分布式智慧能源服务综合分析

李鑫毅 马 良 李 晨 薛文婷

1．上海虹桥商务区新能源投资发展有限公司

2．华北电力大学电气与电子工程学院

3．上海融和电科融资租赁有限公司

4．国家电网有限公司信息通信分公司

0 分布式智慧能源服务背景

随着我国经济的持续发展，能源消费总量不断增加，能源问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。为应对能源与环境、资源以及气候变化的挑战，我国政府提出了多元化、清洁化和高效化的能源发展战略，发展低碳经济和转变经济增长方式已经成为我国实现高质量与科学发展的必然要求。自“十三五”规划实施以来，天然气分布式系统在分布式智慧能源服务中具有得天独厚的优势，同时，天然气分布式供能系统作为节能减排的一项重要措施，得到了较大发展。

天然气分布式供能系统相较于传统供能有如下优势：具有节能减排效果；对电网具有削峰作用；有效利用城市土地资源；优化能源使用结构。因此，我国在借鉴了发达国家成功模式的基础上，大力扶持推广天然气分布式能源。

1 分布式智慧能源服务概况

分布式智慧能源服务多采用天然气分布式供能系统，其系统建设的基本思路是“以热定电、多能联供、梯级利用”。其中一次能源为天然气，多采用燃气内燃机发电机组或小型燃气轮机发电机组作为核心供能部分，并配备余热利用设备（余热锅炉、板式热交换器、吸收式溴化锂空调等），产出冷、热、电复合能源。

天然气分布式系统一般建设在用户侧，采用“自发自用”或“优先自用，余电上网”的模式。减少电能输送损失。由于分布式供能系统一次能源利用率高，所以分布式能源项目综合效率一般均达到70%以上，较好的项目可以达到85%以上。

分布式智慧能源服务参照用户的用能需求进行定制化服务，为保证较高的能源利用率，用户需要有较为稳定的用电负荷和用热用冷负荷。在系统设计时，为保证在全年最低负载时依然可以满载运行分布式能源系统，需要有公共电网和传统供能系统的支持，才能满足用户的全部能量需求。

分布式智慧能源服务的另外一个特点和优势是可以将用户已有的传统的供能系统进行升级改造，在已建成投运的项目上，在条件允许的情况下依然可以建设分布式供能系统（见图1）。

图1 分布式智慧能源服务基本原理

2 分布式智慧能源服务应用分析

分布式智慧能源服务的应用大致需注意以下几点：

2.1 应用场景

分布式智慧能源的应用场景一般分为楼宇供能和区域供能两种。楼宇供能一般多为医院，商务办公楼等稳定用能建筑，如上海市仁济南院，申能集团能源中心等分布式供能项目；区域供能多为大型区域商圈，工厂厂区，大型游乐园等区域用能建筑，如上海市虹桥商务区，迪士尼度假区等区域分布式供能项目。

2.2 商业模式

分布式智慧能源服务根据不同的应用场景也可以使用不同的商业模式。

如医院商务办公楼等楼宇供能因供能对象相对单一，使用机组相对较小，可并网于用户的用电低压侧，采用并网不上网的方式进行供能。同时可与用户以合同能源管理的模式进行能源费用的结算，可保证分布式智慧能源的高效利用率，同时建设周期较短资金投入较少。此模式多以合同能源管理的模式与用户进行商业合作，计量能源服务所产生的冷热电节能效益并与客户进行结算，结算方式和单价需双方进行商业谈判确定。

如虹桥商务区区域供能项目等大型供能区域，因为供能规模较大，用户组成较为复杂，多采用发电自用，余电上网，冷热销售的商业模式。因装机容量相对较大，所以受供能区域内用户的用能变化的影响较大。区域供能类项目商业投入较大，建设周期长，商业谈判时间较长，建成运行后整体收益大。

2.3 设计思路

分布式智慧能源采取“以热定电，梯级利用”的设计思路。楼宇及单一用户项目多采用“优先自发自用，市电补充”的模式，该模式需要在设计之初统计好该用户全年低峰时期的用能水平和用能结构，根据实际情况对该项目发电机以及供热或供冷设备进行选型设计。区域供能项目多采用“优先自发自用，余电上网”的模式，该模式需要在设计之初对该片区域整体用能情况和整体规划发展预期作出较为详尽的调查，根据该片区域发展情况做出设备选型以及建设方案（采取一次性建设完成或者分期多能源站建设）（见图2）。

图2 分布式智慧能源梯级利用

2.4 供能模式

分布式智慧能源可以根据用户的用能需求分为“热电”两联供和“冷热电”三联供。两联供模式向用户提供电力和生活用热（如生活热水或者蒸汽），可根据用户的用能情况实现智能判断，24 h全天候自动启停。三联供模式向用户提供电力、生活用热和空调冷热供应，可根据用户用能情况和用户实际需求，实现智能判断工况（如优先供应生活用热，再进行空调系统冷热供应等需求），24 h全天候自动启停。

2.5 运维模式

分布式智慧能源可根据用户的用能需求制订相应的运维模式，根据用户用能习惯和用户所在地季节气候特点制订相应的运维策略。大致可以根据季节分为冬季、夏季和过渡季。制订合理的运维模式可以有效提高系统的利用率，充分发挥系统中能源梯级利用的优势，利用系统综合能效高的特点，提高用户的节能减排效果（见图3）。

图3 分布式智慧能源服务减排量对比

当天然气分布式供能系统输出与传统供能系统同样的热量和电力时，CO2的排放量降幅可达到33%。其中燃气内燃机的发电效率可以达到40%，热效率可以达到43%，天然气分布式系统的综合效率可以达到85%左右。

3 分布式智慧能源服务项目概况

3.1 上海市仁济南院

上海市仁济南院位于上海市闵行区浦江镇江月路，占地面积为68 497．1 m2，供能面积为82 590 m2。该医院传统能源系统配有2 台蒸汽锅炉，2 台冷热两用溴化锂空调机组，1 台电制冷空调机组。根据其用能需求和特点，配有2 台232 kW 分布式内燃机组。该分布式发电机组于2014 年建成投运，每天6-22 点期间投入自动运行，根据医院用热用冷用电需求自动启停。采取并网不上网的发电运行模式，利用余热回收系统回收缸套水和烟气热量，以蓄热的设计运行思路为基础向医院提供生活热水和空调冷热供能。在夏季优先提供电力和生活热水，在满足需求后，为医院供冷；在冬季优先提供电力和生活热水，在满足需求后，为医院供热；在过渡季时，有限保障医院生活热水需求，也可根据医院需要在春秋季时供暖和供冷（见图4）。

图4 仁济医院分布式能源服务系统图

这套分布式能源系统大大地降低了医院的市电用量和锅炉天然气用量，达到了节能减排的效果，优化了医院的能源使用结构，提高了能源使用效率。据统计，自用发电量可占全年市电用量的30%以上，供热量可占全年用热量的50%以上。从2013 年3 月运行至2020 年8 月，仁济医院分布式智慧能源系统累计运行64 624 h，年平均满载运行时间超过5 000 h，发电量为14 715 366 kWh，供能量为24 511 190 kW，综合能效达到85%，节能收益1 800 万元，CO2减排量12 500 tce，节约5 000 tce（见图5．a和图5．b）。

图5．a 仁济医院分布式能源机房

图5．b 仁济医院分布式能源机房

3.2 上海市瑞金北院

上海市瑞金北院位于上海市嘉定区希望路，占地面积为140 000 m2，供能面积为72 000 m2。该医院传统能源系统配有2 台热水锅炉，3 台电制冷空调机组，1 台螺杆空调机组。根据其用能需求和特点，配有1 台336 kW 分布式内燃机组以及1 台吸收式溴化锂制冷机组。该分布式发电机组于2014 年建成投运，每天6:00-22:00 期间投入自动运行，根据医院用热用冷用电需求自动启停。采取并网不上网的发电运行模式，利用余热回收系统回收缸套水和烟气热量，以蓄水的设计运行思路为基础向医院提供生活热水和空调冷热供能。在夏季优先提供电力和生活热水，在满足需求后，为医院供冷；在冬季优先提供电力和生活热水，在满足需求后，为医院供热；在过渡季时，有限保障医院生活热水需求，也可根据医院需要在春秋季时供暖和供冷（见图6）。

图6 瑞金医院分布式能源系统图

这套分布式能源系统有效地降低了该医院的能耗和用能成本，大大降低了CO2排放量，优化了用能结构。根据医院的用能量逐步增加，分布式智慧能源系统的优势更加可以体现出来。

图7 一组瑞金医院分布式能源能耗对比分析

可以看出随着分布式系统的开机时间增加，在过渡季和夏季时，发电量、余热回收量和开机时间有显著提高。同时节省的市电费用和天然气费用也有显著提升。在春夏季节减少了医院供电供冷压力，在秋冬季节减少了制热和供电问题。由于分布式系统天然气价格本身就相对于锅炉气价要优惠，由实际数据得出，使用分布式三联供系统，在过渡季节可以替代离心机和锅炉供能，在冬夏季可以分担供能和用电压力，所以在使用分布式系统进行供能的同时，有效地降低了CO2排放量，优化了用能结构，降低了能耗和生产成本，提高了用能效率，达到了节能减排的效果。从2013年10月运行至2020年8月，上海市瑞金北院分布式智慧能源系统累计运行17 064 h，年平均满载运行时间超过3 000 h，发电量为5 406 768 kWh，供能量为6 092 400 kW，综合效率达到80%，节能收益440 万元，CO2减排量3 300 tce，节约1 250 tce。

4 分布式智慧能源商业模式

4.1 节能效益分享型

在项目期内用户和节能服务公司双方分享节能效益的合同类型。节能改造工程的投入按照节能服务公司与用户的约定共同承担或由节能服务公司单独承担。项目建设施工完成后，经双方共同确认节能量后，双方按合同约定比例分享节能效益。项目合同结束后，节能设备所有权无偿移交给用户，以后所产生的节能收益全归用户。节能效益分享型是我国政府大力支持的模式类型。为降低支付风险，用户可向节能服务公司提供多方面的节能效益支付保证。

4.2 能源费用托管型

用户委托节能服务公司出资进行能源系统的节能改造和运行管理，并按照双方约定将该能源系统的能源费用交节能服务公司管理，系统节约的能源费用归节能服务公司的合同类型。项目合同结束后，节能公司改造的节能设备无偿移交给用户使用，以后所产生的节能收益全归用户。

4.3 节能量保证型

用户投资，节能服务公司向用户提供节能服务并承诺保证项目节能效益的合同类型。项目实施完毕，经双方确认达到承诺的节能效益，用户一次性或分次向节能服务公司支付服务费，如达不到承诺的节能效益，差额部分由节能服务公司承担。节能量保证型合同适用于实施周期短，能够快速支付节能效益的节能项目，合同中一般会约定固定的节能量价格。

4.4 融资租赁型

融资公司投资购买节能服务公司的节能设备和服务，并租赁给用户使用，根据协议定期向用户收取租赁费用。节能服务公司负责对用户的能源系统进行改造，并在合同期内对节能量进行测量验证，担保节能效果。项目合同结束后，节能设备由融资公司无偿移交给用户使用，以后所产生的节能收益全归用户。

4.5 混合型

由以上4 种基本类型的任意组合形成的合同类型。

目前只有节能效益分享型合同可以申请国家合同能源管理财政奖励和税收优惠，应当依据《合同能源管理技术通则》附件提供的参考合同签订节能效益分享型的节能服务合同。

5 分布式智慧微能源网的前景分析与展望

智慧微能源网是一种面向楼宇、社区、工业园区或其他终端能源用户的综合能源系统，可有效提升分布式能源的接入比例，对增强能源配给的灵活性与可靠性具有重要意义。

智慧微能源网以能量转换系统(Energy Hub)为核心，接入区域级的配电网网络、天然气网络、供热/冷网络、电气化交通网络等能源基础设施，通过适当的系统配置与优化的运行策略，实现电、气、热、冷等多种类型能源之间的转换，以满足不同终端能源消费的需求。基于先进的信息、通信与控制技术，智慧微能源网具有满足多种类型能源协同优化的巨大潜力。

5.1 智慧微能源网主要优势

1）具有并网和孤岛两种运行模式，并可在两种模式间灵活切换。在并网运行模式下，微能源网可响应上级能源系统的调度指令，并实现自身利益的最大化；在孤岛运行模式下，微能源网可实现孤岛内能量的自给自足，并确保在极端条件下重要负荷的持续供能。

2）具备多能互补与多能协同利用能力。通过配置分布式光伏和分散式风电，微能源网接受多类型的能源输入，在系统层面统筹调度各种能量的配合和转换关系，实现多能协同供应与能量梯级利用。通过多能流协调控制、多元互动与智能调度，促进能量的就近消纳。

3）提高分布式可再生能源渗透率与利用率。通过能量转换系统与储能装置的协调配合，微能源网可实现多种类型能量的存储与提取，从而增加电力网络、天然气网络、供热/冷网络对分布式可再生能源的接纳能力与调节深度，实现绿色、低碳、环保的能源建设目标。

5.2 智慧微能源网面临的主要挑战

1）智慧微能源网综合模型构建

电、气、热、冷等多种能源的不同特性及相互之间复杂的耦合关系使得构建微能源网的综合模型较为困难。从能量转换与能量传输的不同角度出发，可分别构建基于能源站(节点)与基于能源管网(边)的微能源网能量管理模型。如何实现两种模型之间的融合互补，以及在不增加模型复杂度的前提下提高模型精度，是微能源网建模的研究方向。

2）多能流协同规划与控制

传统的能源网络规划仅关注分布式能源的位置选择与容量配置，微能源网的规划问题需要综合考虑多种能源的生产、转换与存储问题，实现经济效益与能量利用的最大化。考虑到分布式能源的随机性与不确定性特征，如何实现多能流的协同调度以及源—网—荷—储的动态平衡，是微能源网优化调度所面临的又一难点。

3）安全性与自愈能力提升

随着先进的信息、通信与控制技术的大规模应用，微能源网表现出典型的信息物理系统(CPS)的特征。在物理层面，如何提高微能源网在气象灾害等极端恶劣条件下的生存能力，确保系统具有一定的扰动抑制与性能恢复能力，是需要考虑的问题；在信息层面，面对日益增多的入侵、窃听、窜改等网络攻击事件，如何加强微能源网的网络安全与用户隐私数据的保密性，是需要解决的又一难题（见图8）。

2010 年-2019 年，我国电力消费持续增长，用电结构稳步优化，终端电气化水平稳步提升，电能占终端能源消费的比重从18．6%提升至25．5%。新能源大规模开发、远距离输送，以及新能源出力不确定性，增大了电网系统的安全运行风险，所以在这种情况下，分布式智慧能源网的优势就体现出来了。其因地制宜，契合用户用能习惯，改善用能结构，以及较高的综合能源利用率的优势就可以得到完美的发挥，并且从一定程度上减轻了电网侧的压力与运行风险。

分布式智慧能源微网以需求为主导，清洁化，市场化、智慧化、高效化、多能协调、多元共享，保证能源质量与安全。有国家相关政策扶持鼓励发展，在工业、楼宇、商业园区等多场景下均有广阔的应用和发展前景。

图8 智慧能源微网原理图