分布式供能在我國的發(fā)展是從世紀之交開始的。最早的成功案例是1995-1997年上海浦東新機場的冷熱電聯(lián)供能源站。我國政府機構開始介入分布式供能領域始于2011年的四部委聯(lián)合通知——《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》(發(fā)改能源[2011]2196號)，隨后中國城市燃氣協(xié)會等行業(yè)組織先后設立了“分布式能源專業(yè)委員會”。而區(qū)域能源概念在中國的提出和組織機構的成立則晚于此。首次有中國人參加的國際區(qū)域能源協(xié)會是2015年6月28日在美國波士頓召開的第106屆年會。2016年中國建筑節(jié)能協(xié)會成立了區(qū)域能源專業(yè)委員會，直到不久前才開始與政府有關機構建立聯(lián)系。人們一般認為這是兩個不同的領域和不同的概念，其實不然，要理解這一點還須從歷史的回顧說起。

二者不同發(fā)展歷史和共同點

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”時代發(fā)展起來的，其旨在高效滿足區(qū)域內(nèi)所有用能需求 。“區(qū)域”可以是一個城市、一個工業(yè)區(qū)或大型住區(qū)，也可以是一個小區(qū)或建筑群，涵蓋從熱電聯(lián)產(chǎn)，到集中供暖、區(qū)域供冷、供電等各種技術措施，100多年來其內(nèi)涵在不斷進化。紐約市最近提出“能源區(qū)塊鏈”的概念，以實時和公開記錄的能源交易大數(shù)據(jù)為基礎，實現(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)域能源概念的新進展。

區(qū)域能源包括政策、商業(yè)模式、市場成熟度、技術積累和本地資源。服務商包括設備廠商、運營商、能源服務公司、電力企業(yè)以及相關機構，尤其是能源站運營管理服務商作用很大。重點從前期的單純規(guī)劃向建設、后期運營偏重。

國際區(qū)域能源協(xié)會成立于20世紀初。100多年來隨著工業(yè)化進程推進，美國建立了大批百兆瓦級的工業(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家也發(fā)展了另一類區(qū)域能源模式。中國近30年才開始經(jīng)濟騰飛，第一次工業(yè)革命所標志的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化還在進行中，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

分布式供能譯自英文Distributed Energy System(下稱DES)。最早按字面直譯為“分布式能源系統(tǒng)”，其實質(zhì)是一種先進的供能系統(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，在美國是1970年代，其他國家稍晚。

DES由兩個不同角度催生：其一是電力生產(chǎn)的集中和分散。100多年來，盡可能提高效率、降低成本的目標促使電力生產(chǎn)越來越集中和大型化，電站規(guī)模達到幾個吉瓦。大電網(wǎng)覆蓋上百萬平方公里范圍。 但因上世紀末以來發(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、墨西哥各自在負荷中心新建了數(shù)個幾十兆瓦級的較小型天然氣發(fā)電設施。除了保障供電和協(xié)助大電網(wǎng)黑啟動之外，就地直供也能節(jié)省絕大部分輸變電費用;其二是提高能效。按照熱力學第二定律，化學能轉(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，這些原來排棄的低品位能量在分散式供電下可以通過冷、暖、熱水、蒸汽等形式供給用戶，可使能效達到70%以上。但對集中的吉瓦級大電廠并不經(jīng)濟。

迄今為止，國際上并沒有給DES下“定義”。國際分布式能源聯(lián)盟的解釋是：“設在負荷中心，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”實際上已經(jīng)界定了其最大規(guī)模：即冷熱電蒸汽供應都在經(jīng)濟輸送距離內(nèi)。蒸汽和采暖熱水的經(jīng)濟輸送距離原來認為是8-10 km，近年來由于隔熱和降低輸送功耗技術突破，已經(jīng)可達20km以上。10kV電力經(jīng)濟輸送距離1-2 km, 110kV以上遠得多。在我國，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)。但在一個能源站DES可帶動幾個DCS的情況下，多個DCS可覆蓋的范圍就是幾十平方千米了。通常被稱作區(qū)域型DES/CCHP。例如，2011年規(guī)劃建設的珠海橫琴新區(qū)冷熱電聯(lián)供能源站就是有2臺9F機組的一個能源站、11個區(qū)域供冷站，以及多個熱水供應站組成。

為什么發(fā)達國家90%以上的DES項目都是小的“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)達國家第二次工業(yè)革命都已完成，城鎮(zhèn)建設更已定型。在已建成和定型的城市中建設區(qū)域型DES受到三方面的限制：

一是既有建筑物和市政設施使供、熱、蒸汽管道的敷設或不可能(特別是在土地私有的國家)，或者投資倍增;二是各個用戶原來已經(jīng)投資自建了供應冷、熱、蒸汽的設施，如果沒有達到經(jīng)濟壽命，會使新規(guī)劃的CCHP系統(tǒng)投資大大增加;三是商業(yè)運作比新建區(qū)大，合作投資建設受眾多用戶觀念各異制約。外部的投資主體面臨說服所有用戶、協(xié)調(diào)利益關系等問題。所以既有城區(qū)的大部分項目只能因地制宜在有限空間內(nèi)建設小型的，才能夠取得經(jīng)濟效益。

3、區(qū)域能源與分布式供能的異同

總的來說，兩者都是以提高能效，從而能更經(jīng)濟和碳減排為目標。具體來說：

共同點之一：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)。整個能源系統(tǒng)包括終端利用、轉(zhuǎn)換傳輸、回收再利用三個子系統(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)，不可能過細深入。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^程的效率，而單位面積供能需求則由圍護結構和余熱回收所決定。對此方面要求極為嚴格的歐洲供暖負荷標準是20-25 W/m2。同緯度我國是50 W/m2，即使轉(zhuǎn)換能效100%能耗也不可能低于50 W/m2。可見轉(zhuǎn)換傳輸效率提高并不是能耗降低的全部內(nèi)涵。

共同點之二：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，未來有可能趨向3/7。所以工業(yè)和建筑物合起來大致是電/熱各半。所以在以節(jié)能為第一要義的未來可再生能源為主的時代，必走通過冷熱電聯(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。一個大的、覆蓋上百平方千米的區(qū)域，可以設置幾個DES/CCHP。這就是區(qū)域能源與DES的關系。例如，面積163平方千米、遠期人口53萬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DES/CCHP，6-8個DC(W)S，還采用了遠程CHP電廠低溫余熱為主、包括熱泵、地熱等復合的供暖系統(tǒng)。

共同點之三：都面臨化石能源替代的歷史轉(zhuǎn)折。2015年的巴黎協(xié)議、2016年杭州會議提出的G20 能源宣言都指出了這個發(fā)展方向。非化石能源到世紀中占比可達40-50%，到本世紀末將達80%。可再生能源本質(zhì)上是低能量密度、有利于分散就地利用的，當然也可在地廣人稀地區(qū)搞集中大規(guī)模水電、風電、光伏發(fā)電，但須付出超遠程輸送的代價。分散和集中也是相對的。百MW級太陽能熱發(fā)電和第四代小型百MW級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DES的包容性之外，區(qū)域能源規(guī)劃還應該包括交通運輸、農(nóng)業(yè)等領域的用能。規(guī)劃考慮的時間段更長，牽涉的生產(chǎn)關系和上層建筑的內(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。

基于將被排棄的熱用起來的思維，把發(fā)電燃料(當時是煤)作為主體和基數(shù)來計算能源利用效率。以“熱電比”為指標是因為產(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)在已可把汽輪機復水器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。

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從CHP發(fā)展來的，主體是用戶。計算能效是以全區(qū)域全年8650 h/a累計的供能總量為分子，總一次能源消耗為分母。目前流行的“CCHP=CHP+蒸汽吸收制冷”觀點是過于簡單化的理解。如果要簡單表達應是“CCHP=CHP+科學用能、系統(tǒng)優(yōu)化”。DES/CCHP建模優(yōu)化的本質(zhì)是：選擇最優(yōu)化的拓撲結構和參數(shù)，使之能夠就近利用各種一次能源，經(jīng)轉(zhuǎn)換傳輸和儲存，滿足用戶對電力和冷、暖、蒸汽、熱水等各種終端用能源的、負荷實時變化的需求，達到最高能效、最經(jīng)濟、最少碳排放的目標。充分利用計算機和信息技術，進行系統(tǒng)建模優(yōu)化，才能求得最優(yōu)的系統(tǒng)設施組合和運營方案。

3、主體不同，系統(tǒng)規(guī)劃和效率計算完全不一樣。

首先，按“以熱定電”作的CCHP項目，為保夜間供熱也要運行，所產(chǎn)生的低谷時段電力強制上網(wǎng)，不僅沒有價值，而且增加電網(wǎng)調(diào)峰難度; 其次，按最大供冷、熱工況設計。實際運行時絕大多數(shù)均非設計工況，實際負荷率常常很低。以設計工況主機燃料為基數(shù)核算系統(tǒng)能效嚴重夸大; 第三，“聯(lián)產(chǎn)”思維局限導致“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啟主機，不問電力是否過剩，同時制約系統(tǒng)優(yōu)化運營; 第四，無供冷、暖季節(jié)時段大量余熱不能利用，或低效率運行、或停運，使全年運行時數(shù)減少，設備折舊費成倍增加; 第五，“并網(wǎng)不上網(wǎng)”催生“以電定熱”。為追求機組“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，沒有把非24h/d連續(xù)運行的、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)律性的準則，把目前違背市場規(guī)律的電網(wǎng)壟斷視為不可改變的約束條件。

以上幾點是造成目前國內(nèi)的許多DES項目經(jīng)濟性不好的內(nèi)在原因。

規(guī)劃要點：滿足終端用戶不同時空變化需求

1、 以用戶需求為考慮主體——最大特點是負荷有巨大的時空變化。

空間變化的內(nèi)涵是：充分考慮各種工業(yè)和建筑物用能戶冷、暖、熱、電、蒸汽需求的空間分布，區(qū)域能源和DES系統(tǒng)空間范圍如何選擇，是否應覆蓋邊遠用戶，這均需由能效提高的收益與管網(wǎng)投資的付出相比較的經(jīng)濟性決定。 時間變化包括：一年四季冷、暖、熱水需求不同;一天24小時之內(nèi)不同用戶用能需求峰谷時段不同，總量也在變化;除連續(xù)運行的過程工業(yè)之外，絕大部分用戶后半夜需求很少;隨著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，用能負荷隨用戶增加而逐年、逐月變化;要求規(guī)劃分期。季節(jié)和晝夜變化要求構建一個采用多技術的多種組合以適應多種工況的系統(tǒng)，以使DES/CCHP在多個工況下都實現(xiàn)高效運行。

2、以用戶需求為考慮主體的首要原則是考慮全區(qū)域用能。

區(qū)域能源或DES規(guī)劃的目標既然是提高整體的能效，就必須考慮全區(qū)域、全年，所有用戶。當然，以經(jīng)濟性為準則，少數(shù)邊遠用戶、空間十分分散的農(nóng)業(yè)地區(qū)，以及少量用能時段特殊的用戶可以不納入DES/CCHP管網(wǎng)供應范圍。判斷依據(jù)就是敷設過長冷熱管道的投入能否由能效提高的經(jīng)濟收益得到補償?但是在計算區(qū)域能源利用效率時必須把這些DES未覆蓋用戶的全部用能數(shù)據(jù)包括在內(nèi)。

3、同時系數(shù)是重要基礎參數(shù)。

同時系數(shù)系統(tǒng)設計負荷在總用戶高峰負荷(也就是各用戶自己供能時的設計負荷)中所占的比例，因不同用戶終端需求高峰在不同時段而產(chǎn)生。區(qū)域較大，區(qū)內(nèi)包括的用戶種類和數(shù)量越多，同時系數(shù)越小，設備總投資就越低。同時系數(shù)低于0.7-0.8時，所節(jié)省的投資已可以與敷設各種管網(wǎng)所額外增加的投資持平。此外，區(qū)域較大的好處還有：大設備效率單機高，單位投資低。根據(jù)近年工程實例，百MW級DES投資大約7000元/kW左右, 10MW級以下則需1-2萬元/kW。

4、晝開夜停16h/d運行，配合電網(wǎng)調(diào)峰是滿足用戶需求，互利雙贏的重要創(chuàng)新。

除了過程工業(yè)(園區(qū))自己都有專設的24h/d CCHP系統(tǒng)，即自備公用工程單元外，一般工業(yè)和建筑物用能的時間特點是：(1)，生活熱水只要有一天用量的儲存設施，16h/d還是24h/d生產(chǎn)都能夠滿足;(2)，供冷和熱泵供暖白天用DES電、夜間DES主機停運時改用低谷價網(wǎng)電，更經(jīng)濟;(3)，離散制造業(yè)所用蒸汽多半16h/d運行，與DES同步，需加班時可啟動輔助燃燒器;(4)，無供暖和空調(diào)季節(jié)仍可調(diào)峰供電兼聯(lián)供熱水和蒸汽運行，可使年開工時數(shù)加倍、折舊費低。在正在到來的智能電網(wǎng)時代，分時電價不可避免，DES協(xié)同電力調(diào)峰是互利雙贏。這是處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的同時推廣區(qū)域能源和DES的中國能夠集成創(chuàng)新的歷史機遇。

未來智慧能源網(wǎng)絡的基本單元

1、低碳時代一次能源和終端利用的走勢。

到本世紀中葉可再生能源成為一次能源的主體。其中可能有近半，即非光伏太陽能、核能、地熱、生物質(zhì)等可用做大型工業(yè)園區(qū)CCHP的一次能源;另外一半多無需經(jīng)過熱力循環(huán)而直接發(fā)電利用的是水力、風、光伏、潮汐等。各種可再生能源增速和占比，由新科技突破形成的經(jīng)濟競爭力決定。

未來仍占終端用能三成多的冷、暖、熱、蒸汽終端需求是分散的，通過高效的冷熱電聯(lián)供DES/CCHP就地直供的距離是受限的，一次能源中大部分可再生能源也是分散和低能量密度的，這三點決定了大部分從一次能源轉(zhuǎn)換傳輸供終端利用的供能系統(tǒng)是分布式的。

2、能源轉(zhuǎn)換傳輸系統(tǒng)演化為智慧能源網(wǎng)絡。

集中、單向、垂直的“能源供應系統(tǒng)”將轉(zhuǎn)為分散、雙向、扁平化的智慧能源網(wǎng)絡，或稱能源互聯(lián)網(wǎng)。借助于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術，目前只管輸配的電網(wǎng)將發(fā)展成智能電網(wǎng)Smart Grid(簡稱SG)，成為所有電力的集散、交易的平臺和智能調(diào)度、控制中樞，從而實現(xiàn)能源和電力的實時供需平衡。因此SG是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心架構。

3、兩種類型分布式供能的走勢。

覆蓋絕大部分工業(yè)和建筑物用戶的千萬個分布式供能子系統(tǒng)DES/CCHP將成為未來智慧能源網(wǎng)絡，也就是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元。大型DES/CCHP的服務對象為各類工業(yè)(及園區(qū))和大型社區(qū)，以百MW級的太陽能熱發(fā)電、小型CHP核電、地熱和天然氣發(fā)電，與集中供暖、區(qū)域供冷及熱泵技術相結合，將會占新開發(fā)區(qū)域絕大部分。小型DES/CCHP可以用任何一次能源，規(guī)模可以從小于1 MW級到10MW級。主要用于已建成城區(qū)能源供應系統(tǒng)的改造升級。以光伏等為主、帶儲能的小DES沒有基于熱力循環(huán)的CCHP，可用熱泵或太陽能光熱方式制冷熱。由于光伏發(fā)電和儲能技術不斷突破、成本逐年遞降，天然氣微燃機+余熱利用系統(tǒng)將很難與之競爭。

4、與DES和區(qū)域能源同步建設微電網(wǎng)是建設智能電網(wǎng)的關鍵。

可再生能源的分散性決定了一次能源的分布式轉(zhuǎn)換和就地利用。如杰米里·里夫金所言，歐盟1.9億個大樓將成為1.9億座發(fā)電廠，但其不可能“孤網(wǎng)運行”而需借助于大電網(wǎng)。可再生能源發(fā)電的不確定性要求實行自動分時電價，在分時電價帶來的利益驅(qū)動下電力在億萬個有儲電的、光伏為主的DES與大電網(wǎng)之間的雙向流動是電力供需隨機性波動的重要調(diào)節(jié)手段，成千上萬晝開夜停的DES/ CCHP則是電網(wǎng)晝夜調(diào)峰重要手段。這就要求每一個DES都在一個有源的微電網(wǎng)之內(nèi)，現(xiàn)有的配電網(wǎng)顯然不能適應。目前必須先建設微電網(wǎng)才能為DES/CCHP與大電網(wǎng)的互動提供硬件條件。從發(fā)展來說，必須先構建億萬個智能微電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)集成、協(xié)同才能構建和發(fā)展SG和智慧能源網(wǎng)絡——即能源互聯(lián)網(wǎng)。

5、促進分布式供能和區(qū)域能源規(guī)劃建設的關鍵問題。

簡言之，有以下五點：第一是擺脫利益格局和思維定勢，認清中國發(fā)展分布式供能和區(qū)域能源的歷史必然性;第二是遵循市場經(jīng)濟規(guī)律，取消多層次交易和“交叉補貼”，使過高的天然氣價格回歸合理;第三是正確界定走向可再生能源時代智能電網(wǎng)建設的側重點，建設微電網(wǎng)和實行分時電價;第四是必須加快“區(qū)域能源規(guī)劃法”、“城市燃氣法”立法和執(zhí)法;第五是目前我國能源革命重點并非在生產(chǎn)力和技術層面，而是在生產(chǎn)關系和上層建筑層面依法治國替代行政審批。