区域能源利用

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什么是区域能源利用

  区域能源利用有别于注重单体设备和用户效率提升的“点状节能”方案,它是将城市或区域作为一个整体进行统筹协调,通过构建区域能源网络达成能源利用的系统化,高效化。

区域能源利用的模式

  1.集中能源中心方式

  集中能源中心方式是一种基于树型(或星型)拓扑结构的能源利用体系,将集中能源设备(电源或热源)所产生的电力、蒸汽、热水、冷水等,通过区域微网(微电网、微热网)供应给区域内各能源用户。根据供给能源种类和范畴的不同,该方式又可分为区域供热(供冷)和区域(冷)热电联供两种类型,分别见图1中的模式A和模式B。

  Image:区域能源利用模式简图.png

  集中能源中心方式是区域能源利用最早、也是最经典的模式,而且仍然是当前区域能源利用的最主要形式。该方式最早可以追溯到中世纪和文艺复兴时期的欧洲,法国在14世纪首次出现了区域供热系统。世界上第一个取得商业成功的区域能源系统,是1877年建成于美国纽约的基于区域锅炉房的区域供热系统。从上世纪60年代开始,欧美等发达国家开始发展区域供冷,同时推进热电联产。经过100多年的发展,基于集中能源中心的区域能源系统在发达国家已得到较为广泛的应用,是发达国家/地区的重要标志之一。

  基于集中能源中心的区域能源利用模式的基本特征是集中供给、分散消费。山于其需要设置专用能源中心并实施集中管理,因此比较适合于新建城区。在区域规划的起步阶段,为促进科学、合理用能,提高区域能源综合利用效率,将能源系统的合理配置融入区域整体规划过程中,构建区域能源利用体系无疑是最佳选择。山于不同类型能源用户的能量需求具有显著差异,其负荷种类、用能规律、负荷变化曲线均呈现多样化,因此可实现负荷平均化效果,而且可以充分利用同时使用系数降低设备容量,合理设计并进行优化整合配置囚。从运营模式看,可以引入专业能源服务公司(ESCO)进行集中管理,实现规划、设计、施工、运行、维护全过程的一体化能源服务。

  2.区域能源融通方式

  与集中能源中心方式相比,区域能源融通方式是一种无中心的能源供给模式。它以区域微网为纽带,将两个或两个以上相邻的个体用户进行互联,用户间实现能量互补与融通。该供能模式的特点是各用户拥有自己独立的供能(电源或热源)设备,每个用户都可以称之为能源产消者(Proconsumer),即既是能源生产者,又是能源消费者,它们借助区域能源网络进行融通,相互间可以互为补充、互为备份。对于单个用户而言,即使没有与区域微网互联,其用能需求也可以得到满足。该供能模式体现了能源供给山自助体系向互助体系的转变,用户间的互补与融通是该供能方式的立足点。根据用户间融通能源种类的不同.区域能源融通系统又可分为热融通和热电融通两种类型,分别如图1中模式C和模式D所不。

  以热融通为例,山于用户的热源设备一般都是按照需求峰值(一年中的少数时段)来选定的,所以大部分时间都在额定容量的50%以下运行。此外,热源设备的种类多种多样,安装时间千差万别,所以效率差异也很大。通过热融通,可以让高效设备优先运行,缩减低效设备的运行时间。同时,热源设备(如冷冻机)运行时还需要水泵等辅助设备,其运行动力与负荷无关,一般山热源设备的台数决定。通过热融通,当负荷较小时,可以只运行部分用户的热源设备,这样就可以降低辅机能耗。此外,通过实施热融通还可以整合应用地热、太阳能等多种热源,构建多源多汇型区域供热网络。

  关于该模式,同济大学龙惟定教授引入计算机科学中常见的“总线”概念,创新性地提出了“集散式能源总线系统”理念,将来自于可再生能源或未利用能源的热源/热汇水在区域层面通过一个能源枢纽集成,然后经山作为基础设施的管网输送给用户取热或排热[}s}。该理念其实就是本文所提出的区域热融通模式(图1中模式C)的一个特例,只是将热源、热汇进行了区分。在“能源总线”概念的基础上,借助计算机科学中的互联网概念,龙惟定教授又提出了“能源互联网”的理念,将区域内分散布置的分布式能源所生产的电和热,通过连接各用户的微电网和微热网实现电力和热力的互联互通,也就是本文所提出的热电融通模式(图1中模式D)}

  区域能源融通系统的提出为区域能源利用提供了一种新的科学、合理用能的机遇和形式。它强调系统的互补和平衡功能,可以充分利用现有独立供能系统冗余的设备资源,以较低的初期投资实现可观的节能效益。其实,该模式不仅适用于既有设备的更新与改造,对新开发区域能源系统的规划与设计同样具有适用性。在新区开发过程中,可以突破传统能源供给的“集中主义”思维,以“互联网”理念为导向,将分布式能源(包括楼宇冷热电联产、分布式光伏等)所产生的电能和热能,通过连接各终端用户的微电网和微热网实现电力和热力的互联互通。这样,各独立用户的设备配置可以更灵活,产能过剩或用能不足可以通过区域微网予以调度和平衡,从而有效降低设备投资与运行费用。

区域能源利用的优越性

  利用区域内用能负荷的集约效果,采用高效用能设备,通过适当的设备控制达成高效的部分负荷运行效果,加之对系统的构成、配置及运行进行集成优化,区域能源系统有望突破传统单体节能方案的瓶颈,使系统能效发挥至最佳。

  区域能源系统除了具有优异的节能效果外,还兼具保护城市环境(大气环境、热环境等)、充实城市机能等功能。例如,热源系统的集约效果可以有效控制空调排热而且各独立能源用户无需设置独立的冷却塔,从而可实施屋顶绿化,以应对城市热岛效应。此外,蓄热槽的水在火灾时可以用来救火,其他自然灾害时可以用作应急生活用水,对城市防灾也具有很大贡献。表1总结了区域能源利用的节能效果和非节能效果。

区域能源利用存在的问题及应对措施[1]

  虽然构建区域能源利用体系可以获得节能、环保等多方面的效益,但为了促进其进一步推广与应用还有以下问题亟待解决:

  ①用于区域供热的区域微热网不可避免地会产生热损失,热媒的输送也要消耗一定的动力,区域微热网的建设费用也会导致初期投资增加。针对此问题,一方面,构建区域能源系统的用户间距离不能太远(最好是相邻建筑);另一方面,可以通过优化计算确定最佳供能范围与管网布局。

  ②一旦加入区域能源系统(特别是集中能源中心方式)后,用户如果想变更为独立供能方式,需要对供能设备进行较大调整。为此,政府应该发挥主观能动性,加强对相关能源服务公司的监管,促使其与用户签订长期、稳定的能源供应合同。

  ③用户侧的用能行为可能对区域能源系统整体的能源利用效率产生负面影响,而某单个用户的节能行为很难体现为整个系统的节能效果,个体利益与集体利益的矛盾和平衡是区域能源利用体系函待解决的一个重要问题。针对此问题,可以借助博弈论等经济、管理科学理论方法辅助决策。

  ④对于住宅用户,随着高性能且价格低廉的小型供暖和热水系统的实用化,区域能源系统在性能和费用方面的竞争力被逐渐削弱;对于大型公共或商业建筑用户,山于近年来中央空调系统的技术革新和成本降低,普及率逐渐提高,这对于区域能源的推广应用也是一个挑战。为此,除了节省能源费用外,有必要进一步挖掘区域能源的非节能效果(见表1),并评估其经济效用

  ⑤区域能源系统一般涵盖多个终端用能部门,还可能涉及多个行政主管部门及不同行业,因此需要进行有效的顶层设计,构建跨行业、跨部门的综合管理体制,出台相应的政策和法规。

  ⑥对于区域能源融通系统而言,山于系统内部分用户将承担一部分“能源中心”功能,通过提高自身的能源供给量,满足其他用户的能源需求,产生费用增益。但对该个体用户而言,如果超额产能所导致的费用增量得不到合理补偿,加入系统的经济诱因丧失,那它就会脱离系统,阻碍高效能源融通系统的构建。因此,公平合理的利益分配机制是区域能源融通系统得以存在的重要基础,是其稳定发展的关键。针对此问题,一方面要设定具有弹性的、合理的区域能源价格(如热水价格)体系;另一方面,以能源服务公司为媒介确立互利、公平的合作关系不失为一个有效的解决方案。

  Image:区域能源利用的节能效果和非节能效果.png

参考文献

  1. 任洪波,吴琼,高伟俊.区域能源利用初探——由点到面促进城市节能减排[J].中外能源,2014(07)
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