３、关于区域能源系统
３.１区域能源系统的适用性
近年来分布式能源成了绿色生态城区的标配。其实用不用分布式能源、用不用城区集中系统、集中系统多大规模，这些都是要通过需求侧能源规划研究后再决定的。正由于很多城区对能源系统先入为主的决策，才造成很大的浪费。
国际区域能源协会（IDEA）提出了设置区域能源系统（包括分布式能源DES和区域供热供冷DEC）的１２个条件，如下：
１）环境温度。区域供热系统全年供暖度日数至少要达到4000℃·ｄ才经济。区域供冷系统至少要有1000个当量满负荷小时数的需求。例如，负荷为700ｋＷ的建筑，全年有700ＭＷ·ｈ的冷量需求才适合采用区域供冷。
２）区域供热系统服务的每一单位土地面积都有较高的小时和全年热需求。
３）为减少初投资和传输热损失，能源站应靠近负荷中心选址。
４）区域供热的蒸气输送管线长度在5～8ｋｍ之间；源自热电厂的热水输送管线的输送距离应小于24ｋｍ，源自垃圾焚烧生产的热水最大输送距离为5ｋｍ。笔者增加一个条件：区域供冷冷水最大输送距离为1ｋｍ。
５）如果一个区域有50％以上面积是独立式住宅、联排别墅、露天公共空间或其他低能耗强度用途，则不适于采用区域能源系统。
６）如果区域供冷输配系统平均每30延米有500～800ｋＷ的冷负荷，则适于采用集中供冷。
７）管道系统成本应小于整个供冷系统投资的1／3。
８）在分期建设的区域能源系统中，签约的关键用户和早期用户至少要达到设计容量的20％才能规避风险。而且，这些关键用户的位置应接近负荷中心，而不是一个个孤立的节点。
９）在很多大城市里，房地产价格显著影响区域能源系统能源站的选址和空间需求。能源站往往被设置在城区边缘位置，管网路由不合理、预期的输送损失增大。这实属无奈，但还是要争取能源规划的发言权，与规划、建筑、道路、景观等专业协调。
１０）如果城区中有河流、湖泊和海湾等水资源可以用来作为能源系统的热源／热汇，则应该优先考虑通过能源总线将这些资源集成和共享。在冬季，能源总线还可以回收数据中心和高层建筑内区的热量。
１１）如果拟在既有城区改造中增设区域能源系统，必须考虑建筑年龄和寿命周期。再决定既有建筑内已有的锅炉和制冷机是否用区域能源系统来替换。
１２）当地天然气和电力价格是区域能源系统经济可行性的决定因素。能源规划编制者必须全面分析已有的能源费率结构，包括分时计价的费率、基本电费费率以及最大需求控制政策等。一般而言，采用蓄热技术是保证区域能源系统经济性的重要措施。
所以，不能先入为主地决定采用区域能源系统后再补做能源规划，而是在需求侧能源规划中先进行区域能源系统的可行性分析，然后再决策。这种可行性分析，并不是决策者认为可行，所有的分析便都朝着“可行”方向去做，而是需要规划者从项目的优势、劣势、机会和威胁（即ＳＷＯＴ分析）等方面全面分析项目的可行性和不可行性，充分预判风险。
３.２三代分布式能源
笔者在多个场合提到三代分布式能源的概念，如下。
第一代，是传统的热电联产（CPH），即热电厂（cogeneration）模式。单一燃料（煤或天然气）输入、热和电输出、单一中心能源站（热电厂），发电机规模最高达500ＭＷ，电力上网，蒸汽或高温水输出，输送半径为10～20ｋｍ。这种系统是“靠近用户（near the users）”的系统，它诞生于大工业时代，热电联产的自备电厂成为重化工业工厂的标志。它的热输出主要服务对象是工艺用热和“包烧制”的供暖用热，负荷稳定。但由于输送距离过长、输送介质品位高，也带来很大的热损失和损失。在我国北方城市中，这种模式还是作为城市重要的基础设施而受到重视。在冬季是城市供暖的主要热源，多用抽凝机组，降低发电效率保供热。在夏季主要作为调峰电厂，运行时间难以得到保证。第二代，是城区或楼宇的冷热电多联产（CCHP，BCHP或DCHP），即冷热电联产（trigeneration）模式。清洁燃料（天然气）输入、多种形式能源（热、电、冷、热水）输出、单一中心能源站。它的兴盛时期主要在20世纪70年代以后，发达国家实现经济转型，信息产业以及基于信息通信技术的现代服务业的发展，对供冷有很大需求。由于需要供冷，输送半径须控制在1ｋｍ以下（也有超过3ｋｍ的），发电机规模在50ＭＷ以下，电力并网或上网，热水和冷水输出。因系统能耗很大，在一些大型项目中也考虑用可再生热源，如多伦多、芝加哥、日内瓦等城市利用附近的深层湖水直接供冷，巴黎、大阪、福冈、香港等城市利用河水或海水作为制冷机的热汇。这种系统是“接近用户(neighboring tne users）”的系统，面临的最大挑战是供冷负荷的不稳定性和个性化用冷的不确定性。
第三代，是分布式多能源品种（可再生能源和清洁能源）发电，多种形式能源（热、电、冷、热水）输出，电力驱动热泵，以能源总线集成热源和热汇。每一幢建筑既产能也用能或蓄能，形成多个产能节点，通过能源互联网共享资源（能源微网模式）。称之为“贴近用户（very close to the users）”的系统。
它的最大特点是：
１）分布式能源首先是现场发电系统。
２）由于为城区建筑提供的是冷、热、电，所以要求能源系统面向不稳定负荷，具有负荷平准化能力和对位供能能力。
３）基于“互联网＋”的理念，综合电网、热网、信息网、热源／热汇网。
４）通过能源微网链接一系列小规模分布式能源系统，包括小于１ＭＷ的太阳能光伏设备，小于500ｋＷ的小型风力发电机组，固定式燃料电池，小于6ＭＷ的天然气发电机组和小于6ＭＷ的柴油发电机组。
５）充分发挥热力系统的储能优势和电力系统的传输优势，变电力上网、长距离输热为长距离输电、就近制热／冷、短距离供热。
６）通过能源总线实现多能源集成，充分利用低能量密度的可再生能源和低品位的未利用热源。
３.３城区能源系统规划原则
笔者提出过确定城区能源系统方案的几条原则，主要有：
１）对节能、减排、环境、经济性、用户体验、技术水平等各种影响因素综合权衡，根据当地资源禀赋和负荷特点确定系统方案；
２）绿色生态城区的能源系统（无论集中还是分散）一定是多种能源（包括可再生能源和低品位未利用热源）复合的系统；
３）集中设置的城区能源系统的装机量，一定小于单体建筑分散设置的装机量总和；
４）尽量短的供冷管网半径，一般应在500ｍ以下，最大不得超过1000ｍ；
５）分布式能源发电应自用，用于驱动热泵是效率和效益最高的技术路线；
６）集中式城区能源系统输入和输出的综合一次能源效率应大于１.0。
根据研究，一个350ｍ×350ｍ（12.25ｈａ）的商务型街区，容积率为2.0，建筑面积约为24万～25万㎡，较适合设立一个能源站。
按照图２中的简单流程配置和综合一次能源效率，如果该商务区是纯办公楼，则冷负荷估计为２０MW，分布式能源系统原动机若用内燃机则原动机功率为3.72 MW，安装1.0 MW光伏设备。如果不考虑光伏发电，分布式能源热电联产的综合一次能效率可达180%。图2的系统中，如果单位冷热量的价格为0.55元/(kW·h)，则1 m3天然气可以获得11.82元收益。如果热泵选用效率更高的磁悬浮离心机，则收益更大。在该尺度的街区中，管道最长输送距离在500～700 m之间。而且，350 m×350 m尺度的街区，也可以与交通规划中的路网密度相协调，供冷供热管道可以不用穿越道路。
近年来国内新建城区的开发日趋理性，已经改变了过去数km2的城区全面开花的开发模式，即东建一栋楼、西建一栋楼，长时间形不成规模。现在更注重集中力量，一个一个街区渐次推进，而且街区建筑功能混合度也提高，这都为第三代分布式能源系统建设提供了很好的条件。
在某些大型开发项目中，按传统管理模式考虑，要求只建一个能源中心。这时也可以将天然气设备集中在能源中心，包括发电和吸收式补燃型机组。能源中心主要发电，产生余热用溴化锂机组转换成冷热后只供应能源中心附近街区，能源中心产生的电力通过电缆输送到距离较远的街区（例如上述350 m×350 m或更小尺度街区）乃至单栋建筑，建成热泵机组的子能源站，由子能源站向建筑（群）近距离供冷供热。这些子能源站甚至可以建成集装箱式的模块，安装在建筑红线外的公共用地上（与二级开发商和业主界定权属），类似箱式变压器或移动基站。子能源站可以用空气源热泵，也可以用集成冷却塔或热源塔的水源热泵，更理想的是，用能效很高且部分负荷效率更高的磁悬浮离心热泵，其热源热汇来自能源总线。磁悬浮离心机的体积小，适合集装箱型的模块化安装。当然，这种形式一定程度上带来管理和维护的难度，需要有良好的网络化能源管理系统的支撑。
有些工业园区或北方城市既有热电厂可以提供蒸汽，如果8 MPa压力蒸汽的售价在200元/t以下，也可以考虑图3中的系统。
图3中将购买来的蒸汽驱动效率为21%的汽轮机，汽轮机产生的机械功带动蒸汽驱动离心式热泵回收低品位热能，产生热（冷）水，排放蒸汽通过换热器回收（或吸收式制冷机制冷）。其一次能源利用率为175.5%，略低于电驱动离心式热泵机组。这种方式适用于有热电厂的城区。
根据研究，在商务区中，有70%时间城区冷热负荷率低于50%。在部分负荷下管网的输送温差减小、耗电输冷（热）比增大。可以考虑2种方法：
1） 做加法。设2根供水管道，各按50%满负荷流量设计，大部分时间只用1根供水管道，双管轮休。直埋管造价较低，所增费用有限。
2） 做减法。一般供水干管设计工况下比摩阻按100 Pa/m选取，可以提高到200 Pa/m，减小管径，在部分负荷条件下使水泵处于最佳工作点，在小概率事件的满负荷情况下水泵能耗增加有限。可以降低投资、改善运行状况。
3.4 经济性分析
目前我国能源价格不合理，天然气价格居高不下，并不符合国际市场的价格规律。笔者在撰写本文时美国NYMEX天然气期货价格按人民币汇率折算只有0.836元/m3，而国内液化天然气交易价格却是2.225元/m3。相反，由于电力产能过剩，有的省份的火电（供电力直接供暖用）却贱卖到0.17元/（kW·h）。因此，分布式能源用于供冷供热在经济上并不合算。
3.5 既有城区更新中的区域能源系统
旧城更新改造中的需求侧能源规划与新城开发中的能源规划在规划原则上是一致的，但在侧重点上有所不同。在城市更新改造中，应该利用“互联网+”的思维来寻找有效的能源系统方案。在既有城市更新中需求侧能源规划要注意以下几点：
1） 尽可能利用现有资源，建立能源互联网；
2） 尽量减少对场地、道路、地下空间等设施的破坏，例如重新开挖管沟、大面积采用地埋管地源热泵等都不一定适用；
3） 通过建筑本体的改造装修，尽可能利用被动式技术，减少室内环境对空调供暖系统的依赖；
4） 根据更新后的建筑功能，做好精细化的负荷预测；
5） 通过装修和重新布局，充分利用屋面、停车库等资源发展太阳能光伏；
6） 能源生产设备尽量利用电力设备而不是热力设备，因为电力的输送和联网比较简单易行；
7） 部分城市更新的目标是发展创意产业、众创空间、创客等新兴业态和小微企业。这类业态的特点是分散、灵活，没有固定模式。因此适应这类产业的能源系统不宜高度集中，更适合用能源微网或能源总线系统。
旧城更新中常遇到改造项目，如：
1） 早年建设的高层建筑云集的商务区，改造中一般是保留既有建筑物，但改变建筑功能，建筑档次提升（办公楼升级）或降低（酒店降星级），原有冷热源可能在新功能下容量不足或容量过余。
2） 大型三甲医院不断扩容，每次扩容便新建1幢大楼、新建1个冷热源机房。
3） 空调或净化工业厂房的工艺调整、产能改变。
此时可以考虑将多幢建筑的机房联网，实现资源共享。最简单的机房联网是把各机房的供水分水器和回水集水器连接，见图5。这样做的好处是可以节约资源，平衡负荷，提高设备能效，降低投资。
但在一个已经成熟的城区中，要找到各幢建筑联网的路由并不容易，而要找到地下埋管空间同时又不破坏既有构筑物就更难。比较简单的改造方式是建空中连廊或公共平台，将各建筑和各交通路口连接起来，汽车在下边行驶，平台上是人员步行、休闲和交流的共享空间，借助平台结构建成联网的公共管廊。典型案例是法国巴黎的拉德芳斯（La Défense）。
传统区域供冷供热技术中难以准确预测负荷，容易造成“大马拉小车”的低能效运行；由于系统高度集中，管网规模大，增加了输送能耗。在城区更新改造中，除非大拆大建，否则也没有条件建高度集中的城区能源中心和大管径的管网。
设想通过电子商务，将冷热量变成一种可以通过物流配送的商品，从而彻底摆脱管网束缚。供热比较简单，现在已经有一些城市的洗浴中心因为不允许使用燃煤锅炉，而从郊外钢铁厂等重化工企业购买热水，通过车载运输加以利用。一方面拔除了市区内的锅炉，另一方面为重化企业的余热利用找到出路。而夏季供冷最好的蓄冷介质是冰，可以利用冰的潜热，从而减少介质的用量和设备的体积。
冰蓄冷有多种形式，最适合配送输运的是冰球方式。用高性能聚乙烯制成的冰球投入蓄冰罐，由于球体的自然堆积，可以在球与球之间形成水流通道。制冰时，制冷机提供-6 ℃的乙二醇溶液，从蓄冷罐下部进入，与冰球内的水通过球壁换热，从上部回到制冷机。冰球内的水逐渐冻结成-5 ℃的冰。在释冷时，来自空调系统板式换热器的12 ℃回水从上部进入蓄冷罐，与冰球内的冰通过球壁换热，使水温降低到7 ℃，从蓄冷罐下部回到板式换热器。如果把箱体做成集装箱形式，就可以用汽车载运，到现场用快速接头与建筑内的换热器连接，实现冰球的配送。
冰球配送还有一些技术问题需要解决：1）一个20尺集装箱（内尺寸5.69 m×2.13 m×2.18 m）尺寸的蓄冷罐，大致可以给面积1 800 m2的办公楼（满负荷）供冷10 h，因此，这种冰球配送模式的供冷适合小型办公楼集聚的科技园区、总部经济区和众创园区，以及旧城区中的既有中小型建筑。2）蓄冷罐需要在高温酷暑下运输，为安装方便一般会置于室外，因此蓄冷罐要有很好的保温和防辐射设施。3）蓄冷罐要便于更换，运输车辆需要有起重设备，系统要有储水水箱，在更换蓄冷罐时临时储水。4）蓄冷罐有能耗计量装置和释冷预测装置，用户可以自行决定在网上订购新罐的时机。5）配送式区域供冷供热的赢利模式还需要研究，还需要一系列技术标准和商业规范。
总而言之，配送式供冷供热很有发展前景，也是有远见的投资家很好的投资取向。
本文刊登于《暖通空调》2017年第4期
作者：
同济大学 龙惟定
天津大学 刘魁星
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