分布式新能源系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域供能方面的應(yīng)用

文_曹世青 山東經(jīng)典建筑設(shè)計有限公司

在國家“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略背景下，建筑領(lǐng)域供能碳排放占到建筑業(yè)碳排放的1/4，供能系統(tǒng)的低碳或零碳在建筑領(lǐng)域雙碳目標(biāo)達(dá)成起著至關(guān)重要的作用，鑒于當(dāng)前我國北方城市集中供熱能耗高、管路長、污染物排放量大和維護(hù)量大的特點，提出了適用于節(jié)能減排、供能電氣化和儲能技術(shù)相結(jié)合的分布式新能源系統(tǒng)，為建筑領(lǐng)域供能方案和減碳技術(shù)措施提供參考。

1 當(dāng)前北方城市集中供熱現(xiàn)狀

1.1 總建設(shè)投資大，占用城市空間

集中供熱建設(shè)投資，包括能源站和城市管網(wǎng)投資，即使中小城市建設(shè)集中供熱站，動輒也需投資幾千萬、數(shù)億甚至十幾億元。已建成集中供熱設(shè)施，如欲擴大供熱面、維修升級設(shè)備，投資更是不菲。

1.2 熱源效能不理想環(huán)保不達(dá)標(biāo)

集中供熱的熱源都來自傳統(tǒng)的大燃煤鍋爐，而鍋爐房需要建設(shè)高大的煙囪，煤炭消耗量、煙塵和二氧化碳等污染排放量大，且多數(shù)地方都沒有安裝脫硫、除塵設(shè)備，同國家節(jié)能減排要求存在差距。

1.3 熱網(wǎng)管道過長熱輸送損耗嚴(yán)重

熱網(wǎng)管道過長，不僅造價高，維護(hù)難，而且遠(yuǎn)距離送熱損耗嚴(yán)重，無論是熱網(wǎng)的固定成本或變動成本都比較大，末端用熱戶受嚴(yán)重制約，缺少靈活性。

1.4 維護(hù)升級費用高

集中供熱管網(wǎng)使用壽命最長為20a，管網(wǎng)維修更換會產(chǎn)生高昂的社會成本，比如對城市地下空間的占用、影響正常道路交通等，帶來諸多不便。

1.5 運行成本高需要政府補貼

集中供熱實際運行成本高，供熱企業(yè)年年虧損，需要政府補貼，地方政府每年都要償付巨額賬單，彌補集中供熱企業(yè)的虧損。

2 “雙碳”目標(biāo)下建筑領(lǐng)域供能實現(xiàn)途徑

2021年3月27日江億院士在第十七屆清華大學(xué)建筑節(jié)能學(xué)術(shù)周公開論壇做的“我國建筑的碳達(dá)峰和碳中和”的報告，總結(jié)指出建筑領(lǐng)域能源供應(yīng)實現(xiàn)碳達(dá)峰、零碳排放的實現(xiàn)途徑。具體如下6 個方面：

①優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，加強建筑保溫，降低供能能耗指標(biāo)。

②使用分布式或區(qū)域集中式能源站，優(yōu)化傳統(tǒng)長距離、大管徑、高溫水的供熱方式，降低管路輸送熱能損耗和用熱端熱不平衡引起的浪費等。

③通過用能結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)建筑用能電氣化，采用多種電動熱泵形式，比如空氣源熱泵、地源熱泵或多種電動熱泵形式相結(jié)合方式，通過技術(shù)創(chuàng)新，提升現(xiàn)有熱泵效率，解決好氣流組織、除霜問題，研發(fā)或引進(jìn)國外性能好、效率高的熱泵產(chǎn)品，力爭以較低的耗能成本，實現(xiàn)建筑供能需求。

④通過與電力系統(tǒng)配合，充分挖掘利用各種余熱資源，實現(xiàn)冬季零碳供熱。

⑤結(jié)合儲能技術(shù)，對于僅白天使用夜間不供能的建筑，在白天用戶熱負(fù)荷不高或有峰谷電價利用谷電低電價政策時，優(yōu)先采用熱泵進(jìn)行蓄熱儲能，供其他時段供熱，按照“平段節(jié)能、谷段儲能、峰段釋能、多能互補”的運行原則，實現(xiàn)熱能的時間遷移，降低供熱耗能成本。

⑥結(jié)合太陽能光伏和智能電網(wǎng)，充分利用建筑表面，特別是建筑屋面，發(fā)展太陽能光伏技術(shù)，利用智能電網(wǎng)，能源系統(tǒng)設(shè)備可在電網(wǎng)優(yōu)惠的時段自動啟動。具有智能電網(wǎng)功能的熱泵會在電網(wǎng)有富余電力的低價時段開啟，并把這些能量以熱水的形式儲存起來，具有此功能的熱泵也可以使用光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力。光伏發(fā)電和智能電網(wǎng)協(xié)同運行，實現(xiàn)電能自產(chǎn)自用，充分利用谷電電價，高峰時富余電量還可上網(wǎng)銷售給國家電網(wǎng)獲取電費和補貼。以上建筑領(lǐng)域供能實現(xiàn)途徑，為建筑領(lǐng)域低碳零碳目標(biāo)實現(xiàn)提供明確指導(dǎo)方向。

3 分布式新能源系統(tǒng)組成及特點

3.1 分布式新能源系統(tǒng)

分布式新能源系統(tǒng)，是相對于傳統(tǒng)集中式供能的能源系統(tǒng)而言的，傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)采用大容量設(shè)備、集中生產(chǎn)，然后通過專門的輸送設(shè)施（大熱網(wǎng)）將各種能量輸送給較大范圍內(nèi)的眾多用戶，而分布式新能源系統(tǒng)則是直接面向用戶，按用戶的需求就近生產(chǎn)并供應(yīng)能量，可提供多種功能服務(wù)，可滿足多重目標(biāo)、多種業(yè)態(tài)的用戶供能需求。

3.2 分布式新能源系統(tǒng)特點

分布式新能源系統(tǒng)靠近熱能終端用戶，簡化了系統(tǒng)提供用戶能量的輸送環(huán)節(jié)，進(jìn)而減少能量輸送過程的能量損失與輸送成本，同時增加用戶能量供應(yīng)的安全性。由于不采用大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸出能量的模式，而是針對具體用戶的能量需求，系統(tǒng)的規(guī)模根據(jù)用戶需求定，按需供能。隨著經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展，特別是可再生能源的積極推廣應(yīng)用，用戶的供能需求開始多元化，同時伴隨著不同能源技術(shù)的發(fā)展和成熟，可供選擇的技術(shù)日益增多。

作為一種開放性的能源系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)可包含多種能源輸入，滿足用戶對高效、可靠、經(jīng)濟、環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展等多種能量需求，實現(xiàn)多個供能目標(biāo)，并可根據(jù)不同場景的需求變化平衡能源供給與使用。

分布式新能源系統(tǒng)靠近熱能終端用戶，分散布置，從熱源取得、管網(wǎng)設(shè)計、智能控制、運行策略等各方面為用戶提供滿足多種需求的能源方案，既關(guān)注熱源的運行效率，又強調(diào)能源傳輸?shù)男剩葷M足清潔無污染的社會要求，又滿足用戶高品質(zhì)多需求的消費需求，是真正面向未來的能源解決方案。

4 不同應(yīng)用場景下的碳排放測算

分布式新能源系統(tǒng)可融入智能電網(wǎng)，系統(tǒng)運行時優(yōu)先利用自產(chǎn)電力，也可在電網(wǎng)有富余電力的低價時段開啟，并把這些能量以熱水的形式儲存起來，系統(tǒng)與智能電網(wǎng)協(xié)同運行，實現(xiàn)電能自產(chǎn)自用，充分利用谷電電價；高峰時富余電量還可上網(wǎng)銷售給國家電網(wǎng)獲取電費補貼，既可充分保證能源系統(tǒng)用電需求，又可實現(xiàn)系統(tǒng)運行綜合電價最低，也提升了綠色電力的使用率。

表1 為新能源系統(tǒng)在北方地區(qū)（以北京為例）不同應(yīng)用場景下，冬季供暖碳減排量測算，應(yīng)用場景設(shè)定有住宅、寫字樓、酒店和綜合商業(yè)，建筑節(jié)能公建按照65%節(jié)能，住宅按照75%節(jié)能核算，熱源站管網(wǎng)傳輸損耗和不平衡率損耗按照25%計，燃煤鍋爐效率按80%計。

表1 不同應(yīng)用場景下的碳減排量測算

由表1 計算出，北京地區(qū)10 萬m2住宅小區(qū)冬季供暖，供暖時間120d，每個供暖季可實現(xiàn)碳減排3350t，按照當(dāng)前52 元/t 的CCER（國家核證自愿減排量）交易計算，每年可實現(xiàn)約17.4 萬元的碳排放權(quán)指標(biāo)。

5 結(jié)語

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，分布式新能源系統(tǒng)可作為北方地區(qū)傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的補充與升級，為有更高需求的用戶提供高品質(zhì)、多元化的供能需求，結(jié)合節(jié)能減排、綠色電力和儲能技術(shù)，實現(xiàn)低碳環(huán)保、高效清潔的建筑領(lǐng)域供能。雖然系統(tǒng)運行高效、應(yīng)用靈活、適用性強，但基于能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性，對設(shè)備性能、系統(tǒng)優(yōu)化和智能化控制提出更高的要求，需要持續(xù)不斷地設(shè)備更新、技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化改進(jìn)，以確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定可持續(xù)運營。