中山三角镇园区综合能源服务模式研究

徐海龙 郭富强 汪鹏 赵凯明

（1 广东粤电电力销售有限公司 广东广州 510630 2 中科院广州能源研究所 广东广州 510000）

0 引言

广东省为促进实体经济的发展，通过建立大规模和集中的工业城镇和工业园区，对产业布局进行总体规划和空间优化。工业园区作为当地经济的重要引擎，在聚集产业、经济活动、人力资源和资本的同时，也面临提高能源效率、提高情景能源比例、大幅减污减碳的巨大压力。

在能源转型的关键时期，工业园区呈现出由数量导向向质量优先发展转变、由粗放型资源配置向集约型资源管理转变、由制造业主导向制造业服务业一体化转变的新趋势。在园区的能源供应保障和清洁高效用能方面，天然气、太阳能、绿电会越来越多的进入园区供应体系，多能融合、热电冷联供、供需负荷平衡、微能网和微电网这些先进的能源技术已经成为工业园区能源系统全面转型升级的方向和目标，建设和运维新一代的能源系统催生了综合能源服务的新业务模式。

在“碳达峰、碳中和”宏伟战略目标下，工业产业园区减碳潜力巨大，园区绿色低碳转型发展必将走入一个新的发展阶段。全国各地正通过绿色产业示范基地建设、碳中和园区建设、低碳园区示范等多种途径与措施推动新时期的产业园区绿色转型发展。综合能源服务作为一种能源供应、转换和利用方式的全流程、多方位的新型业务模式，将成为工业园区实现绿色转型与低碳发展的重要手段之一。近年来，随着分布式供能技术、互联网相关技术的发展，以及我国新一轮电力体制改革的深入推进，新兴能源业态层出不穷，其中集大成者当属融合分布式新能源、微电网、天然气冷热电三联供等多种形式的综合能源系统解决方案。

随着我国经济的高质量快速发展、能源转型升级的加速，特别是在碳达峰碳中和愿景下，我国综合能源服务进入了发展的快车道，迎来机遇的同时，也面临着新的挑战［1］。目前，研究人员针对综合能源系统开展了不同层面的研究，对于综合能源市场交易问题［2-7］，文献［2］提出一种计及能源社区产消者的综合能源优化方法，将综合能源服务商和用户作为不同利益主体，基于投标响应机制构建能源社区交易模型，以经济性最优为目标探索综合能源系统的最优设计与运行方案。文献［3］提出了双层协同优化架构下基于Nash 议价理论主体合作参与日前能源交易的运行优化调度方法。文献［4］提出考虑能量辅助服务市场环境下的多时间尺度优化模型，通过向电网提供调峰调频等辅助服务以优化园区的用能成本。文献［5］建立了考虑碳市场与电-氢储能的园区-用户双层模型，然后引入运营商作为园区管理者，以运营商净收益最大、用户成本最小为目标函数，构建了运营商-用户主从博弈框架。文献［6］提出考虑季节性碳交易机制的低碳经济调度方法，以园区综合能源系统为对象，构建“能量层-碳流层-管理层”系统结构框架，并提出基于灰色关联度法的PIES 碳交易配额分配方法和基于奖惩因子的碳交易机制。文献［7］在经济调度模型中，引入碳交易机制，构建阶梯型碳交易成本模型。

对于风光储不确定性问题［8-15］，文献［8］考虑电储能和热储能的经济灵活调控，提出电热能源市场框架下IES 日前博弈-鲁棒优化运行方法。该模型和方法提高了系统对可再生能源的接纳能力，间接降低了系统的碳排放量。文献［9］从氢储能和风光不确定性2 个角度切入，构建计及风光不确定性的计及风光不确定性的电-热-氢综合能源系统分布鲁棒优化问题的博弈模型，最后通过算例仿真验证了模型和方法的有效性。文献［10］提出考虑电动汽车鲁棒随机优化及负荷聚合商参与的负荷聚合商优化运行模型，该模型考虑负荷聚合商从上级网络的购能成本和负荷聚合商的经济损失成本等。文献［11］提出一种光热电站参与供热的综合能源系统优化调度方法，并在调度过程中考虑供热网络和供热区域的热惯性。文献［12］从热力系统出发，研究计及热媒流率和热损耗不确定性的综合能源系统优化调度方法；基于热能的传输特性、建筑物集群的储热特性建立了多目标优化调度模型。文献［13］充分考虑风电不确定性，建立了以电转气装置为耦合元件的综合能源调度模型，以常规机组运行成本、弃风惩罚成本等为系统优化目标。最后，通过算例分析验证模型的经济性和有效性。文献［14］提出了一种包含储液式碳捕集电厂、电转气、液化天然气气化站以及利用液化天然气冷能的液态空气储能的综合能源系统低碳经济调度策略，并结合需求侧的响应策略。文献［15］提出一种考虑气热能延迟特性的综合能源系统日前-日内调度策略，实现多能流的解耦与分配，平抑冷热电负荷波动，减小调度误差，提高综合能源系统的能量利用效率和经济效益。

本文以广东省中山市三角镇高平工业园区的新能源升级改造为例进行综合能源服务项目研究，在深入调研分析基础上，研究工业区案例中关于综合能源服务和技术应用的当前瓶颈问题，推动利用新一代互联网技术搭建综合能源服务管理平台，生成技术-经济分析、节能减排措施和解决方案的最优组合。

1 高平工业园区能源利用概况

目前，高平工业园区内企业用电量较大，园区内有电镀企业100 多家，印染企业20 多家，总数不到全镇工业企业的1/20，却消耗了全镇近40 %的用电量。随着集中供热进度的推进，部分电制冷、电制热需求均转移到集中供热与集中供冷。园区内现阶段调研企业的使用蒸汽分为低（1.1 Mpa、319 ℃）、中压（224.03 元/t、3.0 Mpa、299 ℃）蒸汽，总量为17.1 万t/月，其中部分企业供热为通过热泵或自建锅炉供热。随着集中供热管网建设完成，将继续有新增2～3 万t/月，累计供热将达到20 万t/月。园区内的印染企业与电镀企业的生产工艺无冷需求，仅需在每年5—10 月阶段在办公楼宇等场地有用冷需求，现阶段用冷方式为电制冷。后续将采用余热（0.8 Pa 压的蒸汽/60 ℃以上的热水）制冷等能源梯次利用，提高整体能源效率，减少园区的整体碳排放。

高平工业区能源利用的特点和面临的挑战与传统工业园区是相同的：电力/供热峰谷差大，能源效率低，没有进行废热蒸汽回收、能源梯级利用和集中冷却，园区屋顶没有利用太阳能，园区内交通物流完全没有电气化，能源综合利用、节能环保需求巨大。因此，初步研究表明，高平工业区具有新型综合能源服务应用推广的空间，成为以高效、智能、绿色的方式加速传统工业园区升级的典型案例和示范。

2 园区能源需求

按三角镇的产业发展规划，三角镇工业主要用电行业是印染和电镀企业。

2.1 纺织企业电力负荷特性

通过智慧能效管理平台，可以获得5 家已经装表的纺织印染企业的生产车间及总电表电力负荷曲线，见表1。

表1 装表的纺织印染企业电力消耗情况

从表1 中可以看出，各企业的分时段用电特性差异不大，高峰+尖值时段的用电量均占到30%左右，平价时段用电量占40 %左右，估价时段用电量占30 %左右。年用电量最大的企业1 的日最高负荷最大，达到4 390 kW。

2.2 电镀企业电力负荷特性

电镀企业电力消耗情况见表2，初步分析该企业从上午8∶00开始处于生产高峰，持续至约17∶00。最高负荷能达到3 500 kW。由此电镀企业推测，电镀行业的用电高峰和低谷负荷差，相较纺织企业更大，且在尖峰与高峰时间段用电量占比更大，因此有更多使用储能的潜力。

表2 装表的电镀企业电力消耗情况

2.3 总体热负荷特性

按现有和规划各行业用热比例，估算三角镇典型日（全天分时负荷相当于日最大负荷的百分比）、全年用热负荷特点（全年分月负荷相当于最大负荷的百分比）。三角镇24 h 用热最大时间是下午16∶00，最小负荷是上午10∶00，全天负荷有30%左右的波动。全年负荷最大是5 月，最小是3 月，全年负荷较均匀，波动幅度约10%。

汇总中山市三角镇工业企业及工商业负荷，如表3 所示，考虑80%同时率时，现有负荷最大670.2 t/h，平均532.1 t/h，最小360.7 t/h，近期负荷最大1 609.8 t/h，平均1 411.3 t/h，最小932.3 t/h，中期负荷最大1 770.8 t/h，平均1 552.5 t/h，最小1 025.6 t/h；其中近期中压负荷最大311.8 t/h，平均268.5 t/h，最小173.8 t/h，低压负荷最大1 298.0 t/h，平均1 142.8 t/h，最小758.5 t/h。一期已投产3 台9F 级燃气热电联产机组，可供热能力是中压75 t/h（每台25 t/h），低压540 t/h（每台180 t/h），因此，近期迫切需要解决热负荷的供应需求最大994.8 t/h，平均796.3 t/h，最小317.3 t/h，其中中压负荷最大236.8 t/h，平均193.5 t/h，最小98.8 t/h，低压负荷最大758.0 t/h，平均602.8 t/h，最小218.5 t/h。

表3 三角镇热负荷综合评估 单位：t／h

2.4 产业平台带来的用能增量

中山市市级平台正在打造三角园区，即集聚化产业园区。目前有多家高新技术企业对于在三角镇建设企业的华南总部基地项目进行了可行性研究，未来有很大可能入驻三角镇产业园区。这些企业多为能耗大、综合能源需求大的企业，带来新的用能增量，使三角镇区域产业更加集聚化，也对综合能源服务商提出更多需求。企业对于这些增量用能要求以清洁高效为主，将落地至工业园区，同时也为能源企业转型成为综合能源服务商的清洁高效功能模式提供了契机。

3 综合能源服务新模式探讨

园区综合能源服务是兼顾传统能源生产消费，又将能源销售服务、分布式能源服务、节能减排及需求响应服务组合在一起，基于互联网运营的人力成本降低，分时、分量、分类、分区实现灵活多种能源供应与平衡。综合能源服务商是联系能源供应商与企业之间的桥梁，通过综合能源服务模式，可以让能源生产企业更加专注于能源供应，也让用能企业更加专注产品制造、质量提升。典型能源供应商、综合能源服务商和用户企业关系如图1 所示。

图1 能源供应商、综合能源服务商和用户企业关系

由于综合能源关键技术是开展综合能源服务的基础和前提，通过对园区现有能源系统改造、升级和创新，提出综合能源供给-存储联合优化解决方案。为提供综合能效服务、冷热电多能服务、分布式清洁能源服务和电动汽车服务等多元化综合服务，先探讨园区重点应用场景的关键技术方案，进一步延伸讨论其商业模式，形成可参考的综合能源服务方案组合。

通过调查工业园区屋顶太阳能发电潜力，设计新方案和解决方案以提高可再生能源利用率。根据三角镇“十四五”期间的土地规划面积及分区情况，将土地利用类型按照国家能源局综合司正式下发的《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》进行分类，考虑中山三角镇太阳辐射的变化等环境资源情况，按照光伏出力最低值预测；同时考虑屋顶面积实际利用面积的不确定性，对光伏实际出力进行弹性评估，则最终预计三角镇可实现光伏出力至少为240 MW。

在大力推进分布式可再生投资建设，其重要目的是使绿色电力在用户侧就近消纳，“光伏-储能-充电” 一体化解决方案适应园区需求侧的多种应用场景，园区企业的一体化停车场、公交站场、公共充电站等。光储充一体化、光储充放一体化服务站点逐渐成为园区智慧综合能源服务发展的标配。

结合高平工业园的地理特点，园区的太阳能资源比较丰富，园区建筑较矮，具有足够无遮挡空间，有电动汽车充电需求的站场。光储充技术方案能够有效利用太阳能资源，减少化石能源和市电消耗，降低碳和污染物排放，具有良好环保性。提供充电站建设和充电运维服务，既满足用户电动汽车充电需求，又可充分利用峰谷电差价蓄电用电，具有很高的经济性。

首先，光储充一体化充电站使用的是清洁能源供电，通过光伏发电后储存电能。在工业园区内的光伏、储能和充电设施形成了1 个微电网。根据微网节点或建筑用电需求，在智慧综合能源服务管控平台上，可管理实现车辆与微电网互联互动，灵活采用并离网、有序充电、按需充放等多种运行模式，快速响应区域内调峰调频的需求。结合一定比例固定储能系统的应用，以缓解充电桩大电流充电时对区域电网的冲击。其次，“光储充”一体化充电站作为综合能源服务新模式，既能为电动汽车供应绿色电能，又能促进区域内电力削峰填谷等辅助服务功能实现，有效提高区域综合能源系统运行效率。此外，“光储充”一体化解决方案的个性化定制在有限土地资源里建设发输配售一体化系统，通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡。在开发建设电动汽车充电站，为电动汽车提供充电服务与充换电服务，升级增加智能停车，智能共享用车，V2G 充放电服务试点等增值服务，如图2所示。

图2 车网互动V2G 调度系统框架

工业园的二期规划将引进顺丰物流产业园，通过新建园区用能结构的改变，在实现园区产值提升的同时，降低园区的碳排放量。其中，值得探索应用的综合能源服务的新模式是“光储充放检”一体化的服务方案，适应用于集中大规模电动汽车用电和仓库用冷需求的物流园综合体。

产业园拟在分配中心、仓库投建屋顶光伏，并逐步加大新能源物流车应用，转变能源使用类型，降低业务运营碳排放。结合园区物流、新能源汽车使用比重，合理规划高光伏渗透率下的超级充电桩布局。针对园区的生产制造、物流分配中心的业务发展需求，园区拟布局2～3 个“光储充检”一体化智能超级快充站。快充站将配置充电功率240 kW 以上的充电桩和供电变压器，充分利用屋顶光伏板的太阳能发电，增加车辆绿电使用比例。此外，开展动力电池梯次利用，构建多个不同容量配置的储能柜，减缓可再生能源出力带来的波动性和不确定性，作为新能源汽车“充电宝”，用电谷时蓄电，用于车辆充电和建筑用电，从而降低充电站运营成本，拓展了“光储充放检”的多元能源服务业务。通过园区和企业自建的碳排放管理平台，运用人工智能、大数据、物联网等领先科技实现低碳智慧化运营，通过减碳科技的应用可降低12%的碳排放。

面向综合能源服务新模式的长远发展需求，形成“点-线-面”规模效应，需要发挥综合能源服务整合优势，整合不同的能源服务类型，降低整体系统的运营成本，创造更多的利润增长点，形成规模效应，从而降低服务的边际成本，打造多个“面”的综合能源服务“体”。

4 综合能源服务商业模式探讨-以高平工业园为例

在能源互联网技术快速发展与赋能之下，能源销售市场竞争的不断深化，综合能源服务公司可依托大型能源集团，充分利用大型能源集团的资源、品牌优势，结合自身的边际成本优势，转变传统的销售观念和依赖，积极探索新的综合能源服务销售模式，以提升综合能源服务公司的市场竞争力。

健全、合理、高效的商业运营模式有利于综合能源服务的应用推广、健康发展，各参与方能享受能源优化利用带来的红利。纵观国内许多综合能源服务的试点和运营案例，常见的7 类典型商业模式包括：合同能源管理（EMC），能源托管，建设-运营-移交（BOT），移交-经营-移交（TOT），建设-拥有-运营（BOO），设备租赁模式，公私合营（PPP）等。

针对不同园区的应用场景，在运园区企业以采用改造方式为主，且考虑综合能源系统改造受到已有建筑空间，厂房空间布局和已有供能方式的限制，在充分利用现有供热系统（如管道和泵）前提下，减少企业用户改造成本，主要采用合同能源管理或能源托管模式，由用户、综合能源服务公司单方或双方联合出资实施。综合能源服务公司可向用户提供能源审计、碳核查、可行性研究、项目设计、设备和材料采购、工程施工、节能量检测等服务，也可提供系统运行、维护和能源-金融管理等服务。综合能源服务公司通过节能收益收回成本并获利。

4.1 集中供热服务商业模式

在高平工业园，集中供热是园区能源系统升级改造的重要任务之一，以此讨论该供热服务下的商务模式。以电镀区作为案例片区进行讨论。目前电镀园区内考虑2 种供热模式，如图3 和图4 所示。

图3 商业模式一

图4 商业模式二

商业模式一：由综合能源服务公司建设集中供热管网，包括负责后期运维、管网监控系统等工作，同时由综合能源服务公司直接与热电厂签订购热协议，将蒸汽卖给电镀区用户，并负责电镀区用户接入后的升级改造工作。

商业模式二：吸纳电镀区本地第三方企业投资管网包括负责后期管网运营、维护，由综合能源服务公司作为第三方公司，与热电厂以批发价格签订购热协议，与第三方公司签订阶梯热价，并且负责后续电镀区接入后的设备改造工作。

4.2 2 种模式的经济分析

（1）项目经济评价。通过计算分析可得，如表4 所示，在满足2 种商务模式综合能源服务公司全投资内部收益率均为15%的前提下（第三方公司收益10%），商务模式二相比于模式一，总投资减少1 235.79 万元，总成本降低53 万元/a；同时商务模式二的静态项目回收期短于商务模式一，项目盈亏平衡点低于模式一，总体来看模式二好于模式一。

表4 项目主要经济效益指标

（2）敏感性分析。2 种商务模式下，热电厂价格范围均为188～310 元/t。以区间端点价格188 元/t 为例，2 种模式下对应的蒸汽收入价格敏感性情况，如表5 所示。可以看出当满足2 种模式下成本价格不变时，相对于模式一来说，模式二的售热价格可选择区间较为宽泛，同时平均收益率为13%左右。因此，在以盈利需求为基础，可对模式二的售热价格进行阶梯定价，可满足不同用户生产需要。

表5 项目敏感性分析 （%）

4.3 2 种模式的风险分析

（1）投资风险：模式一中综合能源服务公司为主要投资主体，投资额达到1 107 万元，属于重资产投资，并且同时考虑后期建立综合能源管理服务平台，整体投资更高，前期投资较高，资金全部放在项目商，面临后期难以回收的风险；然而模式二中投资体量小，为轻资产运行，符合现有能源项目投资主流模式。

（2）投资主体准入风险：由于电镀园区管理相对粗放，主要以私人租赁管理方式为主，本地企业有绝对掌控权，外部企业入驻投资难度较大，因此考虑模式二中与当地企业合作进行集中供热较为合适。

（3）运维风险：模式一中需要综合能源服务公司后期承担整体管网的运行、维护等费用，需要组建专业运维团队，后期运维人员开支较大，而模式二实际为中间商模式，成本小。对于“轻资产轻建设”的综合能源服务商来说，模式二较为合适。

（4）其他风险：由于电镀区域场地较为复杂，模式一中可能需要征地等额外投资成本，需和政府交涉获取相关批文，前期工作较为繁琐，增加了改造工作的困难。

5 综合能源服务定价策略

对于综合能源服务商，能源销售策略决定着企业的销售成果，企业的销售成果决定着企业的生存。针对综合能源市场发展场景，个性化、差异化销售策略将成为未来能源销售的主流趋势。根据用户的能源需求、能源品质和能源市场变化，可采用能源品质定价、峰谷平分时定价及市场化竞价等策略。

（1）能源品质定价策略：随着能源市场逐步开放，用户会迫切要求供应商提供高品质的能源服务。根据能源品质评估技术确定能源品质等级（梯度）。不同等级的能源制定不同的价格，制定原则是“优质高价，劣质低价”。用户可以根据自身需求，选择不同品质的能源。如作为企业用户需要稳定的高温高压蒸汽用于生产，作为个人用户只需要生活热水即可。用户对能源品质多样化选择，不仅能降低用户用能成本，也能降低系统安全维护成本，降低了整个系统的容量投资建设成本。

（2）峰谷平分时定价策略：按照所有用户的用能特性，参照电网的峰谷平分时电价将用户负荷划分为三大类，在每一类中又按负荷利用小时数、用能季节、不同用能时间分为若干小类，每小类中有多种用能价格供用户选择，鼓励用户将部分用能转移低谷时段。这样一方面实现了用户负担最小、用能成本降低、企业效益提升；另一方面不仅正确地反映了能源价值，而且充分发挥了电气设备能力，从而提高能源供应企业的经济效益。对冰蓄冷空调、蓄热电锅炉及其它蓄能设备采取分时段能源价格，可有效地推动储能优化利用。对用能大客户，制定“一厂一策，一厂一价”，将优惠政策与企业生产销售紧密结合起来。工业用能富有价格弹性，因此，对这类客户可以，如实行超基数优惠单价，超出部分实行浮动单价。

（3）市场化竞价策略：通过平台接入外部能源现货和期货市场信息，参考电力交易模式，鼓励部分企业主动参与现货市场竞价采购，挖掘套利空间。综合能源服务平台通过对园区内能源生产单元特性参数与负荷参数建立约束目标方程，并且基于用户侧演化博弈的思想，充分挖掘在施加不同激励下用户用能演化的博弈行为，建立基于演化博弈的需求响应模型，用于指导平台竞价基准。

6 结论和建议

本文首先以典型传统工业园区中山市三角镇的高平工业园区为例，分析能源供需数据，讨论发展综合能源服务的技术可行性、经济可行性及政策需求。本文探索了综合能源服务业务场景和潜在的业务模式，设计综合能源服务创新机制和激励措施，支持增值服务方式和解决方案交付。对2 种集中供热商业模式进行了经济性分析和风险分析；对于综合能源服务商，根据用户的能源需求、能源品质和能源市场变化，提出了能源品质定价、峰谷平分时定价及市场化竞价等能源定价策略。

推进拥有不同能源供应商的工业园区的综合能源服务，需要政府、园区、综合能源服务商3 方面共同努力。

（1）不管是以市区为层级，还是以工业园区为层级，都需要政府统一协调电网公司等多方参与，对一片区域内的综合能源服务方式进行统一开发，并做好相关需求、风险评估。

（2）产业园区作为用能和碳排放主要来源，往往包含了多家企业不同的用能需求。大部分企业依然是只考虑自身的用能量，形成“供能孤岛”，尚未开发园区的综合能源服务潜力。此时就需要园区管委会层面对此进行思考和探索，以降低园区整体碳排放、提升能效为目标，定制园区综合能源服务开发方案。

（3）加快向综合能源服务渠道商转型。发挥平台型企业优势，成为产业链上下游的中枢渠道，上游连接各类供应商，下游连接客户，做好设计、方案、服务、产品等各类中介服务，形成全方位、差异化、定制化的服务套餐，以收取服务费为主要业务收入来源，初步形成综合能源服务产业生态。