区域供热供冷系统的能耗分析及建设运营模式的研究

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北京建筑大学硕士学位论文原创性声明
北京建筑大学硕士学位论文使用授权书
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2区域供热供冷国内外发展状况及BOT模式简述 (3)
1.3本文的研究内容与方法 (6)
第2章北京市供热供冷市场发展及典型项目探讨 (8)
2.1北京市供热供冷市场发展简述 (8)
2.2北京市供热供冷市场份额解析 (8)
2.3现阶段BOT模式在区域供热供冷市场的应用 (9)
2.4研究项目的基本情况 (9)
2.5常见区域供冷类型简述 (10)
第3章区域供热供冷系统在实际项目中的应用与研究 (12)
3.1项目用热用冷需求及相关概况 (12)
3.2项目初步方案拟定与设计计算分析 (12)
3.3设计计算 (13)
3.4项目建设运营模式分析 (24)
第4章区域供热供冷系统在研究项目达产后的能耗与运营分析研究 (32)
4.1运行数据采集与分析 (32)
4.2由成本核算分析得到的经验启示 (37)
4.3完善数据采集及此后研究的设想 (38)
第5章项目应用与区域推广 (40)
5.1同类化项目的应用 (40)
5.2区域供热供冷模式在广泛区域的推广 (40)
结论与展望 (42)
结论 (42)
展望 (42)
参考文献 (44)
致谢 (47)
III
第1章绪论
1.1 课题背景
1.1.1 行业政策背景
近些年来，以区域供热供冷为突出代表的采暖用冷市场逐步发展，取得了较为可观的商业规模与社会效益。

特别是政府相关部门加大推进城市清洁能源改造，完善能源合理利用，改善大气环境的力度进一步增强，我们更加清晰地看到了以清洁能源利用为主的区域供热供冷市场的广阔前景。

结合近年来我国环境保护问题进一步突出，能源合理利用，特别是清洁能源的合理利用问题，越来越受到政府部门与社会各界广泛的关注，同时也推动着同行业从业者的研究与发展。

以北京市为例，2013年7月，市政府出台《引进社会资本推动市政基础设施领域建设试点项目实施方案》[1] ，对供热供冷设施的投资予以鼓励，采取社会企业投资热冷源，政府投资配套管网等举措，推动区域集中供热供冷工作的科学开展。

2013年9月，北京市政府发布《北京市2013-2017清洁空气行动计划》[2]，提出到2017年细颗粒物PM2.5年均浓度比2012年下降25%以上的总体目标。

北京市辖区内各重点镇、新城、功能区组团、开发区块将进一步按照以上计划文件逐步对能源的合理利用进行深入推广。

北京市的良好政策为北京市供热供冷市场开拓，实现快速发展创造了难得机遇。

这些政策也进一步明确了清洁能源利用与设施建设的重要地位，同时也为区块化、规模化的区域供热，包括区域供冷的快速发展提供了历史机遇。

随着我国城市建设进程的进一步加快，系统地考量区域供热供冷方式的推广与应用，结合数据采集与经济分析，研究项目建设运营的模式，使整体项目达到科学、舒适、节能、环保，推动同行业相关领域的技术发展，使各相关产业链科学布局与运转，从而促进供热供冷市场的优化与和谐，有着极其重要的现实意义。

1.1.2 资源与环境背景
我国能源资源总量约为4万亿吨标准煤，煤炭保有储量约1024.9亿吨，可采储量约839亿吨，储采比不足百年，石油资源量为930亿吨，天然气资源量为38亿立方米[3]。

常规能源资源并不十分丰富，急需建立科学的资源节约意识与科学利用意识。

目前，我国在能源消费方面已位居世界前列。

据有关研究显示，近二十几年是中国经济发展最快的阶段，年均经济增长率达到9.925%[4]。

随着经济发展与社会进
步，我国的能源消费量还将逐年增加。

而与之不相匹配的是，我国经济发展，能耗增加，能源节约意识和技术手段相对滞后，使得我们的能源消费过度依赖煤炭，煤炭在我国一次能源结构中一度占到四分之三。

煤炭的持续大规模使用，进一步加剧了大气环境的污染。

同样，我国电力能源的相对紧缺，也是广大供热供冷行业从业者不能忽视的重要因素。

造成电力短缺的原因较多，电网建设投入相对不足，价格体系还未形成良性机制，产业结构水平低，随着经济发展而造成的用电需求激增都是较为重要的原因。

结合本文所要研究的供热供冷问题，特别是传统的单一供冷系统，一般采用活塞压缩式、螺杆式及离心式制冷机组。

这些机组用电量均相当巨大，这在后文中将有实例说明。

而作为单体用户的户式空气调节装置的普遍安装，使得每年夏季全国各地的用电量连年创出新高。

应该说，用电量，特别是夏季制冷用电需求的激增，对于正处于高速发展中我国各地区，尤其是各大中城市基础设施生产供应都是较大的考验，也同时对承接项目主体的服务保障单位极大的运营压力。

既有设施、发展规模、技术管理与政策制定等各方那个面，因受电力负荷增加的影响，需要更好的措施来应对未来城市发展的瓶颈。

在清洁能源利用推广以及电力紧张的情况下，区域供热供冷再次以一种可以探讨并研究推广的热冷源供应形式引起了广泛的关注。

在有条件的地区项目上进行推广与利用，对于存在区域供热供冷需求的项目有着独特的优势与示范意义。

1.1.3 北京市天然气产业发展现状
北京市是全国率先发展天然气的大城市。

经过数十年发展，已经形成较为完整的燃气供应系统[5]。

根据有关数据统计，仅北京燃气集团，2014年天然气供应量已达到104.6亿立方米，京内外燃气管道用户587万户，京内外运行管线2.1万公里。

北京市天然气的应用范围也从民用炊事发展到工业、采暖、制冷、发电、燃气汽车、分布式能源等诸多领域。

根据北京市大气环境目标和能源结构调整的总体要求，北京将继续大力发展天然气供应。

结合北京市2020年天然气发展目标及总体规划，北京市将进一步发展新城天然气供应；加快推进天然气替代人工煤气工程；大力发展居民用和一般工业生产用天然气；鼓励发展春秋夏季节负荷分布式热电联产和燃气空调用户，同时采取技术措施，降低季节峰谷差；天然气发展以调峰机组为主并进
行总量控制，积极扩展天然气应用的新领域[6]。

这其中的发展夏季负荷，降低季节峰谷差，平抑燃气负荷曲线，鼓励发展燃气空调用户，更是为区域供热供冷技术的发展与应用奠定了良好的能源利用基础。

而该技术的拓展与应用无论在宏观政策还是在项目具体应用中，都属于行业发展的潮流顺应者。

1.1.4 区域供热供冷形式及特点
在煤炭利用率不科学，电力资源紧张，天然气等清洁能源合理利用有待进一步加强的大背景下，区域供热供冷模式的发展与应用，无疑在解决以上问题并充分利用其自有优势和谐创造更多价值方面，为我们提供了很好的研究目标，特别是传统供热行业。

以北京为例，单采暖季仅占全年时间的三分之一，另三分之二的空置期，无论是人员成本还是设备闲置成本的投入都对运营保障企业存在相当大的压力。

而区域供热供冷技术的应用与发展，为我们开辟了新的思路与眼界，是我们能以更广的视野去思考我们共同的共同事业，将其推广并不断更新。

从这个角度讲，这还是具有相当的研究意义与现实意义的。

区域供热供冷系统，是指对一定区域内建筑物，由一个或多个能源中心得到热水或冷水等介质，通过区域管网提供给最终用户，实现其用热或用冷需求的系统[7]。

这其中的能源中心包括区域锅炉房或各种供热供冷设备机组。

区域供热供冷在节能与环保领域有着一定独特的优势，也显示了其对于现代城市建设与使用中的舒适性与安全性的综合保障特点。

1.1.5 区域供热供冷形式的节能环保责任
根据相关统计指出，全世界建筑物能耗约占总能耗的19.3%。

这其中有85%的比例来自于暖通空调领域的能耗。

随着我国经济的不断发展，技术创新与精细化管理等领域的持续优化，高能耗产业的能耗比会相应下降，这也使得建筑物能耗将进一步增大总能耗占比。

而区域供热供冷，作为热与冷两种状态的供能形式，优化整体，科学配置，必将以一种科学而先进的业态而受到社会的关注与认可，通过持续改进，加以推广利用。

1.2 区域供热供冷国内外发展状况及BOT模式简述
1.2.1 区域供热供冷历史及国内外发展状况
区域供热供冷是在区域供热的基础上发展起来的。

区域供热形式出现较早，已逾百年历史。

区域供冷的理念最早由美国行业研究着提出[8]。

供热供冷统一集中供应与管理，在几十年间不断发展。

从世界范围来看，北美、欧洲、日本、中东等地区的区域供热供冷技术发展应用较快。

众多同类项目的推广与运营，在保证环保高效的同时，取得了较好的使用效果。

区域供热供冷技术，特别是区域供冷技术发展沿革情况，请见表1-1。

表1-1 区域供热供冷技术在国外的发展沿革
Table 1-1 Development and evolution of district heating and cooling system
起始年代 20世纪
60年代
20世纪
70年代
20世纪
80年代
20世纪
90年代
21世纪初
区域供冷广
泛应用地区
北美 西欧 亚洲 北欧 中东
代表项目 美国Hartford 法国La
Défense
大阪市区域
供冷
斯德哥尔摩
区域供热供
冷
阿联酋区域
供冷
归纳起来，纵观区域供冷技术的发展历程，而通过对广泛项目应用的研究可以看出，无论处于温带气候的美国、法国、日本，还是出于北极圈附近的北欧地区，亦或是处于热带或亚热带区域的中东地区，区域供冷技术的应用并不受地域与时空的限制。

供冷基本技术也可大致归纳为如下几个类别：大型的电制冷系统；区域供热系统热泵的冷端；地下水等天然冷量供冷；以热源驱动的吸收式制冷系统等等。

对于区域供冷电制冷系统的应用，由于受电力能源与电力价格的制约，特别是所在国家和地区的经济条件和能源结构的影响，存在发展区域的不平均情况。

截至目前来看，由于法国核电应用比例较高，夏季电力价格具有优势，采用电制冷系统进行区域供冷规模化发展最好的国家是法国。

结合地理位置、自然条件以及强制性环保政策的推广等因素，北欧地区，特别是以瑞典为代表，利用几十兆瓦级大型热泵机组的区域供热体系，结合优化的商业运营模式，使得其区域供冷系统自成特色，引人关注。

采用天然冷量进行区域供冷的项目包括美国康奈尔大学、加拿大多伦多以及荷兰阿姆斯特丹等地区，作为区域供冷包括区域供热行业的另一种应用形式，也在不
断进行着技术革新与发展。

作为另外一种较为广泛应用的区域供冷形式，以热源驱动的吸收式制冷系统正在越来越多地应用到世界各地。

特别是前文所述，由于电力能源及电力价格的制约，在石油、天然气等能源的合理利用方面，以热源驱动的吸收式制冷系统的应用前景广阔。

目前，美国、德国、日本等同行业技术领先的国家都已经进行了广泛的应用。

同时，这些国家还尝试将该技术与传统电制冷系统进行有机结合，推动技术革新与应用。

而对于该技术的应用，以及与电制冷供冷系统等方式的对比等内容，在我国也已经有了不少的尝试，这将在后文有较为详细的分析与研究。

我国从50年代开始，有了区域供热的应用。

而在区域供冷方面，我们的起步较晚。

随着我国现代化建设进程的加快，社会经济水平的提高，建筑集中供热供冷已受到社会的广泛关注，许多典型项目不断涌现。

特别是在区域供冷的技术日臻成熟，应用逐步广泛，我国大力鼓励天然气清洁能源利用的大背景下，发展潜力巨大。

发展区域供热供冷能够为解决我国广大地区，尤其是北京、上海、广州等特大型城市的能源利用高效与环境保护问题，提供可靠的技术保障与应用选择。

可喜的是，随着我国现代化进程逐步加快，各种产业政策的完善出台，行业成熟技术的应用，新技术的研究与发展，国内已有诸多项目对区域供热供冷技术加以应用，如上海浦东机场、上海世博园、北京海洋馆、香港海洋公园等项目均已使用区域供热供冷技术，运行稳定高效。

进入21世纪，科技发展日新月异，区域供热供冷技术经历数十年的行业发展，在技术革新与实际应用中所体现出的优势日益被社会所认可。

此外，对于地处温带地区的潜在市场，在广大的区域，如我国北方地区，同时存在用热用冷需求。

数十年来的区域供热历史发展，使得供热技术形式多样，相对成熟；而趋于供冷技术的崛起，为同时有冷热负荷需求的各类用能项目提供了更好的能源应用备选方案，使得我们在该领域的研究，例如方案规划、负荷分析、能耗分析、经营分析、风险分析、建设方案分析等内容，更加贴近于现实应用的实际，特别是对于能源服务领域从业者有着极强的现实意义。

1.2.2 BOT模式的历史和发展现状
如前所述，在研究区域供热供冷技术本身的同时，如何将经过不断发展演进的技术，通过优化的建设模式进行落地实施，并达产运营，同样是能源服务领域从业者需要思考并研究的方向。

而BOT模式作为一种高效可控的建设模式，正在为越来
越多的同行业从业者所接受并应用。

BOT是指社会资本参与基础设施建设，向社会提供公共服务的一种特殊的投资方式，包括建设（Build）、经营（Operate）、移交（Transfer）三个过程。

这种模式起源于西方，据记载以英国引进社会资本建造灯塔的模式为开端，经过不断的历史演进，该模式已成为国外普遍用来进行基础设施建设的业务模式，并取得了相当的成功。

1.2.3 BOT模式在供热供冷市场的应用情况
BOT模式发展到如今，从建设到运营再到移交或后期约定等相关业务模式已基本成熟。

作为传统民生公共服务行业的供热供冷领域，国内已有越来越多的以能源服务为导向的企业开展BOT模式来配合供热供冷系统的建设与运营，取得了积极的效果。

具有供热供冷特色的BOT项目，无论在实施主体还是在节能应用方面都具有专业技术服务、系统管理、资金筹措等多方面的综合优势[9]。

BOT的专业化管理，不仅可以有效地减少项目成本，还通过分享节能项目实施后产生的节能效益来获得利润[10]。

同时，其还可以吸引其他节能机构和投资者进一步加入到供热供冷系统BOT 建设中，从而可以在全社会实施更多高效建设运营的供热供冷项目。

1.3 本文的研究内容与方法
通过前文行业政策背景，我国能源利用分析、北京市天然气产业发展现状、区域供热供冷技术沿革以及BOT模式在项目建设运营中的应用等内容，我们能够意识到区域供热供冷技术在项目实际应用的前景与意义。

在本文随后的北京市北京市供热供冷市场分析中，还将以贴近实际区域的市场分析对技术应用前景进行展望，同时就典型项目的设计、能耗、建设、运营方面作较为详尽的分析阐述。

在此作简要说明：通过对北京市现行环境能源相关政策的分析，本文结合本地区能源结构的现状，分析区域供热供冷的发展趋势，通过设计分析、数据采集、能耗分析、经营分析以及建设方案分析，并对比不同热费收缴率下项目投资财务内部收益率，验证北京地区采用直燃机冷热源的可行性，着重对比分析采用溴化锂直燃机系统、典型电制冷系统两种冷源夏季运行能耗、运行成本，同时对区域供热供冷系统在实际项目上的应用及建设运营模式进行探讨，旨在提出合理化建议，找到适用于本地区或同类型区域的优化模式，并为区域供热供冷技术推广的健康发展提供
有价值的参考内容。

同时，本文采取查阅、计算、分析、调研等研究方法，结合现场踏勘，对论文研究对象的相关内容进行研究。

包括：查阅相关环境、能源领域研究文献；查阅政府各级相关政策文件与指导意见；查阅区域供热供冷、BOT等建设模式的历史沿革、发展动态与最新成果；对论文所涉及的具体项目进行详尽、周密的计算与分析。

通过量化数据以及运行数据采集并加以对比分析，从而得到更有参考性的结果，并形成初步结论。

在从事以上研究工作的同时，为进一步丰富研究主体，吸收各方建议，对同行业从业者还要进行走访与沟通，完善论文内容的通用性与饱满度，使其适用性更广，推广意义更强。

第2章北京市供热供冷市场发展及典型项目探讨
2.1 北京市供热供冷市场发展简述
北京市作为中国首善之区，备受世人关注。

自新中国成立以来，历经六十余载，城市面貌日新月异。

就北京市供热供冷市场而言，随着国家公用事业改革的逐渐深入，供热供冷市场由原有国有企事业单位转向对社会各种资本开放。

特别是北京城市现代化建设步伐的逐步加快，重点镇、新城、功能区组团等区域化的地产开发项目不断涌现，为区域供热供冷系统的推广以及BOT模式的应用创造了良好的先决条件。

北京市自奥运时代以来，全市各类新建建筑，特别是房地产开工面积激增，市场应用的需求亦在不断攀升，特别是前文中有关区域供热供冷的需求量也在与日俱增。

而房地产项目在布局明确，建筑性质及用途清晰，规模可控，建设周期短等方面的特点，更为区域供热供冷系统的应用创造了基础。

此外，多数房地产项目由于建设时间较近，节能环保的自身标准较高，能耗相对较低，也同时对BOT承接方有了技术层面的支撑与保障，间接节省了承接方的建设运营资金成本，降低了一定的运营压力，对于委托方与承接方都能有一定的吸引力。

因此，在北京市供热供冷市场推广BOT项目承接模式具有相当大的现实意义。

2.2 北京市供热供冷市场份额解析
如前文所述，改革开放之后，城市化进程进一步加快，近三十年在城市建设方面取得了巨大成就。

在这种大的发展趋势下，市政基础设施建设的规模性与科学性不断加强。

以奥运以及后奥运时代为突出主题的科学规划合理布局的效果日益显现。

包括供热等基础设施配套的“十一五”、“十二五”时期各项目专项规划经过编制推动与落实，取得成效斐然。

目前，结合全市发展规划，各相应部门正在着手编制北京市“十三五”供热规划。

这也为相关领域各类新技术新方案的科学应用奠定了良好的推广基础，开拓了良好的应用前景。

以重点镇、功能区组团、新城等开发区域正在北京市场区域内不断涌现。

区域供热供冷技术应用将不仅局限于北京城六区市场，在广阔的北京市场仍然有很强大的推广潜力。

仅就北京市大兴区为例。

作为北京市十六个下辖区县之一，大兴区内14个镇区与5个街道办事处，均在供热规划中形成了详细的发展思路。

根据初步规划，“十三五”末，该区域总体建筑规模将超过1.9亿平方米。

另据统计，全是供热
供冷市场潜在面积保守估计亦将达到7亿平方米以上，而其中，市政管网集中供热面积也仅占30%左右。

如此广阔的市场空间，对于能源投资及能源供应领域的从业者来说，都是极好的市场发展机遇。

这同时也是区域供热供冷技术推广与应用可喜的市场机遇。

2.3 现阶段BOT模式在区域供热供冷市场的应用
随着各类鼓励政策与先进理念的不断引入与更新，区域供热供冷系统BOT的建设运营模式已不仅限于政府部门及机关企事业单位为建设主体。

各类独立地产类项目，以开发单位为建设主体的就区域供热供冷系统BOT招标引入第三方建设运营的模式已不罕见。

特别是近五年来，社会公共服务单位，无论是国企还是民营企业，在具备资质的条件下，均开始尝试与开发建设单位进行合作，达到优势互补和谐共赢的局面。

对于地产项目的供热供冷系统建设运营，开发建设单位大多采用招标方式来确定合作单位的最终落实。

而中标单位将努力利用自身专业优势，提供从设计到建设再到运营的优质服务，来进一步巩固在行业中的市场占有率与口碑，促进同行业相关各领域的良性发展，使之不断自我更新与完善。

2.4 研究项目的基本情况
2.4.1 项目简述
为进一步研究区域供热供冷系统的能耗分析及建设运营模式，以具体项目的建设落地并达产运行为载体，通过实体项目本身的设计计算，选型建设以及达产运行的效果作为支撑，本文特选定如下项目作为主要实体研究对象：
北京CDD创意港项目，位于北京市大兴区西红门镇。

该项目属于前文所述中，处于北京市重点规划的主要镇区当中的房地产开发项目。

项目定位为中国中小工业设计企业总部及工业设计成果交易展示中心园区。

项目建筑性质为公建，实际总用热用冷面积分别约为16万平方米和1.2万平方米，为典型区域供热供冷均有需求的项目，基本条件较适用于区域供热供冷系统的应用。

2.4.2 研究内容简述
北京市建筑能耗占终端能耗60%以上，公共建筑采用传统的单一供冷系统，一般采用活塞压缩式、螺杆式及离心式制冷机组，用电量均相当巨大；直燃机供热供冷系统，在满足用能建筑冬夏季供热供冷需求的同时，较好地适应了政府能源利用
政策的方向，且直燃机房占用建筑物机房空间不多，能够较大地节约日益紧张的专业设施空间。

冬夏季机房人力成本及物资成本的投入能够达到利用最大化，并将全年运行季从4个月提升至9个月（按照采暖季4个月，供冷季5个月进行计算）。

国内虽有学者对燃气直燃机应用于燃气负荷季节调节、作为热水系统适用性、建筑应用适用性、经济性等开展研究，但目前研究成果中没有针对北京地区能源成本、设备成本、人力成本、投资成本等技术经济数据开展适用性分析的相关研究，亟需开展代表性建筑应用项目的运行状况数据采集、能耗分析、经营分析以及建设方案的分析及其经济性分析，对区域建筑供冷系统在实际项目上的应用提供借鉴。

本文选取北京地区典型区域供热供冷项目案例，通过对北京市现行环境能源相关政策的分析，结合本地区能源结构的现状，分析区域供热供冷的发展趋势，通过设计分析与计算、技术分析、运行状况数据采集、能耗分析、经营分析以及建设方案的分析，并对比不同热费收缴率下项目投资财务内部收益率，验证北京地区采用直燃机冷热源的可行性，着重对比分析采用溴化锂直燃机系统、典型电制冷系统两种冷源夏季运行能耗、运行成本，同时对区域供热供冷系统在实际项目上的应用及建设运营模式进行探讨，旨在提出合理化建议，找到适用于本地区或同类型区域的优化模式，并为区域供热供冷技术推广的健康发展提供有价值的参考内容。

2.5 常见区域供冷类型简述
结合本文就区域供热供冷系统的探讨，特别是针对区域供冷系统在实际项目中的能耗与成本比对分析，在此简述传统区域供冷系统供冷源的类型及特点。

随着我国供冷技术以及区域供冷系统的技术发展与不断创新，在经历数十年的应用历程后，区域供冷系统的冷源比较常用的形式包含如下几类：传统电制冷系统，包括活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组、离心式冷水机组；溴化锂系统等等。

以下简要归纳各类型特点：
活塞式冷水机组优势用材简单，造价低，但维修复杂成本高，且电能耗较大。

螺杆式冷水机组结构简单，运动部件少，故障率低，噪音振动较小，虽为较多项目采用，但制造要求较高，初投资大，且电能耗较大。

离心式冷水机组单机容量大，噪音振动较小，调节方便，但同样制造要求较高，电能耗较大[11]。

近年来，溴化锂吸收式冷水机组（本文所研究的项目实际应用产品为溴化锂直燃机系统即属于此类）开始逐步被行业接纳并认可。

由于溴化锂水溶液本身沸点高、。