基于暖通专业视角的区域能源系统思考———概念、规划、设计

来源：SCI期刊网分类：建筑论文时间：2021-11-30 10:30 热度：

　　摘要就区域能源系统的概念理解、规划要点、能源站设计，以暖通工程师的视角，结合项目认识与实践对存在的问题进行了梳理与分析，主要观点是：1)区域能源并非具体的能源形式，而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或整合;2)区域能源是规划概念，是以提高区域能效、降低区域能耗为目的的能源系统布局、技术路线与管理模式;3)区域能源规划应以终端需求为出发点，抛弃传统“大能源”供应侧思维，代之以需求侧思维;4)不能简单地将建设集中能源站视为区域能源规划的目的;5)区域能源系统设计应特别重视对终端负荷的研究，因为它直接关系能源系统配置、设备选型、节能与减排量计算，以及经济性;6)集中能源站设计应采用性能化方法，并给出了7项设计要点。

　　关键词区域能源分布式能源能源站系统能效性能化设计

　　1 概念与意义

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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%。

　　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资总结与分析的样本，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。

　　相关期刊推荐：《暖通空调》创刊于1971年，报道国家有关建筑节能和环境保护的重大技术政策，建筑环境与设备工程中供暖、通风、空调、制冷及洁净技术方面的研究成果、学术论文、先进技术、工程总结、设计经验、设备开发与运行管理以及行业学术活动与设备市场信息。设有：本刊特稿、科技综述、标准规范、专业论坛、设计参考、工程实例、技术交流、专题研讨、设备开发、运行管理等栏目。

　　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。——论文作者：伍小亭☆ 王砚宋晨田铖秦小娜

　　参考文献：

　　[1] 魏庆芃.建筑节能常见问题[M].北京：中国建筑工业出版社，2015：54

文章名称：基于暖通专业视角的区域能源系统思考———概念、规划、设计