强化传热与过程节能教育部重点实验室

1．   前言

分布式冷热电联供（Distributed Energy System /Combined Cold, Heat and Power；DES/CCHP）能源系统是通过各种一次能源转换技术的集成运用，在一个区域内同时提供用户对电、热、冷等多种终端用能需求，实现能源的梯级利用、高效利用的系统。

分布式冷热电联供系统是在热电联产基础上发展起来的。作为一种能源高效利用的方式，在七十年代末期在各发达国迅速发展起来。欧洲一直重视分布式冷热电联产系统的发展，丹麦和荷兰全国40％以上的电力来自联产系统。至2003年，美国DES/CCHP总装机容量为56000MW，占全美电力总装机容量的7％，年发电总量为310亿kWh。截止至2003年三月，日本全国DES/CCHP总装机容量也达到了6503MW。近年来各国更是进一步加大了其发展力度。中国的冷热电联供系统起步晚，主要是受到天然气的限制。我国北方以煤为一次能源、城市集中供热为主的热电联产近年发展较快；但是，随着改善城市环境的压力日益增加和加速清洁天然气能源开发的能源战略的实施， DES/CCHP在中国的快速发展已经提到议事日程。特别是在中、南部夏热地区，采用DES/CCHP和蓄冷空调不仅可以缓解电力不足的状况，更可起到电网削峰填谷的作用。但是近年来DES/CCHP在中国还是呼声高而进展慢。除了天然气供应不足，价格趋高的因素外，对在中国发展DES/CCHP的具体条件缺乏深刻的研究和探讨，和缺乏必要的规划、政策法规支撑也是重要的制约。

2．   DES/CCHP系统经济性的本源

以天然气为一次能源的DES/CCHP系统，通常藉燃气轮机或内燃机先作功发电，高温烟气再通过余热锅炉-蒸汽轮机进一步发电；低温烟气和低压抽汽则等低品位热则可用于采暖、制冷等用途。在联产的冷热电比例不适合终端用户需求的比例时，则可采用各种热泵技术，达到最经济、高效的“冷热电联供”的目标；使能源利用总效率可达90％以上。

DES/CCHP“联供”系统同传统的“热电联产”的重大区别，一是通过各种技术的优化集成，真正实现能源的梯级、循环、高效利用；“联产”只着眼于一次能源的转换，是线性的能源经济，而“联供”则是循环型的能源经济。二是 “就地直供”；电的就地直供可以大幅度节省电网的建设投资、输变电损耗和运营费用，削减电网的峰荷从而提高运行效率并节省调峰电厂的建设投资；冷、和热的就地直供可以避免多次转换损失和“高能低用”。

用于调峰的天然气联合循环电站规模较大、效率较高，一般为500-1000MW，,热效率55-60%，运行4000h/a，单位投资4000元/kW；但加上电网的投资5000元/kW、运营费用和10%以上的输变电损失，终端供电效率就只有50%多一点，能源成本和折旧成本则远远高于煤电，在目前天然气/煤的等热值比价大于2.5的情况下，没有同煤电的竞争力。而规模在10-50MW 的DES/CCHP单位投资4000-4500元/kW，略高于联合循环电站，但电网投资很少，运行时间长可达5000-6000h/a，而且建在负荷中心，冷、热、电均可就地直供，在优化的集成匹配下总的终端能源利用效益可以高达90％。根据美国商务部数据：分布式能源系统的平均节能率可以达到46％。据最新的项目经济核算，在天然气价格2.5元/立方米、直供电价0.80元/kWh、区域供冷价格0.46元/kWh条件下，一个中等规模（10MW）的DES/CCHP的投资回收期不超过10年,项目收益的40%来自供冷和热水。

除此之外DES/CCHP还有巨大的社会效益：改善城市大气环境和平衡电网的峰谷差，。这两个效益的经济性也不容忽视。改善环境的效益可以通过参与发达国家的“碳税交易”（CDM）而直接获得数量可观的投资补偿。电网调峰的经济效益则可以根据各地具体数据计算出来。

3．   影响DES/CCHP系统经济性的负荷及时间分布因素

我国地处北温带，南北气候差异很大；因而供暖和空调需求负荷差别很大。不同功能的建筑物供暖和空调需求负荷以及昼夜分布差别也很大。这是影响DES/CCHP年运行时数，从而影响设备投资折旧率和项目经济效益的重要的客观因素。

（1）      空调系统：

我国地域辽阔，从北到南，气候特点大不相同。气候是影响分布式能源系统经济性的一个重要因素。经暖通行业研究院的调研小组在2005年对北京、上海、长沙等大城市的公用建筑的空调运营费用进行了调查，见表1。

表1 四大城市空调平均年运营小时数（小时/年）

*根据建筑标准和使用情况进行的估算。

（2）      采暖和热水系统

在南方，一年只有冬季需要少量的采暖，而夏季对洗澡热水的需求量也较少。而在北方，一年有5～6个月的时间需要集体供暖，但在这五个月里期间采暖负荷会随气温的变化（0℃～－30℃）而变。按《城市热力网设计规范》的建筑物采暖热指标，居民住宅的采暖热指标推荐值58～64W/m2。但是随着建筑节能的深入，维护结构隔热性能的改善，采暖热指标将会降低。

（3）      不同建筑的负荷的时间分布

城市住宅、工业、机关的用能时间都不相同。居民住宅用能高峰在工作8小时之外，用电、用热、用冷高峰一般集中在晚间的19：00～23：00，而机关用能高峰在工作8小时之内，商业负荷高峰在下午和晚间，酒电则全天都有负荷；工厂负荷有两种：过程工业一般是24小时连续运行，离散制造业则8-16小时不等。

以上诸多因素使得DES的实际年运行时间随地域和负荷构成而不同。不论在中国的南方或北方，一年中都有春、秋两段时间气候宜人，不须供冷或采暖；例如，在我国华南地区，供冷时间在5--6个月,几乎不需供暖；而东北地区则相反，供暖时间约5--6个月,夏季也有1-2个月的供冷负荷；中部地区的冷、暖负荷介乎其间。因此，系统全年能够按冷热电联供高效运行的时间一般在4000－6000h/a，这比过程工业的8000 h/a要短，但比做调峰用的联合循环电站（一般不超过4000 h/a）要长。年运行时间是影响项目经济性的一个重要因素；因为它决定设备的使用年限和折旧率，从而影响投资回收期。因此，不同的地域和建筑物类型，DES/CCHP项目的经济性会有差别。

4．   影响DES/CCHP系统经济性的规模及集成优化因素

目前国内外有上万个分布式冷热电联供系统，其中绝大部分是小型的，一次能源发电的功率一般在1 MW左右甚至更低，大于10 MW的很少。这是因为这些小型的分布式能源系统多半用于商业建筑、医院、酒店、商场、机关、学校等一栋建筑物或一个单位；冷、热需求总量少，电也不多。国内对DES概念有一种习见，以为既然是分布式，就必然是很小的；并以国外大部分DES 都很小为佐证。其实不然，国外大型的分布式能源系统（DES）数目不多，但是容量都很大。以美国1999年的数据为例，大型DES平均装机容量78 MW，数量只站全国DES 总数的2.8 %，但发电容量却占42.8 % [7] 。大型DES必定都是以集中供热或区域供冷作为基础的；因为有了区域供冷和/或集中供热，冷、热负荷总量就很大，燃气轮机容量也可以很大[2]。大型的同时包括酒店、写字楼、商场和居民住宅的DES/CCHP系统，负荷大、运行时间长、冷和电的负荷高峰错开，区域供冷系统的同时系数小，设备的初投资低，设备运行负荷率高，因而经济性较好[1]。充分注意到地域和建筑物类型的特点，采取相应的集成优化对策，实现优势互补，可以使特定条件下的DES/CCHP项目经济性有所改进。我国在城市发展、城镇化进程中，和在现有公用建筑能量系统改造中，适宜采用规模为50 MW左右甚至规模更大的机组，与几万冷吨的区域供冷系统和/或几百万平方米的供暖系统结合，并且与末端系统的创新改进集合起来，会使系统的经济性大大改善。

相对来说，小型DES/CCHP的优点是冷热电都在单位或建筑物内直供，输送距离短，没有销售和纳税问题，生产关系简单；但是机组小，必然导致单位投资高、效率和运行负荷率低，一个单位内冷热电负荷的时间分布单一，没有多种用户互补，因此系统的经济性显然不如规模大的项目。但许多地方有适宜发展小型DES/CCHP的土壤，特别是电价很高、空调和热水需求量大的商业建筑。

DES/CCHP项目配置必须既能满足冷热电负荷随季节、昼夜的变化及电力、燃气能源价格等外部边界条件大幅度变化的不同运行方案，也能根据内外部条件的动态变化，实现变化工况下的实时优化运行 [3]。所以必须把系统的配置和设备选型建立在集成优化设计和柔性设计的基础上，才能实现能源用户、投资商、电网、社会四赢的目标

5．   影响DES/CCHP系统经济性的气、电价格和比价因素 

（1）      电价-天然气价格的影响

天然气价格决定DES/CCHP的主要成本，在分布式能源系统总成本中，燃料成本占比最大，其次是折旧、维修费用，人力成本居第三位。火电类公司年运行成本中燃料费用占44％～78％[4]。在文献[4]的分析中，随着气价的增加，投资回收期迅速增长，天然气上涨50%,投资回收期最大增幅达到229％。天然气的价格变动将会对系统经济性产生重大影响。图2和图3是广州某新城区的DES/CCHP规划方案对天然气价格敏感性分析。可以看出天然气价格上涨，发电成本直线上涨，年总净收益也迅速下降，同样回收年限也迅速增长。  

电价是决定DES/CCHP的主要收益的一项重要因素，我国现行的电价制度，是按照居民、机关、商业不同用户类型来制定不同的电度价格。如广州地区住宅电度电价为0.61元/KWh，机关、普通工业电度电价0.79元/KWh,商业电度电价1.01元/KWh，不同用户电价相差将近66％。天然气用于发电、DES/CCHP和民用的价格也是不同的。天然气与电的比价直接影响到分布式系统的经济效益。这不仅是由于DES/CCHP直供电的收益，而且DES/CCHP所供应的冷和热水，也是取代原来用电的。所以DES/CCHP冷热电供应的对象不同（商业、机关、居民），售价和收益也不一样。北京地区天然气价格在未调整时是1.7元/m3，民用电价0.393元/,天然气可以电力所以在北京天然气在价格上并优势。但是若工业、商业电，就有很好的利润空间。因此与CCHP/DES对比的分供系统电价基准不同，CCHP/DES的经济性也不同，因此天然气和电的价格比，对DES/CCHP项目的经济性影响极大。

（2）      价格和比价的地域差异

我国各地经济发展程度不同，一次能源（煤、油、天然气）和电的输运距离和费用不同，因而天然气和电的价格和价格比各不相同。一般来说，西部靠近天然气产地的地区，气价相对低廉，但因煤和水力职员丰富，电价也相对较低；当然，不同省市比价差异也会很大；东南沿海能源缺乏而需求巨大，天然气靠长途管输或LNG，电也依靠西部，所以价格都比西部高。不过建设CCHP/DES所需的机械设备多产自沿海地区，设备/能源的比价相对于西部便宜许多；因而更有利于上高效节能的CCHP/DES项目。

（3）      天然气和电定价机制

国际通用的天然气下游用户定价机制是依不同用户的服务成本来确定价格（表2）。从世界各国天然气的定价来看，发电用天然气低于工业用和民用天然气的价格，特别是与民用天然气的价格差距很大。美国、德国、英国发电用天然气价格仅为民用天然气的1／5～1／3，日本则为1/9。而我国发电用天然气的价格价约为民用天然气的1／2～2／3。

表2国外各类用户用气价格[5]（人民币元/m3）

注：以上含税价

联合循环发电、工业等大型的终端用户、发电用户，通过专用直通管道与干线管网联接,无需降压、配输，管理等费用要比民用低得多，而且负荷稳定且量大，有助于帮助平衡民用气巨大的峰谷差。而民用和商业用户的服务成本很高，且负荷系数很小,用量波动很大，应当也能够承受较高的价格。大型DES/CCHP具有联合循环发电的规模而能源利用效率更高，应当享受同样的较低的天然气价格。

在我国目前的电力体制和进口LNG项目气价情况下，天然气联合循环发电与燃煤发电的上网电价还不完全是“竞价上网”的关系；而是由电网公司按照成本加上一定的利润来确定的。同“煤电价格联动机制”并不相同。完全的DES/CCHP系统，冷热电都是就地直供，不依赖发电上网。因此其经济性与联合循环发电的上网电价关系不大；而与终端用户从电网买电价格关系更为密切。　　

（4）      冷、热价格

冷和热的收益对项目经济性的贡献不可忽视。在DES/CCHP系统中，由于一、梯级利用余热，生产部分空调冷水和生活热水，使能源利用效率大大提高；二、DES/CCHP系统的集成优化和规模效应，发挥大机组、高负荷率运行、多种用户负荷时间分布互补等优势，因而所生产的空调冷水和生活热水成本低；是DES/CCHP系统项目收益的重要来源，也是提高系统经济性的主要途径。DES/CCHP供应空调冷水和生活热水的价格，一般等于或稍低于拥护采用常规设施的费用。因为节省了用户的大部分常规设施的投资费用，所以用户已经获得了实际利益。

6．   政府的协调、规划、政策扶持因素

以上两个因素中，均有客观条件的成分，也有主观努力可以调控的空间。而在可调控因素中，一部分（规模、范围选择，集成优化）是项目开发者能够起作用的，另一部分，则必须由政府来发挥规划、协调、支撑的作用。

（1）            统筹规划保证规模和集成优化

DES/CCHP系统的集成优化涉及气候条件、能量需求、能源价格、以及与电网、天然气公司、各种用户之间的关系。把DES/CCHP纳入到地区的产业规划、电力规划、天然气发展规划、环境规划、城市化规划、交通规划、工业节能规划、能源结构调整规划中，是发展DES/CCHP最重要的条件。特别是对一些新的工业园区和城区建设，是否把DES/CCHP纳入能源规划中尤为重要；因为在没有规划的条件下想上一个DES/CCHP项目无疑将在用户开发、天然气供应、电网联接、供冷热管道敷设等所有各个方面遇到极大的障碍和困难。。

规模化的DES/CCHP系统的集成优化方案，不仅涉及规划；冷热电在区内供应的价格也须受政府部门的监管。因此需要由政府牵头组织前期项目方案的可行性研究，进一步通过市场机制向前推进。

（2）            电力直供

据国际能源组织和世界分布式能源联盟的统计：1999年全球因电力输配损失1,336TW，相当于全世界总用电量的11.6%，超过了德、英、法和西班牙四国用电量之和[11]。中国现行的《电力法》是原电力部门起草的，有利于保护电力系统垄断企业投资和经营者的利益。特别是电力法第25条限制了分布式能源系统这一节能、环保的先进生产力的发展。《节能法》鼓励“热电联产”，2000年四部委联合发布的（急计基础[2000]1268号）文件，积极支持热电联产的发展，但是都缺乏实施细则和可操作的执行保证。因而，DES/CCHP在中国迄今还没有如在发达国家那样得到有力的政策支持。发电在区域内就地直供是DES/CCHP两大经济效益之一；可以说，没有发电在区域内就地直供，就没有DES/CCHP，就没有节省电网的效益。因此，没有电力直供的法律支持和保障，大型DES不可能发展起来的。近来，上海、北京先后出台了地方性支持DES/CCHP的政策，广东以广州大学城DES/CCHP为试点的电力体制改革方案也即将出台。这是极为重要的进展。

（3）            税收优惠

如上所述，CCHP/DES能源服务公司，是依靠梯级利用低品位能量、就地直供和集成优化提高能源利用效率和取得经济效益的。按照我国税法，直供电也须缴纳17%的增值税和33%的所得税。但是，对于在区域内直供空调冷水和生活热水的服务，是不应当征收上述税项的。这是因为：一、CCHP/DES的直供空调冷水和生活热水服务是实现资源综合利用、循环经济的典型项目，符合国家减、免税的政策。二、CCHP/DES空调冷水和生活热水节能靠的是利用低品位能量、区内直供和集成优化，要付出传热设备，输送管网等投资代价，靠售价与成本之差（毛利）在8-10年内偿还；如果缴纳17%的增值税和33%的所得税，投资难以回收，投资者将无利可图。三、居民用电空调和电或燃气热水器，是对宝贵的高品位能源的低效利用，但是按目前税法却不用缴税；节约资源的CCHP/DES的直供空调冷水和生活热水却须缴纳高额税赋，显然违背“促进先进生产力”的原则。故此项税收应当免征，或先征后返。

此外，对DES项目还应实行减免进口设备关税等优惠。新生事物在发展初期遇到的困难很多；除了税收优惠之外，提供银行贷款担保或由国家开发银行提供低息贷款等，也很必要。

（4）            天然气价和供应保障

建设分布式能源站和它的运行带来的社会效益远超过建设调峰电厂的社会效益；对电网调峰、改善环境、拓展天然气下游市场方面的贡献也较大。如上所述，天然气公司应该协同制订发展DES/CCHP的规划，优先保证DES/CCHP的用气，并提供与联合循环电厂相同的价格。这是符合它自身利益的。在国外，天然气公司参与 DES项目的投资和运营。这也值得我们借鉴。

7．   小结

冷热电联供/分布式能源系统（DES/CCHP）的直接经济效益在于能源的梯级、循环、高效利用和避免多次转换、传输损失的“就地直供”。影响DES/CCHP系统经济性的因素重主要有四大类。一是因建筑物用途和所在地域不同而致的负荷及时间分布的差异，二是规模化和集成优化设计，三是天然气和电、能源和设备的比价，四是DES/CCHP项目所能够得到的政策和经济支撑条件。

并非任何同时具有冷热电供应需求的地方都能够经济地建设DES/CCHP系统。冷热电负荷需求和时间分布以及气、电价格比是影响DES/CCHP项目经济性的最重要的客观因素。发挥集成优化和适当规模化的优势能够从主观上改善DES/CCHP的经济性。而政府在规划、政策支撑、税收等优惠方面采取强有力的措施，可以大大地增加DES/CCHP项目的经济性，推动它的健康发展。

致谢：本文工作受到国家重点基础研究规划项目“高效节能的关键科学问题”（编号：G20000263）资助，特此致谢。

参考文献：

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