸汽。

第二、可再生能源：太陽能、風能、生物質能。生態園全年太陽能輻射總量為5040MJ/m2，年均日照時數2550h，屬太陽能資源三類地區（中等地區）?？蛇m量采用太陽能光伏光熱一體化技術，滿足部分電力和生活熱水需求；在夏季熱水富裕時作為吸收式空調機組的熱源。所在區域有效風能密度240W/m2，有效風能年均時間達6485h，宜在緊鄰生態園的山脊上建設小型風電場。生態園主干道照明可采用風光互補路燈。生態園每年將產生生活垃圾約2.3萬t，經生物厭氧發酵后產出的沼氣可供DES/CCHP自用。

第三、未利用能源：淺層地熱能，生態園土壤綜合導熱系數1.5 W/(m.℃)，平均容積比熱1.85×106J/(m3.℃)，適宜建設地源熱泵。生態園水域面積近60公頃，然而生態園所在地區冬季寒冷，水面結冰后換熱效果差，不適宜采用水源熱泵技術。

5 負荷預測

按照建筑（分公共建筑和住宅）、工業和交通三大耗能領域進行負荷預測，生態園負荷類型如表1所示。

傳統能源設施規劃進行負荷預測時，一般按某個單位面積負荷指標，然后乘以總建筑面積，往往還要再按大于1的安全系數放大。本項目為避免負荷的高估冒算，采用設計手冊推薦值+DeST軟件模擬的方法，得到不同類型建筑的設計冷熱電負荷值、24小時分時冷熱負荷系數以及全年8760小時的逐時負荷變化系數。分地塊計算并累加得到整個生態園的分時冷熱電負荷。天然氣負荷主要包括居民用氣量、公建用氣量、工業用氣量、交通用氣量、DES/CCHP自身用氣量、其它未預見用氣量。蒸汽負荷根據工業性質選取工藝耗汽指標進行預測。根據生態園人口估算日均熱水負荷。

表1 應用環節負荷類型

生態園能源系統的用能環節類型多樣，在用能時間上具有一定的互補性（如圖2所示生態園中，其中一個地塊的不同類型建筑熱負荷的互補），因而可以有效降低用能負荷。

6 區域DES/CCHP的集成優化

本項目的區域DES/CCHP應用系統工程方法，在對各種冷、熱、電、工業蒸汽、生活熱水用戶變負荷統計、分析的基礎上，采用各種天然氣做功發電技術、制冷技術、熱泵技術、可再生能源利用技術以及強化傳熱技術，集成優化而得到的組合方案，是現代系統科學、信息科學、管理科學與各種能源轉換、傳遞科學和技術的集成。區域DES/CCHP在能源生產環節實行“高能高用、低能低用”。其經典模式是：

第一、對各種規模的火電廠或熱電廠，采用“蒸汽輪機+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組”模式。

第二、以燃氣輪機發電的冷熱電三聯供系統，適合采用“燃氣輪機+煙氣（補然型）溴化鋰吸收式冷熱水機組”模式。

第三、以燃氣輪機—蒸汽輪機聯合循環發電的冷熱電三聯供系統，適合采用“燃氣輪機+余熱鍋爐（補然型）+蒸汽輪機+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組”模式。

投資額大的系統（CCHP、光伏、風能等）裝機容量占系統負荷的20%，而其年累計供能量達到整個能源系統的85%。投資額小且運行費用又相對高的系統（離心機制冷系統、鍋爐采暖系統等），其裝機容量的比例達到35%，主要用于調峰，但其年累計供能量僅占整個能源系統的10%左右。這樣就在保證尖峰負荷需求的同時降低了系統投資和年運行費用。

表2是生態園部分區塊能源系統主要設備裝機容量、年累計供能量比例的數值分析：投資高的燃氣輪機—蒸汽輪機聯合循環發電系統，年總供能量比例高于其設備規模比例，而投資額小運行費用較高的燃氣鍋爐，其設備規模占5.44%，但其供能量只占到0.36%。

表2 生態園主要設備裝機容量及年累計供能量比例

7 區域分布式能源系統布局

本案例中產業區塊的工業蒸汽和電負荷需求量大，因此就近建設以燃氣輪機—蒸汽輪機聯合循環發電為核心的大型DES/CCHP。公共建筑、住宅對冷熱的需求量大，因此就近建設以燃氣輪機發電為核心的小型DES/CCHP。大型DES/CCHP生產的蒸汽、余熱，可以作為能源輸入小型DES/CCHP。一個大型DES/CCHP帶若干個小型DES/CCHP的運行方式，可以有效解決生態園的負荷需求，且通過互相調配的方式，可有效降低整體設備規模。

區域DES/CCHP用氣壓力高、用氣量比居民大得多，就近建立壓縮天然氣/液化天然氣（CNG/LNG）充儲站，可以滿足資源供應中斷時應急用氣需求，也可實現區域用氣削峰填谷。

交通節能是低碳園區的重要方面，加氣、充電站的建設將助推這一目標的實現。

8 規劃結果

第一、能源利用評價。區域DES/CCHP與基準系統進行節能量對比，兩者的供能形式如表3所示。

生態園基準系統能源能耗量為29.5萬tce/a，區域DES/CCHP為14.5萬tce/a。與基準系統相比，區域DES/CCHP每年節省標煤15.0萬tce，節能率達到50.7%。節能量測算結果見表4。

第二、經濟性評價。規劃中建議成立專門的運營公司，特許經營生態園能源系統。該公司的收入包括：供冷熱收入、售電收入（其對象為國營電網公司）、供生活熱水收入、工業蒸汽銷售收入、配套費收入、容量費、以及政府補貼收入。假定對DES/CCHP發電機組提供1000元/kW的補貼，并享有“三免三減半”的稅收優惠政策時，能源系統稅后內部收益率約11%，靜態投資回收期10年左右。

表3 區域DES/CCHP與基準系統供能形式對比

表4 區域DES/CCHP節能量計算結果

第三、利益相關方評價。區域DES/CCHP可以節省開發單位大量基礎設施建設費用并提升其品牌，因而開發單位非常歡迎引入這樣的“高科技”項目。供應采暖熱水、空調冷水、生活熱水和工業蒸汽的價格，一般等于或稍低于用戶采用常規設施的費用，并且因為節省了用戶的大部分常規設施的費用，所以用戶將獲得可預期的利益。生態園的相對規模較大的能源系統對于電力峰谷差的平衡和電網安全的保障是有貢獻的，所以對電網公司也是有利的。天然氣公司也一樣，其所經營的管道也有流量穩定性的問題和峰谷負荷的問題，從壓力比較高的管網上售氣及售給比較大的用戶有利于整個管網的平衡管理。

9 結論

一個區域內的能源系統涉及冷熱電、天然氣、工業蒸汽、生活熱水和天然氣等多種能源，運用系統工程方法規劃的區域DES/CCHP可以達到區域能源供應的經濟性、高能效、碳減排三個目標。

[1]BP Statistical Review of World Energy,June 2012.

[2]華賁.區域型分布式冷熱電聯供能源系統的規劃設計[J].中外能源,2011年第3期.13～20.