伍小亭：从专业角度看区域能源系统

伍小亭：从专业角度看区域能源系统：概念、规划和设计
 

 

　　人类的城市活动需要持续地消耗能源，并同时向环境输入污染。显然，城市的可持续发展有赖于能源资源的支撑与自然环境的包容，然而无论是能源资源的赋存，还是自然环境的容量都不是无限的。所以，必须探索有别于传统的城市能源形式，以降低经济社会活动的能源消耗强度，提高能源利用效率，减少能源生产与使用过程对环境的影响。国内外的实践表明，区域能源系统是实现这一目标的有力保证。

 

　　联合国环境规划署2015年发布的《城市区域能源：充分激发能源效率和可再生能源潜力》报告中指出，到2050年，现代化的区域能源体系将能贡献全球能源领域减排需求的60%，并减少一次能源消耗达50%。该报告选取了包括中国鞍山在内的全球45个区域能源利用示范城市，为世界各国城市的能源利用和转型提供了参考。2009年联合国秘书长潘基文和世界银行行长等全球合作伙伴共同发起了“人人享有可持续能源”的全球倡议，以实现2030年全球能效和可再生能源占能源比例翻番。在该倡议下，联合国设立了区域能源、建筑、交通、照明、家电设备等多个领域的加速器平台。国际能源署建筑和社区节能项目（IEA ECBC）研究表明：区域能源系统整体优化所产生的节能潜力远大于单个对象节能改造所具有的节能效果。

 

　　广义上，区域能源定义为：“在某个特定的区域内，人们生产、生活所需的各种形式、各种品位能源被合理地、集成地、高能效地生产、输配、利用与耗散”。狭义上，区域能源定义为：“区域供暖、区域供冷、区域供电以及解决区域能源需求的能源系统的综合集成。这里所指的区域，可以是行政划分的城市，也可以是各种园区，或是一个建筑群等。”

 

　　区域能源通过能源网络系统向建筑物等服务对象提供能源服务，实现一次与二次能源的接收、生产与输配；主要的能源形式通常包括电力、燃气、热水／蒸汽（区域供热）、冷水（区域供冷）；涉及的系统形式有：锅炉房供热系统、冷水机组供冷系统、热电厂系统、冷热电联产系统、热泵供能系统、太阳能利用系统、风力发电系统及生物质能系统等。区域内不同形式能源服务通常会平行运行，因此区域能源的一个重要作用或曰价值就是：“基于区域内特定的终端能源需求（形式、品位、耗散），通过对平行运行的能源体系的优化集成，实现品位对应、温度对口、梯级利用、多能互补的能源生产、供应与利用”。

 

　　我国目前面临着能源消耗高、环境压力大的发展制约。世界能源平均利用效率高于50%，我国不足40%；单位GDP能耗，我国是世界平均水平的2.5倍。2009年国际能源署发布报告称：中国消费了32.2亿t标准煤，而美国消费了31.1亿t标准煤，中国成为全世界第一大能源消费国；自2006年起，中国已经取代美国成为二氧化碳排放总量最高的国家。为应对全球气候变化，我国政府承诺：到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年下降40%～45%。在2014年11月APEC会议期间，中美两国领导人就气候变化问题发表了《中美气候变化联合声明》，中国首次正式提出在2030年左右二氧化碳排放达到峰值，且将努力早日达峰。其中节能、提高能效贡献率要达到85%以上。

 

　　作为世界上最大的发展中国家，我国仍然需要继续发展，但鉴于能源资源与环境的双重压力，我国的发展必须遵从低能耗强度与总量控制的原则。基于此，凸显了在我国发展区域能源的意义与必要性——在供应侧，实现多种能源（形式与品位）的优化集成；在需求侧，实现品位对应、温度对口、梯级利用、多能互补。合理降低对能源的品位要求，最大限度地利用可再生能源和各种低品位能源，特别是传统意义上的余热、废热，提升能源利用效率。

 

　　在生态文明贵阳国际论坛2015年年会的主题论坛上，联合国环境规划署技术、工业和经济司长丽嘉诺娜表示，目前城市能源的一半用于供暖和制冷，现代化的区域能源体系将是降低能源需求的关键。

 

　　2 实践与问题

 

　　2.1 实践

 

　　基于日益严峻的能源与环境压力和对区域能源系统是实现能效提升有效途径的认识，我国建筑领域有别于传统二次能源生产与供应的区域能源系统（特别是服务于建筑供热、制冷的区域能源系统）不断涌现，广泛实践。其目的在于实现明显高于传统建筑能源系统的一次能源利用效率，降低化石能源消耗，降低区域碳及相关污染物排放。其主要形式为：基于一次能源梯级利用的冷热电三联供（CCHP），基于热泵技术的可再生能源规模化利用（主要为地源热泵GSHP），基于吸收式换热技术与电驱动热泵的电厂及工业余热的城市供热。其呈现形式多为服务规模较大的集中能源站。实践中，并非基于能源梯级利用或可再生能源利用，仅仅是规模较大的集中能源站系统，在概念上也往往被划归于区域能源的范畴中。

 

　　近10余年，从无到有，全国范围内完成的区域能源规划有200项左右，对象多为园区、大型交通设施、中心商务区、商业综合体等，其中江苏省数量领先，至2014年末完成了近40项区域能源规划。全国范围建成的符合区域能源概念的能源站约150座（不含传统的集中供热），分布在华南、华中、华东及华北各个区域，以华东、华南数量居多。华南地区的区域能源系统以分布式能源（燃气冷热电三联供）与集中供冷为主，其他区域有燃气分布式能源（耦合热泵）集中供冷、供热及能源站自用电，但更多的是基于地源（地表水、经处理或未经处理的城市污水、地埋管）热泵的集中供冷、供热系统。总体上表现为项目数量较多、分布较广，能源形式（系统形式）丰富，“四化”（详见2.1.3节）逐步显现。

 

　　2.1.1 项目数量较多、分布较广

 

　　这里仅列举其中一些耳熟能详的项目：广州大学城燃气分布式能源集中供冷、供热，北京奥运会污水源热泵集中供热、供冷，上海浦东机场燃气分布式能源集中供冷、供热，上海世博会江水源热泵集中供冷、供热，北京用友软件园地埋管地源热泵集中供冷、供热，广州珠江新城集中供冷，重庆江北城CBD江水源热泵集中供冷、供热，珠海横琴燃气分布式能源集中供冷，天津文化中心地埋管地源热泵集中供冷、供热，深圳前海集中供冷，上海西虹桥商务区燃气分布式能源集中供冷、供热，南京江北新区江水源热泵集中供冷、供热，江苏泰州医药城湖水加地埋管地源热泵集中供冷、供热，武汉光谷集中供冷、供热，北京副中心地埋管地源热泵集中供冷、供热，合肥大剧院湖水源热泵集中供冷、供热，山西古交热电厂基于吸收式换热的余热深度利用集中供热，内蒙古赤峰热电厂基于吸收式换热的余热深度利用集中供热，等。

 

　　2.1.2 能源形式（系统形式）丰富

 

　　以上列举项目的系统形式涉及集中供冷、分布式能源热冷电三联供、地源热泵供热供冷、基于吸收式换热的余热深度利用集中供热系统（新型燃煤热电联产）。

 

　　1）集中供冷。

 

　　尽管一些集中供冷系统并不完全符合区域能源优化能源配置、提高区域能效的“初衷”，但目前行业内仍然将其视为区域能源的一种形式。集中供冷通常有2种形式：一是结合燃气分布式能源余热利用的集中供冷，二是电制冷集中供冷。为提高集中供冷系统的经济性，蓄冷特别是冰蓄冷（见图1）几乎成为集中供冷系统的“标配”。电制冷集中供冷典型项目有：广州大学城、珠江新城、深圳前海合作区项目、海南三亚亚龙湾、天津市于家堡起步区项目等，均已建成或部分建成，投入使用。

　　图1 盘管蓄冰供冷系统示意

 

　　2）分布式能源冷热电三联供。

 

　　① 区域式——燃气（轮机）蒸汽（轮机）联合循环＋余热供热／吸收式制冷（见图2），典型项目有广州大学城1＃能源站、珠海横琴区域供冷。

　　图2 燃气蒸汽联合循环冷热电三联供原理示意

 

　　② 楼宇式——燃机（燃气轮机或内燃机）＋烟气吸收式制热／供冷（见图3），典型项目有上海浦东机场能源站、虹桥商务区能源站、天津生态城2#能源站。

　　图3 某楼宇式燃气冷热电三联供系统原理示意

 

　　3）地源热泵供热供冷——利用江水、湖水、城

 

　　市污水、地热及其尾水、地埋管等（见图4，5）供冷供热，典型项目如上海世博会、重庆江北城CBD、南京鼓楼国际外包服务产业园、合肥大剧院、石家庄桥东污水（一级B）供暖、河北师大污水供暖（原生）、天津文化中心、首都新机场，北京副中心等。

　　图4 （地埋管+地热直供+尾水利用）热泵供热/供冷流程示意

　　图5 （原生污水）水源热泵供热/供冷流程示意

 

　　４）基于吸收式换热的余热深度利用集中供热

 

　　系统（新型燃煤热电联产），系统原理如图6所示，图中余热回收专用机组内置吸收式热泵和尖峰加热器的组合设备。额定工况下，吸收式热泵将一次网回水升温至约90 ℃，再由尖峰加热器加热至120～130℃。典型项目如内蒙古赤峰热电厂、山西古交热电厂。

　　图6 基于吸收式换热的余热深度利用集中供热系统原理示意

 

　　2.1.3 “四化”逐步显现

 

　　我国区域能源系统实践从无到有，认识从简单到深入，从注重形式到注重实效，逐步显示出一些特征或曰趋势：

 

　　1）系统运行智慧化——建设智慧能源管理平台，实时监控能源站运行情况，对区域能耗进行管理。

 

　　2）系统形式多元化——地表水热能、浅层地热能、中深层地热能、地热及其尾水、工业余热；电力、天然气、蒸汽等各种可再生能源、余热废热资源与常规能源优化整合。

 

　　3）服务对象规模化——单一系统服务规模超10万ｍ2 建筑的能源站比比皆是，服务面积超百万ｍ2 的能源站不下几十座。

 

　　4）项目运作商业化——不再仅仅是政府主导推动，而是更多体现了市场力量，不乏BOT，PPP等商业模式，广州珠江新城集中供冷项目、武汉光谷集中供冷供热项目、天津文化中心集中供热供冷项目均属于商业化成功的案例。

 

　　在上述趋势逐渐显现的同时，区域能源系统的能效越来越受到关注。一些项目实现了较高的能效，如江苏泰州医药城湖水源热泵能源站系统季节平均能效高于4.0。实践表明，通过优化系统并采用高能效产品可以显著提高区域能源系统能效。图7所示的燃气冷热电三联供区域能源系统，其一次能源设计效率高达287％。

　　图7 高能效燃气冷热电三联供系统原理示意

 

　　2.2 问题

 

　　近年来的积极实践，尽管已积累了不少有影响的区域能源系统案例工程，为进一步发展奠定了良好基础，也为提高区域能源系统规划、设计、实施与运营水平提供了可供总结与分析的样本，但应该引起关注的是，到目前为止，区域能源发展的速度未及希望，实际应用效果优异的区域能源实践案例并不多，出现的问题并不少。2011年，国家发展和改革委员会关于发展天然气分布式能源的指导意见中要求，“十二五”期间建成1000个左右分布式能源项目，然而到2014年仅建成了不到150个项目。一些以集中能源站形式体现的所谓区域能源项目并未实现优化区域内能源结构、梯级利用能源（或实现梯级利用的一次能源量在一次能源总消耗量中的比例过低，如≤30%）与充分利用可再生能源的目标。由于对终端需求预测的不到位，一些项目建成后数年仍不能实现预期的产能规模，进而造成资金困难；一些基于热泵技术的可再生能源利用区域能源系统，其实测能效折算为一次能源效率后甚至不及常规能源系统，但当初为实现可再生能源利用而产生的投资增量往往非常可观（以地源热泵系统为例，投资增量比常规系统往往高50%以上）。而由于设计与运行相对“粗放”造成的区域能源系统能效差强人意的案例则更不鲜见。

 

　　龙惟定教授2015年在一次会议上指出，区域能源建成系统存在“三个不多”和“三种状态”，成为能耗大户和投资黑洞。所谓“三个不多”指实现节能减排目标的不多、有投资回报和经济效益的不多、实现多能集成的不多；“三种状态”指经济效益与能源效率俱佳、经济效益好但能源效率低下、经济效益与能源效率俱差。

 

　　上述问题的出现可归因于几个方面：1）未真正理解区域能源的核心理念，即实现区域内各种能源系统的优化集成，而非某种标签下的能源利用形式（如燃气冷热电三联供）；2）未理解区域能源规划的目的是落实区域节能减排目标，评价能源资源适用性，明确终端需求特征，提出基于前述基础的区域能源技术路线；3）终端负荷需求特征研究深度不够，造成能源利用形式的选择不当与系统配置错误；4）未能认识到实现区域能源系统高能效的基础应是基于性能化的精心与精细化设计。

 

　　认识与解决上述问题并加之以合乎市场经济规律的商业运作模式和基于大数据的系统运维管理，就会建设更多成功的区域能源系统和集中能源站，这里所谓成功体现为不仅能实现区域能源节能减排的初衷，并利于上级能源系统效率的提高，而且具有财务生存力，并可依靠市场力量推动自身发展。

 

　　3 如何实现“成功”的区域能源系统

 

　　区域能源实践中存在的问题，更多是认知，是理念和商业模式，而非能源应用技术本身。成功的区域能源系统是在正确认知与理念指导下的系统集成，体现在以下4个方面：

 

　　1）厘清区域能源相关概念，从而更准确地理解通过区域能源要达成的目的。

 

　　2）基于区域节能环保目标的能源规划是实现区域能源目的的前提。能源供应侧与用户端的匹配、能源站点的布局及技术路线的选择均需要通过能源规划“推导”而来。

 

　　3）高度重视用户终端负荷研究的重要性，因为合理的能源利用系统形式与容量匹配均以其为基础。

 

　　4）基于性能化目标的精心与精细化设计是区域能源系统实现预期结果的基本保证。

 

　　3.1 几个容易模糊的术语及其理解

 

　　实践中，区域能源、分布式能源、区域能源站、分布式能源站、集中能源站及能源站等概念的使用比较模糊，如一座为多幢建筑供热供冷的站房会被赋予几个称谓：区域能源站、分布式能源站、集中能源站、能源站。又如有些人认为区域能源规划的目的就是在规划区域内建设几座大的能源站。因此有必要对这些概念进行梳理。

 

　　3.1.1 区域能源

 

　　1）定义。

 

　　广义上指在某个特定的区域内，人们生产、生活所需的各种形式、品位的能源，被合理地集成，高效地生产、输配、利用与耗散。狭义上指区域供暖、供冷、供电及解决区域能源需求的能源系统的集成。

 

　　2）理解。

 

　　① 区域能源不是指具体的能源形式，而是指对区域范围内各种能源资源进行基于需求的系统集成——一、二次能源的接收、生产、转化、传输与供应。

 

　　② 本质上应理解为规划概念，是以提高区域内能效、降低能耗为目的的能源系统（一次与二次）布局与管理。

 

　　③ 区域能源以终端需求为出发点，重视区域内能源资源的综合与能效提升，而非传统的“大能源”供应侧思维，更多强调能源供应的可靠性。

 

　　④ 通过区域能源实现终端用能的合理配置，构造形式多样、能源品位多元、按需分配、梯级利用的能源网络，也因此实现区域内低品位可再生能源、余热及废热的充分利用。

 

　　⑤ 区域能源所指的区域可以是城区、园区或综合建筑群，实践中更多地体现为园区级和楼宇级（综合建筑群）。

 

　　遗憾的是，实践中对区域能源这一概念的理解仍然较模糊，而模糊的认识很难完成优秀区域能源系统项目，屡见不鲜的不成功案例就是证明。

 

　　3.1.2 分布式能源

 

　　1）定义。

 

　　国际分布式能源联盟（World Alliance for Decentralized Energy, WADE）给出的定义是：安装在用户端的高效冷／热电联产系统，系统能在消费地点（或附近）发电，高效利用发电产生的废能生产热和电；现场端可再生能源系统包括利用现场废气、废热及多余压差来发电的能源循环利用系统。

 

　　国内给出的定义：一是冷／热电系统以小规模、模块化、分散式的方式安装在用户端，独立地输出冷、热、电。能源形式包括燃气冷热电三联供、太阳能、风能、燃料电池等。二是安装在用户端的能源系统，一次能源以燃气为主，可再生能源为辅。二次能源以冷热电联产为主，直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充。

 

　　2）理解。

 

　　① 由以上关于分布式能源的3种表述可见，分布式能源系统是相对于集中能源系统而言的，是通过电力生产与电力用户的空间关系定义“分布”与“集中”。集中意味着电力能源远离用户端生产，长距离输配。而分布意味着电力能源贴近用户端生产，甚至就在用户电力负荷中心处生产，短距离（甚至零距离）输配。城市天然气管网的普及、光伏发电技术、就近的生物质资源为实现分布式能源创造了先决条件。

 

　　② 分布式能源的特征体现为用户端设置、二次能源多能联产（冷、热、电）、余废热与可再生能源利用，其目的是显著减少高品位能源输配损失，实现能源梯级利用，充分利用低品位能源。

 

　　③ 分布式能源的用户对象应具有多种形式二次能源需求（如冷、热、电等）且其负荷强度相对均衡，否则不仅不能实现总体上的能源梯级利用，而且系统的经济性会变差，徒有分布式能源的名头。例如一些分布式能源示范案例，其1年的总燃气消耗中实现梯级利用的燃气量占比不超过30%，70%为直燃式制热供冷。分析表明：通常当用户的

 

　　电、热、冷负荷之比为1:2:3时，内燃机燃气分布式能源系统所消耗燃气的70%以上能实现梯级利用，且系统具有较好的经济性。

 

　　④ 分布式能源系统是区域能源规划的结果，即通过区域能源规划决定什么样的终端用户适合采用分布式能源，并为其创造适合的外部条件。

 

　　总之，分布式能源是区域能源所涵盖的各种能源利用形式中的一种，其实际意义在于降低高品位二次能源（如电力）的长距离输送损失，利用贴近用户端的优势，更易于实现一次能源梯级利用和利用可再生能源。

 

　　3.1.3 区域能源站

 

　　关于区域能源站既无官方与行业定义，文献中也未给出确切定义，但实践中常有采用。

 

　　从词义上似乎可理解为“安装区域能源系统的站房建筑”，但根据前面关于区域能源的定义与理解，如此定义并不妥当，理由是区域能源涵盖了区域内各种能源形式与各个能源系统，如为一些用户规划了燃气分布式能源系统，为另一些用户规划了集中地源热泵供热／供冷系统，还有一些用户甚至采用了电力、燃气直接输送到户的单元式冷热系统，显然不可能使这些系统都设置在一座站房建筑内。实践中提及的区域能源站就是指由区域能源规划确定的、为某些建筑集中提供二次能源（通常为供冷、供热）的规模较大的冷热源站房，它与集中能源站含义相同，建议最好不用。

 

　　3.1.4 分布式能源站、集中能源站、能源站

 

　　1）分布式能源站。

 

　　分布式能源站应定义为：实施分布式能源系统的站房（建筑及安装在其中的能源系统）。需要指出的是，实践中也常常将其称为区域能源站、集中能源站或能源站。

 

　　可以用“集中能源站”和“能源站”表达“分布式能源站”，但不能用“分布式能源站”表达所有的“集中能源站”和“能源站”，因为前者必须以分布式能源系统为基础，但后者不一定都包括分布式能源系统。

 

　　2）集中能源站。

 

　　集中能源站并无官方定义，约定俗成指为某个区域（建筑群）生产并向外部供应二次能源的站房（建筑及安装在其中的能源系统）。这里“集中”具有三方面含意：一是指服务对象是建筑群；二是服务的建筑规模较大，面积通常至少在50000ｍ2  以上；三是功能综合，表现为多种形式二次能源联供，如冷、热、电。集中能源站的概念比分布式能源站更广，因为设置在其中的能源系统，可以是包括分布式能源在内的各种形式，如地源热泵系统、地热系统、燃气发电及其余热利用系统等。

 

　　集中能源站也常被称为“区域能源站”或“能源站”，前者显然是认为“区域”就意味着建筑群与大规模，而后者因其概念的包容，完全可以用其指代“集中能源站”，实践中也确实往往如此。

 

　　3）能源站。

 

　　就概念本身而言，能源站应泛指生产并向外供应二次能源的站房（建筑及安装在其中的能源系统），它既可以仅为单栋建筑服务，也可以为多栋建筑服务；既可能服务规模较大，也可能规模不大；既可以承载多种形式能源系统，也可以只承载单一形式能源系统，如国内的区域供冷站房，多被称为某某能源站，因此“能源站”是更加广义的术语。

 

　　多数情况下能源站与集中能源站2个称谓具有相同的含义，只有吻合“集中能源站”含义的“能源站”才会被称为“能源站”，而服务于单栋建筑且服务规模不大的“能源站”常被称为某某站或某某机房，如制冷站、换热站、热泵机房、制冷机房。

 

　　3.1.5 小结

 

　　以上梳理区域能源领域几个容易模糊的术语，目的在于通过对术语的准确定义，加深对其本意的理解，引导正确的方向并利于行业交流。

 

　　如“区域能源”强调的是“基于用户能源需求与区域能效目标的多能源系统优化”，而不是通常理解的仅是在区域内建几座集中能源站（能源站）。可以说集中能源站（能源站）≠区域能源，但通过区域能源规划，可能决定在区域内建设若干区域能源站，更确切地说集中能源站（能源站）是区域能源规划的结果，而非目的，更不能说建了集中能源站就意味着实现了区域能源。

 

　　又如分布式能源的核心含义在于“贴近用户端发电”，否则就不能称为分布式能源，这里“分布”相对的就是电力的“集中”。也正是因为“贴近用户端发电”，分布式能源的优势才有可能发挥得更充分——既显著降低电能的输配损失，又利于发电余热的充分利用，因为利用余热生产的二次能源（如供热、供冷）同样贴近用户，输配能耗较低。

 

　　通过概念梳理，应明确地认识到无论是集中能源站（能源站）还是分布式能源站都是构成区域能源系统的一部分，是区域能源系统优化的结果，是区域能源规划推荐的技术路线，如大学校园、大型医院可能倾向于考虑采用分布式能源系统；有较大规模设置地埋管换热器场地条件、且全年冷热负荷较均衡时，可能考虑采用地埋管地源热泵集中能源站；而不具备燃煤热电联产集中供热资源的居住建筑供暖，也许最佳的方案是电力、燃气为输入能源的单元供热。

 

　　正因为对区域能源概念的准确把握，才更真切地认识到“基于区域节能环保目标的能源规划是实现区域能源目的的前提”。

 

　　3.2 区域能源规划

 

　　3.2.1 定义、目标、原则及理解

 

　　1）定义。

 

　　迄今并未检索到关于区域能源规划的唯一定义，笔者尝试根据区域能源的内在含义与城市规划概念给出其表述：在区域城市规划的约束下，以保证区域内能源供应安全可靠、提高一次能源利用效率、实现节能减排为目标，基于能源资源条件与用户端需求（主要为冷、热、电）特征的能源系统布局与利用。

 

　　2）目标。

 

　　在满足区域内各用户能源需求的前提下，保证区域能源供应安全可靠；通过合理用能、集成用能与整合可再生能源，实现区域节能减排目标，并利于提高上级能源系统（如电网）效率。

 

　　具体就是在建设开发初期，对规划区域内的能源需求和供应结合上一级能源系统特征与需求，作出预判，给出技术路线，包括：

 

　　① 对区域内能源需求的种类、品位、数量、时间与空间分布、使用特征、价格等进行研究和预测。

 

　　② 明确区域外部可供应的能源资源及其特征和要求；分析评价区域内可利用资源，特别是可再生能源的资源禀赋与可利用性（可靠性与成本）。

 

　　③ 明确规划区域能耗、能效以及排放目标；对区域内一次能源消耗、可再生能源贡献率（或曰替代率）、能源系统碳排放进行测算，并使之与预期控制指标吻合。

 

　　④ 提出保证区域能源预期目标的方法与保障措施。

 

　　3）原则。

 

　　① 保证规划时限内终端能源需求与能源供应的安全、可靠、稳定。

 

　　② 满足区域能源消耗与排放限值要求。

 

　　③ 因地制宜选择能源形式。优先采用低碳能源，重视能源资源整合，特别是对城市余热、废热资源与可再生能源的整合，降低区域化石能源消耗。

 

　　④ 重视与电力、燃气、供热等市政规划的协调，发挥城市能源基础设施功能，力求提高上级能源系统效率。

 

　　⑤ 通过合理用能，如能源的梯级利用、能源提供与用户侧需求品位对应、温度对口，以降低能源利用过程的损失，提高区域能效。

 

　　⑥ 能源系统规划与建筑用能系统匹配、优化，追求能源系统效益的最大化。

 

　　4）理解。

 

　　① 城市规划是区域能源规划的前提。城市规划包括城市能源战略规划和相关的专项规划，如电力、燃气、供热等规划。区域能源规划应支撑区域发展总目标并与各专项规划高度协调。

 

　　② 落实区域节能环保目标是区域能源规划的主要目标。因为，提高区域一次能源利用效率、降低能源消耗及碳排放体现了行业普遍认同的减量化原则，需要通过区域能源规划将其落到实处。

 

　　③ 用户能源需求特征与能源资源条件是区域能源规划的基础。没有对二者的充分研究，区域能源规划将是无的放矢。用户能源需求（主要为电、冷、热）包括能源形式、负荷强度与分布、能量品位、使用特点等，能源资源条件包括外部与内部。

 

　　④ 合理的能源生产与供应布局及恰当的技术路线是区域能源规划的成果体现。以此保证规划目标落地并获得专项规划（电力、燃气、供热等）支撑。

 

　　⑤ 合理用能、集成用能是区域能源规划的核心。合理用能主要体现在两方面：一是“温度对口”，即根据终端需求供应相应温度的能源，力戒“高质低用”，并引导终端能源需求品位合理化，如“高温供冷、低温供热”，又如“高温度、大温差输配，低温度、小温差输配”。二是“梯级利用”，如热电联产或冷热电联产，通过高温段发电、低温段供热，将电厂热效率提高到70% 以上或更高。又如地热水，高温段直接供热，低温段作为热泵热源。集成用能体现为：对区域内外部并存的多种形式能源、多个能源系统进行优化匹配。如热电联产系统与热泵系统结合，余热和发电驱动热泵共同供热，则按供热计算的一次能源热效率可达200%以上，比锅炉供热高至少1倍以上。

 

　　⑥ 能源资源的整合是区域能源规划的关键。通过整合能够充分调动区域内外的能源资源，利于上级能源系统效率提高，如对电力系统的削峰填谷；引入区域外部的低碳能源，如基于电厂余热和工业余热的长距离供热；将区域内可再生能源利用最大化，如通过能源总线方式利用分散的浅层地热能、污水废热、地表水能等。

 

　　3.2.2 存在的问题

 

　　现阶段我国区域能源规划存在的主要问题体现在三方面——规划体系缺项、无专项标准、供应侧思维。

 

　　1）规划体系缺项。

 

　　① 我国目前的城市规划体系中与能源相关的有电力、热力和燃气3个专项规划，无论从能源需求还是从供应上，它们往往彼此孤立，缺乏通盘考虑。而在城市总体规划中，很少将能源目标分解到各专项规划中。

 

　　② 在节能减排大趋势下，尽管很多城区规划都围绕节能减排提出了规划目标，包括一次能耗和节能率、碳排放量、可再生能源利用率等，但未能落实到现行规划体系中，从而难以制定有效的节能减排实现途径和保障措施。

 

　　③ 很多区域级的新能源利用工程，本身就是重要的市政基础设施，其技术方案很大程度上依赖于区域负荷特征和资源条件，但由于未将其纳入城区规划中统筹考虑，因此实施过程常会遇到不小的困难。

 

　　2）无专项标准。

 

　　由于没有专项标准，目前的区域能源规划实践中存在由此产生的问题与困惑：

 

　　① 一次能源效率作为重要的能源目标未受到应有重视，造成按区域能源规划实施的区域能源系统并未真正节能。

 

　　② 评价指标选择不统一。节能量、减排量、节能率、人均能耗、单位面积能耗、人均碳排放量、单位GDP碳排放量等都在使用，无统一规定，造成评价困难。

 

　　③ 关于可再生能源利用率的称谓与算法较为混乱，缺少统一规定，利用率、贡献率、替代率都在采用；算法上有的基于二次能源，有的基于一次能源，有的相对系统自身，有的相对传统系统。例如某电驱动水源热泵系统，供热季节COP＝４，取锅炉供热效率90%、燃煤发电效率35%，关于该热泵系统供热可再生能源利用率出现了3个差异悬殊的数值：75%（二次能源，相对系统自身），28.6%（一次能源，相对系统自身），39.6%（一次能源，相对锅炉供热）。

 

　　④ 区域能源需求与区域类型、气候条件、资源禀赋及末端需求特征关系密切，没有标准无法判断区域能耗目标的合理性。

 

　　⑤ 轻视规划的可操作性，盲目强调所谓的先进性，设置不切实际的节能减排目标值，以致无法实现。如此得出的规划成果如果被城区规划采纳，由于会具有行政效力，很难进行调整。

 

　　3）供应侧思维。

 

　　① 电力、燃气、集中供热规划体现了典型的供应侧思维，其逻辑是自上而下，认为需求总是大于供应能力。无需研究终端需求特征，过分强调可靠性，容量＝峰值负荷＋冗余，其结果往往造成能源系统容量显著高估，投资增加，能效降低。

 

　　② 终端用户需求特征研究重视不够。包括区域负荷的时空分布、建筑功能混合度与负荷参差率、终端能源的品位等，而这些因素对降低能源系统装机容量、提高系统运行时间与能源综合利用率、实现区域内节能减排至关重要。图8显示了建筑功能混合度与负荷参差率对系统负荷的影响。

 

 

　　图8 建筑功能混合度与负荷参差率对系统负荷的影响

 

　　3.2.3 规划内容

 

　　总体上，区域能源规划的内容应该包括：

 

　　1）确立规划目标。规划区域的能效、碳排放数值、可再生能源利用率（贡献率）等约束性指标，可以是上一级能源规划所要求，也可以根据国家能源环保政策自定。

 

　　2）能源资源条件和能源供应条件分析。分析其在区域内应用的适宜性，主要包括容量规模、供应保障与利用代价。

 

　　3）终端负荷与能耗预测。预测负荷峰值、负荷的空间与时间分布、部分负荷频率分布、总能量和总能耗。

 

　　4）区域能源解决方案。确定二次能源形式、供应、品位、工艺流程，能源站点，管网布局及智慧能源管理系统结构。

 

　　5）重点研究。① 二次能源是分别生产还是联产；② 能源供应形式是集中、分布还是分散；③能源如何尽量避免“高质低用”；④ 系统规模通过多因素而非单一因素研究获得，避免简单化。

 

　　6）能源供需平衡，一次能耗和碳排放的计算。预测终端负荷时，容易混淆需求的能量（冷、热量）与一次能耗，例如终端需求为空调供热时，采用热泵系统、电加热系统或锅炉系统，其一次能耗差别很大。而碳排放强度不完全决定于能源系统，还需要计算碳汇、建设过程与建材的碳排放。如果计算单位GDP碳排放量，还涉及经济指标。

 

　　3.2.4 规划逻辑与流程

 

　　1）逻辑。

 

　　① 确定区域节能与减排目标，作为性能化规划的基础；② 对区域能源资源进行适宜性评价，形成相对合理性排序；③ 预测终端用能需求，重点在于负荷强度与分布、能源形式及品位；④ 规划区域内能源技术路线研究，基于价值工程的多方案比选；⑤根据能源技术路线与用户侧能量总需求，验证是否满足节能减排目标要求；⑥ 结合能源技术路线，将节能减排目标分配至地块或组团；⑦ 协调城市电力、燃气及供热专项规划，调整区域能源规划；⑧ 确定能源厂站点与管网布局，并使其落实到控制性详细规划与工程规划上；⑨ 优化能源系统主要技术参数，进一步挖掘能源方案的节能减排潜力。

 

　　2）流程。

 

　　图9给出了区域能源规划的工作流程，其中虚线框内为核心内容，框外为应综合考虑的相关城市层面因素。流程明确了以区域能源资源研究为前提，以现状服务分析为基础，着重于终端负荷研究，落脚于节能减排目标值的性能化区域能源规划思路。

　　图9 区域能源规划流程

 

　　3.2.5 区域能源规划在城市规划中的地位

 

　　区域能源规划在城市规划中的地位是“承上启下”的。上承城市能源战略规划，“接住”其确定的区域节能减排目标；下启建筑能源系统设计，为其制定满足区域节能减排目标的技术路线。与控制性规划并重，将区域能源系统所需的城市设施条件落实到控制性详细规划乃至修建性详细规划中，避免出现合理的区域能源系统无法落地实施的窘境。

 

　　区域能源规划是城市规划与能效提升的重要环节，通过它实现区域能源资源基于总线思维的整合、能源系统布局与城市规划的协调，避免能源供应系统的重复配置。

 

　　3.2.6 应强化的几点认识

 

　　现阶段区域能源规划实践中存在一些值得重视的问题：1）未给出区域节能减排目标值，或虽然给出，但并不合理；2）将建设集中能源站视为唯一目标；3）忽视上一级能源专项规划（电力、燃气、供热）意图及为区域提供的条件，区域能源系统“重起炉灶”，造成整体上的不合理；4）轻视终端需求研究，简单套用负荷指标确定能源系统负荷。

 

　　为减少这些问题的发生，关于区域能源规划的认识需要进一步强化：

 

　　1）区域能源不是具体的能源形式，是基于终端需求与节能减排目标的各种形式能源系统的集成——能源的接收、传输、转化和供应。

 

　　2）区域能源是规划概念，以提高区域内能效、降低能耗为目的的能源系统（一次与二次）布局与管理；是在特定能源条件与终端需求特征约束下，对各种能源基于形式、分布、品位及利用方式的整合与优化。

 

　　3）区域能源规划应以终端需求为出发点，摒弃传统的“大能源”供应侧思维，不能简单理解为某种或几种形式能源由一个“站点”向外供应，将建几座集中能源站视为区域能源规划的最终目的，从这一角度可以说，集中能源站≠区域能源系统。

 

　　4）应重视对终端负荷的研究，因为这直接关系能源系统配置、设备选型、运行经济性、节能量与碳排放计算。实测研究数据表明，区域能源系统负荷容量偏大的问题很普遍，足以证明终端负荷研究的重要性。

 

　　3.3 集中能源站设计——精心与精细化

 

　　3.3.1 集中能源站系统的优势与不足

 

　　尽管区域能源系统不等同于集中能源站，但不可否认的是，大多数区域能源规划最终都会落实到建设集中能源站上。这一方面是因为在特定条件下，集中能源站相对于分散式的能源系统确实具有一些优势，诸如相对降低系统总容量、机房用地的集约、可再生能源规模化利用与专业化管理等；另一方面也与认为集中能源站就等于节能的认识有关。而实际情况却是一些集中能源站的系统能效不高、经济性不好，没有实现“确实节能、收益可期”的初衷。究其原因在于没有深刻认识集中能源系统的优势与不足，进而通过精心与精细化的设计使其优势得以充分发挥。

 

　　1）优势。

 

　　① 利用建筑间的功能混合降低能源系统总容量，相对分散系统而言，约可降低10%～25%，并且混合程度越高，负荷时间分布差异越大，降低程度越大。系统总容量的降低，意味着能源系统投资的减少，也在一定程度上弥补集中系统增加的管网投资。

 

　　② 相对分散系统，机房建筑面积约可减少10%～20%。对于像城市CBD 区域，建筑面积的商业价值极高，这在某种程度上也增加了集中系统的合理性。

 

　　③ 利于规模化采用浅层地热能、城市废热等低品位、低密度能源，如大规模的地埋管地源热泵系统、江水源热泵系统、污水源热泵系统、海水源热泵系统等。分析表明，尽管可以通过管网将这些“源”接入分散能源系统，但输送能耗往往比集中能源站输送冷热水的能耗高15%～30%。

 

　　④ 一个系统内机组台数多，单机可以实现高负荷率运行，较高的运行负荷率意味着高效率，由于主机能耗占系统总能耗的70%以上，所以由此降低的能耗也在一定程度上抵消了集中系统增加的输配能耗。

 

　　⑤ 利于采用要求更加专业化管理的复杂系统与技术，如多能互补系统、蓄能系统等，以提高能源利用效率，或改善系统的经济性。

 

　　⑥ 可靠性更高。复合能源＋多台机组、投资运行一体化，责任主体明确，专业化管理。

 

　　⑦ 利于改善单体建筑景观与环境，提升物业价值。减轻对城市景观的影响（如没有空调冷却塔或可集中设置），降低城市热岛效应，减少现场排放，甚至实现现场零排放。

 

　　2）不足。

 

　　① 输配能耗高，但好的设计可以使源侧与用户侧水泵总功率占能源系统总功率的比例≤20%。

 

　　② 规模大，系统复杂，建设周期长，对承建者及运行管理的要求高。

 

　　③ 难于提供“个性化”服务。系统运行时间表取决于主要负荷的时间分布，比如超出了法定供热期，或节假日和周末，大系统就难以满足；一定要满足的话，由于负荷率过低，使得系统能效过低且相对热损失增大。

 

　　④ 管网规模过大，容易出现因水力失调产生的热力失调，规模越大，这种现象越严重。

 

　　3.3.2 集中能源系统（站）的特征

 

　　基于区域能源规划得到的集中能源站通常具有以下特征（技术与商业）：

 

　　1）作为区域能源系统的一部分，有功能要求，

 

　　也有性能要求（如节能指标、减排指标）。

 

　　2）系统规模较大。服务面积通常在20万ｍ2 以上，系统容量在15MW 以上，输送距离多为1～2km。

 

　　3）必须考虑可再生能源利用／余热废热利用／能源梯级利用，基于各种低品位热源的热泵系统、燃气冷热电三联供、地热梯级利用等。

 

　　4）多能源与多系统复合。形成多能互补，提高系统可靠性；充分利用可再生能源的同时，保证系统的经济性。

 

　　5）蓄能几乎成为必需。利用能源的峰谷价差，提高系统经济性；实现实时负荷与设备运行的解耦，提高系统运行效率。

 

　　6）系统负荷分期发展。受开发时序、市场变化影响，负荷发展期往往会在3～5a以上。

 

　　7）服务商运营。关注经济性指标往往甚于关注技术方案，因此，系统设计方案必须考虑能支撑预定的财务指标，而非仅考虑技术合理性。

 

　　集中能源系统（站）的以上特征，决定了性能化的设计模式和针对性的设计目标，即通过合理的设计解决伴随这些特征的技术问题。

 

　　3.3.3 集中能源系统（站）设计问题

 

　　1）重功能，轻节能——重视设计是否能满足用户的冷热需求（容量与品位），较少关注能源系统的效率与能耗，前者只是对能源系统设计的基本要求。

 

　　2）认为“合规”即节能——认为满足节能设计规范、标准的限定值要求就是节能设计，很少会主动发掘系统优于规范、标准规定的节能潜力，而这种节能潜力的挖掘所付出的投资成本往往不高，有时甚至是“零成本”。

 

　　例：图10a，b显示了某温湿度独立调节空调系统显热处理子系统的２种方案。方案1，冷水机组COP＝4.88，ECR１＝0.016＜0.0241（水泵扬程24m，水泵效率70%），ECR2＝0.0089＜0.0241（水泵扬程8m，水泵效率70%），每kW冷量风机功率为50W，系统COP＝3.57。方案2，冷水机组COP＝6.3，ECR＝0.020＜0.0241（水泵扬程32m，水泵效率75%），每kW 冷量风机功率为35W，系统COP＝4.68。在二者均符合GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》单项指标限定性要求的前提下，方案2的系统COP比方案1提高了31%，而投资反而低于方案1。

 

　　图10 2种设计方案对比

 

　　3）根深蒂固的“处方式”设计方法，缺乏“性能化”设计理念——处方式设计，保证的是满足服务功能要求与技术措施“合规”，不对能效与能耗等性能指标负责。

 

　　4）关注设备与输配环节能效，不关注系统能效——认为满足了规范、标准关于设备与输配环节的能效就是节能设计，以上给出的算例表明，满足规范、标准设备与输配环节能效规定的系统，仍然可能具有较大的能效提升空间。

 

　　5）强调可靠性而忽视保障率，采用“源等同末端”的冷热源负荷计算方法，其思路是：

 

　　① 确定冷（热）源容量时遵从“峰值负荷＋冗余”的原则，这是冷（热）源负荷容量普遍过大的主要原因之一。

 

　　② 确定冷（热）源容量时，采用100%的保障率。这是未意识到多数暖通空调系统因其负荷特征与对象特点，完全可以采用低于100%的保障率换取系统能效与经济性的提高。因为：首先，建筑冷热负荷峰值出现的概率很低（多低于5%）；其次，服务对象允许参数在合理范围内波动；最后，服务对象具有热惰性且暖通空调系统时间常数较大，所以即便供冷（热）负荷只有峰值的90%，其造成的室温波动很少会超过1℃且持续时间很短。计算分析表明，当冷（热）源容量按峰值负荷的90%确定时，服务对象参数的保障率大多会高于95%。

 

　　③ 计算冷热源负荷与计算换热末端（空调机组、风机盘管、散热器等）负荷时采用的内热源参数值相同。内热源参数有2个特征：一是以单位建筑面积强度的形式出现；二是取值必须保证换热末端负荷容量“够用”，而从服务对象建筑整体的角度，这一取值一定偏大，显然由此确定的冷热源负荷也必然偏大。

 

　　可见，传统的可靠性思维加上“源等同末端”内热源参数取值是造成冷热源系统装机容量往往偏大很多的主要原因。

 

　　6）缺乏整体参数设计（优化）思维——即系统主要设计参数（如供热温度、温差，供冷温度、温差）根据设计习惯确定，甚至片面认为设备的额定工况参数就是系统的法定参数，忽视了其与系统COP的密切关系。表１数据表明，以系统能效为目标，同时优化源侧与供热温度，系统COP提高24%。

 

　　表1 不同源侧和用户侧供回水温度下的系统COP（供热）

　　7）设计不考虑运行策略——运行策略应该是设计的导入条件，否则会造成先天不足。如主机容量配置未与系统负荷分布特征匹配，使设备长期处于低效低负荷状态运行。

 

　　以上所列问题在建筑能源系统设计中普遍存在，对其危害的认识并不深刻，如果不加以警惕而带到区域能源系统设计中，其危害比单体建筑供冷供热机房要大得多，因此应该用新的设计理念对待区域能源系统设计。

 

　　3.3.4 集中能源系统（站）设计要点

 

　　１）用性能化设计替代处方式设计。为系统制定明确的能耗与能效目标，并以此确定系统的技术方案和参数。图11给出了能耗性能化设计的逻辑示意图。

　　图11 能耗性能化设计逻辑示意图

 

　　2）重视负荷研究，用保障率和“源不同于末端”的负荷计算思路确定能源系统负荷。分析表明，合理确定保障率与考虑“源不同于末端”思路下的内热源不均匀分布因素的负荷模拟是确定集中能源系统容量较理想的方法，负荷容量约可降低10%～20%，这与从若干集中能源站运行观察到的数据吻合。负荷研究的另一重要内容是获得贴近实际的系统负荷分布预测。

 

　　3）“一事一议”而非“习惯做法”确定系统参数。集中能源系统特别是基于热泵的集中能源系统，由于气象参数的最不利时刻与源（汇）的最不利时刻不一定重合，如果简单套用冷热负荷值与气象参数的关系，用最大负荷对应源（汇）侧最不利温度，就很可能将冷热源容量确定得偏大。图12显示了某海水源热泵项目海水温度与冷热负荷对应关系，可见最大热负荷时刻与最低海水温度时刻并不重合，相差15～30d，与认为二者重合相比（通常做法是最大负荷按照最不利环境温度计算），海水侧设计温度提高了约2.25℃，系统负荷装机容量图12海水温度与冷热负荷变化趋势等效降低了约8%。

 

　　图12 海水温度与冷热负荷变化趋势

 

　　3.3.3节6）给出的算例同样证明了参数优化而非“习惯参数”的重要意义。

 

　　4）静态的、仅仅设计工况的设计理念转变为动态的、全工况的设计理念。如此才能实现优化设计，提高运行能效。以循环水泵选型为例，大量实际案例表明，就设计工况而言，水泵的能耗占比并不高，约20%～30%，可是实测结果却高达40%～50%，甚至更高，其中一个重要原因就是没有分析水泵在系统部分负荷下的状态与效率，并据之优化水泵设置，使其平均运行效率较低。

 

　　5）刻意追求能效的设计思维。设计中有无刻意追求能效的意识，结果差别会很大，由此实现的高能效往往同时具有显著的经济性。以目前的设备投资与能源价格，有助于系统能效提升的设备与技术，如高能效设备（主机、水泵）、蓄能、变频以及智能控制系统的增量投资回收期通常不会超过5a。

 

　　6）设计阶段考虑运行策略并将其作为条件导入设计（见图13）。系统设计之初，提出以提高运行能效为目的的运行调控策略，并通过与之相匹配的系统措施（技术、流程、设备）使其“落地”，如符合负荷分布特征的主机台数与容量匹配，降低“大马拉小车”式的系统划分，能正确反映被控参数变化的传感器设置以及智能控制系统等。

　　图13 设计阶段导入运行策略过程示意

 

　　7）集中能源系统（站）设计应重点考虑采用的方法与技术措施。研究分析与案例数据表明，以下所列方法与技术措施有助于系统能效与经济性的提高：

 

　　① 全过程各环节的性能化分析辅助设计，不同系统方案、不同参数组合基于增量投资回收期的优化。

 

　　② 采用高能效设备。一级能效主机相对二、三级能效主机的增量投资回收期，当年运行时间不低于1500h时，通常少于3a；高效电动机、循环水泵的增量投资回收期往往不足2a，而且电动机功率越大、年运行时间越长，回收期越短。

 

　　③ 蓄能，以提高系统可靠性；充分利用资源（如污水源热泵系统）；利用能源的峰谷价差，提高系统经济性；实现不同程度的主机运行与实时负荷解耦，延长主机高能效运行时间；平准化能源需求，有利于公共能源系统效率的提高。

 

　　④ 采用变频调速技术。由于典型的变负荷、低负荷率特征，加之多数冷热源主机与输配水泵的二次幂负载特性，使得采用变频调速适应负荷变化以实现系统节能成为必然。分析表明，尽管变频运行会使效率下降，但绝大多数情况下，相对工频运行，能耗依然降低明显；另外，由于变频技术的投资成本相比之前显著降低，因此尽管采用变频调速会增加初投资，但系统寿命期经济性会明显提高。

 

　　⑤ 设置完善的自动控制乃至智能化控制系统，否则无法实现具有时变特征能源系统的高效运行。总之，需要用全新的设计理念、性能化的设计方法、高能效的技术方案与设备，扬集中能源系统（站）之长，避其之短，从而使区域能源系统健康发展，做到“确实节能，收益可期”