編者按:分布式供能在我國(guó)的發(fā)展是從世紀(jì)之交開(kāi)始的。最早的成功案例是1995-1997年上海浦東新機(jī)場(chǎng)的冷熱電聯(lián)供能源站。我國(guó)政府機(jī)構(gòu)開(kāi)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(jiàn)》(發(fā)改能源[2011]2196號(hào)),隨后中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)等行業(yè)組織先后設(shè)立了“分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì)”。
而區(qū)域能源概念在中國(guó)的提出和組織機(jī)構(gòu)的成立則晚于此。首次有中國(guó)人參加的國(guó)際區(qū)域能源協(xié)會(huì)是2015年6月28日在美國(guó)波士頓召開(kāi)的第106屆年會(huì)。2016年中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)成立了區(qū)域能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì),直到不久前才開(kāi)始與政府有關(guān)機(jī)構(gòu)建立聯(lián)系。人們一般認(rèn)為這是兩個(gè)不同的領(lǐng)域和不同的概念,其實(shí)不然,要理解這一點(diǎn)還須從歷史的回顧說(shuō)起。
二者不同發(fā)展歷史和共同點(diǎn)
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(shí)代發(fā)展起來(lái)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(gè)城市、一個(gè)工業(yè)區(qū)或大型住區(qū),也可以是一個(gè)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(lái)其內(nèi)涵在不斷進(jìn)化。紐約市最近提出“能源區(qū)塊鏈”的概念,以實(shí)時(shí)和公開(kāi)記錄的能源交易大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),實(shí)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(jìn)展。
區(qū)域能源包括政策、商業(yè)模式、市場(chǎng)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(yùn)營(yíng)商、能源服務(wù)公司、電力企業(yè)以及相關(guān)機(jī)構(gòu),尤其是能源站運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)商作用很大。重點(diǎn)從前期的單純規(guī)劃向建設(shè)、后期運(yùn)營(yíng)偏重。
國(guó)際區(qū)域能源協(xié)會(huì)成立于20世紀(jì)初。100多年來(lái)隨著工業(yè)化進(jìn)程推進(jìn),美國(guó)建立了大批百兆瓦級(jí)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(shí)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(guó)家也發(fā)展了另一類(lèi)區(qū)域能源模式。中國(guó)近30年才開(kāi)始經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(lái)
分布式供能譯自英文Distributed Energy System(下稱(chēng)DES)。最早按字面直譯為“分布式能源系統(tǒng)”,其實(shí)質(zhì)是一種先進(jìn)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(guó)是1970年代,其他國(guó)家稍晚。
DES由兩個(gè)不同角度催生:其一是電力生產(chǎn)的集中和分散。100多年來(lái),盡可能提高效率、降低成本的目標(biāo)促使電力生產(chǎn)越來(lái)越集中和大型化,電站規(guī)模達(dá)到幾個(gè)吉瓦。大電網(wǎng)覆蓋上百萬(wàn)平方公里范圍。 但因上世紀(jì)末以來(lái)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(gè)幾十兆瓦級(jí)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(dòng)之外,就地直供也能節(jié)省絕大部分輸變電費(fèi)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(lái)排棄的低品位能量在分散式供電下可以通過(guò)冷、暖、熱水、蒸汽等形式供給用戶,可使能效達(dá)到70%以上。但對(duì)集中的吉瓦級(jí)大電廠并不經(jīng)濟(jì)。
迄今為止,國(guó)際上并沒(méi)有給DES下“定義”。國(guó)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(shí)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(jì)輸送距離內(nèi)。蒸汽和采暖熱水的經(jīng)濟(jì)輸送距離原來(lái)認(rèn)為是8-10 km,近年來(lái)由于隔熱和降低輸送功耗技術(shù)突破,已經(jīng)可達(dá)20km以上。10kV電力經(jīng)濟(jì)輸送距離1-2 km, 110kV以上遠(yuǎn)得多。在我國(guó),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(gè)能源站DES可帶動(dòng)幾個(gè)DCS的情況下,多個(gè)DCS可覆蓋的范圍就是幾十平方千米了。通常被稱(chēng)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(tái)9F機(jī)組的一個(gè)能源站、11個(gè)區(qū)域供冷站,以及多個(gè)熱水供應(yīng)站組成。
為什么發(fā)達(dá)國(guó)家90%以上的DES項(xiàng)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(dá)國(guó)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(guó)家),或者投資倍增;二是各個(gè)用戶原來(lái)已經(jīng)投資自建了供應(yīng)冷、熱、蒸汽的設(shè)施,如果沒(méi)有達(dá)到經(jīng)濟(jì)壽命,會(huì)使新規(guī)劃的CCHP系統(tǒng)投資大大增加;三是商業(yè)運(yùn)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(shuō)服所有用戶、協(xié)調(diào)利益關(guān)系等問(wèn)題。所以既有城區(qū)的大部分項(xiàng)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(jì)效益。
3、區(qū)域能源與分布式供能的異同
總的來(lái)說(shuō),兩者都是以提高能效,從而能更經(jīng)濟(jì)和碳減排為目標(biāo)。具體來(lái)說(shuō):
共同點(diǎn)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(gè)能源系統(tǒng)包括終端利用、轉(zhuǎn)換傳輸、回收再利用三個(gè)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(gè)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(guò)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^(guò)程的效率,而單位面積供能需求則由圍護(hù)結(jié)構(gòu)和余熱回收所決定。對(duì)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(guó)是50 W/m2,即使轉(zhuǎn)換能效100%能耗也不可能低于50 W/m2。可見(jiàn)轉(zhuǎn)換傳輸效率提高并不是能耗降低的全部?jī)?nèi)涵。
共同點(diǎn)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(guò)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(jī)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(lái)有可能趨向3/7。所以工業(yè)和建筑物合起來(lái)大致是電/熱各半。所以在以節(jié)能為第一要義的未來(lái)可再生能源為主的時(shí)代,必走通過(guò)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(gè)大的、覆蓋上百平方千米的區(qū)域,可以設(shè)置幾個(gè)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(wàn)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(gè)DES/CCHP,6-8個(gè)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(diǎn)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(huì)議提出的G20 能源宣言都指出了這個(gè)發(fā)展方向。非化石能源到世紀(jì)中占比可達(dá)40-50%,到本世紀(jì)末將達(dá)80%??稍偕茉幢举|(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(jià)。分散和集中也是相對(duì)的。百M(fèi)W級(jí)太陽(yáng)能熱發(fā)電和第四代小型百M(fèi)W級(jí)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(duì)DES的包容性之外,區(qū)域能源規(guī)劃還應(yīng)該包括交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的用能。規(guī)劃考慮的時(shí)間段更長(zhǎng),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(lái)的思維,把發(fā)電燃料(當(dāng)時(shí)是煤)作為主體和基數(shù)來(lái)計(jì)算能源利用效率。以“熱電比”為指標(biāo)是因?yàn)楫a(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(jìn)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(jī)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(shí)從CHP發(fā)展來(lái)的,主體是用戶。計(jì)算能效是以全區(qū)域全年8650 h/a累計(jì)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(diǎn)是過(guò)于簡(jiǎn)單化的理解。如果要簡(jiǎn)單表達(dá)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(chǔ)存,滿足用戶對(duì)電力和冷、暖、蒸汽、熱水等各種終端用能源的、負(fù)荷實(shí)時(shí)變化的需求,達(dá)到最高能效、最經(jīng)濟(jì)、最少碳排放的目標(biāo)。充分利用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù),進(jìn)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(yùn)營(yíng)方案。
3、主體不同,系統(tǒng)規(guī)劃和效率計(jì)算完全不一樣。
首先,按“以熱定電”作的CCHP項(xiàng)目,為保夜間供熱也要運(yùn)行,所產(chǎn)生的低谷時(shí)段電力強(qiáng)制上網(wǎng),不僅沒(méi)有價(jià)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(jì)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)絕大多數(shù)均非設(shè)計(jì)工況,實(shí)際負(fù)荷率常常很低。以設(shè)計(jì)工況主機(jī)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(kāi)啟主機(jī),不問(wèn)電力是否過(guò)剩,同時(shí)制約系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)營(yíng); 第四,無(wú)供冷、暖季節(jié)時(shí)段大量余熱不能利用,或低效率運(yùn)行、或停運(yùn),使全年運(yùn)行時(shí)數(shù)減少,設(shè)備折舊費(fèi)成倍增加; 第五,“并網(wǎng)不上網(wǎng)”催生“以電定熱”。為追求機(jī)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(méi)有把非24h/d連續(xù)運(yùn)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(chǎng)規(guī)律的電網(wǎng)壟斷視為不可改變的約束條件。