城市重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域綜合能源技術(shù)應(yīng)用與推廣

陳慶文　李兆瑜　沈高

摘要： 在“雙碳”背景下，城市發(fā)展必然需要考慮到自身用能結(jié)構(gòu)的變化。城市用能需求十分復(fù)雜，而新型的綜合能源系統(tǒng)通過將電力、燃?xì)狻⒅评涞认到y(tǒng)因地制宜地規(guī)劃與統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，在保證城市經(jīng)濟(jì)生活平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，可提高整個(gè)系統(tǒng)供能的靈活程度，從而提高能效、降低碳排放。簡要介紹綜合能源系統(tǒng)技術(shù)，對廣州市某重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域未來規(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合效益分析。經(jīng)估算，集中供冷可實(shí)現(xiàn)年轉(zhuǎn)移尖峰電量2 670 萬kW·h，節(jié)約標(biāo)煤約8 758 t/a，減少二氧化碳排放約2.7 萬t/a。基于區(qū)域特點(diǎn)，探索建設(shè)天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)、分散式儲能、光伏等多種能源設(shè)施，發(fā)揮多能互補(bǔ)、節(jié)能安全、靈活的作用。在項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營管理方面，與區(qū)域規(guī)劃的銜接、穩(wěn)定的簽約供冷用戶和完善的用戶側(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可為項(xiàng)目后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。

關(guān)鍵詞： 綜合能源系統(tǒng) 集中供冷 分散式儲能 綜合效益分析

中圖分類號： TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0181-05

截至2022 年，中國城市化率已達(dá)到65.22%，據(jù)《2023 年中國百強(qiáng)城市排行榜》，2022 年百強(qiáng)城市共實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值84.87 萬億元，約占國內(nèi)生產(chǎn)總值的70.16%，城市在國民經(jīng)濟(jì)生活中正占據(jù)著越來越重要的地位。與此同時(shí)，在雙碳背景下，城市的碳排放問題也亟待解決，據(jù)2016 年國際能源署的統(tǒng)計(jì)，約71% 的溫室效應(yīng)氣體排放與城市相關(guān)［1］。對城市地區(qū)能耗進(jìn)行調(diào)控，綜合使用可再生能源與傳統(tǒng)能源，對城市地區(qū)穩(wěn)定輸出冷、熱、電的綜合能源系統(tǒng)將是未來新型能源體系的發(fā)展方向［2］。

城市的能源需求復(fù)雜［3］，傳統(tǒng)的電力、制冷系統(tǒng)間幾乎不相互協(xié)調(diào)，即在每棟建筑或者多棟建筑組成的耗能單元內(nèi)部具有獨(dú)立的供能系統(tǒng)，這樣分散的能源供應(yīng)體系降低了能源利用效率。新型的綜合能源系統(tǒng)可以因地制宜，通過需求選配上述供能系統(tǒng)，如冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、光伏或風(fēng)電系統(tǒng)、熱泵等能源供應(yīng)設(shè)備，對上述多個(gè)耗能單元進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配。它的好處在于可以利用各種不同能源的協(xié)同與互補(bǔ)作用進(jìn)行系統(tǒng)的整體性設(shè)計(jì)，以此大大提高整個(gè)系統(tǒng)供能的靈活程度，從而提高能效、降低碳排放。如廣州珠江新城核心區(qū)集中供冷項(xiàng)目［4］，使用集中供冷+蓄冰儲能，不僅為用戶節(jié)約了制冷機(jī)房面積，且實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的功能，達(dá)到了預(yù)期社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；北京懷柔雁棲鎮(zhèn)的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項(xiàng)目［5］，滿足了酒店對于冷、熱、電的多種負(fù)荷需求，經(jīng)濟(jì)效益好。

此外，隨著數(shù)字化和智能化設(shè)備的發(fā)展與引入，能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在城市可持續(xù)綠色發(fā)展的轉(zhuǎn)型中也是一種具有前景的解決方案［6］。該系統(tǒng)通過使用大量傳感器，將水、電、氣各個(gè)子系統(tǒng)納入同一平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交互，通過大數(shù)據(jù)分析、智能規(guī)劃、自動化監(jiān)測、智慧節(jié)能等多種手段，全方位對能源進(jìn)行管控，讓管理者實(shí)時(shí)掌控建筑的能源成本比重、耗能趨勢，利于提高建筑的能源利用效率并降低日常管理中的能耗成本。如延長石油1GW 風(fēng)光氣氫牧能源互聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)示范項(xiàng)目和廈門火炬開發(fā)區(qū)“一區(qū)多園”“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源+智能制造產(chǎn)業(yè)融合試點(diǎn)示范項(xiàng)目等，都是通過綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)支撐，進(jìn)行實(shí)時(shí)的能源調(diào)度運(yùn)行，最終優(yōu)化生產(chǎn)流程并提高使用效率。

眾多研究和實(shí)際項(xiàng)目成果可以看出，綜合能源系統(tǒng)中不同能源之間相互搭配靈活，同時(shí)搭配能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過各類能源高效管控和耦合，達(dá)到系統(tǒng)降本增效、穩(wěn)定綠色運(yùn)行的目的。本文基于廣州某重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域，結(jié)合實(shí)際規(guī)劃綜合能源系統(tǒng)，對集中供冷綜合效益進(jìn)行了分析，探討了能源設(shè)施的配置，最后提出項(xiàng)目推廣的保障因素。

1 區(qū)域簡介

本案例位于廣州市某重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域，總面積約15 km2，是廣州黃金三角區(qū)的重要組成部分。其地處珠江前航道與官洲水道交匯之處，區(qū)域內(nèi)有磨碟沙涌、黃埔涌等河涌水系，周邊水網(wǎng)密布，江、河、湖岸線總長277 km，區(qū)域內(nèi)包括城市干線、地鐵和客運(yùn)口岸等正在建設(shè)，待項(xiàng)目建成投入運(yùn)營后，區(qū)域交通樞紐功能將明顯增強(qiáng)，城市功能配套將日益完善。

商業(yè)區(qū)域分為四個(gè)片區(qū)，西區(qū)、中區(qū)發(fā)展已趨于成熟，東區(qū)、南區(qū)尚處于概念城市設(shè)計(jì)階段，東區(qū)總面積約3 km2，定位為數(shù)字經(jīng)濟(jì)與總部經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新合作區(qū)，南區(qū)總面積約4.5 km2，定位為創(chuàng)新融合拓展區(qū)。東區(qū)、南區(qū)以高密度的商務(wù)辦公高層建筑為主，整體用能主要集中在商務(wù)建筑工作時(shí)段，日峰谷特征明顯且呈階躍特征，區(qū)域用能時(shí)段通常在工作日的6∶00—22∶00 之間，在9∶00—17∶00 之間處于峰期，夜間22∶00 至次日6∶00間處于谷期，具有與集中供冷站點(diǎn)和管網(wǎng)規(guī)劃銜接的有利條件，是布局綜合能源系統(tǒng)的良好應(yīng)用場景。

根據(jù)城市建設(shè)和用能情況分析及規(guī)劃，此區(qū)域?qū)儆诘湫偷哪茉聪M(fèi)端、負(fù)荷集聚區(qū)，區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)商業(yè)辦公建筑約830 萬m2，擬建設(shè)以集中供冷為主同時(shí)因地制宜配置天然氣三聯(lián)供、電化學(xué)儲能、充電樁、光伏、熱泵、小型風(fēng)電等元素的多種類型能源融合的綜合能源系統(tǒng)。

2 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 集中供冷

區(qū)域集中供冷系統(tǒng)是由一個(gè)或者多個(gè)具有大型水冷機(jī)組的供冷站、對應(yīng)的輸送和換熱管路組成的龐大系統(tǒng)，其管路中流通的載冷劑通常為水，冷水經(jīng)由泵等輸送，通過熱交換將冷量輸送至用戶端，其優(yōu)點(diǎn)具體如下。

（1）用戶無須再設(shè)置獨(dú)立的制冷單元，區(qū)域集中供冷可以極大地減少建筑內(nèi)放置制冷設(shè)備所需的建筑面積與購置設(shè)備所需資金。由于集約利用建設(shè)空間，考慮用冷同時(shí)率等因素，相對于傳統(tǒng)獨(dú)立供冷系統(tǒng)，冷站機(jī)房和冷卻塔建設(shè)面積可分別減少20% 和40%。

（2）配套冰蓄冷設(shè)備，充分利用峰谷特性提升能源系統(tǒng)設(shè)備利用率、運(yùn)行效率和投資運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（3）同時(shí)通過配置包含小型風(fēng)光發(fā)電、電化學(xué)儲能和天然氣三聯(lián)供等系統(tǒng)，組合而成的以區(qū)域集中供冷為主的綜合能源系統(tǒng)，其不僅達(dá)到降本增效、穩(wěn)定綠色運(yùn)行的目的，同時(shí)極大改善系統(tǒng)的能效并增強(qiáng)其社會效益。

例如：廣州珠江新城核心區(qū)集中供冷項(xiàng)目［4］，其總裝機(jī)容量為4.2 萬冷噸，在2019 年夏季最高可削減18MW的峰值電力負(fù)荷，并轉(zhuǎn)移37.72 GW·h峰值電力負(fù)荷至低谷時(shí)段；深圳某區(qū)域集中供冷項(xiàng)目［7］，通過搭配蓄冷技術(shù)，其每年可轉(zhuǎn)移高峰電量1105萬kW·h，按照火電折標(biāo)系數(shù)0.3619 kgce/kW·h計(jì)算，可每年節(jié)約3 999 tce。

2.2 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)東區(qū)、南區(qū)用能需求預(yù)測，按照以集中供冷為核心，配置天然氣三聯(lián)供、電化學(xué)儲能、光伏、熱泵、小型風(fēng)電等元素的多種類型能源融合的綜合能源系統(tǒng)，其中，利用配置的小型風(fēng)電、太陽能光伏和外部電網(wǎng)購電滿足本區(qū)域電力負(fù)荷，利用天然氣三聯(lián)供、集中供冷站、電熱泵等滿足本區(qū)域冷、熱負(fù)荷。詳細(xì)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

此區(qū)域綜合能源系統(tǒng)通過能耗在線監(jiān)測統(tǒng)計(jì)每日運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度，通過結(jié)合區(qū)域當(dāng)?shù)刭Y源稟賦，可以實(shí)時(shí)調(diào)控區(qū)域內(nèi)部各設(shè)備的用能。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)可以通過各時(shí)段分時(shí)電價(jià)，在谷段進(jìn)行電化學(xué)儲能，在尖峰用電時(shí)段對用戶和集中供冷站進(jìn)行供電，可以達(dá)到削峰平谷的目的。同時(shí)，集中供冷站也包含一部分吸收式制冷系統(tǒng)，通過天然氣三聯(lián)供輸入的熱能進(jìn)行供冷。

根據(jù)城市概念規(guī)劃東區(qū)預(yù)計(jì)商業(yè)建筑面積約600 萬m2。根據(jù)區(qū)域用能特性預(yù)計(jì)需要建設(shè)“四站、多能、一系統(tǒng)”，即4 個(gè)集中供冷站點(diǎn)、天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)、儲能、充電樁、光儲充一體、熱泵、光伏、小型風(fēng)電等多種能源設(shè)施和一個(gè)智慧能源控制系統(tǒng)，其中，4 個(gè)供冷站點(diǎn)計(jì)劃建設(shè)總裝機(jī)容量13 萬冷噸。

南區(qū)商業(yè)建筑面積約230 萬m2，按照區(qū)域用能特性預(yù)計(jì)需要建設(shè)2 個(gè)集中供冷站點(diǎn)、儲能、充電樁、光儲充一體、熱泵、光伏、小型風(fēng)電等多種能源設(shè)施，并接入到東區(qū)智慧能源控制系統(tǒng)，形成區(qū)域內(nèi)能源智慧統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理。其中，2 個(gè)供冷站點(diǎn)計(jì)劃建設(shè)總裝機(jī)容量5 萬冷噸，對南區(qū)商業(yè)體實(shí)施集中供冷。

2.3 集中供冷綜合效益分析

本區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)約18 萬冷噸的區(qū)域集中供冷設(shè)備（配套冰蓄冷）可有效降低電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，減少電力裝機(jī)容量。根據(jù)比例估算［8］，項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)區(qū)域年轉(zhuǎn)移尖峰電量2 670萬kW·h，按每度電節(jié)約0.328 kgce、減少二氧化碳排放0.997 kg 計(jì)算［9］，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤約8 758 t/a，減少二氧化碳排放約2.7 萬t/a。同時(shí)還可有效減少制冷機(jī)房、變配電站等設(shè)施和占地面積，降低了項(xiàng)目整體支出，提升了系統(tǒng)整體收益。

3 能源設(shè)施配置

基于城市重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域高用能體量和負(fù)荷需求分析，整體構(gòu)建“電冷聯(lián)供、點(diǎn)面協(xié)同”的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，具體如下。

3.1 天然氣分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)

分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)是一種基于清潔燃料應(yīng)用與能量梯級利用理念的清潔、高效的能源生產(chǎn)供應(yīng)方式。分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)通常以天然氣為燃料（技術(shù)成熟時(shí)可采用氫能），在燃料發(fā)電的基礎(chǔ)之上，通過引入余熱回收、吸收制冷等技術(shù)，向用戶輸出電、冷、熱水，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)清潔燃料的梯級合理利用，有效提高能源綜合利用效率（可達(dá)到70% 及以上），且近負(fù)荷端布置削減了能量傳輸損耗，是節(jié)能減排的重要途徑。在區(qū)域內(nèi)預(yù)留天然氣三聯(lián)供機(jī)組的建設(shè)空間，結(jié)合自發(fā)自用模式，兼顧多能聯(lián)供、安全保障、黑啟動等多種功能。

3.2 分散式儲能調(diào)峰輔助系統(tǒng)

分散式儲能調(diào)峰輔助系統(tǒng)作為區(qū)域綜合能源集中供能系統(tǒng)在用戶終端側(cè)的輔助支持，與區(qū)域集中式供能系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源系統(tǒng)運(yùn)作的整體最優(yōu)化。分散式儲能系統(tǒng)可采用衛(wèi)星冷站、單棟建筑集中冷能系統(tǒng)等的多種建設(shè)形式，所有方、運(yùn)作方可為能源供應(yīng)商、物業(yè)管理方、用能企業(yè)等多類相關(guān)方，靈活度高、強(qiáng)調(diào)互動型。

分散式儲能輔助系統(tǒng)主要可分為分散式儲能設(shè)備與分散式調(diào)峰補(bǔ)供設(shè)備兩個(gè)大類，其中分散式儲能設(shè)備優(yōu)先采用電儲能設(shè)備，主要用于負(fù)荷調(diào)峰、電價(jià)錯(cuò)峰和服從上級調(diào)度參與區(qū)域需求響應(yīng)等；分散式補(bǔ)供系統(tǒng)主要為分散式的高能效、低能耗電制冷機(jī)組，用于短時(shí)尖峰負(fù)荷期間或在集中供冷系統(tǒng)輻射弱效率低的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)供。具體的分散式輔助系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)形式需結(jié)合具體地塊的建設(shè)條件、功能以及建筑建設(shè)方案，并與地塊所有方、建筑所屬企業(yè)進(jìn)行充分的溝通協(xié)商而確定適宜的配置與互動方案。

3.3 分布式光伏系統(tǒng)

光伏設(shè)施為區(qū)域中主要的本地可再生能源利用設(shè)施，根據(jù)區(qū)域建設(shè)條件，可考慮采用屋頂光伏以及光伏建筑一體化，具體建設(shè)規(guī)模與建設(shè)形式應(yīng)與區(qū)域內(nèi)建筑設(shè)計(jì)方案同步制定、配合考量。

在能源設(shè)施選址方面，城市重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域的定位高端，對土地的集約利用、視覺美化、噪聲治理、去工業(yè)化和建筑的商業(yè)價(jià)值等方面具有更高的要求，除冷卻塔等少量設(shè)施需要利用地面或屋頂空間外，冷站主要設(shè)施選址優(yōu)先布點(diǎn)在公共綠地的地下空間。

4 綜合能源系統(tǒng)推廣策略

在城市重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域推廣綜合能源系統(tǒng)時(shí)重點(diǎn)考慮以下保障因素：將區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)作為重要的市政公用基礎(chǔ)設(shè)施，納入?yún)^(qū)域總體發(fā)展規(guī)劃、土地控規(guī)和管網(wǎng)規(guī)劃中，為項(xiàng)目建設(shè)提供足夠的建設(shè)場地；通過制定并實(shí)施供冷管理辦法，確保所在區(qū)域商務(wù)建筑接入集中供冷系統(tǒng)，保障項(xiàng)目擁有穩(wěn)定簽約供冷用戶，降低項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)；加強(qiáng)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，規(guī)范終端用戶供冷冷源參數(shù)、系統(tǒng)與用戶連接方式、控制與調(diào)節(jié)方式和計(jì)量等。在區(qū)域內(nèi)土地開始出讓時(shí)，區(qū)域集中供冷系統(tǒng)籌建工作需同步啟動，與用戶建筑同步施工建設(shè)，先于區(qū)內(nèi)首棟建筑建成投產(chǎn)，以此保障首批用能單位按時(shí)按需用能。

5 結(jié)語

在未來的城市重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域建設(shè)中，通過引入綜合能源系統(tǒng)等，按需求進(jìn)行合理調(diào)配能源，可降低用能成本，改善用能結(jié)構(gòu)的目的。針對廣州某重點(diǎn)商業(yè)區(qū)域的規(guī)劃概況，擬建集中供冷系統(tǒng)，同時(shí)配備冰蓄冷，綜合效益分析計(jì)算表明：區(qū)域集中供冷可實(shí)現(xiàn)區(qū)域年轉(zhuǎn)移尖峰電量2 670 萬kW·h，節(jié)約標(biāo)煤約8 758 t/a，減少二氧化碳排放約2.7 萬t/a。在能源設(shè)施配置方面，對于未開始大規(guī)模建設(shè)且電網(wǎng)主網(wǎng)建設(shè)不完善的區(qū)域，探索建設(shè)天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)和智能配網(wǎng)，與集中供冷、分布式光伏、電化學(xué)儲能等元素組成源網(wǎng)荷儲一體化系系統(tǒng)，發(fā)揮多能互補(bǔ)、節(jié)能安全、靈活的作用。綜合能源系統(tǒng)推廣保障因素主要考慮項(xiàng)目與總體發(fā)展規(guī)劃、土地出讓協(xié)議的銜接，保證簽約項(xiàng)目供冷用戶的數(shù)量，進(jìn)一步完善用戶側(cè)集中供冷管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

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