丹麥太陽能區域供熱市場和發展動力

國家發改委能源研究所 ■ 胡潤青

0 引言

丹麥地處北歐，屬溫帶海洋性氣候，冬暖夏涼，最熱的7月平均氣溫不超過15～17 ℃，最冷的1月平均氣溫在0 ℃上下。一年四季均需提供生活熱水和建筑供暖。丹麥首都哥本哈根的全年水平面太陽能輻射量為989 kWh/m2， 與貴陽市的太陽能資源基本相當。

太陽能區域供熱是指太陽能集熱系統與其他能源互補運行，為局部地區(數個村鎮或數個社區)集中供應生活熱水和建筑供暖，也可供應工業用熱和空調制冷。丹麥是全球最早推動太陽能區域供熱的國家，在技術進步和激勵政策的支持下，丹麥太陽能區域供熱市場發展迅速，已成為全球最大的市場。丹麥是全球區域供熱比例最高的國家，超過55%的供熱凈耗能來自區域供熱系統，全國有460個區域供熱站，60%以上的家庭由區域供熱系統供應熱水和供暖。丹麥政府通過發電補貼等政策，推動小型熱電聯產電廠的發展、以及電廠轉型為熱電聯產電廠，2011年，丹麥熱電聯產電廠生產了63%的電力。

1 蓬勃發展、全球領先的丹麥太陽能區域供熱市場

丹麥是全球最早推動太陽能區域供熱的國家。1988年，丹麥就建成了第一個太陽能區域供熱電站，安裝了1000 m2太陽能集熱器。2003年，Marstal太陽能區域供熱項目建成投產，太陽能集熱器安裝面積達到1.8萬m2，是當時全球最大的太陽能區域供熱項目。丹麥太陽能區域供熱項目均已與常規供熱系統結合，提供生活熱水和建筑供暖。

丹麥是歐洲最大、最成熟的太陽能區域供熱市場。2010年以來，在丹麥高額能源稅和其他可再生能源激勵政策的支持下，太陽能區域供熱進入商業化發展階段。根據國際能源署的統計[1]，到2012年底，丹麥大型太陽能區域供熱項目數(37個)和應用規模(193 MWth/27.5萬m2)均位居歐洲第一，且遠高于歐洲其他國家，如德國(21個，3.9萬m2)、奧地利(22個，3.1萬m2)、瑞典(21個，3.1萬m2)。到2013年6月[2]，丹麥已建成太陽能區域供熱項目的太陽能集熱器面積已達到31萬m2，計劃在建項目規模達到39.7萬m2。

歐洲10大太陽能區域供熱項目均在丹麥。這些項目是Marstal(33300 m2，2012年擴建 )、Braedstrup(18612 m2)、Vojes(17500 m2)、Grasten(17200 m2)、Ringkobing(15000 m2)、Veggeriose(12075 m2)、Saby (11921 m2)、Gram(10073 m2)、Jagerspris (10000 m2)和 Oksbol (10000 m2)。

2 日漸成熟、穩定的太陽能區域供熱技術

太陽能區域供熱技術是指太陽能集熱系統作為熱源之一、與既有或新建的供熱系統聯合運行，實現區域集中供熱的技術。太陽能區域供熱系統可提供生活熱水、建筑供暖和工業用熱，也可提供空調制冷。近年來，全球太陽能區域供熱技術發展迅速，在民用、商用和工業領域都有應用。經過多年實踐，丹麥太陽能區域供熱技術日漸成熟、可靠，現已進入規模化、商業化發展階段。

圖1 丹麥太陽能區域供熱項目分布圖

1) 太陽能系統。丹麥太陽能區域供熱系統的太陽能應用規模都較大，很多項目的集熱器面積大于1萬m2，最大的Marstal項目達到3.3萬m2。丹麥太陽能供熱系統壽命可達25年，通常采用大面積的平板集熱器，集熱器集中安裝在地面上。單塊集熱器面積可達13～14 m2，是我國常用的單塊集熱器面積的3～5倍。大面積集熱器的優點是熱損較低、效率較高。

2) 供熱站系統。大型太陽能區域供熱系統多與常規供熱站聯合運行，太陽能熱水直接并入供熱站的儲水箱，通過供熱站為用戶提供熱力，供熱站的出水溫度約為70 ℃，回水溫度約為40 ℃。最為常見的太陽能/天然氣系統包括天然氣發電機組、天然氣鍋爐、太陽能集熱系統和儲熱水箱。與天然氣系統結合的供熱站，實際上是既供熱也發電的能源站，熱力為社區、村鎮提供熱水和建筑供暖等服務，所發電力并入電網。系統供熱價格由開發商與用戶協商確定，所發電力可與配電商、用戶以及中間商直接交易，也可通過北歐電力市場交易。一些項目還與地源熱泵技術、生物質系統聯合運行。

3) 太陽能貢獻率。太陽能貢獻率是指太陽能集熱系統所產生的熱量在區域供熱站總供熱量中的比例。太陽能貢獻率的設定要綜合考慮太陽能資源情況、能源需求情況、能源產品價格水平等多種因素。不同項目的太陽能貢獻率差異很大，低的只有2%～5%，高的可達80%。多數情況下，太陽能是作為常規供熱系統的預熱能源或補充能源，太陽能貢獻率不高。在丹麥的發展初期，太陽能貢獻率較低，僅為2%～5%，目前很多項目的太陽能貢獻率都達到15%～20%，丹麥Marstal項目的太陽能貢獻率高達55%。隨著技術的日趨成熟和穩定、經濟性的日益提高，很多區域供熱站開始大規模擴建太陽能系統(見表1)。例如，擴建后的Vojens項目太陽能集熱面積可達71 500 m2，為原規模的3倍以上。

表1 部分太陽能區域供熱項目擴建計劃

4) 儲熱技術。儲熱技術是太陽能區域供熱系統的重要組成部分，也是目前歐洲的研究熱點。從儲熱時間和儲熱量看，儲熱技術可分為短期儲熱和季節性儲熱。短期儲熱水箱是目前丹麥最為普遍的配置，通常是儲存當日或數日的熱量。季節性儲熱是指將夏季的熱量儲存至冬季使用，目前尚處于研發試點階段。正在研發的季節性儲熱技術主要是儲熱罐、儲熱坑、鉆井儲熱、含水土層儲熱4種。

3 項目案例

3.1 Jagerspris項目[3-4]

該項目由熱力公司和熱力用戶共同投資建設，2010年7月建成投產，為4個鎮1264戶家庭供熱。

圖2 太陽能集熱器陣列

圖3 太陽能/天然氣熱電聯產能源站

1) 系統配置。該系統為太陽能、天然氣熱電聯產機組、燃氣鍋爐聯合運行，配備短期儲熱水箱。平板型太陽能集熱器安裝在地面上，集熱器面積13405 m2，配備2個儲熱水箱；年設計太陽能供熱量6 GWh，太陽能貢獻率17%。

2) 初始投資。太陽能集熱系統的初始投資為295萬歐元，單位初始投資為220歐元/ m2，無補貼，項目投資回收期為8.3年。

3) 項目經濟性[5]。在無補貼的情況下，太陽能供熱成本為32歐元/MWh，運營成本僅為1.3歐元/MWh。項目供熱成本遠低于40歐元/MWh的當地供熱成本，具有很好的經濟性。

4) 運行情況。該能源站(包括發電和供熱)僅配備1名全職工作人員，即項目經理，負責項目的日常管理維護；配備2名兼職辦公室助理(每周工作時間分別為20 h和16 h)。夜間無人值守，有緊急事故時，會自動通知項目經理和維護人員。

3.2 Strandby項目[4-5]

該項目由熱力用戶投資建設，2008年11月建成投產。

1) 系統配置。該系統為太陽能、熱泵系統、天然氣熱電聯產機組聯合運行，配備短期儲熱水箱。采用平板型太陽能集熱器，集熱器安裝在地面上，集熱器面積8019 m2，配備2個1500 m3儲熱水箱；太陽能年設計供熱量3.76 GWh，太陽能貢獻率18%。

2) 初始投資。太陽能供熱系統總投資232萬歐元，其中太陽能集熱系統約占60%，水箱和管路等輔助系統約占40%。項目獲得48萬歐元補貼，項目投資回收期為8.1年。

3) 項目經濟性。不考慮補貼時，太陽能供熱成本為42歐元/MWh。補貼后，供熱成本為34歐元/MWh，低于當地供熱成本40歐元/MWh，具有較好的經濟性。

4) 運行情況。太陽能區域供熱系統均運行良好，太陽能系統、吸收式熱泵系統均達到了設計要求。2009～2013年太陽能系統的年供熱量為3.4～3.9 GWh，運行穩定，達到了設計要求。

3.3 Bradstrup項目[4-5]

該項目2007年9月一期建成投產，2012年擴建。

1) 系統配置。該系統為太陽能和天然氣熱電聯產機組聯合運行，配備短期儲熱水箱。采用平板型太陽能集熱器，集熱器安裝在地面上。一期項目，集熱器面積8000 m2，配備2000 m3儲熱水箱；太陽能年設計供熱量3.4 GWh，太陽能貢獻率8%。二期擴建后，集熱器面積總計18612 m2，太陽能年設計供熱量8.9 GWh，太陽能貢獻率20%。

2) 初始投資。一期項目，太陽能供熱系統的初始投資165萬歐元，獲得35萬歐元補貼，項目回收期為6.5年。二期項目，太陽能供熱系統的初始投資為536萬歐元，獲得90萬歐元補貼，項目回收期為10年。

3) 項目經濟性。不考慮補貼時，太陽能供熱成本為31歐元/MWh。補貼后，供熱成本為25歐元/MWh，低于當地供熱成本40歐元/MWh，具有很好的經濟性。

表2 丹麥太陽能區域供熱項目案例[3-5]

4 發展的動力

4.1 宏偉的發展目標提供良好發展環境

丹麥是全球首個提出要在未來實現100%可再生能源的國家。宏偉的可再生能源發展目標、循序漸進的能源行動計劃和積極穩定的政策措施，為包括太陽能在內的可再生能源發展提供了良好的政策環境。

丹麥政府的目標是，到2050年，保持高度的能源安全和穩定的、可負擔的能源供應，擺脫對煤炭、石油和天然氣的依賴，實現向低溫室氣體排放的經濟轉型。

多年來，丹麥實施了多項能源行動計劃，降低能耗、增加可再生能源的市場份額。 2012年3月，丹麥議會批準了《2012～2020能源執政協議》，旨在推動丹麥實現“2050年100%依靠可再生能源”的長遠目標，明確到2020年的發展目標為：能源消費總量在2010年的基礎上降低7.6%；溫室氣體排放與1990年相比減少34%；可再生能源占終端能源消費總量的比例達到35%，風電占電力消費總量的50%。

該協議包括62項行動計劃，涉及能源效率提高、可再生能源發電、區域供熱、熱電聯產、可再生能源在家庭用戶和工業部門的利用、智能電網發展、沼氣生產、電力和可再生能源在交通領域的應用、研發和示范項目建設、融資途徑等。

4.2 高額的能源稅和碳稅，以及技術的快速進步，使太陽能供熱項目具有經濟性

1977年，丹麥在電力和石油部門引入了能源稅。之后，不僅幾次提高稅率，且課稅范圍擴展至煤和天然氣。1992年，丹麥開征二氧化碳稅。丹麥的能源稅賦明顯高于美國、日本、德國等其他國家。高額能源稅和二氧化碳稅的征收，大大提高了化石能源的使用成本。目前，天然氣區域供熱的能源稅稅賦約為50%，包括太陽能在內的可再生能源項目無需繳納能源稅。1979～1996年，丹麥政府為太陽能熱利用項目提供初始投資30%的補貼，1996～2002年補貼比例降為25%，2002年補貼取消。

在技術進步和規模化效益的支撐下，丹麥太陽能區域供熱項目單位初始投資大幅度下降，目前已具有較好的經濟性和市場競爭力，這也是丹麥太陽能區域供熱快速發展的重要原因。

目前，丹麥太陽能區域供熱項目均為大型項目，太陽能集熱器通常安裝在地面上，系統配備短期儲熱水箱，項目單位初始投資已降至200～300歐元/ m2。項目單位初始投資遠低于歐洲戶用太陽能熱水系統(1000歐元/ m2)，基本與我國太陽能熱水工程項目持平(1500元/ m2，約200歐元/ m2)。其主要原因，一是規模化采購帶來的效益；二是大型項目以區域熱力站相結合，可共享一些設備，節省投資。

根據歐洲研究機構的研究報告[5]，丹麥太陽能區域供熱項目已具有經濟性。按照單位初始投資僅為200～300歐元/ m2、4%年利息、25年壽命期計算，丹麥太陽能區域供熱成本約為4歐分/kWh，與其他供熱技術的成本基本相當。考慮能源稅后，與丹麥主流的天然氣供熱相比，大型太陽能區域供熱項目已具有很好的市場競爭力。

4.3 系統對短期儲熱的需求大幅提高，提供了良好的技術融合條件

丹麥擁有豐富的風能資源，是世界上最早大規模開發利用風電的國家，也是全球風電比例最高的國家。2011年丹麥風電累計裝機395萬kW，年發電量達到98億kWh，占全國總發電量的28%，風電已成為丹麥電力供應的重要來源。

在盛風期，丹麥風力發電量大增，電力市場的電力交易價格較低，可能會低于天然氣熱電聯產機組的發電成本。這時，天然氣熱電聯產機組的供熱成本可能會高于鍋爐的供熱成本。在這樣的背景下，許多區域供熱站設計了較大容量的短期儲熱水箱，在保證天然氣熱電聯產機組靈活性、可操作性的同時，提高區域供熱站的穩定性和經濟性。

短期儲熱水箱的存在為太陽能熱水系統的融合提供了良好條件。目前丹麥太陽能區域供熱項目多與天然氣熱電聯產系統聯合運行，作為區域能源站，既供熱也供電。

5 丹麥的經驗對我國的啟示

5.1 有利的市場環境和激勵政策是規模化應用的保障

高額能源稅和二氧化碳稅的征收，大大提高了丹麥化石能源的使用成本，形成了有利于太陽能、生物質能等清潔能源應用的市場環境。在技術進步的推動下，丹麥太陽能區域供熱成本已基本與當地供熱成本持平；在激勵政策的支持下，太陽能供熱成本已低于當地供熱成本，具有較強的市場競爭力。這是丹麥太陽能區域供熱規模化、商業化發展的主要原因。

與丹麥相比，我國還沒有形成大力支持可再生能源供熱的市場環境。與常規能源相比，太陽能熱利用不享受任何優惠政策；能源定價也未考慮能源的外部環境效益。我國太陽能熱利用產業和市場都處于全球領先水平，民用太陽能熱水市場已進入商業化發展階段。但是，大型太陽能供熱項目的經濟性還有待提高，包括工業熱力供應和建筑供暖。在供熱熱價較高的地區和領域，例如華東地區的工業熱力供應領域，太陽能供熱項目已具有經濟性。但是，太陽能建筑供暖的經濟性還有待提高，太陽能與常規能源互補的區域供熱技術尚處于起步階段，還需政策的支持和激勵。

5.2 多能互補系統是政府鼓勵和市場發展的方向

丹麥所有的太陽能區域供熱項目都并入常規區域供熱系統，與其他能源互補提供區域供熱服務。丹麥政府鼓勵在既有和新建區域供熱系統中加入太陽能、生物質能、地熱能等可再生能源，鼓勵熱電聯產技術的應用。目前，丹麥有大量的太陽能/天然氣、生物質能/天然氣區域能源站，既供熱也供電。

多能互補系統的優點：一是保證用戶對能源品質的要求；二是提高系統的能源效率；三是能夠根據各種能源資源情況和市場價格靈活調整生產計劃，降低系統的運行成本。

對太陽能系統而言，多能互補供熱系統能有效降低太陽能系統單位投資成本和運行成本。從初始投資看，多能互補區域供熱站的總初始投資會有所增加；與獨立能源系統相比，單位初始投資會有所下降。對于丹麥太陽能區域供熱項目而言，有區域供熱體系的支撐(水箱、供熱管網等)和項目的規模化效益，單位投資成本大幅度下降，遠低于歐洲太陽能戶用系統的單位投資成本，與我國太陽能工程項目的單位投資基本相當。

我國太陽能熱利用起步于戶用太陽能熱水器，近年來在太陽能熱水工程應用方面發展較快，一些項目開始與常規熱水系統聯合運行。但是，系統設計的基本理念仍是太陽能為主、常規能源為輔，太陽能系統與常規能源系統難以實現真正的互補和融合。特別是以太陽能系統為主的建筑供暖項目，由于夏季太陽能資源難以得到應用，不僅存在系統維護問題，項目的經濟性也較差，難以實現規模化應用。

建議支持和引導我國太陽能系統與其他能源系統的互補和融合，這對于提高能源系統的可靠性和質量保證、降低系統的運營成本、推動太陽能系統在更多領域的規模化應用具有重要作用。

5.3 成熟的技術是規模化發展的基礎和關鍵要素

包括太陽能熱利用在內的各種能源技術都是成熟的，系統集成技術是太陽能區域供熱系統成功的關鍵。在丹麥早期的太陽能區域供熱項目中，也有系統集成技術和控制系統造成的困擾，經過多年的實踐和探索，目前太陽能區域供熱技術成熟，包括系統集成技術和控制系統都已非常成熟，在優化系統運行、降低運營成本的同時，已實現了區域能源站的無人值守。

我國戶用太陽能熱水系統、太陽能熱水工程項目的技術成熟，有大量的工程實踐已實現了規模化的應用。太陽能系統與常規熱水系統的結合方面有一定經驗，與區域熱力系統和電力系統聯合運行的應用目前尚處于起步階段。與丹麥相比，我國在太陽能與其他能源多能互補系統的設計理念、系統集成和實踐方面還有較大差距，應予以大力的支持和培育。

5.4 丹麥經驗對我國新城鎮建設有較大借鑒意義

丹麥太陽能區域供熱技術立足于解決鄰近村鎮、區域的供熱問題，是我國新城鎮、新園區、新農村建設中非常適用的新型技術，在華北、華東、華中等沒有集中熱力供應的地區有很大的市場需求。

我國正處于城市化快速發展階段，能源需求快速增長，能源問題是城市化發展的核心問題之一。過去的城市發展模式已經面臨不可持續的困局，必須探索新型城鎮化發展之路，分布式可再生能源非常適合應用在城鎮中。

目前，分布式區域能源站在中國處于起步階段。區域能源站依據當地的條件設計建設，為當地提供電、熱水、熱力、制冷等多種能源供應，滿足區域用戶的能源需求。但是，目前區域能源站多以天然氣冷熱電三聯供為主，如何將太陽能、地熱能、生物質能等各種可再生能源技術納入區域能源站，尚處于研究和示范階段。

我國可借鑒丹麥的經驗，支持開展新型區域能源站的政策框架研究、技術研發、試點示范工作，推動太陽能等可再生能源在新城鎮建設中發揮更大的作用。

[1]Franz Mauthner, Werner Weiss. Solar Heat Worldwide: Market and Contribution to the Energy Supply 2011[R].IEA-SHC, 2013.

[2]Daniel Trier. Solar District Heating Development in Denmark.丹麥PlanEnergi 公司, 2013.

[3]Solar District Heating and Combined Heat & Power(CHP)[R].Jagerspris Kraftvarme公司, 2013.

[4]http://www.solvarmedata.dk.

[5]Jan-Olof.Delenback.Success Factors in Solar District Heating[R].[CIT]Energy Management, 2010.