區(qū)域分布式能源規(guī)劃方法探討

阮紅權(quán) 高 欣孫森才陸建榮

1.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年中國(guó)GDP能耗為512 tec/百萬(wàn)美元（按匯率計(jì)），遠(yuǎn)高于252tec/百萬(wàn)美元的世界平均值[1]。從能源結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，以煤為主的能源體系是單位GDP能耗過(guò)高的主要原因，并導(dǎo)致C O2排放強(qiáng)度高，環(huán)境壓力大。天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源。采用已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家成熟應(yīng)用的分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)（DES/CCHP）是逐步建立我國(guó)無(wú)碳/低碳能源體系的必經(jīng)之路[2]。本文以某國(guó)家級(jí)生態(tài)園的DES/CCHP為例，探討區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的規(guī)劃方法。

1 區(qū)域DES/CCHP的優(yōu)勢(shì)

樓宇DES/CCHP的特點(diǎn)是冷熱電都在一棟或領(lǐng)近的幾棟建筑物內(nèi)直供，輸送距離短，建設(shè)運(yùn)行較為簡(jiǎn)單，但其經(jīng)濟(jì)性容易受到負(fù)荷變化的影響。區(qū)域DES/CCHP，其供能對(duì)象可能同時(shí)包括酒店、寫字樓、商場(chǎng)、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(shí)現(xiàn)負(fù)荷錯(cuò)峰和優(yōu)化供給，因而系統(tǒng)能效高，單位產(chǎn)能造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好，但其建設(shè)運(yùn)行復(fù)雜。

中國(guó)正處在加速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，由于受土地資源限制，各種高科技園區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、新城中的多種功能區(qū)塊都是規(guī)劃在一起的，這就提供了冷、熱、電、工業(yè)蒸汽、生活熱水、天然氣多種負(fù)荷集成互補(bǔ)、能夠充分梯級(jí)利用能源的有利條件。

2 生態(tài)園項(xiàng)目概況

規(guī)劃區(qū)域DES/CCHP的某國(guó)家級(jí)生態(tài)園，占地面積約12km2，總建筑面積達(dá)75萬(wàn)m2，主要用于住宅、商業(yè)、金融業(yè)、文化娛樂(lè)、體育、教育科研、醫(yī)療衛(wèi)生、電子科技工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等。規(guī)劃居住人口6萬(wàn)，目標(biāo)打造成我國(guó)“兩型社會(huì)”示范城。

3 區(qū)域DES/CCHP規(guī)劃與其它規(guī)劃的關(guān)系

生態(tài)園開(kāi)發(fā)是個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，涉及概念性規(guī)劃、指標(biāo)體系、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、控制性規(guī)劃和區(qū)域DES/CCHP規(guī)劃，各個(gè)規(guī)劃相輔相成，構(gòu)成生態(tài)園總體規(guī)劃不可或缺的一部份。產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供產(chǎn)業(yè)布局等信息，控制性規(guī)劃提供建筑和市政設(shè)施規(guī)劃信息，這些信息都是編制區(qū)域DES/CCHP規(guī)劃的基礎(chǔ)。反之，區(qū)域DES/CCHP規(guī)劃又用于產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、控制性規(guī)劃和指標(biāo)體系的調(diào)整。區(qū)域DES/CCHP規(guī)劃與其它規(guī)劃的關(guān)系如圖1所示。

4 可利用能源分析

規(guī)劃過(guò)程中確認(rèn)的區(qū)域DES/CCHP可利用能源有常規(guī)能源、可再生能源和未利用能源。

圖1 區(qū)域DES/CCHP與其它規(guī)劃的關(guān)系

第一、常規(guī)能源：電力、天然氣、熱力。距生態(tài)園最近的電廠采用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)工藝，可通過(guò)國(guó)營(yíng)電網(wǎng)公司的變電站接入生態(tài)園。天然氣將通過(guò)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(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能。生態(tài)園全年太陽(yáng)能輻射總量為5040MJ/m2，年均日照時(shí)數(shù)2550h，屬太陽(yáng)能資源三類地區(qū)（中等地區(qū)）。可適量采用太陽(yáng)能光伏光熱一體化技術(shù)，滿足部分電力和生活熱水需求；在夏季熱水富裕時(shí)作為吸收式空調(diào)機(jī)組的熱源。所在區(qū)域有效風(fēng)能密度240W/m2，有效風(fēng)能年均時(shí)間達(dá)6485h，宜在緊鄰生態(tài)園的山脊上建設(shè)小型風(fēng)電場(chǎng)。生態(tài)園主干道照明可采用風(fēng)光互補(bǔ)路燈。生態(tài)園每年將產(chǎn)生生活垃圾約2.3萬(wàn)t，經(jīng)生物厭氧發(fā)酵后產(chǎn)出的沼氣可供DES/CCHP自用。

第三、未利用能源：淺層地?zé)崮埽鷳B(tài)園土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)1.5 W/(m.℃)，平均容積比熱1.85×106J/(m3.℃)，適宜建設(shè)地源熱泵。生態(tài)園水域面積近60公頃，然而生態(tài)園所在地區(qū)冬季寒冷，水面結(jié)冰后換熱效果差，不適宜采用水源熱泵技術(shù)。

5 負(fù)荷預(yù)測(cè)

按照建筑（分公共建筑和住宅）、工業(yè)和交通三大耗能領(lǐng)域進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，生態(tài)園負(fù)荷類型如表1所示。

傳統(tǒng)能源設(shè)施規(guī)劃進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，一般按某個(gè)單位面積負(fù)荷指標(biāo)，然后乘以總建筑面積，往往還要再按大于1的安全系數(shù)放大。本項(xiàng)目為避免負(fù)荷的高估冒算，采用設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦值+DeST軟件模擬的方法，得到不同類型建筑的設(shè)計(jì)冷熱電負(fù)荷值、24小時(shí)分時(shí)冷熱負(fù)荷系數(shù)以及全年8760小時(shí)的逐時(shí)負(fù)荷變化系數(shù)。分地塊計(jì)算并累加得到整個(gè)生態(tài)園的分時(shí)冷熱電負(fù)荷。天然氣負(fù)荷主要包括居民用氣量、公建用氣量、工業(yè)用氣量、交通用氣量、DES/CCHP自身用氣量、其它未預(yù)見(jiàn)用氣量。蒸汽負(fù)荷根據(jù)工業(yè)性質(zhì)選取工藝耗汽指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)生態(tài)園人口估算日均熱水負(fù)荷。

表1 應(yīng)用環(huán)節(jié)負(fù)荷類型

生態(tài)園能源系統(tǒng)的用能環(huán)節(jié)類型多樣，在用能時(shí)間上具有一定的互補(bǔ)性（如圖2所示生態(tài)園中，其中一個(gè)地塊的不同類型建筑熱負(fù)荷的互補(bǔ)），因而可以有效降低用能負(fù)荷。

6 區(qū)域DES/CCHP的集成優(yōu)化

本項(xiàng)目的區(qū)域DES/CCHP應(yīng)用系統(tǒng)工程方法，在對(duì)各種冷、熱、電、工業(yè)蒸汽、生活熱水用戶變負(fù)荷統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)上，采用各種天然氣做功發(fā)電技術(shù)、制冷技術(shù)、熱泵技術(shù)、可再生能源利用技術(shù)以及強(qiáng)化傳熱技術(shù)，集成優(yōu)化而得到的組合方案，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)與各種能源轉(zhuǎn)換、傳遞科學(xué)和技術(shù)的集成。區(qū)域DES/CCHP在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)行“高能高用、低能低用”。其經(jīng)典模式是：

第一、對(duì)各種規(guī)模的火電廠或熱電廠，采用“蒸汽輪機(jī)+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組”模式。

第二、以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，適合采用“燃?xì)廨啓C(jī)+煙氣（補(bǔ)然型）溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組”模式。

第三、以燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，適合采用“燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐（補(bǔ)然型）+蒸汽輪機(jī)+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組”模式。

投資額大的系統(tǒng)（CCHP、光伏、風(fēng)能等）裝機(jī)容量占系統(tǒng)負(fù)荷的20%，而其年累計(jì)供能量達(dá)到整個(gè)能源系統(tǒng)的85%。投資額小且運(yùn)行費(fèi)用又相對(duì)高的系統(tǒng)（離心機(jī)制冷系統(tǒng)、鍋爐采暖系統(tǒng)等），其裝機(jī)容量的比例達(dá)到35%，主要用于調(diào)峰，但其年累計(jì)供能量?jī)H占整個(gè)能源系統(tǒng)的10%左右。這樣就在保證尖峰負(fù)荷需求的同時(shí)降低了系統(tǒng)投資和年運(yùn)行費(fèi)用。

表2是生態(tài)園部分區(qū)塊能源系統(tǒng)主要設(shè)備裝機(jī)容量、年累計(jì)供能量比例的數(shù)值分析：投資高的燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，年總供能量比例高于其設(shè)備規(guī)模比例，而投資額小運(yùn)行費(fèi)用較高的燃?xì)忮仩t，其設(shè)備規(guī)模占5.44%，但其供能量只占到0.36%。

表2 生態(tài)園主要設(shè)備裝機(jī)容量及年累計(jì)供能量比例

7 區(qū)域分布式能源系統(tǒng)布局

本案例中產(chǎn)業(yè)區(qū)塊的工業(yè)蒸汽和電負(fù)荷需求量大，因此就近建設(shè)以燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電為核心的大型DES/CCHP。公共建筑、住宅對(duì)冷熱的需求量大，因此就近建設(shè)以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電為核心的小型DES/CCHP。大型DES/CCHP生產(chǎn)的蒸汽、余熱，可以作為能源輸入小型DES/CCHP。一個(gè)大型DES/CCHP帶若干個(gè)小型DES/CCHP的運(yùn)行方式，可以有效解決生態(tài)園的負(fù)荷需求，且通過(guò)互相調(diào)配的方式，可有效降低整體設(shè)備規(guī)模。

區(qū)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(chǔ)站，可以滿足資源供應(yīng)中斷時(shí)應(yīng)急用氣需求，也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域用氣削峰填谷。

交通節(jié)能是低碳園區(qū)的重要方面，加氣、充電站的建設(shè)將助推這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

8 規(guī)劃結(jié)果

第一、能源利用評(píng)價(jià)。區(qū)域DES/CCHP與基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能量對(duì)比，兩者的供能形式如表3所示。

生態(tài)園基準(zhǔn)系統(tǒng)能源能耗量為29.5萬(wàn)tce/a，區(qū)域DES/CCHP為14.5萬(wàn)tce/a。與基準(zhǔn)系統(tǒng)相比，區(qū)域DES/CCHP每年節(jié)省標(biāo)煤15.0萬(wàn)tce，節(jié)能率達(dá)到50.7%。節(jié)能量測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表4。

第二、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。規(guī)劃中建議成立專門的運(yùn)營(yíng)公司，特許經(jīng)營(yíng)生態(tài)園能源系統(tǒng)。該公司的收入包括：供冷熱收入、售電收入（其對(duì)象為國(guó)營(yíng)電網(wǎng)公司）、供生活熱水收入、工業(yè)蒸汽銷售收入、配套費(fèi)收入、容量費(fèi)、以及政府補(bǔ)貼收入。假定對(duì)DES/CCHP發(fā)電機(jī)組提供1000元/kW的補(bǔ)貼，并享有“三免三減半”的稅收優(yōu)惠政策時(shí)，能源系統(tǒng)稅后內(nèi)部收益率約11%，靜態(tài)投資回收期10年左右。

表3 區(qū)域DES/CCHP與基準(zhǔn)系統(tǒng)供能形式對(duì)比

表4 區(qū)域DES/CCHP節(jié)能量計(jì)算結(jié)果

第三、利益相關(guān)方評(píng)價(jià)。區(qū)域DES/CCHP可以節(jié)省開(kāi)發(fā)單位大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用并提升其品牌，因而開(kāi)發(fā)單位非常歡迎引入這樣的“高科技”項(xiàng)目。供應(yīng)采暖熱水、空調(diào)冷水、生活熱水和工業(yè)蒸汽的價(jià)格，一般等于或稍低于用戶采用常規(guī)設(shè)施的費(fèi)用，并且因?yàn)楣?jié)省了用戶的大部分常規(guī)設(shè)施的費(fèi)用，所以用戶將獲得可預(yù)期的利益。生態(tài)園的相對(duì)規(guī)模較大的能源系統(tǒng)對(duì)于電力峰谷差的平衡和電網(wǎng)安全的保障是有貢獻(xiàn)的，所以對(duì)電網(wǎng)公司也是有利的。天然氣公司也一樣，其所經(jīng)營(yíng)的管道也有流量穩(wěn)定性的問(wèn)題和峰谷負(fù)荷的問(wèn)題，從壓力比較高的管網(wǎng)上售氣及售給比較大的用戶有利于整個(gè)管網(wǎng)的平衡管理。

9 結(jié)論

一個(gè)區(qū)域內(nèi)的能源系統(tǒng)涉及冷熱電、天然氣、工業(yè)蒸汽、生活熱水和天然氣等多種能源，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法規(guī)劃的區(qū)域DES/CCHP可以達(dá)到區(qū)域能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性、高能效、碳減排三個(gè)目標(biāo)。

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

[2]華賁.區(qū)域型分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].中外能源,2011年第3期.13～20.