在国内业界, 提起分布式能源系统一般就会马上联想到燃气热电联产或冷热电联产。国内区域开发项目规模都比较大, 因此, 某些数十km²范围内新建容量数十MW的中规模热电厂也被当成分布式能源项目。又因为区域开发项目主要是商务区开发, 以建筑用能 (供冷供热) 为主, 因此, 分布式能源又被看成区域供冷供热系统的冷热源之一。

　　 在国外, 分布式能源系统也有很多种定义。国内有几篇文献专门作了梳理 ^[1,2]。仅英文名称就有:distributed energy resource (DER) , distributed generation (DG) , distributed power (DP) , decentralized energy (DE) , on-site generation, decentralized generation, distributed energy等。但所有的定义都有共同的内涵, 即分布式发电。追根溯源, 分布式能源系统源于火力发电厂的热电联产 (CHP, combined cooling and power) 。时至今日, 分布式发电已经发展成为一系列小规模的模块化发电装置, 在接近消费者的地点提供电力。这些发电装置中的热能发电系统 (如内燃机和小型燃气轮机) 、化学能发电系统 (如燃料电池) 和部分可再生能源发电系统 (如光伏) 在发电过程中或多或少地会产生热量, 把这些余热甚至废热充分加以利用, 可以大大提高系统的综合能源效率, 这就有了CHP或冷热电联产系统 (CCHP, combined cooling heating and power) 。因此, 分布式能源的核心是分布式发电。有发电的CHP或CCHP是分布式能源的一部分, 但不是全部。而没有发电的区域能源系统, 如利用电网供电的区域供热供冷 (DHC) 系统及利用天然气和锅炉房供热的区域供热系统, 都不属于分布式能源系统。

　　 国家发展和改革委员会2013年7月颁发的《分布式发电管理暂行办法 (发改能源[2013]1381号) 》中指出:所谓分布式发电, 是指“在用户所在场地或附近建设安装, 运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网, 且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施”。这一定义较确切。图1显示了主要的分布式发电技术。

　　 分布式能源技术应包括:1) 分布式发电技术 (如图1所示) ;2) 电力输配系统和热输送管网;3) 对负荷端的需求侧管理;4) 能量存储装置 (例如, 电池、抽水蓄能、昼夜蓄热和季节性蓄热装置) 。即包含了能源系统的源、网、荷、储四大环节。

　　 早在19世纪, 爱迪生电灯公司就建成了美国第一个商业化中央电站——纽约珍珠街发电站。这个电站以煤炭作燃料, 用蒸汽机提供动力, 驱动直流发电机, 并于1882年9月4日开始发电, 为82家客户提供400盏灯的初始负荷。这个电站也同时供应蒸汽为周边建筑供热, 可视为最早的分布式能源系统的案例。20世纪40年代, 美国的城市扩张, 高层建筑拔地而起, 照明、电梯及部分建筑的空调用电需求激增, 同时制造业迅速发展, 原有小规模电厂供电能力不够, 所处位置也渐渐被新建城市建筑群包围, 逐渐被远离城市、接近煤矿“坑口”的大型电厂取代。因为长距离供热困难, 这些大型电厂都是纯供电工厂, 而发电余热则通过冷却塔向空气排放或排放到自然水体中。这些大型电厂采用大型设备, 一般都有较高的能源效率, 能发挥规模效益。当时电力用户主要是制造业, 民用建筑中空调并不普及, 所以负荷也比较稳定。第二次世界大战后, 城市进一步扩张, 负荷增加, 为解决电力调峰问题, 开始在城市边缘新建电厂, 因为靠近用户, 这些电厂一般都是热电联产、兼带供热, 相对大电厂而言, 这些热电厂规模较小, 可以认为是第一代的分布式能源。战后欧洲的重建和前苏联的大规模建设, 大型重化工业和制造业企业为满足工艺过程热电需要自建热电厂, 为工艺过程提供高温、高压、高品位能源, 使热电联产成为重工业的象征。在前苏联的社会主义制度下, 工厂为员工和家属提供宿舍和住房, 因此这些电厂也同时为工厂的居住区或周边城镇供热。即典型的热电厂模式。我国第一个“五年计划”接受前苏联援助建设的重化工业工厂基本都采用了第一代分布式能源的热电厂模式。而在首都北京的建设中, 将热电厂技术用于民用的城市集中供热, 以供热为主业。其所发电力, 反而不是城市的主力电源。这一影响延续至今。由于热电厂地处城郊结合部, 对周边环境有影响。而供热的蒸汽输送管线合理长度为5～8 km, 热水输送管线要求小于24 km, 因此, 热电厂模式的基本特征是:单一燃料 (煤或天然气) 输入、热电输出、单一能源中心, 发电机规模500 MW以下, 电力上网, 蒸汽或高温水输出。供热管网半径一般在10～20 km, 可以认为是“靠近”用户的城市基础设施。因为热电厂供热的经济效益比供电高, 所以, 热电厂的运行策略都是优先满足热负荷, 例如, 选用抽凝式汽轮机组或燃气轮机机组, 在需要时宁可牺牲发电效率也要保证热输出。

　　 20世纪40年代初, 由于高温材料的不断发展, 出现了燃烧室直接高温燃烧、热空气膨胀驱动叶轮直接做功的燃气轮机。作为发电的原动机, 尽管发电效率低于汽轮机, 但由于省去庞大的锅炉, 非常适合分布式能源用作区域能源或楼宇热电联产的小型化、紧凑化的需求, 在分布式能源市场上得到广泛应用。图2显示了以燃气轮机作原动机的第一代分布式能源热电联产的综合效率。

　　 与此同时, 为解决汽轮机发电效率不高和燃煤电厂污染严重的问题, 在1949年出现了将燃气轮机与汽轮机组合应用的联合循环电厂, 有2个热力循环, 即燃气轮机 (布雷顿循环) 燃烧天然气或煤制气发电, 其高温排烟中的热量经热回收锅炉生成蒸汽, 作为汽轮机的动力, 通过朗肯循环再次发电, 被称为联合循环燃气轮机电厂 (CCGT, combined cycle gas turbine) 。目前, 世界上效率最高的联合循环电厂是由通用电气和法国电力共同开发的法国Bouchain电厂, 其实测发电效率达到62.22%。

　　 联合循环电厂实际上是“电电联产”, 即余热用以再次发电。但2次发电以后仍有余热可用, 城市热电厂中也有联合循环的一席之地, 也就是“热电电联产 (见图3) ”。

　　 结合清洁煤燃烧技术, 将煤的气化 (或生物质气化) 工艺与联合循环电厂结合, 出现了“整体煤气化联合循环 (IGCC, integrated gasification combined cycle) ”电厂。因环保政策的限制, 很少有热电厂用IGCC技术。

　　 20世纪70年代以后, 发达国家面临以下转型:1) 经济结构转型。服务业和IT产业迅速发展, 使得建筑能耗成为城市的主要能耗。2) 能源结构转型。从煤炭和石油转向天然气。3) 城市化进程加速。各种要素向大城市和特大型城市集中, 城市迅速扩张。4) 能源消费理念转变。中东石油危机迫使发达国家提高能源效率。5) 能源市场的转型。电力市场逐步从垄断走向开放。

　　 以服务业为主体的建筑用能特点完全不同于重化工业, 体现在:有供冷需求;负荷不稳定;以电力需求为主;形成较大用电峰谷差。

　　 为满足日益增加的供冷需求, 20世纪70—80年代发达国家开始发展冷热电联产的第二代分布式能源。由于有供冷需求, 第二代分布式能源的规模和供能半径远小于第一代热电厂模式。区域或楼宇的冷热电联产的特点是:清洁燃料 (天然气) 输入、多种形式能源 (热、电、冷、热水) 输出、单一中心能源站, 即冷热电联供模式。由于需要供冷, 管网半径需控制在1.0～1.5 km以下 (利用大温差供冷也可达到3 km以上) , 发电机规模在50 MW以下, 电力并网或上网, 热水和冷水输出。可以认为是“接近”用户的能源设施。第二代分布式能源的主要服务对象是民用建筑集中的城市商务区、科技园区和大学校园, 以及医院、数据中心、交通枢纽等建筑群。

　　 第二代分布式能源一般以热定电, 电力上网 (或并网) , 余热通过吸收式制冷机供冷, 通过换热器供热, 理论上一次能源效率可以达到80% (见图4) 。

　　 在有限的园区范围内或在单栋建筑中, 用户端的冷热电需求与有一定热电比的供应端不可能同步, 尤其是供冷负荷波动大, 所以总是会有富余的电能或热能。热能可以储存, 可以以丰补歉, 而电能的储存目前的规模还不大, 只能通过上网, 利用大电网的“蓄水池”作用来平衡供需。所以, 大电网是CCHP不可或缺的强大后盾。我国电网公司收购CCHP的上网电力的标杆价格是电厂脱硫煤发电的价格, 与天然气燃料价格相差很大。因此国家和各地政府对分布式能源都有补贴。这也造成某些系统配置中负荷分摊比例不清楚, 分布式能源完全为补贴而设。另外, CCHP供冷温差不可能太大, 而过小又会严重降低系统的能效, 甚至出现管网输送能耗占总能耗40%以上的现象。

　　 进入21世纪, 世界发展的主流出现了很大变化:

　　 1) 以我国为代表的城市化快速发展, 2018年我国的城镇化率已达到59.58%。根据世界银行的一份报告, 世界城市人口每年增加约6 000万～7 000万人。预计在一个世纪内将增加50亿新城市居民。容纳这些城市人口的途径之一是现有城市的平均人口增加3倍, 平均建筑面积增加6倍。另一途径是现有城市的建筑面积保持不变, 而开发625个新的1 000万人口的特大城市, 其中500个新城市满足城市人口的净增长, 另外125个城市将容纳因为平均密度下降了一半而必须离开现有城市的12.5亿人口 ^[3]。这也意味着城市建筑用能和交通用能还有很大增长空间。

　　 2) 建筑行业和人们在建筑物中的活动能耗占全球最终能源需求约31%, 约占能源相关二氧化碳排放量的1/3, 约占氯氟烃消耗的2/3, 约占黑碳排放量的25%～33%。自1990年以来, 全球建筑物的电力消耗增加了1倍以上。城市能源需求逐渐从工业工艺过程能耗转移为建筑使用过程能耗, 城市能源结构越来越趋向以电力为主。在一些地区, 建筑物的电力需求在1990—2013年期间增加了500%以上 ^[4]。

　　 3) 在建筑能耗中, 由于全球变暖和公共建筑供冷需求的增加, 使得供冷能耗增长最快。1990年, 我国建筑供冷用电仅为66亿kW·h, 到2016年则达到4 500亿kW·h, 26年间增长了68倍, 占建筑总能耗的9.3%。相比供暖, 建筑供冷负荷会带来用电负荷的巨大峰谷差。表1为根据上海市建筑能耗监测系统 (连接近1 700幢大型公共建筑) 的实测数据整理的各类建筑平均用电的峰谷比。

　　 与单栋建筑用电峰谷比不断拉大相对应的, 是城市供电峰谷差的不断加大。2018年夏季, 上海电网用电负荷最大峰谷差达48%, 较2017年同期又增大了4% ^[5]。而在北方供暖“煤改电”后, 冬季也出现用电高峰。2018年末, 国网河北南网的冬季供电负荷创下历史新高, 达到3 372.5万kW ^[6]。高峰电力负荷的大幅度增大, 意味着要增加供电能力, 需要增加基础设施投资, 也意味着对电网安全的巨大威胁。如何应对电力高峰, 成了国际能源界共同的难题。解决办法有削峰、移峰、减峰等多种措施。其中利用分布式能源是国际公认的最主要手段之一。文献[7]指出:“随着峰值负荷的显著增长, 如果不采取任何措施, 电网中越来越多的区域可能会遇到电网限制。因此, 需要越来越多的分布式能源系统, 通过调度来适应不断增加的峰值负荷增长水平”。

　　 4) 应对气候变化成为世界各国的共识。除美国退出之外, 全世界已有174个国家签署了联合国气候变化巴黎协定, 要求“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平2 ℃之内, 并努力将气温升幅限制在1.5 ℃之内” ^[8]。我国是世界上碳排放最大的国家, 我国能源结构以煤为主, 但在2011—2017年间, 我国GDP累计增长了52.1%, 而同期煤炭消费下降了9%, 煤炭消费已经达峰并出现长期趋势性下降。我国提出了到2020年建筑领域煤炭 (直接) 消费达峰 (2.45亿t) 的目标 ^[9], 各省市也制定了本地碳排放达峰的时间节点目标。同时, 我国也开始实施能耗和碳排放总量双控的政策。这意味着需要更多的清洁能源和可再生能源替代煤炭。

　　 5) 从能源品位看, 最容易用来替代煤炭的清洁能源是天然气。2018年, 美国天然气消费量为8 208亿m³, 位居世界第一。我国天然气消费量只有2 766亿m³, 位居第三。但因为我国天然气资源匮乏, 所以, 2018年天然气对外依存度高达45.3%。而2018年, 全国风、光、水、核4种清洁能源总发电装机达到7.49亿kW, 总发电量累计2.08万亿kW·h, 2018年可再生能源发电占比达26.7%。弃风、弃光、弃水现象较2017年显著减少。其中, 风电弃风率为7.2%, 光伏弃光率为3.0%, 水能利用率为95.0%以上 ^[10]。弃电的主要原因是我国大规模的陆上风电和光伏电站主要建在西北几省, 大规模水电站主要建在西南几省, 向东部城市的输电基础设施较缺乏。最好的解决办法是在东部城市建设小规模可再生能源设施, 在配电网层面联网, 发电自用、余电上网, 在城区层面提高可再生能源渗透率。

　　 6) 在高密度城市中, 由于可再生能源的能量密度 (单位土地面积的发电功率, 见表2) 低, 因此在单栋建筑中可再生能源的应用不可能有较高的占比。需要在建筑群或城区规模上集成应用、共享资源。而可再生能源的土地利用强度 (单位发电量所需要的土地面积, 见表3) 远高于化石燃料, 这也成了在寸土寸金的城市建成环境中应用可再生能源的主要障碍。甚至有人悲观地表示, 按现有用能水平, 没有国家级的甚至跨国的大规模可再生能源应用的支持, 大多数城市不可能实现100%可再生能源的目标。因此, 必须用分布式的可再生能源系统形式, 通过时间差使负荷平准化, 通过空间差使资源集约化。

　　 7) 在信息和通信技术 (ICT) 及互联网高度发达的今天, 有可能通过泛在互联网技术实现去中心化的分布式能源系统运行的管理、调度、调节、优化。当代所有的最先进的ABCD技术, 即人工智能 (AI) 、区块链 (Blockchain) 、云计算 (Cloud) 和大数据 (Big Data) 都能适合分布式能源管理系统的应用。

　　 在上述社会和技术背景下, 形成了第三代分布式能源的基础。

　　 图5显示了第三代分布式能源系统结构。

　　 图5中, 第三代分布式能源有多种来源, 目前常见的有天然气 (NG) 、生物质气 (BG) 和太阳能 (SE, 用于光伏发电) 。正在发展中的技术很多, 如P2G (电制气, 可再生电力或核电制氢或甲烷, 直接掺入天然气管道) 、风电 (屋顶风机) 、固体废弃物发电 (垃圾裂解制气作热电联产) 、聚焦式太阳能光热发电、地热资源的梯级利用、低温废热有机朗肯循环发电等, 以及这些技术的组合应用。各种技术是否有应用前景取决于其经济性, 而经济性又取决于能源转换效率的不断提高。这些能源通过热电联产机组 (CHP热力过程) 、燃料电池 (FC化学过程) 和太阳能热电联产 (PVT光伏光热一体化技术) 的转换变成电力进入城区智能电网 (E) 。品位较高的余热回收, 经过溴化锂吸收式冷热水机组转换为建筑供冷供热的冷热源;品位较低的余热, 可以回收进入城区能源总线 (EBus) 。

　　 能源总线连接靠近建筑物的水源热泵机组。近年来市场占有率越来越高的磁悬浮轴承离心式制冷机正在逐步拓展到热泵模式的应用。磁悬浮离心热泵是一种小型模块化变频机组, 部分负荷效率高, 非常适合单机应用于中小规模建筑, 或在大型公共建筑中单机用于不同楼层、不同朝向和不同功能分区系统。磁悬浮变频离心热泵与能源总线结合, 颠覆了第一、二代分布式能源区域冷热水系统长距离供冷供热的技术定势, 改变为在一定距离内供应与室外空气温差较小的热源/热汇水, 将分布式的热泵机组安装在贴近建筑物的公共用地上, 或安装在建筑物的屋顶上乃至各楼层上, 类似箱式变压器或手机基站, 从而提高了热泵机组的能效比, 减少了系统损失, 增加了系统运行随负荷变化的灵活性, 做到了区域能源系统的去中心化。

　　 终端的城区建筑是能源系统中重要组成部分。第一, 每栋建筑都可能是一个可再生能源的发电单元。它不再只是能源用户, 它也是能源的生产者, 即“产消者”。第二, 每栋建筑都应该是超低能耗建筑, 它的供冷供热、通风照明和建筑电器的能耗都要低于当地的平均能耗水平。第三, 通过采用被动式建筑节能技术大大降低了负荷。第四, 从负荷匹配和可再生能源能量密度的视角看, 比较适合第三代分布式能源系统的是中小规模建筑群。

　　 由于第三代分布式能源系统是去中心化的多能源系统, 因此它的网络结构不再是第一、二代系统从顶到底的“圣诞树”结构, 而是扁平化的网状结构。它可分为5个层次 (见图6) :1) 核心层。以光伏、小型风电、燃料电池、利用天然气或生物质气的小微型热电联产系统等现场发电 (on site generation) 系统及蓄电装置为核心。而城市电网是主要的依托和备份。2) 分布层。基于智能电网, 连接城区内各发电、配电、储电、用电环节。它允许各种发电形式接入, 并保证配网安全、可靠地运行。3) 框架层。以分布式高效热泵、集成各种低品位热源/热汇的能源总线, 以及蓄冷蓄热设施组成的热力系统为框架。核心层与用户、电力与热力、供应与需求之间, 热泵作为重要的纽带。4) 用户层。城区中的所有建筑都是能源系统的用户, 但同时又通过建筑屋顶光伏 (BAPV) 、建筑一体化光伏 (BIPV) 和屋顶风力发电机 (VAWT) 生产电力, 即所谓“产消者”。另外, 所有建筑都是超低能耗建筑, 甚至是“增能建筑”。整个城区是“净零能耗城区” ^[13]。在第三代分布式能源系统中, 用户的节能和增能, 是系统的主要资源之一。用户也从被动的能源需求方转变为参与城区能源交易的供应方。5) 管理层。以泛在网络技术、物联网技术、云技术等信息通信技术为支撑, 对城区能源系统进行双向管理, 这种管理本质上是提供能源服务。

　　 上述5个层面都有很多技术难点需要解决, 集中了有别于第一、二代的主要创新点。

　　 第三代分布式能源的技术路线有别于第一、二代系统, 可以用3个D来表示。

　　 图7非常形象地显示了三代分布式能源系统的特点。第一代本质上还是集中式系统, 只是能源中心的位置靠近用户;第二代有多个能源中心, 相比第一代, 这些能源中心更加接近用户。而第三代系统中能源终端用户同时又是能源生产者, 通过分散的屋顶光伏和小型燃料电池产生电力和热能, 形成能源“产消者”, 能源生产贴近用户。产消者之间通过能源互联网进行能源的传输、配送和交易。被称为去中心化系统或分散式系统。

　　 对于能源系统的去中心化, 直到21世纪初一直存在争议。为了应对全球气候变化, 能源转型的方向是脱碳。国际上有2种脱碳路线。第一种路线是向更加集中的大能源系统发展, 其中有3种方案:一是建设千兆瓦级的大规模核电系统, 利用核电电解水产氢, 氢燃料电池驱动汽车和为建筑供热供电;二是在人迹罕至的荒漠地带 (如撒哈拉) 建设大规模光伏阵列, 通过超级输电网 (特高压) 将电力输送到欧洲, 这2种方案是完全无碳的。而第三种方案是利用碳氢比为1∶4的天然气, 建设高效率的联合循环发电的大规模电厂, 这种方案是减碳方案。

　　 集中路线的支持者们一直反对分散式能源系统, 认为分布式或分散式能源系统是能源技术的倒退 (因为从远古到工业革命之前人类都是分散使用能源) , 认为分布式能源系统的效率低于集中式, 尤其是可再生能源利用的效率更低。比如整个欧洲的能源需求只需要几十个大规模电厂就可以满足, 而分布式能源站需要建设几十万甚至上百万个。建设大规模核电站、超大规模可再生能源电站和将现有燃煤电厂改造成燃气蒸汽联合循环 (IGCC) 电厂以取代燃煤电厂, 其好处是可以得到很高的发电效率。比如用发电效率60%的IGCC发出的电力驱动COP=5.0的末端制冷机, 总一次能源效率高达300%。如果结合碳捕集与封存 (CCS, carbon capture and storage) 技术, 相比燃煤发电可减少CO₂排放90%以上。但缺点是成本很高。IGCC+CCS电厂发电成本为71.9美元/ (10³ kW·h) (2005年美元汇率) , 投资成本为6 599美元/kW (2012年美元汇率) ^[14]。

　　 第二种路线是发展分布式和分散式能源系统。这条路线认为, 太阳能和风能是无碳能源, 产能过程中没有空气污染。与集中式能源不同的是它们是工业化产品, 安装简便, 不像核电站或联合循环电厂需要繁杂的基础设施建设程序。它们的效率正在提高, 单晶硅光伏的效率已经从20年前的10%提高到17%。由于规模化生产, 它们的成本也在不断降低, 且是模块化产品, 易于扩充。这些都有条件让所有人买得起、用得起可再生能源设备, 几乎任何地方都有可再生能源资源, 可以充分利用当地资源, 从而提高了能源安全水平。

　　 2017年, 全世界除太阳能聚光发电之外的可再生能源发电的加权平均成本为0.047～0.167美元/ (kW·h) , 可以和化石燃料电厂 (尤其是IGCC电厂) 竞争, 而且还可以做到零碳排放 ^[15]。在分布式能源系统中应用最多的光伏发电, 自2018年我国政府的“531”新政之后, 成本大幅度下降, 系统成本已经达到2元/W左右, 度电成本降到0.70元/ (kW·h) 以下。

　　 2011年日本福岛核事故后, 以德国为代表的欧洲国家彻底弃核。而超大规模可再生能源和大规模IGCC电厂需要巨额投资, 需要各国政府或由政府背书的垄断性能源公司承担沉重的债务, 大多数国家不愿意冒这样的金融风险。尤其是后面这个因素, 成为大多数国家摒弃第一种路线的主要考量。第二种技术路线成为各国的首选。去中心化的分布式能源 (第三代分布式能源) 可以实现投资多元化, 引入私人资本乃至家庭的投资。在区域规模上, 可以将分散的屋顶光伏联网集成应用, 形成由去中心化的能源“产消者”组成的分布式能源系统。通过泛在智能网平台实现能源交易。而其发电不稳定、负荷波动和峰谷不平衡等问题, 可以通过智能网技术得到很好的解决。所以, 第三代分布式能源一定是走分散化、去中心化和资源共享的技术路线。

　　 能源脱碳是第三代分布式能源的基本目标。实现能源系统脱碳, 首先是城区内产业、建筑、交通的全面节能, 实现高能效、低负荷。即节能是第三代分布式能源的基础。其次是利用园区内现场生产的可再生能源, 实现资源共享。再次是利用邻近园区的未开发和受污染土地 (棕地) 开发可再生能源。最后是通过购买绿电和绿色能源, 利用非本地生产的可再生能源。集成利用可再生能源, 是第三代分布式能源的标识。

　　 数字化是第三代能源系统的基础。泛在网络 (ubiquitous network) 技术 ^[16]就是第三代能源系统的管理系统架构。它是在传感器网 (分布在用户端的智能检测设备、无线传输检测系统, 以及智能电表) 和物联网 (在传感器网基础上增加RFID射频、环境识别、视频监控、行为感知等技术) 之上, 加上数据采集、整理、分析功能, 打通能源系统的源、网、荷、储各个环节, 实现优化运行、智能调节。泛在管理系统应具备以下功能:1) 兼容各种设备和系统的网络协议;2) 通过物联网 (IoT) 实时监测系统的平衡和能耗状况 (包括用户行为) , 并及时给出运行策略和解决方案;3) 大数据的收集、整理、储存和分析;4) 利用区块链等技术实现点对点的能源交易。

　　 所以, 第三代分布式能源绝不仅是小型的天然气热电联产系统。分散化、集成利用可再生能源和通过泛在网的管理服务是它的标识。

　　 第三代分布式能源系统有12个特点。

　　 集成多种可再生能源, 使多种能源在时间、空间和成本上实现互补。在当前技术条件下, 还不能没有高品位的化石燃料 (天然气) 和城市电网的支持。随着技术进步, 越来越多的新能源 (如垃圾裂解气、沼气、氢燃料、中深层地热等) 会逐渐取代化石燃料。需要指出, 在我国西部有丰富的可再生能源 (水电) 资源, 在以水电供应为主的城市, 再发展天然气分布式能源未免本末倒置。

　　 目前国际上对去中心化系统 (DG, decentralized generation) 的一般共识是连接到配电网的小规模发电装置。通常利用当地生产的一次能源 (风能、太阳能、生物质能、沼气、地热能、海洋能、水能) , 热电联产电厂的发电量取决于当地的热需求, 其产品由生产者自用, 其资产是由电力市场上相对较小的角色 (例如市政当局、最终用户、私人投资者或财团、土地所有者) 持有 ^[16]。这样一个复杂系统, 其运行优化目标是运行成本和碳排放最小化。

　　 第三代分布式能源系统遵循综合资源规划 (IRP) 原则, 在城区层面上共享资源:① 通过城区智能微网, 共享整个城区低密度可再生能源发电资源;② 通过城区能源总线, 共享整个城区低品位可再生热源, 作为热泵的热源/汇;③ 通过系统配置, 将城区超低能耗建筑的降负荷量视为虚拟电厂, 将建筑节能量视为新增能源;④ 通过能源管理, 使系统运行成本最小化, 使各利益相关方共享节能成果。

　　 系统资源集成共享, 需要能源规划和空间规划的协调, 需要能源管理系统和用户行为的配合, 也需要相应的激励政策和技术措施的引导。

　　 通过建筑节能实现的负荷降低, 相当于建设了一座虚拟电厂 (又称为“能效电厂”) , 其节能量被视为煤、石油、天然气、核能、可再生能源之外的第六大能源。将节省的资源统一作为一种替代资源看待, 这也是需求侧能源规划理论的核心。

　　 由于可再生能源能量密度低, 所以第三代分布式能源更适合作为单位能耗强度比较低的建筑能源, 以满足低品位、低强度、低压的用能需求。而且更适用于相对低密度的城市形态, 以及既有工业建筑的转型和棕地的再生。

　　 分布式能源系统首先是分布式发电系统。在现场生产的能源中, 品位最高的就是电力。因此, 第三代分布式能源的技术重点是优质能源电力的优先自用, 然后再是余热废热的回收利用。城市能源中主要的能源需求是建筑用能, 建筑用能中占比最大的是供冷供热。因此, 第三代分布式能源系统中热泵是主要的组成。笔者曾经比喻过:自发电力驱动热泵, 好比自家酿酒 (电力) 自己喝, 无论在技术上还是在经济上都是最佳的方案 ^[17]。

　　 在第一、二代分布式能源系统中, 供热 (冷) 是主要任务。第一代系统电力主要上网, 第二代系统电力主要并网。自发电力不出机房直接进入配电网甚至输电网, 而远距离输送热水 (蒸汽) 或冷水会产生很大的输送损失。电能便于远距离输送而难以储存, 热能易于储存而难以远距离输送。因此, 第一、二代系统实际上是“扬短避长”, 增加了不必要的能耗。而这主要受到电力上网政策的影响。第三代分布式能源系统中将所发电力用来驱动建筑内或邻近建筑的热泵机组, 大大缩短了冷热输送管道长度。并根据建筑和建筑群的负荷特点, 通过蓄热间接储电。

　　 图8为一个100%利用可再生能源的第三代分布式能源系统的流程。1 m³生物质裂解气 (pyrolysis biomass, 热值34 MJ/m³) 和1 m²光伏发电, 可以提供28.5 kW·h冷热量, 一次能源效率 (未计算生物质裂解中微量耗能) 达到294%。与直接电网驱动热泵相比, 按照我国平均供电效率38%计算, 提供同样的冷热量, 一次能源效率为228%;发电端是能效最高 (60%) 的燃气-蒸汽联合循环电厂, 则一次能源效率可高达360%。这样高效率电厂在国内尚没有, 正在建设中的天津军粮城电厂将采用与法国Bouchain电厂同样的联合循环技术。根据研究 ^[18], 2017年我国集中式天然气发电量为2 200亿kW·h, 占当年全国总发电量的3.4%, 预计到2020年我国集中式天然气发电装机容量将超过6 000万kW, 占电源总装机容量的比重约2.6%。要实现燃气-蒸汽联合循环电厂全面替代现在的燃煤电厂恐怕还十分遥远。更何况第三代分布式能源发电还有几个集中式电厂不具备的优点:① 削减电网高峰负荷;② 就地利用可再生能源;③ 实现城区净零碳排放。从图8可以看出, 如果主力能源改用天然气, 则系统效率可以提高到296%。建设投资远低于天然气联合循环电厂。

　　 在第三代分布式能源系统中, 热泵起到关键的作用。自智能电网概念出现以来, 国外就一直在开展“服务智能电网的热泵 (smart grid ready heat pump) ”的研究。它是P2H (电力转换为供热) 和P2C (电力转换为供冷) 的桥梁和枢纽, 同时也是成本最低的间接蓄电方式 ^[19]。它可以很好地平衡电网负荷, 调节电网特性, 被称为“电网友好”技术。而它又可以充分利用自然界中的低品位热源 () , 达到很高的能源利用效率, 充分发挥分布式能源系统发出电力的价值, 也是终端超低能耗建筑必备的技术。

　　 在第三代分布式能源系统中, 由于光伏和风电的高渗透率, 使得传统电网供应追随需求的运行模式转变为不断调节需求以追随波动的发电。热泵正是这样一种调节手段, 热泵结合蓄热装置, 利用建筑物的蓄热特性和热惰性, 可以使电力消耗与建筑的热需求无关, 提高了智能电网运行的稳定性、可靠性和灵活性。热泵在电网中主要起到3个作用 ^[20]:① 为电网提供辅助服务。解决电压控制、拥塞管理和运行备份等问题。② 有利于在建筑、城区和电力系统层面集成使用可再生电力, 可以提高可再生电力的自消耗率, 降低电网的馈电峰值。③ 在可再生能源大规模渗透的前提下, 第三代分布式能源将实行多部制电价和电力交易, 在可变电价条件下, 利用热泵和蓄热装置的时间表控制 (scheduling) , 按最有利的电价运行, 可以降低全年能源成本。同时根据价格信号调节, 有效地转移高峰负荷。另外, 热泵还可以在可变电价下通过蓄热使运行成本最低。第三代分布式能源中利用水源热泵可以获得很高的综合能源效率, 水源热泵的热源热汇可以来自能源总线。当然, 第三代分布式能源也可以用空气源热泵, 形成分布式热泵系统。

　　 第三代分布式能源系统需要有基于泛在网络技术等现代先进技术支撑的能源管理系统。它是一种扁平化管理, 每个用户既是消费者又是生产者。用户对能源品种和能源价格有充分的选择, 对自己生产的电力也有充分的处置权。能源管理系统应具备点对点的交易功能。

　　 跨越空间分布的资源共享、蓄热蓄电装置 (例如电动汽车充电站) 的布局、不同功能建筑的布局使负荷平准化, 以及电网热网的分布, 这些都需要与空间规划协调和配合。尤其是通过城市形态的调整可以使建筑更多利用被动式节能技术和可再生能源。

　　 第三代分布式能源系统需要有效的能源规划。能源规划中要有不同于以往的几个要素:① 明确的能耗总量目标及对各建筑 (群) 的能耗控制目标;② 城区可用的各种资源量, 包括资源化的节能量的估算;③ 从底到顶和从顶到底结合的负荷预测;④ 与城市空间规划结合, 应用被动式技术和自然资源调整负荷;⑤ 系统的优化配置和运行策略;⑥ 系统的经济性和环保性评估。

　　 第三代分布式能源系统的关键技术, 笔者在其他文献中分别有详尽论述, 本文仅作简单归纳。

　　 基于综合资源规划理论, 将需求侧节能降荷作为一种替代资源, 在成本和效益分析中, 给予需求侧节能与供应侧资源以同等的重视, 是需求侧能源规划有别于其他能源规划的最重要的特点。

　　 在能耗总量和能耗强度控制的前提下, 从能耗总量目标和能耗限额出发进行负荷反推 (backcasting) ;从情景分析出发进行负荷预测 (forecasting) ;再比较当地能耗监测系统的实测值, 得出能源系统的负荷指标。

　　 在以建筑负荷为主的现代城区中, 分布式能源系统首先是分布式发电 (DG) 系统。建筑物冷热需求主要由自发电力驱动的分布式热泵系统来满足。应根据建筑负荷、热泵效率、可利用的余热量、可再生能源的渗透量计算所需要的发电量, 以热定电。同时发挥电力易于输配、热力易于储存的各自优势进行系统配置。可以获得很高的综合一次能源效率。

　　 城市形态在一定程度上影响城市能耗强度, 通过与空间规划的结合调整城市形态, 提高能源系统的效率, 是第三代分布式能源系统中的重要创新, 目前处于研究发展阶段。要找出空间设计的若干因素与城市能耗的相关关系较困难, 比较现实的技术路径是利用大数据的分析。

　　 能源总线实现低品位热源的资源共享。能源总线是一个管网, 可以将处于不同空间位置的低品位热源资源, 例如, 将来自土壤、地表水、污水、矿山排水、太阳能热水、冷却塔或热源塔、数据中心和地铁排热、低温工业废热等热源/热汇汇集起来, 实现分布式水源热泵热源/热汇资源的共享。近年来能源总线概念已经在国内多个项目中得到应用。能源总线系统的特性与城市热网类似, 但因为介质温度不同, 又与城市热网有差别。而且有单管、双管、三管等不同形式, 其管网长度也会在一定程度上影响系统能效。近年来有关能源总线的研究逐步深入, 并有多个成功的应用案例。能源总线变输送冷/热水 (工作温差小、环境温差大) 为输送热源/热汇水 (工作温差大、环境温差小) , 有效供应半径大于传统供冷供热管网。

　　 分布式热泵技术是第三代分布式能源系统中的关键技术, 其中有几个重要的技术环节:① 有合适的热源/热汇能够集成到能源总线中。尽管最简单的是空气源, 应用时甚至可以省去能源总线, 但空气源热泵效率不高, 尤其冬季供暖有很大局限性。所以空气源 (包括冷却塔或热源塔) 宜作为辅助热源/热汇, 还需要考虑各种低品位热源 (如太阳能光热、数据中心或地铁排热, 以及中深层地热的梯级利用等) 。② 磁悬浮离心机用于热泵时, 需要对机组性能作一定的改进和调整。③ 热泵用于供暖, 出水温度比较低, 末端供暖设备采用低温型 (如辐射供暖) 才能发挥最大效益。

　　 第三代能源系统是多能源系统, 需要建立多能源输入和输出之间的关系, 通过多能源供应端和需求端之间的交互界面来调节和管理。输入、输出关系有多种模型, 笔者推荐用“能源枢纽 (energy hubs) ”模型 ^[21]。

　　 第三代分布式能源需要有一个强有力的能源管理系统。这个管理系统应该是一个服务系统, 能够建立供需之间的桥梁, 能够平衡不同能源品种的利用, 能够调节不同时间段的用能强度, 能够协调不同空间位置的产能, 能够完成交易和结算。它一定是一个开放的系统, 一个无处不在的泛在系统。

　　 第三代分布式能源系统的特点就是它与前两代能源系统的重大区别。归结起来, 第三代分布式能源系统有三大要素:一是小规模、去中心化;二是多能源现场产消系统;三是集成应用终端节能资源和可再生能源。实现3D的目标:即去中心化 (decentralization) 、脱碳化 (decarburization) 和数字化 (digitization) 。第三代分布式能源系统的建设需要跨专业的协同, 需要融合先进技术, 更需要技术理念的转变。