区域供能领域未来发展方向研究

杨栋，冯向梅

（1.中节能建筑节能有限公司，北京 100083；2.中国化工信息中心有限公司，北京 100029）

面临双碳政策的收紧和能源环保压力增加，区域能源成为实现降低能耗强度，提高能源利用率，减少能源生产与使用过程对环境影响的有力保证。区域能源可定义为，区域供暖、区域供冷、区域供电以及解决区域能源需求的能源系统的综合集成。随着水源热泵、地源热泵、污水源热泵、风冷热泵等供热、供冷技术的不断完善和发展，区域供能系统随之诞生，且在部分区域的节能方面优势明显，得到了大规模的推广和应用。鉴于区域供能技术的优势，本文对国内外此领域内的专利展开深度分析，以期了解国内外区域供能领域内技术现状及发展趋势，为持续提高区域能源节能效益并推动国家双碳战略落地提供参考和借鉴。

1 数据获取及研究方法

本研究基于orbit全球专利数据库，利用Orit Questal文献计量分析工具，对区域供能相关专利文献进行分析，识别区域供能研究领域的技术布局、研究热点、投资趋势，以及专利权人分布。根据区域供能的特点，检索关键词涉及：区域供能、三联供系统、冷热电三联供、冷热电联产、区域供冷、区域供热、REGIONAL ENERGY SUPPLY、DISTRICT ENERGY SUPPLY、COMBINED COOLING HEATING、CCHP、DISTRICT COOLING、DISTRICT HEATING OR REGIONAL COOLING、REGIONAL HEATING，检索字段为标题和摘要，数据去重后得到2308个家族，检索起始时间不作限制，检索截止日期为2022年4月30日。

2 区域供能领域发展分析

2.1 专利技术领域布局分析

从专利IPC号分布情况来看，专利成果主要集中在“热处理工艺和设备”（980项）、“IT方法管理”（224项）、“机械元件”（168项）、“发动机、泵和涡轮”（148项）、“电机、设备和能源”（101项）、“控制技术”（82项）、“环境技术”（76项）、“测量”（71项）等技术领域。

（1）热处理工艺和设备的相关专利最多，尤其是对地区供暖系统的研究，再就是对控制装置或安全装置的安装，还有些对集中供暖系统的研究，如输送管线、贮热设备等。

（2）对IT方法管理的专利研究，以适用于电力、天然气或水供应的数据处理系统或方法为主，对工作流、人员管理等数据处理系统或方法，对供电或配电电路装置的预测、优化、验证或模拟等也有涉及。

（3）机械元件领域的专利，以管道绝缘装置的研发为主，如对埋地管绝缘装置、绝缘材料等研究，对不可拆管接头的绝缘材料或装置研发也有涉及。

（4）对发动机、泵和涡轮的研究，以蒸汽机、燃气轮机热能利用的专利研究为主，此外，还涉及一些加热和制冷系统组合系统的运转方式等专利。

（5）对电机、设备和能源的研究，以电力装置安装为主，此外，涉及数据处理系统或方法、空气调节系统或设备等专利研发。

（6）对控制技术的研究，以温度控制，尤其是使用电装置的温度控制为主，涉及厂区全面程序控制系统，如分布数字控制、柔性制造系统、集成制造系统等。

（7）对环境技术的研究，集中在烟气或废气装置的安装，以及烟气或废气的处理方法或设备，如焚烧、净化、干燥、脱水等。

（8）对测量相关的专利研究，以结构部件的流体密封性测试为主，还涉及一些流量计、介质传递的热量测量等相关专利。此外，还有少量专利涉及化学工程、用于制备管状物品的塑料材料的研究。

2.2 专利研究热点分析

为了深入了解区域供能领域专利研究内容，采用Qrbit Questal工具抽取和分析文本中的技术概念，基于词频统计各技术领域的研究热点。热处理工艺和设备领域，集中在换热器、管道、锅炉、蒸发器、温度传感器等器件研发上面，针对的主要是供热系统。IT方法管理方面，关注对供暖负荷、能源利用、负荷估计、电价、冷负荷均衡约束、填谷、优化模型等方法或设备研究。机械元件方面，集中在对外管、钢管、套管等元件隔热材料研究，如对聚氨酯泡沫研究。发动机、泵和涡轮方面，关注对蒸汽涡轮机、燃气轮机等余热、废气方面的研究，同时，也涉及热联合利用的研究。电机、设备及能源研究方面，关注发电源（微电网、可再生能源）、热电联产、冷热联产、多能源经济效率、热量需求预测等研究。控制技术方面，关注对供应温度、耗热量、供热管网的运营优化、供热管网的调度优化、需热量等控制研究。环境技术方面，关注对烟气、废弃的循环利用，如焚烧、干化淤泥等，以及热回收研究。测量方面，关注对泄漏点、润湿位置、密闭性、终端充值等检测方法或设备的研究，如传感器、流量计、磁场无线、超声波热能计等。此外，部分专利涉及诸如冷凝水储存、家用燃料电池、移动设备、温度变化热床等设备的研发。

2.3 专利投资趋势分析

区域供能领域的申请数量分布可体现了专利权人在此领域的投资趋势，见图1。区域供能领域投资趋势可分为3个不同时期：1925～1972年为产业萌发期，全球范围内的专利申请数量不是很多；1973～2009年，处于成长阶段，专利数量总体呈振荡上升趋势；2010年以后，处于产业爆发期，专利申请的节奏显著加速，2015～2021年年均专利申请量达到140件，于2018年达到峰值。

图1 区域供能专利申请的总体趋势分析图

2.4 专利权人分析

TOP10专利权人分别为：韩国地域暖房公社（51项）、东南大学（25项）、清华大学（21项）、国家电网（14项）、西门子（14项）、韩国能源研究所（13项）、天津大学（13项）、苏尔寿（12项）、丹弗斯（11项）和格力电器（10项），包括6家企业专利权人，4家高校或研究所专利权人，且中国与国外专利权人比例为1:1。国外专利权人以企业为主，中国的专利权人以东南大学、清华大学、天津大学3家高校为主。将专利申请量排名前10的专利权人与专利公开量排名前10的国家进行组合分析来看，见表1，位于美国的丹弗斯、位于德国的西门子其专利公开基本覆盖全球，韩国地域暖房公社的专利布局主要是以韩国本土为主，中国机构的相关专利也主要集中在本土公开。

表1 区域供能领域专利公开国统计

对TOP10专利权人重点关注的技术领域分析发现，除了格力电器主要关注区域供冷单元、热泵空调系统、室内空调器等技术外，其他4个中国专利权人关注领域有共同点，都有关于综合能源系统优化调度模型和方法研究，但仍存在不同，如东南大学主要关注基于质子膜燃料电池作为动力装置的冷热电联供系统，清华大学还关注低碳规划、碳排放计算以及余热控制与利用技术，国家电网给予环保技术较多关注，天津大学重点关注CCHP的智能控制技术。国外专利权人相对于中国专利权人略有不同，重点关注热处理装备、机械元件等方面的研发。韩国地域暖房公社主要关注供应负荷控制装置与计算方法，能量转换控制与管理，除湿冷却装置，储热罐、热泵、冷凝锅炉等装置的研发，以及对废气、余气的循环利用；西门子重点以CCHP的供需、控制预测和建模，汽轮机设备、蓄热器、储能装置研发，以及泄漏检测和定位为主；韩国能源研究所主要关注热交换、热损失计算以及烟气回收利用技术；苏尔寿主要以热水区域供暖装置研发、安装和控制为主；丹弗斯重点研发温度控制装置，如带有传感器的加热系统、带有温控阀的热交换器等。

3 结语

根据上述研究结果，发现区域供能领域正处于产业爆发期，且在我国具有较好发展前景。结合国家双碳战略与国内区域供能现状，就区域供能未来发展方向给出以下4方面建议。

（1）鼓励本土专利工程化应用转化，积极推进全球布局。国内在区域供能领域的专利数量处于领先地位，表明我国在区域供能方面具有良好的知识储备，且发现我国的专利权申请以高校和科研机构为主，后续需要加强高校和企业间合作，加速推进专利成果转化。

（2）继续发展低碳化、环保、分布式的区域供能技术，国内外专利权人十分重视对可再生能源、太阳能等多种低碳综合能源的利用，以及对废气、余气、烟气等回收和循环利用，此外，国外也高度重视对提高供热效率，降低热损失，提升能源利用率技术的研发，如对热损失估算、温控装置、计量管理系统的研发等。

（3）重点推进和拓展区域供能技术在热处理工艺、机械元件等方面的技术研发。国内除了对区域供冷、供暖装置（或系统）进行规划、控制外，还应重视对热交换器、储能罐、绝热材料等设备或元件的技术研发。

（4）从区域供热到多能巧供。国内外区域供能系统或装置经历了从锅炉到热电联产再到冷热电三联供的技术改进。且伴随可再生能源迅速增加的形势，发展多能综合利用的区域供能系统，降低能耗，基于能源充分利用的灵活供能方式，已成为区域供能发展趋势。