前言：在前面的综合能源系列文章中，我们介绍了储能、热泵、生物质能等多种综合能源利用的技术，今天交能网介绍一种多种能源梯级利用的分布式能源系统——冷热电三联供。冷热电三联供系统由于其经济性和环保性，在学术界和工业界都备受关注。尤其在我国政策的鼓励与支持下，该系统的应用正在快速成熟的时期。本文将梳理冷热电三联供的技术原理、政策现状、经济性分析、项目案例以及国外在应用及政策上的借鉴之处。
关键词：冷热电三联供 综合能源 节能技术
冷热电三联供（Combined Coolling, Heating & Power，CCHP）是一种以天然气为主要原料、建立在用户侧的分布式能源系统。CCHP的基本原理是利用燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，对作功后的余热进一步回收，用来制冷、供热和生活热水，就近供应。直至目前，冷热电三联供系统的使用已经相当普遍，主要应用于医院，商场，办公楼，学校，住宅小区，公共场所设施等。
图1：冷热电三联产CCHP功能图
1.CCHP的技术原理
冷热电三联供系统一般包括发电机，制冷机，热交换设备（余热利用）这3种主要设备。发电可选择燃气轮机，微型燃气轮机或燃气内燃机，三种典型发电机组特点如表1所示。制冷机有吸收式制冷机和压缩式制冷机等。除此之外，该系统中还可以安装余热锅炉，发电机等装置，这就是最基本的冷热电三联供系统。
图2：冷热电三联产CCHP能量梯级利用及设备温度分布
2. CCHP系统的优势
能源综合利用率较高
由于冷能、热能随传输距离的增大，损耗加大；在目前技术水平下集中供电方式发电效率虽然最高可以达到40%-50%，但是由于距离终端用户过远，其余50％－60%的能量很难充分利用；而冷热电三联供由于建设在用户附近，不但可以获得40%左右的发电效率，还能将中温废热回收利用供冷、供热，其综合能源利用率可达80%以上。另外，与传统长距离输电相比，它还能减少6-7%的线损；从能量品质的角度看，燃气锅炉的最终产出能量形式为低品位的热能，而三联供系统中将有35％左右的高品位电能产出。电能的作功能力是相同数量热能的2倍以上，所以三联供系统的综合能源利用效率比燃气锅炉直接燃烧天然气供热高得多。
对燃气和电力有双重削峰填谷作用
我国大部分地区冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季，一方面给电网带来巨大的压力，另一方面造成冬季发电设施大量闲置，发电设备和输配设施利用率降低；采用燃气三联供系统，夏季燃烧天然气制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季电空调的电负荷，同时系统的自发电也可以降低大电网的供电压力。
具有良好的经济性
根据相关的调查数据，采用冷热电三联供系统分布式能源，写字楼类建筑可减少运营成本12%，商场类建筑可减少运营成本11%，医院类建筑可减少运营成本21%，体育场馆类建筑可减少运营成本32%，酒店类建筑可减少运营成本23%。
具有良好的环保效益
天然气是清洁能源，燃气发电机均采用先进的燃烧技术，燃气三联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准。根据美国的调查数据，采用冷热电三联供系统分布式能源，写字楼类建筑可减少温室气体排放22.7%，商场类建筑可减少温室气体排放34.4%，医院类建筑可减少温室气体排放61.4%，酒店类建筑可减少温室气体排放34.3%。
增强建筑物能源供应的安全性
随着我国能源形势日益严峻，电力供应的安全性已经凸显，美国、日本、英国等国相继出现的“大面积停电”造成的严重负面影响已经给我们敲响了警钟。冷热电三联供系统安装、运行相对比较简单、便捷，可以大幅度提高建筑物用能的电力供应安全性。尤其对于学校、医院等本来就需要备用电源，采用三联供可以兼做备用电源。
3. CCHP系统的经济性
下面以内燃机 余热利用系统为一栋2万平的办公楼供能为例，我们来计算一个CCHP系统的经济性（此处仅做经济性示例参考，该示例的详细数据请联系小编做进一步沟通）：
负荷情况：
冷负荷：50w/m2，热负荷：56w/m2，电负荷：30-67w/m2
采暖期：11月-4月，128天；制冷期：6月-9月，88天
每个工作日，机组运行10小时7:30-17:30；周六日不起动，采用市网运行
冷热电三联供运行费用：
冷：9.4万元
热：18万元
电：151万元
运行费用总额：9.4 18 151=178.4万元
（按气价：3.9元/m3）
冷热电三联供初投资：
发电机：254万元
配电费：100万元
热水烟气直燃机：222×1.6=355万元
板式换热器：20万元
初投资总额：100 254 355 20=729万元
将冷热电三联供热方案与市网两种供能方案作对比，可以看到三种方案的经济性比较如下：
表2：冷热电三联供与市网供能方案经济性对比
投资回收期
冷热电与传统方式比：（729-325）÷（220.6-198.4）=404÷22.2=18.2年
冷热电与直燃机比（729-302）÷（216.5-198.4）=427÷18.1=23.6年
由此可见，冷热电三联供初投资和维修费用较高，但运行费用低，总体来看投资回收期较长，需20年左右。
4.我国政策及市场现状
我国的CCHP发展虽然较晚，自“十二五”开始真正起步，“十三五”才慢慢进入快车道。“十二五”以来，国家及部分省市出台的法律、法规、规划、标准等相关文件，为积极扶持和推动CCHP和相关分布式能源发展奠定了良好的基础。其中的几项重要政策均在表3中进行了总结。
表3：CCHP发展相关政策
发达国家应用CCHP的热情远高于中国。虽然同样面临投资回报等方面的问题，国外政府和企业却可以找到多种途径进行解决，这非常值得中国借鉴。
5. 与国外CCHP发展对比
发达国家CCHP发展成熟且需求大
CCHP等分布式能源系统在发达国家发展较早，覆盖了工业、商业、建 筑、居民生活等诸多领域，并达到了很好的应用效果。美国最早从热电联产(CHP)技术的大规模应用开始。2011年热电联产已经占到全美发电量的8%，美国政府计划到2030年能够满足美国 20%的电力需求 。随着技术发展，分布式能源利用升级到CCHP系统。大批商用写字楼开始使用楼宇冷热电三联产(BCHP)系统。美国纽约已经建成全球第八大分布式供能网络，服务于1800栋建筑 。根据美国提出的BCHP 2020年纲领，届时美国将有50%的新建商用写字楼使用 BCHP，15%的现有商用写字楼建筑将进行BCHP改造。
欧盟11%的电力生产来自于CCHP 或CHP，其中丹麦以60%的比例排名第一 。丹麦的国民生产总值已经比 20年前翻了一番，但能源消耗和环境污染都未增加。这其中的奥秘便在于丹麦积极发展的CCHP技术。目前丹麦所有火电厂均供热，而所有供热锅炉房均发电。英国在各类建筑物中安装了上千个小型分布式能源站以提高能源利用效率，英国女王的白金汉宫、首相官邸等也包含其中 。2012年欧盟要求各成员国绘制自己的供冷供热地图，以辅助 CCHP技术的成本收益分析。
目前，日本CCHP系统已经成为仅次于燃气、电力的第三大公用事 业。日本发布了国家级路线图，旨 在2030年冷热电联产增长250%，彼时，日本分布式发电比重将达到总发电量的20% 。
发达国家CCHP发展成熟的原因
事实上，国外CCHP的发展同样面临初始投资巨大，供应商短期经济效益不高等问题。但是其发展不仅仅是政府的政策支持和企业对新技术新商业模式的需求，其背后更有着全民对环境和经济可持续发展的诉求。包括政府和民众对节能减排的要求以及政策上的支持两个主要驱动因素。
例如，在节能减排上，悉尼市由于传统发电结构中火电占比较高，电力生产排放的温室气体占悉尼市总排放量80%。为了满足在“可持续发展的悉尼2030 (Sustainable Sydney 2030)”中制定的减排70%的目标，悉尼市随之制定了一系列绿色基础架构计划。这些计划的具体行动包括通过建设低碳基础设施、CCHP等分布式供能方式减少温室气体排放。
国外政策的支持主要体现在强制性的行政命令、多种补贴和优惠、售电特权等多个方面。
在强制性行政命令方面，国家政府通常以立法等行政手段要求能源供应商保证一定的CCHP或CHP比例。例如丹麦颁布法令，规定1MW (1.3t/h)以上的燃煤燃油供热锅炉必须改造成天然气或垃圾热电厂。此外，政府运用丰富的补贴、 税收优惠鼓励企业自主增加CCHP或 CHP的装机容量。德国政府的补贴方式多样并具有引导性，如只要能够表明CCHP或CHP每年能效超过70%，就可以享受每度电0.55欧分的退税优惠。英国对高质量的CHP项目免除气候变化税、商务税。针对热电联产项目前期投资大、企业负担重的问题，政府则提供信贷优惠等金融政策。例如丹麦政府给予CCHP或CHP项目长达20年的优惠贷款，利率仅为2%。各国政府还在CCHP的售电侧也实施了鼓励政策，例如德国、荷兰规定CCHP或CHP向公共电网售电时实行“优先价格法”和优先上网。
6. 项目案例
国内应用案例1——上海腾讯数据中心
•建造和运营者: 新奥能源控股有限公司
•数据中心需求方: 腾讯
•商业模式: 建设-经营-转让
•上线运营时间: 2016年8月
•装机容量: 2540*4 KW, 为十万个服务器提供电源
•年使用时间: 5840小时
•年天然气消费量: 12,746,000 立方米
•年能源效率: 75.89%
•年产能: 5400万Kwh, 89% 自用
•年冷却产能: 1.62 亿MJ
图3：上海腾讯数据中心天然气分布式能源系统（来源：资料6）
国内应用案例2——苏州协鑫研发园综合能源系统
•地点: 江苏苏州，总建造面积为20724平方米
•建造和运营方: 协鑫能源控股有限公司
•上线运营时间: 2015年3月
•投资总额: ~4900万人民币
•设计能源需求: ~3000 MW, 比传统方案低~ 30%
•微型电网系统的能源供应率: 超50%
•建筑节能效率: 超30%
图4：苏州协鑫研发园综合能源系统 （来源：资料6）
国外应用案例——西班牙Nurel合成纤维公司
•系统：燃气轮机 溴化锂吸收式冷机
•上线运营时间:2000
•装机容量：9.34MW
•年节电量：312TJ
•投资回报时间：3年
图5：西班牙Nurel公司的CCHP系统 （来源：资料7）
7. 结语：
我国冷热电三联供起步晚、发展相对缓慢，但在我国目前天然气战略通道格局基本形成，相关政策也在陆续完善，此时正是发展机遇期。今后冷热电三联供的发展或可与智能微网融合，搭建区域一体化综合能源服务开展。建议各投资主体积极结合自身优势，加强相互间的交流合作，实现互利共赢。政府完善相应法规标准，给予一定补贴及相关优惠政策，共同推动冷热电三联供走上良性发展的道路。
参考资料：
1. 《冷热电三联供系统运行方案的比较分析》；李伟，章维维；分布式能源，2017
2. 《冷热电三联供（CCHP）分布式能源系统》；蓄热云，2020
3. 《Combined cooling, heating and power systems: A survey》; Mingxi Liu, Yang Shi, Fang Fang; Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014
4. 《打造分布式能源“互联网 ” 燃气企业大有可为》；埃森哲，2015
5. 《预见2019：《中国分布式能源产业全景图谱》》；刘建勋；前瞻产业研究院，2019
6. 《Natural gas application opportunities in china》；普华永道思略特，2017
7. 《Review on Combined Cooling, Heating and Power (CCHP) Systems coupled
with Fossil Fuels with Energy, Economic and Environmental Considerations》；Divij Bhatia；Kyung Hee University 2015
作者 | 尹华琛
编辑 | 林伟
栏目负责人 | 周晋羽
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