分布式能源与城市热力网联网供热的高效配置

    2001~2014年，北方城镇建筑供暖面积从50亿平方米增长到126亿平方米，增加了1.5倍，而平均的单位面积供暖能耗从2001年的22.8kgce/m2，降低到2014年的14.6kgce/m2，降低了34% 。单位能耗下降的原因是高效热源方式占比提高、供热系统效率提高和建筑保温水平提高。从数字来看，全国供热面积在增加，单位能耗在下降，但是总能耗仍然很大。天然气供应紧张、因燃煤污染而导致的雾霾严重、可再生能源供能稳定性的挑战，以及城市热力网的供能不平衡等诸多问题，严重困扰着京津冀城镇供热的效果。如何将各种能源因地制宜、合理利用，并实现综合能源效率最大化，成为当前面临的首要问题。

1.分布式能源特性

    分布式能源是指分布在用户端的供能技术。分布式能源在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，并减少排放；在能量的输送和利用上分片布置，减少长距离输送能量的损失，有效地提高了能源利用的安全性和灵活性。通俗的理解分布式供热技术，就是因地制宜、合理利用项目周边已具备的各种能源，将各种能源进行耦合用于满足供热需求。分布式能源具备以下几种特性：

1）灵活的并网、离网运行模式

    分布式能源是一种建在用户端的能源供应形式，分布式能源站是以“资源、环境效益最大化”为目标而确定方式和容量的系统，将用户的多种能源需求和环境资源进行配置，采用需求应对式的设计和模块化的配置，独立输出电、热、冷等能量的供应系统。如果负荷集中，分布式能源站可以独立运行，热力网的热量可作为备用热源。分布式能源站也可以并入城市热力网联合运行，当前的技术完全可以保障分布式能源这种“随时并网、离网”的顺利切换，同时不影响能源的安全供应。

2）可采用多种能源输入形式

    分布式能源包括燃气锅炉技术、燃气热泵技术、高效电锅炉技术、电驱动空气源热泵技术、太阳能光热/光伏技术、燃气三联供技术、水源热泵技术和地源热泵技术等。分布式能源供热技术的种类多，可采用多种能源输入形式，包括天然气、电力和各种可再生能源等。    

图1  不同分布式能源供热技术的能源成本示意图

3）多能输出可满足用户的不同需求

分布式能源包括多种技术，可同时输出多种能源，比如燃气三联供技术，可同时输出电力、冷/热；燃气锅炉可同时输出采暖热水和生活热水；地源热泵/水源热泵技术可输出冷和热等。

4）能量梯级与高效利用

能量梯级利用：能源合理利用的一种方式，无论是一次能源还是余能资源，均按其品位逐级加以利用。能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施。分布式能源中燃气三联供等技术，将能量从高品位至低品位逐级加以利用，以便达到能源高效利用的效果，有效提高了能源的综合利用率。

2.城市热力网特性

    北方城市热力网目前以热电联产热源为主，建设城市热力大管网，采用环状或支状管网的方式，将热电联产的余热输送至城市需要供热的小区或商用建筑等用能客户，满足城市主要的采暖需求。热电联产的蒸汽没有冷源损失，所以能将热效率提高到85%，比大型凝汽式机组（热效率达40%）还要高得多。热电联产不仅能有效节能，而且可以改善环境，大大提高居民的生活水平。

城市热力网具备以下特性：

1）能源利用率高：城市热力网的主要热源为热电联产，热电联产能源的综合利用率达85%，能源利用率高。

2）安全性、稳定性高：城市热力网具有安全性和稳定性高的特点，是因为城市热力管网具备蓄热特性、输送能力强；水力特性与小管网相比，较为稳定，具有内调节作用。

3）集约利用土地：热电联产集中供热项目在建设之前，会对城市规划和集中供热区进行统筹安排，选定项目建设地点。由于项目的规模一般较大，可以满足城市大部分的供热负荷，与小型分散燃煤供热项目相比，能节约土地资源。

4）具备能源基础网络的特性：城市热力网作为集中供热网络，具备能源基础网络的特性，无论是环状还是支状网络，基本上都以水作为介质，允许其他各种以水为介质的供热系统接入，与电网相比，包容性较强。

3.分布式能源与城市热力网联网运行

分布式能源的主要问题是项目的规模受限制，原因是周边的能源量有限，分布式能源供应的单个项目体量主要是几千平方米至几十万平方米，和热电联产等大型供热项目相差十倍乃至百千倍，其中可再生能源还有能源供应的稳定性和可靠性，以及投资高的问题。比如土壤源热泵技术，项目打井面积、地热情况、项目资金预算决定了土壤源热泵系统的规模，十万平方米住宅的供热，需要打井面积两万平方米，投资需要2500万元以上。比如，燃气三联供技术，需要考虑热电的匹配，单一考虑这种技术，撇除投资不说，热电平衡的项目也非常罕见。

    热电联产把电厂的发电与用户的用热紧密联系，降低了灵活性，同时也增加了电厂的投资。热电联产项目在规划设计时和后期运营的实际情况相去甚远，比如，由于上游电厂余热过剩但下游负荷未发展、下游负荷分配不均导致管网失衡、负荷偏远支管网的投资建设大等问题相继产生，最终导致用户投诉、热力企业利益受损和能量浪费等现象层出不穷。

    针对分布式能源和城市热力网的优势和劣势；针对不同城镇或区域的供热需求，在有城市热力网的城镇区域，将分布式供热技术与城市热力网相耦合，实现联网供热、优势互补，应是今后城镇供热的主要方向，属于国家现在重点推进的“互联网+”智慧能源（能源互联网）的范畴。

分布式能源与城市热力网实现联网运行，技术上需要做好以下几项工作：一是详细调研项目当地的资源情况、能源价格和市政资源情况；二是摸清项目的供热需求，当地原有热力网和已有热源的情况，以及热源和负荷的匹配情况；三是根据上述两项调研的结果，筛选出分布式能源供热技术，进行进一步计算和确定；四是分析分布式能源技术与城市热力网进行耦合后的供热系统和管网，以达到供需   平衡的要求。完成以上几步工作后，技术的初步耦合筛选工作就完成了。

图2 分布式能源与城市热力网耦合示意图

    分布式能源与城市热力网联网运行，在技术上比较容易实现，在商务方面，可以采用以下几种模式。

（1）由城市热力网经营者来建设分布式能源系统，这种模式的优点在于建设方统一的情况下，联网运行的运营管理者也统一，这样联网运行的控制和供热的质量会比较有保证，项目的收益也可控；

（2）城市热力网和分布式能源系统的建设方不同，运营管理权统一为城市热力网建设方，这种情况下联网运行的管理者统一，优点和第一种模式一样，对用能客户是有利的。但是需要协商好两个建设方的利益分享；

（3）城市热力网和分布式能源系统建设方不同，运营管理权分开，这样联网运行的系统就比较难以集中控制，涉及的原因有分布式能源系统随意离网或并网运行，对大网造成冲击，影响用户供能质量等；

因此，分布式能源与城市热力网联网运行的项目，建议运营管理方统一，尽量统一交给城市热力网建设方；在不能统一的情况下，需要提前制定一些制约条款，以保证联网供热系统的正常运行和用户的供能质量。

4.联网运行与智慧供热系统

    分布式能源与城市热力网联网运行，需要建设智慧供热控制系统来实现统一的运行管理。智慧供热系统是把供热系统相对独立的各个子系统整合成一个有机的综合性智能平台，有效地实现数据的共享、智能决策与能耗分析和能源调配等功能，通过历年热计量及气象等数据的对比分析，预测耗热量，实现按需供热和能源搭配，从而最大限度地节约能源。

图3 智慧供热控制系统部分功能示意图

    智慧供热控制系统实现供能侧和用能侧的供需有效结合和控制管理，将供能系统做到“人性化、最优化和智慧化”，实现分布式能源和城市热力网中各种能源互联互通，提高供热质量和供热服务，从而最大程度地实现节能减排。

5.结语 

本文对分布式能源和城市热力网（热电联产）进行了优劣势的分析，并对分布式能源和城市热力网的联网运行进行分析，得出如下结论：

（1）分布式能源较为分散，城市热力网可以将不同的分布式能源联合城市（镇）热电联产一起，取长补短，形成能源互联互通网络，实现城市（镇）合理供热高效供热；

（2）分布式能源与城市热力网联网运行，技术筛选时应结合当地的资源能源，因地制宜，同时结合项目的资金预算，在技术经济可行的条件下，实现联网供热； 

（3）分布式能源与城市热力网联网运行，尽量实现统一运营管理，以确保供能系统的安全、稳定运行和用户的供热质量；

（4）运用“互联网+”的思维，将能源生产、输送、存储及使用的过程与互联网、能源市场相结合，建设智慧控制系统，打造能源互联网络，既对提高可再生能源的比重，提高能源综合利用率，以及高效节能减排具有重要意义，也是响应国家号召、推进能源互联网络建设的一项行之有效的任务。