分布式供能的沿革、现实发展和未来趋势

一、当前中国能源战略的核心是提高能效和保障供应

“十二五”第一年的2011年，GDP 按可比价格增长9.2%，但高耗能产业增长率更高：化学原料和制品14.7%、钢材12.3%、10种有色金属10.6%、水泥16.1%[1]。总能耗增长7.4%，达到了34.89亿tce/a；能源弹性系数高达0.8，比“十一五”的0.576反倒高出了38.9%；能源强度仅下降了1.6%，而不是预期的3.2%。这说明除了产业转型、科学发展的方针没有切实贯彻之外，能效也没有真正提高。有报导说为保增长，“十二五”规划煤炭消耗“封顶”的上限已从38亿吨提到了39亿吨。中国完成“十二五”节能减碳任务的形势严峻[2]。

由于历史的原因，中国天然气、核能和可再生能源在一次能源中的比率分别是4%和8%，远低于世均的24%和12%，而煤则占70%，远高于世均28%。在能源的终端利用中，中国耗费燃料的工业和建筑用能占总能耗80%，高于世均的60%多。这种“高碳”的能源产、用模式，其实是中国能源利用效率低于世均13个百分点（36.8% VS 50%）的最主要原因。然而正是全球化和世界能源的低碳转型，给了中国在改变产业结构和能源结构的同时，跨越式地利用人类创造的各种先进能源技术，（主要依靠快速提高能效，而不是靠增加能耗总量）来保障经济发展的历史机遇。

正确处理发展与节能减排的关系已成为中国经济可持续发展的关键。不顾碳排放的约束，继续依赖传统的燃煤CHP（热电联产）提供工业和建筑物燃料是不现实的。在当前的天然气价格之下，按照传统模式利用天然气替代煤是企业所无法承受的。唯一的出路是充分利用天然气大幅度提高能效替代煤的历史机遇，以较少量的天然气替代较多的煤。其技术途径就是在新区全面推广DES/CCHP（分布式冷热电联供能源系统）。如果把能源供应保障对于新区的作用比作吃饭，区域型DES就是高效而经济地利用天然气保障能源供应的“主菜”。而目前流行的一种看法是：DES就是小的、MW级的系统。代表这种观点的天然气规划把三成用于调峰发电或CHP，近七成做民用燃料，分布式供能仅占2%。显然不是主菜而是“饭前小吃”或“甜点”。不言而喻，其“主菜”还是传统的模式，最多是天然气CHP。执行这样的规划必然将面临天然气“用不起”，燃煤“压不下来”，能效提高极其有限，天然气下游市场很难拓展的尴尬局面。

本文将论述在向低碳过渡的起步时期，特别是“十二五”期间，发展天然气分布式冷热电联供能源系统以及LNGV是中国能源战略的核心。

二、从热电联产到冷热电联供的历史进程[3][4][5]

“热电联产”（ Cogenerated Heat andPower, CHP）是从一次能源到终端利用领域的一项系统技术；产生于煤占世界一次能源60%以上的19到20世纪之交；来源于对燃煤蒸汽轮机（ST）占燃料能量1/3的大量低温冷凝潜热未能利用；另一方面燃料直接生产工业用蒸汽能耗很高的改进。于是采用提高背压或者抽汽的方式，高压蒸汽先发电，再抽出低压蒸汽供热。与单纯发电和锅炉供热比较，燃料利用总效率大大提高。以“热电比”为其性能指标。

“分布式供能系统”（Distributed EnergySystem，DES）和“冷热电联供”（CompoundSupply of Cold ,Heat & Power, CCHP），则是上世纪70年代后期，一次能源煤占第一的位置已被石油取代，天然气快速发展，燃气轮机（GT）、内燃机（IE）和热泵等各种能源转换、利用技术有了飞跃发展之时，由能源价格不断上涨而推动发展起来的新一代能源系统技术。冷热电联供是分布式供能系统的主要特征，所以常称分布式冷热电联供能源系统。其典型模式是在燃气轮机/内燃机发电+余热锅炉/汽轮机—发电+抽汽的基础上，运用包括热泵等各种能源利用技术、各种组合方案构建的、满足用户所有冷、热、电、汽终端需求的能源终端供应系统。经济性和能源利用效率是其主要评价指标。

CHP是CCHP的基础和初级阶段。其目标止于“联产”，而并不深究产出的蒸汽用地是否合理。CCHP对能量利用的认识则进了一大步；其目标是通过在整个系统安排科学地、优化地用能，实现从一次能源到终端利用全过程的最高能效和最大经济效益。从“联产”到“联供”是一次能源到终端利用系统技术的一次重大的飞跃，绝不是可以随便叫的“一字之差”。概括地可以表示为：

CCHP = CHP + 科学用能、系统优化。

CHP产生于煤为主的时代，DES/CCHP产生于天然气为主要一次能源的时代。两者相差几十年。其实燃煤也能采用DES/CCHP，只不过以前还没有深刻的认识和先进的技术。伴随着人类开始向低碳能源转型，DES/CCHP的主要一次能源也将逐渐由天然气向核能和可再生能源转化。但这是一个更长的历史进程。后面还会论述DES/CCHP与一次能源转型的关系。

三、能源生产和供应的集中与分散两种途径的辨析[6]

电力生产集中（大）还是分散（小）之争已经持续了十几年。随着对电力的需求越来越大，电厂规模朝着高效率、低单位投资的大型化方向发展。超超临界煤电和核电，单机组规模已达1GW，电站规模达到几个GW。输电线路远达数千公里，大电网覆盖上百万平方公里的范围。

1999年台湾地震引起的大停电，2003年相继发生的美、加东部大停电，意大利大停电等事故，引起了越来越多的对这种系统安全性的怀疑和争论。为了保障供电的可靠性，发达国家纷纷在用电负荷中心建设几十到上百MW 规模较小“分散式电源”（Decentralized Power Source，DPS），以保障大电网故障时的供电。规模较小的DPS单位造价比大机组高；但是它发出的电可以在10kV配电网内或T-接到邻近10kV电网就地直供；不用升压到500—800 kV远程输送、再降压使用。因而总体上的经济效益并不低于前者。照WADE的统计，在美国和欧洲，电网的投资为$1380/kW，高于电厂的投资$890/kW；全世界电网传输损失平均为9.6%，在负荷高峰时更达20%[4]。因此DPS就地直供电大大减少电网的投资、损耗和运行费用；不仅保障安全供电，而且经济性好。

大与小的数量界限是相对的，不同的一次能源有不同的分野。例如，几台单机600MW---1GW构成的基荷煤电站是集中的，2台300—350MW的CHP机组就是分散的。多台380--400MW的9F级天然气调峰电站是集中的，2—3台100 MW左右（50—180MW, 例如GE的ML2500到9E）天然气DES/CCHP能源站就是分散的。多台几十到几百MW水轮机构成的GW级水电站是集中的，总量几十MW的小水电站是分散的。几十MW的光伏发电算集中的，KW级的住宅屋顶光伏算分散的。集中的风电场可达几个GW，分散的可以是几十MW。

与电力生产不同，大城市用户空间布局密集的终端能源供应系统集中（大）好还是分散（小）好，是没有争议的。百MW级的集中供暖系统（Centralized Warming System，CWS）远远优于<10MW的小锅炉和<0.1MW的户式壁挂炉。日本10多年的总结肯定了商业中心区域供冷（DistrictCold System，DCS）效率比楼宇式中央空调或分体空调高10%以上。百t/h级的大工业锅炉集中供蒸汽优于<10 t/h级的小锅炉供汽。这都已是不争的事实。大型设施的高效率，多种用户负荷的同时系数小，以及多台并联系统中大部分单机均可满负荷运行等优势所节省的能耗、投资、占地和人工费用，远超过输送距离远所增加的能耗和投资费用。这已是世界上共同的发展趋势。

四、区域型分布式供能系统是分散发电与集中供冷热蒸汽的结合[6] [7]

区域型分布式冷热电联供能源系统 （DistributedEnergy System with Compound Cold, Heatand Power, DES/CCHP）是最高效率的分布式供能系统，它实质上就是上述分散式发电DPS与集中式供冷、热、汽、暖CWS, DCS等的结合。这种系统同样可大可小。太小了就失去了集中式供冷热暖CWS, DCS的优势。太大了介质输送过远也不经济。冷、热、暖、汽都有各自的经济输送距离。按照建设部规范，DCS 5-12°C冷水输送距离<1.5km，但是一个能源站可以带几个DCS。蒸汽和采暖热水经济输送距离一般是8 --10 km。按此测算，最大的DES/CCHP可以覆盖几十 km2的范围、数十万人口；依照产业规模而定的电力装机一般可达百 MW级。这种结合，集成了冷热电汽高效、科学、梯级生产和就地直供两方面的优势，所以能够达到最高的能效、最大的经济效益。

五、中国“十二五”应当重点发展什么样的DES/CCHP？

不同区域的大小、气候、产业和经济条件各不相同，对冷热电汽的需求和比率关系也各不相同，并且随季节而变化。所以每个区域的DES/CCHP都有其特殊性；需针对其特定的条件和需求制定优化的、柔性的结构和运行方案。

这种理想的、按照整个区域内冷热电汽需求制定优化的联供方案的情况，只有在新规划的工业园区、或新城区时才能实现。处于工业化和城市化中期的中国“十二五”期间，恰恰好就有这样的、几乎是空前绝后的机遇。由于中国人口众多，新区的工业、居住区、商业中心CBD三种功能区都是规划在一起的；而且绝大多数居民都住在密集的住宅小区公寓楼里。这就提供了冷、暖、热水、蒸汽多种负荷集成互补、能够充分梯级利用能源的最好条件。何况中国并不是西方的“自由市场经济”，政府完全可以在所有新区主导高效DES/CCHP项目的规划和建设。

首先开创DES/CCHP的西方国家为什么大规模区域性的DES数量较少，而小型的居多呢?首先，西方的工业、居住区、CBD三种功能区是彼此分割的；住宅都是分散的、私人占有的“别墅”，难以集约化供能。因此他们的大型DES/CCHP只能分别用于新建的工业区或新规划的CBD。其次，DES始于1970年代末，那时西方的城市和产业早已成熟定型；很少有当前中国这样大批建新区的机会。于是只能“见缝插针”，有什么条件就建什么规模的项目。美国2000年的980个、总装机4.9GW公共建筑DES项目中，用于新规划CBD的平均装机容量78 MW的区域性项目只有27个，却占到了装机容量的42.8%；近80%却都是小于1MW的。例如一个麦当劳店的冷热电需求约300kW。但是另外的1016个工业CCHP项目，总装机45.5 达GW，平均装机容量约45 MW，并不小。丹麦500万人，国土面积5万平方千米。有1/5人口的首都哥本哈根的绝大多数建筑也是5层的老房子。丹麦的集中式电源点从1985年至今保持在18个，但却新建了数以百计的、显然全都是小规模的天然气DES/CCHP。

主张DES局限于“楼宇型”或“用户型”的观点援引的论据是美国等发达国家的DES/CCHP绝大部分都是小型、微型的；并且都能够有很大的经济效益。他们不解中国大部分“楼宇型”、“用户型”DES/CCHP都赔钱，并把原因归咎于发电不能上网。其实不然。以美国同中国来比较。两国工人工资以本国货币计算，差不多都是几千元/月。但美国发电和工业用天然气价只有20-30 美分/m3，中国却高达人民币2-3￥/m3。另一方面，DES的核心设备— —天然气燃气轮机或内燃机在美国是用美元计价的，进口到中国后其人民币价格就高了6-7倍。所以，同样的系统构成在美国经济效益良好，在中国就不行，尽管在中国其它设备和施工费用较低。至于发电上网，在中国天然气价和设备价格下，联合循环效率达到50%以上的9F机组上网售电都是亏损的，要靠0.2-0.3元/kWh不等的补贴才能运行。效率低、单位投资高数倍的小DES就更不用说了。有人尝试DES孤网运行，发电自用、替代价格较高的网电。但是在一个有限的小区域内,做到DES/CCHP系统能够随着昼夜、四季冷、热、汽特别是电的需求数量和比率的实时变化而达到供需平衡、并有可靠的保障，是极其困难的。因此，中国不能照抄国外的模式，必须依据国情探索自己的发展之路。DES是“矢”，解决中国严峻严峻的能源问题是“的”。充分利用中国极好的建设大型、高效DES的历史机遇、“有的放矢”，发展怎样的DES/CCHP其实无需争论。没有必要刻意模仿为了丹麦或美国之“的”而大部分采用的小型DES之“矢”。

至于在现有的老区，则可以根据各个城市具体的、不同的情况，从实际出发，以经济性、能效最高为准则制订各种小型DES/CCHP的方案。不必拘泥于一个“楼宇”或“用户”。因为并没有法律限制CCHP项目业主向周边的其它“楼宇”或“用户”供应冷、暖、热水或蒸汽，只要能够找到管线的路由，双方都有经济效益。并且摆脱“必须采用蒸汽吸收制冷”的思维定势；DES/CCHP白天发电自用和制冷制热、尽可能开拓外部市场；夜间停机改用网上低谷电制冷热外供，加上系统匹配得好，和采用国产的天然气内燃机，小DES/CCHP也可以赢利。

六、燃煤热电联产能否改造为冷热电联供？

燃煤CHP是上世纪早期采用的，实际上是DES/CCHP的“初级阶段”。只要真正掌握“科学用能，系统优化”的理念和方法，就完全可以把原来“联产”的蒸汽“高能低用”的状况改造为“温度对口，梯级利用”的CCHP。

例如，目前我国北方2台300MW的CHP机组，抽1Mpa左右的蒸汽，规划的供暖面积是1200万m2。如果充分利用乏汽的冷凝潜热，采用多级抽出低压蒸汽、逐级加热到100°C以上（温度参数随输送距离优化），在供热端用吸收热泵式换热器与三次供暖循环水换热，供暖面积完全可以扩大到1800万m2以上[7]。其实，热力学第二定律指出，“科学用能，系统优化”、“温度对口，梯级利用”的关键参数是各级换热设备采用“最优传热温差”。由于能源价格上涨速度远远快于设备价格上涨速度，因而相对应的“最优传热温差”越来越小。例如，在目前的价格下，用板式换热器洁净的水—水换热和汽—水换热的“最优传热温差”已为2-3°C（因不同材质、压力等级和经济条件而异）。可是目前大部分CHP项目抽汽加热供暖循环水的传热温差高达50—100°C，还是典型的“高能低用”。改造潜力是很大的[8]。

七、可再生能源、核能与分布式供能的关系及走势[6]

前已述及，分布式供能系统的实质是分散式发电DPS与相对集中式供冷热暖的结合。迄今世界使用的能源88%（中国是92%）是化石能源。其余是核能和可再生能源，其绝大部分都还是通过集中发电（核电、水电、风电等）而利用的。直接用于终端供能的（太阳能热水器、光伏屋顶、沼气炊事等）占比极小。

但是，随着气候变化促使人类向低碳能源转型，可再生能源及核能在总能耗中的份额，到本世纪中叶就有可能达到40%左右；到本世纪末达到70-80%。相应地，可再生能源及核能在DES/CCHP项目中的比率肯定也将越来越高。

按照本文第3节的分析，可再生能源同样有集中和分散利用两种模式。不过由于科技进步加速，几十年之后在DES/CCHP项目中分散利用的可再生能源技术将与现在大不相同。例如，以百MW级太阳能热发电为基础的DES/CCHP有可能在一个小城镇就地直供冷热电汽，就像现在的天然气DES一样。核能也可以分散利用，现在的核潜艇、核动力航空母舰就是一例。未来百MW级先进的核能DES/CCHP就地直供冷热电汽未必没有可能。直接利用的如：1-2类太阳能地区或风资源丰富地区的光伏屋顶发电、风电将直接与配电网联接，供终端用电；被动式太阳能 + 蓄热材料将把白天的太阳辐射保存到夜间释放；高效蓄冷材料反之。顺便说，未来终端用能技术将使总能效更高，在生活更舒适、生产规模更大的同时，能源需求反而减小。此外，未来大电网上的主力电源也将是可再生能源及核能，而不是化石能源了。但这个转变过程是在几十年内随着科技进步而逐渐发生的。从概念出发，在当前可再生能源只占全中国总能耗8%情况下，不问地缘条件，刻意要求在DES/CCHP项目占20%的比率，是不切实际的。

八、当前提高中国能源效率的关键举措[9]

迄今许多地方一直是把抓现有企业作为节能减排的重点。对新开发区域的关注点是招商引资和GDP的增长；严重忽略了新区GDP增长的能源保障是依靠天然气DES/CCHP替代煤大幅度提高能效，并且拉动总能效提高。这是向低碳转型的过渡时期，提高中国能源效率的关键举措。落实到具体措施上是：

1、在“十一五”强调热电联产的基础上，在“十二五”规划建设的所有新区，与总体发展规划配合协同，制订好以高效满足所有冷、热、电、蒸汽终端需求为目标、以DES/CCHP为主要内容的区域能源规划。必须跳出单纯搞CHP所依托的供热规划的局限，而要以保障区域内电力供应可靠性和调峰为龙头；实现DES/CCHP与电力系统的协调配合、互利共赢。使新区工业和建筑物能效至少达到70%以上。根据新区对GDP 贡献的比率就可以推算出对全局能效的巨大拉动作用[2] [10] [12]。

2、现有的，特别是“十一五”期间规划和建设的、不在大城市中心地区的2台300–350 MW燃煤CHP项目，不论是单纯供暖的还是工业的，在很多情况下都能够按照上述科学用能、系统优化的理念和方法，辅以不同规模的天然气机组，改造成CCHP的分布式供能系统，使能效显著提高。

3、在现有老城区，如本文第4节所述，不必拘泥于一个“楼宇”或“用户”，可从实际出发，因地制宜，规划和建设规模为MW级左右，不上配电网售电、但可向周围“楼宇”或“用户”供应冷、热的小型DES/CCHP。这在“十一五”期间规划和建设的开发区比较容易实现。因为这些新区容积系数较小，道路绿化带较宽，落实冷热水管的路由并不困难。

4、此外，在占终端用能第三位的交通运输耗能向低碳转型的起步阶段和过渡历史时期，即2030年之前，采用压缩天然气、特别是LNG替代汽柴油，对提高能效和抑制石油对外依存度过快攀升具有重大战略意义[13]。

在切实转变经济增长方式、优化产业结构的前提下，作好以上几点，不仅能效可以较快提高，一次能源构成较顺利优化转型，而且CO2减排的目标也能够顺利完成。跳出传统的能源技术的思维定势，坚信科技进步是推动人类社会发展的第一生产力，就不会把节能减排同经济发展对立起来，而能够顺应和推进科技进步的潮流，与时俱进，为中国在与世界同步向低碳转型的历史进程中崛起而贡献力量。

参考文献：

[1]、中国能源报，2012.1.16，2版

[2]、华贲,“十二五”节能减碳任务如何完成？[J]沈阳工程学院学报，2012.8（4），

[3]、华贲，低碳能源时代中国热电联产的发展趋势，[J]沈阳工程学院学报，6（2），97-101.

[4]、华贲，从热电联产到天然气冷热电联供，[J] 中外能源，2011 16 （11） 25--29

[5]、华贲，天然气发电项目分类与审批办法建议，[J]沈阳工程学院学报，2011.7（4），289—293

[6]、华贲，天然气发电与分布式供能系统，[J] 中国电业；技术版 2011 （10），1 – 6

[7]、中国实用新型专利：一种梯级利用汽轮机潜热高效热泵供暖系统，ZL

[8]、华贲、仵浩、刘二恒，基于火用经济评价的换热器最优传热温差，[J]化工进展， 2009.7(28)1142-1146

[9]、华贲，天然气分布式供能与“十二五”区域能源规划,[M] 华南理工大学出版社，2012 4

[10]、华贲，中国分布式能源发展机制创新的历史机遇[J].中国电业；技术版，2010(2)，37-40.

[11]、华贲，区域分布式能源与智能电网安保调峰的战略协同，[J] 中国电业；技术版 2011 （3），1 – 6

[12]、华贲，分布式能源与电网优化配置和供电可靠性，中国发电，2011.10,24-26

[13]、华贲，李亚军，从战略高度认识和推进天然气交通运输燃料替代，[J]天然气工业，2012 32 （4）

（本文的一部分刊登于中国发电， 2012 （5）18-19.题名为“发展分布式供能是中国“十二五”能源战略的核心”）