分布式智慧能源服務綜合分析

李鑫毅 馬 良 李 晨 薛文婷

1．上海虹橋商務區(qū)新能源投資發(fā)展有限公司

2．華北電力大學電氣與電子工程學院

3．上海融和電科融資租賃有限公司

4．國家電網有限公司信息通信分公司

0 分布式智慧能源服務背景

隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，能源消費總量不斷增加，能源問題已經成為制約我國經濟和社會發(fā)展的重要因素。為應對能源與環(huán)境、資源以及氣候變化的挑戰(zhàn)，我國政府提出了多元化、清潔化和高效化的能源發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展低碳經濟和轉變經濟增長方式已經成為我國實現(xiàn)高質量與科學發(fā)展的必然要求。自“十三五”規(guī)劃實施以來，天然氣分布式系統(tǒng)在分布式智慧能源服務中具有得天獨厚的優(yōu)勢，同時，天然氣分布式供能系統(tǒng)作為節(jié)能減排的一項重要措施，得到了較大發(fā)展。

天然氣分布式供能系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)供能有如下優(yōu)勢：具有節(jié)能減排效果；對電網具有削峰作用；有效利用城市土地資源；優(yōu)化能源使用結構。因此，我國在借鑒了發(fā)達國家成功模式的基礎上，大力扶持推廣天然氣分布式能源。

1 分布式智慧能源服務概況

分布式智慧能源服務多采用天然氣分布式供能系統(tǒng)，其系統(tǒng)建設的基本思路是“以熱定電、多能聯(lián)供、梯級利用”。其中一次能源為天然氣，多采用燃氣內燃機發(fā)電機組或小型燃氣輪機發(fā)電機組作為核心供能部分，并配備余熱利用設備（余熱鍋爐、板式熱交換器、吸收式溴化鋰空調等），產出冷、熱、電復合能源。

天然氣分布式系統(tǒng)一般建設在用戶側，采用“自發(fā)自用”或“優(yōu)先自用，余電上網”的模式。減少電能輸送損失。由于分布式供能系統(tǒng)一次能源利用率高，所以分布式能源項目綜合效率一般均達到70%以上，較好的項目可以達到85%以上。

分布式智慧能源服務參照用戶的用能需求進行定制化服務，為保證較高的能源利用率，用戶需要有較為穩(wěn)定的用電負荷和用熱用冷負荷。在系統(tǒng)設計時，為保證在全年最低負載時依然可以滿載運行分布式能源系統(tǒng)，需要有公共電網和傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的支持，才能滿足用戶的全部能量需求。

分布式智慧能源服務的另外一個特點和優(yōu)勢是可以將用戶已有的傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)進行升級改造，在已建成投運的項目上，在條件允許的情況下依然可以建設分布式供能系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 分布式智慧能源服務基本原理

2 分布式智慧能源服務應用分析

分布式智慧能源服務的應用大致需注意以下幾點：

2.1 應用場景

分布式智慧能源的應用場景一般分為樓宇供能和區(qū)域供能兩種。樓宇供能一般多為醫(yī)院，商務辦公樓等穩(wěn)定用能建筑，如上海市仁濟南院，申能集團能源中心等分布式供能項目；區(qū)域供能多為大型區(qū)域商圈，工廠廠區(qū)，大型游樂園等區(qū)域用能建筑，如上海市虹橋商務區(qū)，迪士尼度假區(qū)等區(qū)域分布式供能項目。

2.2 商業(yè)模式

分布式智慧能源服務根據(jù)不同的應用場景也可以使用不同的商業(yè)模式。

如醫(yī)院商務辦公樓等樓宇供能因供能對象相對單一，使用機組相對較小，可并網于用戶的用電低壓側，采用并網不上網的方式進行供能。同時可與用戶以合同能源管理的模式進行能源費用的結算，可保證分布式智慧能源的高效利用率，同時建設周期較短資金投入較少。此模式多以合同能源管理的模式與用戶進行商業(yè)合作，計量能源服務所產生的冷熱電節(jié)能效益并與客戶進行結算，結算方式和單價需雙方進行商業(yè)談判確定。

如虹橋商務區(qū)區(qū)域供能項目等大型供能區(qū)域，因為供能規(guī)模較大，用戶組成較為復雜，多采用發(fā)電自用，余電上網，冷熱銷售的商業(yè)模式。因裝機容量相對較大，所以受供能區(qū)域內用戶的用能變化的影響較大。區(qū)域供能類項目商業(yè)投入較大，建設周期長，商業(yè)談判時間較長，建成運行后整體收益大。

2.3 設計思路

分布式智慧能源采取“以熱定電，梯級利用”的設計思路。樓宇及單一用戶項目多采用“優(yōu)先自發(fā)自用，市電補充”的模式，該模式需要在設計之初統(tǒng)計好該用戶全年低峰時期的用能水平和用能結構，根據(jù)實際情況對該項目發(fā)電機以及供熱或供冷設備進行選型設計。區(qū)域供能項目多采用“優(yōu)先自發(fā)自用，余電上網”的模式，該模式需要在設計之初對該片區(qū)域整體用能情況和整體規(guī)劃發(fā)展預期作出較為詳盡的調查，根據(jù)該片區(qū)域發(fā)展情況做出設備選型以及建設方案（采取一次性建設完成或者分期多能源站建設）（見圖2）。

圖2 分布式智慧能源梯級利用

2.4 供能模式

分布式智慧能源可以根據(jù)用戶的用能需求分為“熱電”兩聯(lián)供和“冷熱電”三聯(lián)供。兩聯(lián)供模式向用戶提供電力和生活用熱（如生活熱水或者蒸汽），可根據(jù)用戶的用能情況實現(xiàn)智能判斷，24 h全天候自動啟停。三聯(lián)供模式向用戶提供電力、生活用熱和空調冷熱供應，可根據(jù)用戶用能情況和用戶實際需求，實現(xiàn)智能判斷工況（如優(yōu)先供應生活用熱，再進行空調系統(tǒng)冷熱供應等需求），24 h全天候自動啟停。

2.5 運維模式

分布式智慧能源可根據(jù)用戶的用能需求制訂相應的運維模式，根據(jù)用戶用能習慣和用戶所在地季節(jié)氣候特點制訂相應的運維策略。大致可以根據(jù)季節(jié)分為冬季、夏季和過渡季。制訂合理的運維模式可以有效提高系統(tǒng)的利用率，充分發(fā)揮系統(tǒng)中能源梯級利用的優(yōu)勢，利用系統(tǒng)綜合能效高的特點，提高用戶的節(jié)能減排效果（見圖3）。

圖3 分布式智慧能源服務減排量對比

當天然氣分布式供能系統(tǒng)輸出與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)同樣的熱量和電力時，CO2的排放量降幅可達到33%。其中燃氣內燃機的發(fā)電效率可以達到40%，熱效率可以達到43%，天然氣分布式系統(tǒng)的綜合效率可以達到85%左右。

3 分布式智慧能源服務項目概況

3.1 上海市仁濟南院

上海市仁濟南院位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)江月路，占地面積為68 497．1 m2，供能面積為82 590 m2。該醫(yī)院傳統(tǒng)能源系統(tǒng)配有2 臺蒸汽鍋爐，2 臺冷熱兩用溴化鋰空調機組，1 臺電制冷空調機組。根據(jù)其用能需求和特點，配有2 臺232 kW 分布式內燃機組。該分布式發(fā)電機組于2014 年建成投運，每天6-22 點期間投入自動運行，根據(jù)醫(yī)院用熱用冷用電需求自動啟停。采取并網不上網的發(fā)電運行模式，利用余熱回收系統(tǒng)回收缸套水和煙氣熱量，以蓄熱的設計運行思路為基礎向醫(yī)院提供生活熱水和空調冷熱供能。在夏季優(yōu)先提供電力和生活熱水，在滿足需求后，為醫(yī)院供冷；在冬季優(yōu)先提供電力和生活熱水，在滿足需求后，為醫(yī)院供熱；在過渡季時，有限保障醫(yī)院生活熱水需求，也可根據(jù)醫(yī)院需要在春秋季時供暖和供冷（見圖4）。

圖4 仁濟醫(yī)院分布式能源服務系統(tǒng)圖

這套分布式能源系統(tǒng)大大地降低了醫(yī)院的市電用量和鍋爐天然氣用量，達到了節(jié)能減排的效果，優(yōu)化了醫(yī)院的能源使用結構，提高了能源使用效率。據(jù)統(tǒng)計，自用發(fā)電量可占全年市電用量的30%以上，供熱量可占全年用熱量的50%以上。從2013 年3 月運行至2020 年8 月，仁濟醫(yī)院分布式智慧能源系統(tǒng)累計運行64 624 h，年平均滿載運行時間超過5 000 h，發(fā)電量為14 715 366 kWh，供能量為24 511 190 kW，綜合能效達到85%，節(jié)能收益1 800 萬元，CO2減排量12 500 tce，節(jié)約5 000 tce（見圖5．a和圖5．b）。

圖5．a 仁濟醫(yī)院分布式能源機房

圖5．b 仁濟醫(yī)院分布式能源機房

3.2 上海市瑞金北院

上海市瑞金北院位于上海市嘉定區(qū)希望路，占地面積為140 000 m2，供能面積為72 000 m2。該醫(yī)院傳統(tǒng)能源系統(tǒng)配有2 臺熱水鍋爐，3 臺電制冷空調機組，1 臺螺桿空調機組。根據(jù)其用能需求和特點，配有1 臺336 kW 分布式內燃機組以及1 臺吸收式溴化鋰制冷機組。該分布式發(fā)電機組于2014 年建成投運，每天6:00-22:00 期間投入自動運行，根據(jù)醫(yī)院用熱用冷用電需求自動啟停。采取并網不上網的發(fā)電運行模式，利用余熱回收系統(tǒng)回收缸套水和煙氣熱量，以蓄水的設計運行思路為基礎向醫(yī)院提供生活熱水和空調冷熱供能。在夏季優(yōu)先提供電力和生活熱水，在滿足需求后，為醫(yī)院供冷；在冬季優(yōu)先提供電力和生活熱水，在滿足需求后，為醫(yī)院供熱；在過渡季時，有限保障醫(yī)院生活熱水需求，也可根據(jù)醫(yī)院需要在春秋季時供暖和供冷（見圖6）。

圖6 瑞金醫(yī)院分布式能源系統(tǒng)圖

這套分布式能源系統(tǒng)有效地降低了該醫(yī)院的能耗和用能成本，大大降低了CO2排放量，優(yōu)化了用能結構。根據(jù)醫(yī)院的用能量逐步增加，分布式智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)勢更加可以體現(xiàn)出來。

圖7 一組瑞金醫(yī)院分布式能源能耗對比分析

可以看出隨著分布式系統(tǒng)的開機時間增加，在過渡季和夏季時，發(fā)電量、余熱回收量和開機時間有顯著提高。同時節(jié)省的市電費用和天然氣費用也有顯著提升。在春夏季節(jié)減少了醫(yī)院供電供冷壓力，在秋冬季節(jié)減少了制熱和供電問題。由于分布式系統(tǒng)天然氣價格本身就相對于鍋爐氣價要優(yōu)惠，由實際數(shù)據(jù)得出，使用分布式三聯(lián)供系統(tǒng)，在過渡季節(jié)可以替代離心機和鍋爐供能，在冬夏季可以分擔供能和用電壓力，所以在使用分布式系統(tǒng)進行供能的同時，有效地降低了CO2排放量，優(yōu)化了用能結構，降低了能耗和生產成本，提高了用能效率，達到了節(jié)能減排的效果。從2013年10月運行至2020年8月，上海市瑞金北院分布式智慧能源系統(tǒng)累計運行17 064 h，年平均滿載運行時間超過3 000 h，發(fā)電量為5 406 768 kWh，供能量為6 092 400 kW，綜合效率達到80%，節(jié)能收益440 萬元，CO2減排量3 300 tce，節(jié)約1 250 tce。

4 分布式智慧能源商業(yè)模式

4.1 節(jié)能效益分享型

在項目期內用戶和節(jié)能服務公司雙方分享節(jié)能效益的合同類型。節(jié)能改造工程的投入按照節(jié)能服務公司與用戶的約定共同承擔或由節(jié)能服務公司單獨承擔。項目建設施工完成后，經雙方共同確認節(jié)能量后，雙方按合同約定比例分享節(jié)能效益。項目合同結束后，節(jié)能設備所有權無償移交給用戶，以后所產生的節(jié)能收益全歸用戶。節(jié)能效益分享型是我國政府大力支持的模式類型。為降低支付風險，用戶可向節(jié)能服務公司提供多方面的節(jié)能效益支付保證。

4.2 能源費用托管型

用戶委托節(jié)能服務公司出資進行能源系統(tǒng)的節(jié)能改造和運行管理，并按照雙方約定將該能源系統(tǒng)的能源費用交節(jié)能服務公司管理，系統(tǒng)節(jié)約的能源費用歸節(jié)能服務公司的合同類型。項目合同結束后，節(jié)能公司改造的節(jié)能設備無償移交給用戶使用，以后所產生的節(jié)能收益全歸用戶。

4.3 節(jié)能量保證型

用戶投資，節(jié)能服務公司向用戶提供節(jié)能服務并承諾保證項目節(jié)能效益的合同類型。項目實施完畢，經雙方確認達到承諾的節(jié)能效益，用戶一次性或分次向節(jié)能服務公司支付服務費，如達不到承諾的節(jié)能效益，差額部分由節(jié)能服務公司承擔。節(jié)能量保證型合同適用于實施周期短，能夠快速支付節(jié)能效益的節(jié)能項目，合同中一般會約定固定的節(jié)能量價格。

4.4 融資租賃型

融資公司投資購買節(jié)能服務公司的節(jié)能設備和服務，并租賃給用戶使用，根據(jù)協(xié)議定期向用戶收取租賃費用。節(jié)能服務公司負責對用戶的能源系統(tǒng)進行改造，并在合同期內對節(jié)能量進行測量驗證，擔保節(jié)能效果。項目合同結束后，節(jié)能設備由融資公司無償移交給用戶使用，以后所產生的節(jié)能收益全歸用戶。

4.5 混合型

由以上4 種基本類型的任意組合形成的合同類型。

目前只有節(jié)能效益分享型合同可以申請國家合同能源管理財政獎勵和稅收優(yōu)惠，應當依據(jù)《合同能源管理技術通則》附件提供的參考合同簽訂節(jié)能效益分享型的節(jié)能服務合同。

5 分布式智慧微能源網的前景分析與展望

智慧微能源網是一種面向樓宇、社區(qū)、工業(yè)園區(qū)或其他終端能源用戶的綜合能源系統(tǒng)，可有效提升分布式能源的接入比例，對增強能源配給的靈活性與可靠性具有重要意義。

智慧微能源網以能量轉換系統(tǒng)(Energy Hub)為核心，接入?yún)^(qū)域級的配電網網絡、天然氣網絡、供熱/冷網絡、電氣化交通網絡等能源基礎設施，通過適當?shù)南到y(tǒng)配置與優(yōu)化的運行策略，實現(xiàn)電、氣、熱、冷等多種類型能源之間的轉換，以滿足不同終端能源消費的需求。基于先進的信息、通信與控制技術，智慧微能源網具有滿足多種類型能源協(xié)同優(yōu)化的巨大潛力。

5.1 智慧微能源網主要優(yōu)勢

1）具有并網和孤島兩種運行模式，并可在兩種模式間靈活切換。在并網運行模式下，微能源網可響應上級能源系統(tǒng)的調度指令，并實現(xiàn)自身利益的最大化；在孤島運行模式下，微能源網可實現(xiàn)孤島內能量的自給自足，并確保在極端條件下重要負荷的持續(xù)供能。

2）具備多能互補與多能協(xié)同利用能力。通過配置分布式光伏和分散式風電，微能源網接受多類型的能源輸入，在系統(tǒng)層面統(tǒng)籌調度各種能量的配合和轉換關系，實現(xiàn)多能協(xié)同供應與能量梯級利用。通過多能流協(xié)調控制、多元互動與智能調度，促進能量的就近消納。

3）提高分布式可再生能源滲透率與利用率。通過能量轉換系統(tǒng)與儲能裝置的協(xié)調配合，微能源網可實現(xiàn)多種類型能量的存儲與提取，從而增加電力網絡、天然氣網絡、供熱/冷網絡對分布式可再生能源的接納能力與調節(jié)深度，實現(xiàn)綠色、低碳、環(huán)保的能源建設目標。

5.2 智慧微能源網面臨的主要挑戰(zhàn)

1）智慧微能源網綜合模型構建

電、氣、熱、冷等多種能源的不同特性及相互之間復雜的耦合關系使得構建微能源網的綜合模型較為困難。從能量轉換與能量傳輸?shù)牟煌嵌瘸霭l(fā)，可分別構建基于能源站(節(jié)點)與基于能源管網(邊)的微能源網能量管理模型。如何實現(xiàn)兩種模型之間的融合互補，以及在不增加模型復雜度的前提下提高模型精度，是微能源網建模的研究方向。

2）多能流協(xié)同規(guī)劃與控制

傳統(tǒng)的能源網絡規(guī)劃僅關注分布式能源的位置選擇與容量配置，微能源網的規(guī)劃問題需要綜合考慮多種能源的生產、轉換與存儲問題，實現(xiàn)經濟效益與能量利用的最大化?？紤]到分布式能源的隨機性與不確定性特征，如何實現(xiàn)多能流的協(xié)同調度以及源—網—荷—儲的動態(tài)平衡，是微能源網優(yōu)化調度所面臨的又一難點。

3）安全性與自愈能力提升

隨著先進的信息、通信與控制技術的大規(guī)模應用，微能源網表現(xiàn)出典型的信息物理系統(tǒng)(CPS)的特征。在物理層面，如何提高微能源網在氣象災害等極端惡劣條件下的生存能力，確保系統(tǒng)具有一定的擾動抑制與性能恢復能力，是需要考慮的問題；在信息層面，面對日益增多的入侵、竊聽、竄改等網絡攻擊事件，如何加強微能源網的網絡安全與用戶隱私數(shù)據(jù)的保密性，是需要解決的又一難題（見圖8）。

2010 年-2019 年，我國電力消費持續(xù)增長，用電結構穩(wěn)步優(yōu)化，終端電氣化水平穩(wěn)步提升，電能占終端能源消費的比重從18．6%提升至25．5%。新能源大規(guī)模開發(fā)、遠距離輸送，以及新能源出力不確定性，增大了電網系統(tǒng)的安全運行風險，所以在這種情況下，分布式智慧能源網的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。其因地制宜，契合用戶用能習慣，改善用能結構，以及較高的綜合能源利用率的優(yōu)勢就可以得到完美的發(fā)揮，并且從一定程度上減輕了電網側的壓力與運行風險。

分布式智慧能源微網以需求為主導，清潔化，市場化、智慧化、高效化、多能協(xié)調、多元共享，保證能源質量與安全。有國家相關政策扶持鼓勵發(fā)展，在工業(yè)、樓宇、商業(yè)園區(qū)等多場景下均有廣闊的應用和發(fā)展前景。

圖8 智慧能源微網原理圖