区域综合能源供给技术分析

摘 要：为了提高区域能源利用率，达到节能环保的目的，基于多能互补的区域综合能源供给越来越受到关注。分析了目前较为成熟的天然气冷热电三联供、热泵、蓄冷（热）以及太阳能等4方面技术，探讨了国网客服中心北方园区综合能源供给项目的典型案例，展望了技术发展方向。

关键词：区域综合能源系统;冷热电三联供;热泵

引言

随着经济发展，能源消费优化问题受到高度关注。我国社会发展强调节约现有资源，充分利用可再生能源。区域综合能源供给就是最有效的方法之一。[1-2]

区域综合能源供给集电力、天然气、热能、冷能供应为一体，通过充分发挥各个供能系统的互补优势，提高能源使用效率和可再生能源利用占比。

1  天然气冷热电三联供技术

天然气冷热电三联供是分布式能源供給系统，利用天然气为用户发电，并充分使用发电后的余热为用户供热、供冷。天然气燃烧产生的高品位能量用于三联供的动力系统发电，动力系统产生的热量品位较低，可用于提供冷、热等中、低品位产能，进而形成冷、热、电三种能量的联合供应。

天然气冷热电三联供要求的用能特点为：天然气供应充足，用电、用热、用冷负荷都非常集中。夏季以空调制冷为主、伴有部分蒸汽和生活热水需求，供冷时间长，单位面积负荷大，同时冬季供暖时间较长。应用对象组织性强，机构统一，便于集中控制和管理。

2  热泵技术

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，通常是从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，成为可被利用的高品位热能。区域综合能源系统中热泵系统的应用，可以有效提高综合能源系统的能源利用效率。目前，热泵主要有地源热泵、水源热泵和空气源热泵。

3  蓄冷、蓄热技术

蓄冷蓄热指在区域内通过一定的方式把冷量或热量储存起来，在需要的时候再释放出来加以利用，主要方式有显热蓄冷（热）、潜热蓄冷（热）。显热蓄冷（热）指利用物质具有比热容，其内能随着温度降低（升高）从而储存冷（热）量，主要的储存介质有水、岩石、陶瓷等蓄冷（热）介质。潜热蓄冷（热）主要是利用物质发生相变时内能的变化而储存冷（热）量。

3.1  蓄冷方式

蓄冷技术是指在夜间低谷电时段将区域建筑物所需的空调冷量全部或者部分以蓄能载体的形式制备并储存起来，在非电力低谷时段替代制冷设备供冷的一种空调技术，可以起到“削峰填谷”、均衡负荷的作用。蓄冷技术根据蓄能载体的不同可分为冰蓄冷和水蓄冷。水蓄冷属于显热蓄冷，每1kg水温度升高或降低1℃会吸收或放出4.2kJ的热量，通常水蓄冷将供回水温差控制在5-11℃;冰蓄冷属于潜热蓄冷，利用冰发生相变时的溶解、凝固潜热来储存热量，每1kg冰的潜热为334kJ，约为水的比热容的80倍。因而冰蓄冷所占据的空间比较小。水蓄冷主要应用于大型建筑，冰蓄冷除了大型建筑外，还可应用于工业和交通领域。

3.2  蓄热技术

蓄热技术是以电为热源，利用夜间低谷电加热蓄能载体储热，蓄热容器有良好的保温性能，供白天高峰时段使用的供热技术。蓄热技术根据蓄能载体的不同可分为水蓄热、相变蓄热和固体蓄热等。水蓄热的蓄热载体为常规水，受蒸发温度所限，蓄热温度不能超过100℃，应用范围主要是温度在100℃以内的开水、工艺热水、空调采暖等领域。相变蓄热是利用相变材料相变时吸收或者释放大量潜热并保持温度恒定的特性来实现蓄热。固体蓄热是以高比热的镁铁固体蓄能合金模块为蓄能载体来进行蓄热。因此，相变蓄热和固体蓄热载体温度都可超过100℃，除了给水加热外还可给温度需求更高的热风及导热油等提供热源，应用范围更广。

4  太阳能技术

太阳能技术的基本原理是将太阳辐射能收集起来，转换成电能或者热能。工业园区或者居民区闲置的屋顶或场地可供安装太阳能光伏板或者太阳能集热器，为区域提供部分电能、热能，从而充分利用区域清洁能源，节约常规能源消费。

4.1  太阳能光伏发电技术

太阳能光伏板是利用光生伏打效应发电的，即一种直接将太阳辐射能转化为电能的发电模式。太阳或其他光源照射太阳能电池的PN结后，其内部产生大量自由电子并向各个方向移动，同时在原来位置上留下一个带正电的空穴，电子接收光能后向N结移动，使得N结区带负电，同时空穴向P节移动，使得P结区带正电，这样PN结两端产生电压，这就是光生伏打效应。

目前使用最多的太阳能光伏板，主要制作材质有单晶硅、多晶硅和薄膜3种。

4.2  太阳能供热技术

太阳能区域供热技术采用太阳能集热器吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质，再通过集热管网系统输送到区域供热热场或换热站，向区域热网供热，最终为热用户提供供暖和生活热水所需热量。

目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器（槽式、碟式和塔式）等4种。

5  国网客服中心北方园区案例

国网客服中心北方园区项目位于天津市，共有10栋建筑楼。

区域综合能源供给主要技术方案如下：

（1）光伏发电：在其中8栋建筑楼定安装多晶硅光伏组件，部分连廊安装薄膜光伏组件，总计813kW。

（2）储能微电网：由50kW×4h铅酸储能电池、48kW光伏发电以及40kW公共照明负荷组成。

（3）太阳能空调：太阳能空调系统为10号楼供冷、供暖以及提供生活热水。10号楼顶铺设630m3集热器，夏季供冷时，由高温导热油驱动溴化锂吸收式冷水机组制备冷冻水;冬季供热时，通过油—水换热器进行热交换产生空调热水。同时，配置冷水机组和空气源热泵作为后备冷热源。

（4）太阳能热水：利用太阳能集热器制备生活热水。在3号楼顶铺设承压真空管。蓄热式电锅炉的蓄热水箱高温水作为热水补充。

（5）冰蓄冷：采用两台双工况冰蓄冷机组和蓄冰盘管。

（6）地源热泵：3台地源热泵放置在集中能源站，总制冷量3585kW，制热量3801kW。

（7）蓄热式电锅炉：布置4台电锅炉和3组蓄热水箱

（8）能源网运行调控平台：对园区冷、热、电及储能系统进行运行监测、智能学习和智能调控。

此项目搭建了以电能为中心的 “网-源-储-荷”互动型、区域型综合能源供给系统，综合采用了节能储能、移峰填谷、可再生能源利用和能源运行优化调控等技术，实现每年电能替代电量1182万kWh，节约电力5996.2kW、电量1100万kWh，节省运行费用987万元，取得了显著的经济和环境效益。

6  结束语

我国已经拥有大量各类型的产业园区，其中部分有能源集中供给的需求，区域综合能源供给具备了快速发展的有利条件。区域综合能源供给技术众多，需要根据区域条件和能源需求特点，充分考虑到经济性和可操作性，选择合理的技术方案。区域综合能源供给技术在专业领域和建设阶段上均有集成化的趋势。目前，其发展在中国刚刚起步，大规模的实践与推广需要更好的政策引导与专业协助。

参考文献：

[1] 覃承禹，叶宏伟，王钊，陈卓伦，张宇翔，彭蓉.我国区域能源规划发展现状及《民用建筑区域能源规划规程》的编制要点[J].电力需求侧管理，2015，17（6）：23-25.

[2] 张曦，樊倩，郑珊杰，蔡路茵，王倩.基于多能互补的区域能源系统优化研究[J].能源研究与管理. 2018（03）：63-69.

作者简介：

李辰（1987.10-），男，湖北省安陆市人，硕士/高级工程师，主要从事电网规划工作。

（国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏 南京 210008）