基于典型商务型园区的区域分布式能源系统应用探讨

周 波 徐佩佩

1.上海市燃气管理处

2.上海电力大学

0 引言

传统的能源系统规划局限于单一的能源形式内部，无法充分发挥能源间的优势互补，能源利用效率、可再生能源消纳、节能减排等问题急需解决[1]-[2]。热电联产单元、能源枢纽及电转气等元件的推广应用，为多能互补、间歇性可再生能源消纳提供了新的解决方案，同时也逐步加深了电力、天然气、热力等能源系统的耦合联系。根据国际分布式能源发展历程，可以把分布式能源分为三代：第一代是传统的热电联产；第二代是区域或楼宇的热电联产；第三代分布式能源是基于互联网的多能源系统，可实现多能源品种（可再生能源和清洁能源）发电，多种形式能源（热、电、冷、热水）输出。在整个能源系统中，建筑既是能源者消费，也是产能者，并通过能源互联网共享资源，贴近用户需求[3]，而上海大虹桥区域能源系统从园区能源供应保障和高效利用的视角考虑园区内的冷、热、电、汽各种终端能源需求的集成优化。

图1 区域综合能源系统典型架构

1 基于商务型园区的区域分布式能源系统模型

商务园区的区域分布式能源系统的整体规划是实现供需平衡、能源互联互通的重点。基于公共交通枢纽特殊地理位置以及用能特点，本文提出智慧能源管理系统，解决不同区域性能源点地理位置分散并且独立运行，彼此间缺乏协调，难免存在资源分配不合理等问题。具体从“源一网一荷一储”视角建立商务型园区的区域分布式能源系统架构如图1，区域综合能源系统关键架构主要有：源，包括清洁高效火电、燃气分布式能源、太阳能、风能、地热能源、生物质能源等；网，包括智能电网、能源互联网；荷，包括需求侧管理、综合用能管理、能源高效利用；储，包括电化学储能、机械储能、热储能、电磁储能、化学储能。

2 虹桥区域能源站案例分析

虹桥区域作为上海市重点开发区域，依托虹桥商务核心区、虹桥综合交通枢纽及国家会展中心两大世界级的功能载体，助推上海国际贸易中心建设，更好地服务于国家长三角一体化战略发展，整体包括虹桥商务中心、国展中心、西虹桥三个区域性能源点，能源站分布如图2。本文从供给侧和需求侧层面进行现状调研与分析，进而形成连接源荷两侧的系统技术架构和设备配置，最后对项目进行全面评估。

图2 能源站分布图

虹桥商务区采用分布式三联供系统，同时采用水蓄冷技术进行供冷、供热、发电，利用内燃机燃烧洁净的天然气发电，采用溴化锂吸收式制冷机组对作功后的余热进一步回收利用，为进博会主场馆就近提供清洁、高效的冷、热能源供应。西虹桥区域以分布式天然气冷热三联供系统为核心，综合蓄能和热泵技术，形成多能互补的区域分布式能源系统。此外，国家会展中心的用能负荷受实际开放的影响，主要设备情况如表1。

表1 能源站主要设备情况

2.1 虹桥商务中心能源站

项目供能以天然气分布式能源为主，辅以光伏、风电等可再生能源，并结合储能技术及装置[4]。1号能源站设于嘉闵高架-建虹路立交范围内，占地面积4 333 m2，总建筑面积约11 360 m2,为地下二层建筑，局部地上一层，设备冷却塔也置于底层敞开的空间。1号能源站采用三联供分布式系统，同时采用水蓄冷技术，供冷能力为70 MW，供热能力为41 MW，总发电量为5.6 MW。

2号能源站设于嘉闵高架—扬虹路立交下，占地面积4 230 m2，总建筑面积约10 646 m2,为地下一层建筑，地上二层局部为有盖顶的房间，其余部分均为开敞空间以放置冷却塔。2号能源站采用分布式供能系统，供冷能力为70 MW，供热能力为43.6 MW，总发电量为5.6 MW。

3号能源站位于北临淮虹路、南临润虹路、东临申虹路、西临规划内部道路，总建筑面积19 218 m2。3号能源站配套的管理用房，设置区域智能能源管理系统平台，未来将成为核心区能源管理中枢及分布式能源系统的展示中心。4号能源站位于申贵路以北、申虹路以西的绿地内,为全地下建筑，地面为绿地，总建筑面积7 900 m2。5号能源站位于申长路以东、规划二号河以南的绿地内，总建筑面积10 000 m2。

经测算，虹桥商务区一期发电量1 250万kWh,供热量1 415万kWh，供冷量3 900万kWh，年平均能源综合利用效率为76.04%，年利用小时数2 507 h，年节能量2 571 tce，节能率22.9%。

2.2 国家会展中心能源站

项目燃气内燃发电机组电力运行方式采用“以冷（热）定电、自发自用、余电上网”的方式，燃气内燃发电机组所发电力在满足能源站运行所需电力外（冷水机、空压机及相关辅机设备），多余电力通过电缆送至市政电网。系统发电同时产生的余热（高温烟气和高温缸套水）通过烟气热水型溴化锂机组加以利用，系统产生的冷量和热量主要供上海国家会展中心使用。该天然气分布式供能系统主要向上海国家会展中心1.4 km2内的室内展厅、商业中心、办公区、五星级酒店区域提供冷、热空调用电，有效地降低了国家会展中心的能耗指标。

本项目溴化锂机组热源为燃气内燃机发电后产生的高温烟气和高温热水，余热经溴化锂机组利用后为展览中心及酒店等提供冷量和热量。项目最大限度地利用发电余热制冷、制热，充分实现了能源梯级利用，效果较好，节能和效益明显。项目年供电61 707 MWh，供热22 028 MWh，供冷26 026 MWh，年平均能源综合利用效率为77.3%，年利用小时数为2 337 h，年节能量为6 414 tce，节能率为26.9%，年 CO2减排量为 34 844 t，CO2减排率为54.8%。总体而言，上海博览会会展天然气分布式能源站项目配置合理、能源综合利用效率高、开机时间充分、余热利用效果好。

2.3 西虹桥能源站

整个西虹桥商务区共规划三个能源站，1号能源站负担96万m2供能，2号能源站负担93万m2供能，3号能源站负担120万m2，供能对象主要为办公、商业及酒店建筑，目前已建成1号能源站并投入使用。1号能源站采用三联供系统、蓄能系统、离心式冷水机组制冷、风冷热泵与水水热泵组合制热相结合的多元供能方式。冷水供回水温度5.5℃/13.5℃，热水供回水温度52℃/42℃。项目除分布式供能系统外，同时配置4台2 076 RT离心式冷水机组、3台制热量4 400 kW，制冷量3 700 kW水水热泵机组，13台制热量1 401 kW风冷热泵机组以及两台4 MW天然气热水锅炉作为备用。夏季水水热泵和离心冷水机组作为分布式供能系统制冷补充，冬季采用风冷热泵+水水热泵串级作为分布式供能系统制热补充。

本项目满负荷状态下年发电量2 115万kWh，年售电量1 174万kWh，年购电量1 327万kWh，折算为满负荷状态下全年运行约为3 525 h。满负荷达产后，每年可供应冷量5 842万kWh、供热量2 102万kWh，与常规能源系统相比节约2 057.9 tce，节能率为27.5%，全年三联供系统一次能源综合利用率达86.7%。

3 基于典型园区的能源系统建设规划

3.1 需求侧能源分析

能源需求增速降低，能源结构正朝着多元化、清洁化、低碳化、智能化方向发展，能源需求由生产侧主导转向消费侧主导，能源技术成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力。在对商务园区分布式能源系统建设规划前，首先要对整体区域用能需求（冷、热、电、气）进行分析，实现综合需求响应。虹桥地区由虹桥商务中心、国家会展中心、西虹桥构成，不同区域的用户需求不同，用户对象主要包括交通枢纽、会展中心、商务楼、住宅楼等，商务区负荷类型主要是照明、空调与动力负荷，会展中心的用能特性较明显，对展会开展与否有较强的依赖性，需求波动整体较大。三个区域性能源点地理位置分散，通常都是独立运行的，彼此间缺乏协调，难免存在资源分配不合理等问题。需求侧响应除了调整需求实现传统负荷转移外，用户还可根据综合能源市场中各类能源价格比较和激励信号，调整能量转换方式，通过用能替代，在不改变需求的前提下等效达到响应效果，负荷转移与用能替代共同构成综合需求响应。

3.2 基于需求侧响应的智能微网建设规划

在区域内发展三联供系统、分布式光伏、电动汽车、储能系统充放电等业务。以智能电网、气网为基础，构建以“网+云+端+交易+服务”为架构的平台，承载多元化的能源综合服务业务，与热力管网、天然气管网、交通网络（车联网）等多种类型网络互联互通，并与先进信息技术、互联网技术深度融合，以实现多种能源形态的协同转化、清洁生产、高效供应[5]-[6]。

1）智能化能量管理系统

能量管理系统通过对三个区域微网内的“源-网-荷-储”协调控制，保证整个微电网系统的稳定控制和经济运行，通过对微电网运行中各节点实时信息的采集、上传，并依据用户设置与系统控制策略输出操作指令，实现对天然气分布式电源、负荷、储能装置运行状态的管控，达到经济性运行调度的目的，同时对系统内主要节点或线路的电压、频率、功率进行平衡调节。

构建综合能源网将电力、燃气、热力、储能、水务等资源捆绑为整体资源，实现能源替代优化，统一解决有关能源的有效利用和调峰问题。要实现低碳社会，需要将供热、供水、供电、可再生能源的利用等作为一个整体考虑，涉及到电网络、热网络与冷网络三个彼此耦合的能量网络（见图3）。

2）虚拟电厂

虚拟电厂(virtual power plant，VPP)技术可以实现不同区域分布式冷热电联供(combined cooling,heating and power，CCHP)型综合能源系统的协调优化控制。VP是一种通过先进信息通信技术和软件系统实现分布式能源（distributed energy resource，DER）大规模接入电网的区域性多能源聚合模式。与微电网相比，VPP中的各DER能够不受地域的限制，通过一个控制中心远程调控，在不改变DER并网的方式下，作为一个特殊电厂参与到电网的运行和调度中，实现DER的大规模消纳及优化配置利用。

虹桥商务中心、国家会展中心、西虹桥多区域间能源点地理位置分散，用能也具时序性，彼此间缺乏协调，难免存在资源分配不合理等问题。相比于单区域VPP，多区域VPP可以实现各区域能源互补，协调各区域能源单元出力，使得减轻负荷区域向重负荷区域供电，以便减少重负荷区域的购电量，从而降低了VPP净成本。图3中红色线条所示，通过VPP实现多区域CCHP，建立智能化能量管理系统下的燃气轮机、锅炉、风机、光伏、电储能、热储能、电负荷、热负荷、冷负荷等的多区域VPP综合能源协调调度优化模型，该模型考虑VPP内不同区域间的冷热电交互，以及区域内的电、热、冷互补问题。

图3 智能化能量管理系统框架

3）智能微网商业运行模式

对比分析不同商业融资模式的主要特点及差异，智能微网项目需要根据目标市场的差异，结合时间空间分布特点来确定主要融资模式。例如，电网公司主导社会公益性输配电网延伸改造类项目可能优选BT（Build-Transfer微网建设一微网资产移交）,BOT模式（Build-Operate-Transfer微网建设一微网运营一微网资产移交），基于通过降低商业成本考虑的微网复制项目主要适合TBT模式，微网项目的运营权转让适用于TOT模式（Transfer-Operate-Transfer转让一经营一转让），大型高耗能、高排放企业适用于EMC模式等。大虹桥具有园区性质，需要一种适用于区域化微网项目复制运营市场的商业运营模式。

4 结论与展望

典型商务型园区的区域分布式能源系统规划中实现供需平衡、能源互联互通是重点，通过对需求侧能源分析、能源系统设计，最大限度地利用系统的特性，提高供能系统的整体效率，达到最大程度的节能减排效果。基于虹桥地区公共交通枢纽特殊地理位置以及用能特点，建议构建虚拟电厂以及智能管理平台，解决不同区域性能源点地理位置分散并且独立运行，彼此间缺乏协调，难免存在资源分配不合理等问题。以智能电网、气网为基础，构建以“网+云+端+交易+服务”为架构的平台，承载多元化的能源综合服务业务，与热力管网、天然气管网、交通网络（车联网）等多种类型网络互联互通，在区域内发展三联供系统、分布式光伏、电动汽车、储能系统充放电等业务，并与先进信息技术、互联网技术深度融合，以实现多种能源形态的协同转化、清洁生产、高效供应，最终在供给侧实现不同能源站的能源共享协调，也为今后商务型园区分布式能源系统发展提供新的契机。