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摘要：
分布式能源互聯網理念的提出是為了破解常規分布式能源系統供需失衡的困境，由點及面深度挖掘節能減排潛力。日本的分布式能源應用正從傳統單體模式走向互聯網模式。通過案例分析可以看出， 日本分布式能源互聯網的推進大多以燃氣公司為實施主體，以既有建筑為實施對象，以區域熱融通為實施內容，側重于互聯網理念在能源物理層面的滲透。作為能源互聯網理念在微觀區域層面的具象化，分布式能源互聯網在我國也引起了廣泛關注，分布式能源的網絡化應用已進入先導示范階段， 日本的實踐經驗值得借鑒。我國首批能源互聯網示范項目大多是由電力公司牽頭申請，而天然氣是一次能源，以燃氣公司為主體推進能源互聯網建設，可以使互聯網理念在能源領域的滲透更深入、更徹底；我國的多能互補和能源互聯網示范項目更關注電融通， 但熱能的傳輸損失要遠大于電， 而且在終端能源需求中熱能占比也高于電， 因而構建熱能局域網的迫切性要高于電能局域網； 規劃設計中應擺脫常規貪大求多的規模效應思維，立足于可確定負荷；要結合既有建筑節能改造，構建跨邊界的一體化節能改造框架體系。
1 前言
自上世紀70年代末引入分布式能源以來，日本政產學研各界對其一直寄予厚望。從最初的增效節能，到本世紀初的二氧化碳減排，直至現今的能源安全與能源自立，分布式能源系統的潛在優勢正在被全面挖掘。
截至2016年3月，日本國內基于熱電聯產的分布式能源系統總裝機容量突破1000萬kW，其中民用領域占21%；總裝機臺數為16424臺，民用占72%。然而，就實施效果而言，無論是民用還是工業領域，系統綜合能效遠未達到其最大潛力。究其原因，供需兩側熱、電等多元能源的匹配與平衡是影響系統性能的關鍵所在。
在日本，既有分布式能源系統大多以單體用戶為供能對象，用戶負荷單一，逐時波動性強，供需互動難以有效實現。為破解上述困局，近年來日本各大能源商開始嘗試突破現有分布式能源系統的供能邊界，將同一區域范圍內多個相鄰的分布式能源用戶納入統一供能體系，通過構建區域能源微網，實現能源在有限區域內的共享、融通。
另一方面，2011年東北大地震后，能源安全、業務持續計劃(BCP)、停電對應型能源系統等概念受到空前關注，而基于多用戶、多類型分布式能源的網絡化、智能化應用被認為是應對上述問題的有效解決方案。基于上述理念，東京燃氣等大型能源服務商已開展了實證示范，并取得了初步成效。
在我國，“互聯網+”智慧能源理念正逐步滲透，相關示范項目也在如火如荼建設中。不可否認的是，我國在分布式能源相關理念、技術、政策等層面與日本存在一定差距，日本在該領域的實踐經驗對我國具有非常大的參考意義，通過總結其經驗教訓，可有效縮短我國的試錯過程，實現跨越式發展。長期以來，日本能源領域的發展一直是國內學者關注的重點，但已有研究大多集中于宏觀能源政策的整理與分析。
在分布式能源領域，楊映等從政策法規、并網管理等角度分析了日本分布式能源發展的實踐經驗。筆者等也對日本分布式熱電聯產系統的發展歷程、技術現狀、未來趨勢等進行了分析。總體而言，既往研究多著力于宏觀分析，對于實際案例的介紹與分析目前相關研究甚少。
為此，本文針對區域層面分布式能源的網絡化應用這一日本能源領域新的發展動態，在介紹其基本理念、相關政策的同時，通過具體案例分析，深入探討其技術架構及實施效果，為我國“互聯網+”智慧能源理念在區域層面的具象化提供有益參考。
2 分布式能源互聯網的理念與架構
分布式能源互聯網是協同、共享的互聯網理念在能源領域的滲透與融合，其提出的根本動因是為了破解常規分布式能源系統供需失衡的困境，由點及面深度挖掘節能減排潛力。另一方面，以綜合能源服務為導向的電力和能源體制改革，也為分布式能源的網絡化應用提供了有效支撐。
如圖1所示，常規分布式能源系統以小型化、分散化為立足點，著力于為特定用戶提供量身定做的能源服務。然而，單體用戶用能需求大多呈現明顯的季節性和時空性波動，而且電、熱需求亦不同步。為適應需求側用能行為的動態變化，供給側運行調度即使從技術層面能夠實現，也必將以犧牲系統效率為代價。分布式能源互聯網的提出則使分布式能源的應用超越了傳統時空約束，在廣域范圍內實現供需統合。
具體而言，在供給側，各用戶所配置的多類型分布式能源設備協調運行；在需求側，多元用戶負荷平均、互補，呈現更良好的負荷特性。最終，通過區域內多個分布式能源用戶間的協同調度、能源共享，確立剛柔并濟的新型區域供能體系。
3 日本分布式能源互聯網相關政策
在日本，分布式能源互聯網在物理層面上是傳統區域供熱供冷系統與分布式能源的耦合，為此，相關政策亦是從這兩個角度提出。回顧其發展歷程，1972年日本區域供熱供冷協會成立，2006年更名為城市環境能源協會，旨在通過更深入、徹底的節能推進低碳城市發展。
在分布式能源領域，日本于1985年設立了熱電聯產研究會，1997年更名為“日本熱電聯產中心”，2011年再次更名為“熱電聯產與能源高效利用中心”。從上述兩協會的發展歷程可見，傳統區域供熱供冷與分布式能源正逐漸統合，旨在面向分布式能源在區域層面的網絡化應用。
在政策層面，自2005年“京都議定書目標達成規劃”發布以來，日本出臺的一系列能源相關政策均明確提出要促進城市能源面域利用體系的構建，而分布式能源的網絡化應用則是其重要舉措之一。
在2010年內閣府發布的“新增長戰略”中，作為100個戰略行動之一，提出要通過能源的面域利用促進需求側能源有效管理，并開始著手相關法律的制定。同年發布的“能源基本規劃”也重點強調了城市和街區層面的能源優化利用，特別是區域內可再生能源、未利用能源的有效利用。
為了引導能源區域層面的網絡化應用，日本經濟產業省于2005年發布了“能源面域利用導則”，在探討其技術經濟可行性的基礎上，詳細闡述了能源面域利用的實施流程、相關法規手續等。2007年，再次發布了“基于未利用能源面域利用的供熱促進導則”，重點探討了將城市內部廣域分散的低品位未利用熱能，通過構建區域熱網進行有效利用的可能性。在宏觀引導的同時，日本環境省﹑經濟產業省﹑國土交通省等部門也頒布了一系列的激勵制度，以切實有效推進區域能源的網絡化利用。
表1給出了日本區域能源網絡化利用的一些相關激勵制度。除國家層面外，各地方政府也出臺了相應政策措施。
作為日本的政治、經濟和文化中心，東京以2020年奧運會為契機，提出了以“世界第一的城市———東京”為主旨的長期發展愿景，針對2個基本目標，制定了8大城市戰略和25個政策方針，其中之一即為構建智能能源城市。為此，東京都政府推出了“智能能源區域形成推進事業”的補助制度，2015～2019年預計投入55億日元，補助熱電融通網絡及熱電聯產等項目的初期投資費用。
4 日本分布式能源互聯網典型案例
日本分布式能源互聯網的應用實踐主要是由東京燃氣、大阪燃氣等幾大能源公司推動。下面分別介紹當前各大公司正在推進的典型案例。
4.1東京燃氣熊谷分社熱融通網絡
根據日本于2008年修正的節能法，2000m2以下中小規模樓宇需要進行節能改造。在此背景下，東京燃氣熊谷分社(建于1984年，建筑面積1400m2)和相鄰的賓館(建于1986年，建筑面積為8940m2)于2009年進行了協同節能改造，通過構建熱融通系統，確立了新型能源面域利用模式。
如圖2所示，改造前熊谷分社大樓屋頂已安裝有太陽能集熱器(72m2)、太陽熱驅動吸收式制冷機(35.2kW)和燃氣吸收式冷溫水機(141kW)，本次改造新設光伏發電系統(5kW)和基于燃氣內燃機的熱電聯產設備(25kW)。
如圖3所示，熊谷分社電負荷由光伏系統和內燃機供應，冷熱需求由太陽能集熱器和內燃機產生的余熱供應。根據辦公建筑用能特點，燃氣公司大樓春秋兩季熱需求較少，其他季節的非工作時間和雙休日熱需求也較少，會產生多余熱量；而相鄰賓館則具有全年較穩定的熱需求。
因此，通過在兩棟大樓之間安裝熱融通管道，可將熊谷分社太陽能集熱器產生的余熱融通至臨近賓館，以實現熱能的最大限度利用，避免損失。若太陽能集熱器產生的熱量不夠，可由熱電聯產機組回收的余熱供應，從而節約能源且減少溫室氣體排放。據估計，通過上述改造，兩棟建筑可實現年減排二氧化碳11t。
4.2大阪市巖崎智慧能源網絡
大阪市巖崎地區擁有京瓷大阪體育場、永旺百貨等大型設施。該地區早在1996年便建有巖崎能源中心，對區域內13家用戶供熱供冷；2013年開始，利用區域內熱電聯產系統作為特定電氣事業，對5家用戶供電。在區域內實現冷熱電聯供的同時，利用IT技術實施需求側響應，確立了智慧能源網絡架構。
如圖4所示，巖崎能源中心由1個主站和3個分站構成，主站配有燃氣直燃機、余熱回收型吸收式制冷機、電制冷機、熱水鍋爐等。分站1位于ICC大樓內，設置有燃氣內燃機和余熱回收型吸收式制冷機，其產生的余熱除自身使用外，亦可融通至主站。分站2位于地鐵站附近，設置有燃氣直燃機和燃氣鍋爐。分站3設置于2015年開業的大阪燃氣公司宣傳體驗設施“hu+g”博物館內，設置有余熱回收型吸收式制冷機，其熱源來自于大樓內熱電聯產系統產生的余熱以及太陽熱，剩余部分可以融通至主站。除上述各能源站外，區域建筑自身亦配置有不同類型的分布式能源系統，具體情況如圖5所示。
永旺百貨配有1630kW的熱電聯產機組，京瓷體育場配置有1000kW熱電聯產機組，“hu+g”博物館配有停電對應型熱電聯產機組(420kW)、SOFC燃料電池(4kW)、太陽能集熱器(120kW)、光伏發電系統(20kW)和蓄電池(50kW·h)。區域內建筑用戶與能源站進行電、熱融通，從面域層面構建高效能源利用體系。
4.3 千住混合功能區域能源互聯網
該項目是日本經濟產業省的實證示范項目，于2011年開始運行。區域范圍內主要有東京燃氣公司的千住技術中心和荒川區立養老院，其中技術中心又由辦公建筑A(26190m2)、辦公建筑B(8881m2)、智能示范樓和能源中心(C樓)構成，如圖6所示。
如圖7所示，能源中心可利用多種熱源，通過控制系統為其設置了優先順序，太陽熱優先、熱電聯產余熱其次。同時，在技術中心和養老院間構建了雙向熱融通網絡。實測結果表明，通過構建上述能源網絡，區域全年節能13.6%，減排35.8%。
4.4東京豐洲碼頭區域智能能源網絡
東京燃氣集團以其2020愿景為導向，于2014年開始在新開發的豐洲碼頭地區構建智能能源網絡。在設置兼具能源供應與防災提升功能的智能能源中心的同時，利用ICT技術導入了可對設備進行實時最優控制的SENEMS系統，為區域內4個地塊提供電、熱等綜合能源服務。
具體而言，能源中心配置有7MW級大型高效燃氣內燃機組、利用燃氣壓差的壓差發電機(560kW)、余熱回收型吸收式制冷機(2000RT)、電動制冷機(4000RT)、蒸汽鍋爐，同時還設置有電力自營線路、強抗災性中壓燃氣管網(見圖8)。
該燃氣內燃機額定發電效率高達49%，與其他分布式能源協同，大約可提供區域電力峰值的45%；同時，發電余熱亦在區域內融通。此外，熱源系統還配置有BCP對應功能，即使在停電時亦可提供45%的峰值熱需求。根據預測，導入上述智能能源網絡，可以實現年二氧化碳減排3400t，減排率約40%。
5 日本實踐對我國的啟示
5.1我國分布式能源網絡化發展趨勢
在我國，2015年3月15日，中共中央國務院下發《關于進一步深化電力體制改革的若干意見(中發[2015]9號)》，明確了“三放開、一獨立、一研究、三強化”的改革基本主線，明確要放開售電側，多途徑培育市場主體，允許擁有分布式電源的用戶或微網系統參與電力交易。2016年2月24日，發改委發布《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見(發改能源[2016]392號)》，指出要加強多能協同綜合能源網絡建設，發展可接納高比例可再生能源、促進靈活互動用能行為和支持分布式能源交易的綜合能源微網。
同年7月4日，發改委發布《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見(發改能源[2016]1430號)》，要求通過天然氣熱電冷三聯供、分布式可再生能源和能源智能微網等方式，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用；提出“十三五”期間，建成國家級終端一體化集成供能示范工程20項以上，到2020年，各省(區、市)新建產業園區采用終端一體化集成供能系統的比例達到50%左右，既有產業園區實施能源綜合梯級利用改造的比例達到30%左右。首批23個多能互補集成優化示范工程于2016年12月26日對外發布。
同時，2016年7月26日，國家能源局發布《關于組織實施“互聯網+”智慧能源(能源互聯網)示范項目的通知(國能科技[2016]200號)》，提出要開展園區能源互聯網試點示范，首批55個示范項目已于2017年6月28日對外發布。2017年5月5日，首批新能源微電網示范項目也對外公布。
此外，2017年2月7日，國家能源局發布《微電網管理辦法》(征求意見稿)，對微電網的定義與范圍、建設管理、并入電網管理、運行管理、試點示范、政策保障、監督管理等方面做了明確規定，從而進一步規范了微電網的建設運營管理。
5.2 值得借鑒的日本分布式能源互聯網的實踐經驗
根據上述分析，我國分布式能源已經從傳統單體應用模式逐步轉變為網絡化應用模式，并已進入先導示范階段。在此歷史性階段，借鑒日本已有實踐經驗，可以為我國示范工程建設及后期可能的規模化應用提供有益參考。
具體而言，以下幾方面值得關注：
①日本分布式能源互聯網大多以燃氣公司為主來推進，所配置的設備也大多是以天然氣為燃料的燃氣內燃機、直燃機等，而光伏、光熱只作為補充。相反，我國首批能源互聯網示范項目則大多由電力公司牽頭申請，而且光伏等可再生能源占比均較大。這主要是由于我國的能源互聯網理念是由國網公司最先提出，并以智能電網作為核心支撐。
電是典型的二次能源，而天然氣是一次能源，以燃氣公司為主體推進能源互聯網建設，可以使互聯網理念在能源領域的滲透更深入、更徹底。值得欣慰的是，新奧等傳統燃氣供應商已在積極行動，提出了“泛能網”等創新理念，并在逐步推進。
②日本分布式能源的網絡化應用更關注區域內用戶間的熱融通，而電融通則相對較少。相反，我國無論是多能互補示范項目，還是能源互聯網示范項目，以新能源、儲能等為核心的區域內電力匹配與協調均是建設重點。
誠然，作為一種典型的分布式能源，以光伏為主體的可再生能源應用需要引入新的思路，而能源互聯網理念為其提供了機遇。然而，綜合考慮電和熱的基本物理特性，熱能的傳輸損失要遠大于電，而且在終端能源需求中，熱能占比也高于電。為此，在區域層面，構建熱能局域網的迫切性要高于電能局域網。
③日本分布式能源互聯網的規模均較小，即使相鄰兩棟建筑間也可建立能源融通網絡，這與我國動輒數十兆瓦容量的區域分布式能源系統大相徑庭。而既有實踐表明，我國一些已建成的區域分布式能源系統，由于預估負荷不能到位，難以正常運行。為此，在今后區域層面的分布式能源系統規劃設計過程中，不能貪大貪多，應立足于可確定負荷，分步、分期實施。
④日本分布式能源互聯網大多是結合既有建筑節能改造進行推進。相反，我國區域層面的分布式能源應用則大多數是結合新區規劃實施。可以想象，在今后若干年中，我國必然有大量既有建筑面臨能源系統改造，而在此過程中，可以借鑒日本的實踐經驗，擴展思路，構建跨邊界的一體化節能改造框架體系。
6 結語
作為分布式能源的先行者之一，日本的分布式能源應用正從傳統單體模式走向互聯網模式。
日本分布式能源互聯網的推進大多以燃氣公司為實施主體，以既有建筑為實施對象，以區域熱融通為實施內容，側重于互聯網理念在能源物理層面的滲透。這與我國正在推進的能源互聯網、多能互補等示范項目的實施理念存在一定的差異性。作為一種具有革命性的能源利用思路和模式，分布式能源互聯網所呈現的不同技術路徑各有優劣，在今后的實證示范過程中，可以借鑒日本經驗，結合我國國情，確立最佳實現方案。
作者簡介：任洪波，教授，2009 年獲日本北九州市立大學能源與環境工程專業博士學位， 現主要從事新能源與分布式能源系統研究工作，已在國內外學術期刊發表論文30 余篇。
摘自分布式能源微信