本报告以具有普适性的楼宇型建筑为研究对象，基于研究对象的设定体量，结合相关规范规程及资料，整理分析其相应的冷、热、电负荷。根据冷、热负荷、电负荷需求，研究电空调、燃气直燃型空调和分布式能源这三种供能方式的装机和运行方案。并基于电空调和燃气直燃型空调机等传统制冷、供热方式的成本测算，对分布式能源系统的装机运行方案进行了完整的经济分析，对这三种供能方式进行了比较与论证，对分布式冷热电三联供能源方案的经济性进行了深入研究，并对分布式能源站的反测电价敏感因素进行了详细探讨，为相关政策制定提供依据。
1. 研究背景
天然气分布式能源的起源可追溯到上世纪80年代在美国的冷热电三联供技术，其利用发电余热来供热或驱动制冷机制冷，一次能源利用率可高达95%以上。作为21世纪科学用能的最佳方式，分布式能源的发展利用在30年间已逐渐得到世界各国的广泛重视。天然气分布式能源系统是一种高效、节能、环保的用户端能源综合利用系统，已成为世界能源技术的发展潮流。国际分布式能源联盟主席汤姆•卡斯顿曾说过：“分布式能源的革命即将发生，将像30年前发生的绿色革命一样产生深远的影响” 。
2010国家能源局召开了《我国天然气分布式能源专题研讨会》，我国开始明确了发展分布式能源系统的必要性。尽管国内目前发展天然气冷热电联产系统的政策不到位，各行业间的认识还没有完全统一，但是以北京、上海、广州等为代表的大城市起了很好的带头作用，使得我国的天然气分布式能源系统建设进入实质性开发阶段，大量的分布式能源系统的实际应用为我国下一步的政策制定、方案推广等起到了很大的作用。同时，地方政府的补贴也在推动分布式系统的发展。例如，目前上海市和长沙市政府对单机1万千瓦及以下的分布式供能系统设备按1000元/千瓦进行补贴。目前国内在建和已建的分布式能源项目超过30个，可以预见，天然气分布式能源在我国有着广阔的应用前景。
虽然天然气分布式供能是一种能源利用率高、环境友好的用户终端能源利用系统，但由于用户侧供能需求不同、各地天然气燃料价格不同，其经济性有待系统的分析研究。因此，本文以典型楼宇式建筑为研究对象，在设定的冷、热、电负荷需求下，对电空调、燃气直燃机空调、分布式能源站这三种供能方式的经济性进行了深入比较，并在此基础上对分布式能源站的经济敏感性进行了研究，对影响能源站经济效益的主要因素(总投资、气价、负荷率)进行了评估，为发展天然气分布式能源站提供了技术经济指导。
2. 研究对象和方法
2.1研究对象
分布式能源系统的建设在于满足需求用户的冷、热、电负荷的同时最大程度实现能源梯级利用。通过在需求现场根据用户对能源产品的不同需求，实现温度对口供应能源。根据国外的分布式能源项目建设模式，其用户对象主要为具有一定用电需求和冷热需求的公共楼宇建筑，如宾馆、学校、商业综合体等，或者是对电源供应要求较高的用户以及电力接入困难的用户。
对于商场、医院、办公楼、学校、宾馆等这些小规模用户的分布式能源系统(或称楼宇式分布式能源)，这些不同场合用户侧的供能模式基本类似，其天然气分布式能源站的区别主要体现在以下两个方面： 1)冷、热、电功率的不同;2)全年冷、热、电总需求的不同。
对于不同的冷、热功率需求，事实上只需增加装机容量，对于单位千瓦的冷、热功率需求来说，其造价大致相同，其耗气量大致相同。也就是说，对于不同的应用场合来说，单位千瓦的冷、热功率的经济评价结果将是大致相同的。而对于全年冷、热需求的不同(也称为负荷率不同)，可以针对负荷率进行敏感性分析，获得具体应用的经济评价。
因此，可以采用典型用户来进行楼宇式分布式能源技术的经济分析，同时通过各类指标的敏感性分析获得其他应用场合的结果。
2.2研究方法
为了评价天然气冷热电三联供系统的经济性，有必要将其与传统电空调和燃气直燃空调来制冷/供热的经济成本进行对比，并对影响分布式能源系统经济性的主要因素进行敏感分析。鉴于此，本文的研究思路和方法如下：
1、以典型楼宇建筑(浙江国际大酒店)为例，设定冷、热、电负荷需求;
2、根据冷热负荷需求进行电空调、燃气直燃空调、分布式能源系统的选型。其中，电空调和燃气直燃空调时用电由市电提供;对于分布式能源站，我们采用以冷、热定电的方式(通常分布式能源站产生的电功率不能完全满足典型楼宇式应用的电功率需求)。因此，分布式能源站装机的选择通常以冷、热功率需求进行选择，不足电量以购买市电方式解决。同时，考虑到外部电网存在较大的峰谷电价差，因此为了用户经济效益，在电价较低的谷电期间，分布式能源站不运行，而主要运行在峰电期间。
3、对电空调方案、燃气直燃空调的年运行情况进行计算分析，得出耗电、耗气、耗水等费用，再考虑机组的总投资以及折旧、维护等相关费用，综合计算出电空调、燃气直燃空调的制冷和制热成本;
4、根据社会市场上电空调和燃气直燃空调的安装比例，加权折算出用户制冷/制热的成本;
5、根据分布式能源站的年运行情况，计算出耗电、耗水、耗气等费用，再考虑机组的总投资及折旧、维护等相关费用可以得出总生产成本;由于能源站的产品包括冷、热、电，因此在冷价和热价一定的前提下，可以反测出分布式能源站的电价，我们用这个反测电价与市电价格对比，即可明确分布式能源站的经济性;
6、对分布式能源站的反测电价进行敏感分析，研究总投资、天然气价、负荷率对反测电价的影响。而这三大因素直接影响到天然气分布式能源站的经济性和政策扶持依据。
3. 负荷设定及方案设想
3.1 负荷设定
基于楼宇型建筑物的特点，以浙江国际大酒店的应用为例，冷、热、电负荷设定依据建筑物冷、热、电负荷指标和建筑物需制冷、供热、供电的建筑面积，以及负荷变化系数进行确定。总建筑面积30000m2，其中需制冷、供热的面积选为25000m2。
制冷期考虑6个月计180天，采暖期考虑4个月计120天，过渡期2个月计60天。冷、热负荷指标依据《城镇供热管网设计规范》(CJJ34-2010)空调冷热指标推荐值，并参照杭州地区的气候特点，冷、热指标分别选为120W/m2、70 W/m2，则设计冷、热负荷分别为3MW、1.75MW;电负荷指标选为50W/m2，则平均用电负荷为1.5MW。参照浙江省电网电价尖峰、高峰和低谷时段划分，核算各电价时段负荷变化系数，确定不同电价时段对应的冷、热、电负荷。
3.2 方案设想
根据目前市场上常用的供能方式，我们设定了满足该用户冷热电需求的三种方案如下：
一、电空调制冷/制热+市电
二、燃气直燃空调制冷/制热+市电
三、燃气内燃机+热水烟气型溴化锂机组+电空调+市电
对于楼宇式分布式能源站，适用机型是微燃机和燃气内燃机。但由于微燃机容量小，成本较高，效率较低，相比燃气内燃机不具优势。本文研究对象的电负荷1500KW，规模适合内燃机，并且小容量内燃机的发电效率要高于燃气轮机，输出功率基本不受环境温度影响。因此本文对楼宇式分布式能源站的分析采用燃气内燃机进行。
此外，分布式能源站配备了电空调，主要是在谷电期市电价格较低，停运分布式能源站而采用市电和电空调较合适。
4. 方案经济性比较
针对各方案的运行情况和费用计算，我们设定了如下边界条件：
1)电空调机方案静态投资按500万元考虑;
2)燃气直燃型空调机方案工程静态投资暂按700万元考虑;
3)分布式内燃机方案工程静态投资暂按3900万元考虑
4)根据浙江省电网销售电价，一般工商业及其他用电尖峰电价为1.406元/kWh;高峰电价为1.108元/kWh;谷电价为0.596元/kWh;
5)天然气价格：燃气直燃型空调机方案按杭州市商用天然气价格4.84元/Nm3。分布式内燃机方案按浙江省天然气开发有限公司向各城市销售的工业用天然气门站价格，除居民用气外，为3.23元/Nm3，门站后管输价格按0.1元/Nm3考虑，共3.33元/Nm3。
6)天然气热值设为36000kJ/m3。
7)各方案投资、耗水、耗电等成本按方案制冷量及供热量进行分摊。即峰电运行期，制冷成本占62%，供热成本占38%;谷电运行期制冷成本占59%，供热成本占41%。
8)对于燃气内燃机方案，定义100%负荷率为机组全年满负荷运行4380小时(即尖峰和峰电期全年小时数，谷电不运行);本案例的负荷率约为33%。
4.1 电空调方案
4.1.1 装机方案
楼宇型用户的冷、热负荷需求，适宜选用同时具备制冷、供热能力的电空调机组。基于冷、热负荷的特点，选配5台电空调机组，主要的设备参数详见表。
表4.1 电空调机组主要技术参数
4.1.2 运行方案
电空调分别在制冷、采暖期的尖峰、峰电、峰电期三个时段内运行，满足用户的冷、热负荷需求;用电则由市电提供。主要的运行数据见表4.2。
表4.2 电空调方案运行数据
注：峰电期包含尖峰和峰电两个时段。
4.1.3 经济性评价
1)峰电运行期：平均制冷成本为519元/MWh，经营期总成本2939万元;平均供热成本为500元/MWh，经营期总成本1705万元;
2)谷电运行期：平均制冷成本为291元/MWh，经营期总成本1584万元;平均供热成本为319元/MWh，经营期总成本1192万元。
电空调方案，谷电期运行成本比峰电期运行成本降低幅度较大，主要原因为谷电期间用电成本较低。
4.2 燃气直燃型空调机方案
4.2.1 装机方案
表4.3 燃气直燃型机组主要技术参数
4.2.2 运行方案
燃气直燃型溴化锂空调机分别在制冷、采暖期的尖峰、峰电、峰电期三个时段内运行，满足用户的冷、热负荷需求;用电则由市电提供。主要的运行数据见表4.4。
表4.4 燃气直燃型空调运行数据
4.2.3 经济性评价
1)峰电运行期：平均制冷成本为559/MWh，经营期总成本3162 万元;平均供热成本为738/MWh，经营期总成本2519万元;
2)谷电运行期：平均制冷成本为522/MWh，经营期总成本2841万元;平均供热成本为696/MWh，经营期总成本2597万元。
燃气直燃型空调机方案，制冷总成本高于供热成本，但单位成本制冷低于供热。并且谷电运行期成本比峰电运行期成本降低，主要原因为谷电期间用电成本比较低。
4.3 分布式能源方案
4.3.1 装机方案
分布式能源方案拟选择内燃机发电机组作为主体设备，高温热水和烟气作为热源驱动溴化锂机组制冷/制热，发电供电，电力不足部分由外电网补充，电力富余部分则外供 。同时，在谷电时采用市电和电空调供能。因此，整个分布式冷热电三联供方案的系统流程如下图：
图4.1 分布式能源系统流程图
根据冷、热、电负荷需求特性，配套的天然气分布式能源站装机规模和方案如下：
2×1.56MW燃气内燃机+2×1.75/1.15MW热水烟气型溴化锂机组+5×0.625/0.650MW电空调机组。燃气内燃机和烟气热水型溴化锂设备参数见下表，电空调参数参照电空调方案。
表4.5 燃气内燃机发电机组主要技术参数
表4.6 热水烟气型溴化锂机组主要技术参数
4.3.2 运行方案
分布式能源方案机组运行方式为错峰运行，尖峰、高峰电价时期主要依靠内燃机发电机组+热水烟气型溴化锂机组供电及制冷、供热，市电作为补充及备用;谷电期停用分布式能源站，采用外界市电+电空调机组的方式供能。经技经测算，如果内燃机分布式能源站在制冷期和供热期全时段运行(即不采用错峰运行)、不增设电空调机组，则经济性较增设电空调机组差，故本文考虑内燃机分布式能源方案增设电空调机组，后续的分析评价亦据此开展。
电网故障断电情况下，由内燃机发电机组满足近90%以上的电力负荷需求，热水烟气型溴化锂机组满足全部冷、热负荷需求。
根据机组的装机规模及冷、热、电负荷特性，机组全年的运行方案数据如下：
表4.7 分布式能源站年运行数据
注：谷电停用分布式能源站。
4.3.3 经济性评价
1、经济评价思路
基于燃气直燃型空调机和电空调机组等传统方案制冷、供热成本的经济性评测结果，并结合目前市场占有率较大的空调厂家的统计资料，燃气直燃型空调机方案和电空调机方案，两者市场占有比例为15%、85%，故综合制冷及供热成本考虑如下：
综合制冷及供热成本=燃气直燃型空调机方案×15%+电空调机方案×85%。
分布式能源方案，分别按综合制冷及供热成本(作为输入成本数据)，测算当投资方内部收益率为8%(即商业售出模式)和0%(即自建自用模式)时，分布式能源方案的反测电价。
2、主要评价价格参数
根据燃气直燃型空调和电空调制冷、供热成本的评测，设定综合制冷、供热成本为：
综合经营期制冷成本=3162×15%+2939×85%=2972万元;
综合平均制冷成本=559×15%+519×85%=525元/MWh;
综合经营期供热成本=2519×15%+1705×85%=1827万元;
综合平均供热成本=738×15%+500×85%=536元/MWh。
3、财务评价指标
根据财务评价指标计算得出，内燃机分布式能源方案电价结果如下：
当综合年平均制冷成本按525元/MWh，综合年平均供热成本按536元/MWh考虑，天然气价格3.33元/Nm3，投资方内部收益率为8%时(即商业售出模式)时，反测含税电价为1751.02元/MWh，远远高于天然气热电项目的临时上网电价，高于现行浙江省一般工商业及其他用电在1kV-10 kV电压等级情况下的尖峰时段电价1.406元/kWh，且远高于现行浙江省一般工商业及其他用电在1kV-10 kV电压等级情况下的尖峰和高峰时的加权平均电价1.158元/kWh。
当其他条件不变，注册资本金内部收益率为0%时(即自建自用)，测算分布式能源方案含税电价为1542.60元/MWh，仍高于现行浙江省一般工商业及其他用电在1kV-10 kV电压等级情况下的尖峰和高峰时的加权平均电价1.158元/kWh。
4、经营期总成本对比
经营期总成本分析，主要对比自建自用燃气直燃型空调机方案、电空调机方案、分布式能源方案，进行三个方案的经营期总成本分析。
从成本比较可以看出，分布式能源方案经营期总成本最高，总计13529万元，电空调方案经营期总成本最低，为4644万元。
5、分布式能源站反测电价的敏感性分析
根据上面财务评价指标结果可知，分布式能源电站的反测电价较高，表明在现有的边界条件下，其经济性较差，直接用市电对用户来说更实惠。而影响分布式能源电站经济性的影响因素主要包括总投资成本、天然气价格、机组负荷率，因此有必要对这三种因素对电价的敏感性进行分析。
(1)总投资及燃气价格
按投资方内部收益率为8%时，计算反测电价在总投资变化和燃气价格变化的单因素影响下的电价敏感性分析，基准投资为现方案的3900万元，基准气价为现方案的3.33元/m3。敏感性分析结果见下图。
图4.2 分布式能源站反测电价敏感性分析
从上图可以看出，总投资和天然气价格对分布式能源站供出电价的影响很大。
当总投资减少3000元/kW时(即总投资减少24%时)，分布式能源站经营期含税上网电价从现有基准的1751元/MWh降至1474.08元/MWh。
当天然气价格按浙江省商业气价4.84元/Nm3(即气价在现有基准3.33元/Nm3基础上增加45.3%时)，分布式能源站经营期含税上网电价升至2173.51元/MWh。
要使分布式能源站的经营期含税上网电价降低至1.158元/kWh，即与浙江省一般工商业及其他用电尖峰和高峰时的加权平均电价1158元/MWh相同，天然气价格需降至1.21元/Nm3。
(2)负荷率
按投资方内部收益率为8%、气价3.33元/m3条件下，计算分布式能源站经营期反测电价在负荷率单因素变化下的敏感性分析，基准方案负荷率约为33%(综合考虑制冷/供热负荷系数及年运行小时数)。
当负荷率增加30%时，经营期含税上网电价降至1425.20元/MWh。
当负荷率增加20%时，经营期含税上网电价降至1515.72元/MWh。
当负荷率增加10%时，经营期含税上网电价降至1622.57元/MWh。
当负荷率减少10%时，经营期含税上网电价增至1907.83元/MWh。
当负荷率减少20%时，经营期含税上网电价增至2103.96元/MWh。
当负荷率减少30%时，经营期含税上网电价增至2355.75元/MWh。
从上述敏感性分析可以看出，负荷率对经营期电价也是比较重要的。
(3)自建自用时(注册资本金内部收益率为0时)
当天然气价格3.33元/Nm3，注册资本金内部收益率为0时，若总投资核减3000元/kW，分布式能源站经营期含税上网电价降至1314.58元/MWh。
当注册资本金内部收益率为0时，若天然气价格增至4.84元/Nm3，分布式能源站经营期含税上网电价将增至1964.59元/MWh。
当注册资本金内部收益率为0时，要使分布式能源站经营期含税上网电价降至1158元/MWh，天然气价格需降至1.96元/Nm3。
当天然气价格3.33元/Nm3，注册资本金内部收益率为0时，要使分布式能源站经营期含税上网电价降至1158元/MWh，能源站的负荷率需增加47%。
分布式能源方案测算电价的敏感性分析结果表明，总投资与天然气价格影响权重很高，负荷率的影响次之。
5. 结论
本文以典型楼宇式建筑为研究对象，在设定的冷、热、电负荷需求下，研究了电空调、燃气直燃机空调、分布式能源站这三种供能方式的经济性，并以电空调和燃气直燃机空调的制冷和制热成本为基准，分析了分布式能源站的经济敏感性因素，主要结论如下：
(1)电空调制冷、供热成本：峰电期平均制冷成本为519元/MWh，平均供热成本为500元/MWh;谷电期平均制冷成本为291元/MWh，平均供热成本为319元/MWh。
(2)直燃型空调机制冷、供热成本：峰电期平均制冷成本为559/MWh，平均供热成本为738/MWh;谷电期平均制冷成本为522/MWh，平均供热成本为696/MWh。
(3)当天然气价格3.33元/Nm3、投资方内部收益率分别为8%(即商业售出模式)和0%(即自建自用模式)时，测算分布式能源方案含税电价分别为1751.02元/MWh和1542.60元/MWh，远高于现行浙江省一般工商业及其他用电在尖峰和高峰时的加权平均电价1158元/MWh。
(4)要使得分布式能源站经营期含税上网电价降低到1158元/MWh，在其它条件不变的情况下，商业售出模式天然气价格需降为1.21元/Nm3，自建自用模式天然气价格需降至1.96元/Nm3 (或者使负荷率达到48.5%)。
(5)如果政府对分布式能源项目给予一定的政策补贴，在总投资享受3000元/kW补贴、天然气价格3.33元/Nm3条件下，商业售出模式含税电价为1474.08元/MWh，自建自用模式电价为1314.58元/MWh 。
因此，在现有天然气价格情况下，楼宇型天然气冷热电三联供能源站不具备经济优势。天然气分布式能源的发展，仍有相当长的路要走，亟需配套完善的政策支持和财税补贴，建议采取免税+合适的投资及气价补贴，优先发展负荷率较高的项目。
作者：邹道安, 陈金耀, 黄琪薇, 王少农
作者简介：邹道安，男，湖北省汉川市人，工学博士，从事能源、电力、环保领域的研究设计工作。中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司。
