根據分布式天然氣冷熱電聯產(CCHP)的系統特性，在國際通用的平準化發電成本(LCOE)基本計算方法基礎上，將燃氣輪機產生的電能與冷、熱能量經過折算之后的能量之和視為CCHP系統的總能量產出，計算得出不同容量機組包含冷、熱能量的全能量LCOE。以各省省會城市的商業電價作為比較基準，評價CCHP系統在該省份是否具有經濟性，并對相關影響因素進行敏感性分析。分析表明，在中國中東部發達地區，CCHP系統具有一定經濟性;CCHP平準化發電成本對能量輸出量及燃料成本的敏感性較高。最后從電網、氣價改革及供冷供熱系統等方面提出相關建議，以促進CCHP系統在“十三五”期間的市場發展。

1 分布式天然氣冷熱電聯產系統

相對于傳統的集中式供電方式，分布式能源系統是指將適當規模、容量的系統以分散的形式布置在用戶端，就近供應能源，多余的電力可以通過電力設備供應配電網的多連供系統。分布式天然氣冷熱電聯產(Combined Cooling Heating and Power，簡稱CCHP)系統是一種新型的建于用戶所在地或附近的能源系統，是建立在能量梯級利用的概念基礎上，集制冷、制熱和發電為一體的多聯供總能系統。相比于其他分布式能源，CCHP系統技術較為成熟，在國際上得到廣泛應用，是中國分布式能源發展的主要方向。

CCHP系統實現了對天然氣燃燒后的熱量進行階梯利用的設想：高品位的熱能推動燃氣輪機進行發電，然后利用燃氣輪機尾氣中所含熱量推動制冷、熱設備制冷、熱。所產生的冷、熱能源直接就近供應，產生經濟效益。CCHP系統既可以一臺獨立運行，也可以多臺并聯運行，以應對不同功率負荷情況下的用戶需求。由于不需要遠距離輸送所產出的能源，以及對熱能的充分利用，CCHP系統的能源綜合利用效率高達80%以上。不僅能源利用效率高，而且CCHP系統具有節能減排、對電網和天然氣管網雙重削峰填谷的作用，能增強能源供應的安全性，具有較好的經濟效益，同時節省社會公共成本。

隨著社會發展和生活水平的提高，居民對冷、熱能源的需求日漸增大，目前社會對冷、熱能量需求的滿足主要依靠電能。這種冷、熱負荷不斷增加的背后是煤電機組容量的不斷增加，而燃煤電廠在提供電能的同時排放出了大量的大氣污染物。相比而言，CCHP系統對環境較為友好，因此CCHP能源系統越來越受到政府重視。早在2000年，原國家計委等4部委印發了初步為分布式能源系統的發展鋪平道路的文件，在文件中，國家鼓勵在較分散的公用建筑發展熱電聯產。在隨后的幾年里，國家發改委、財政部、住房和城鄉建設部、國家能源局、國家電網公司等相關單位先后聯合或獨立出臺了促進CCHP能源系統發展的政策文件。從2010年8月住房和城鄉建設部發布為CCHP發展建設提供相關建設技術指標參考依據的技術規程文件，到國家發改委、能源局、住房和城鄉建設部聯合頒發為分布式天然氣能源示范項目提供相關激勵和優惠政策的實施細則，這些文件為CCHP能源系統的初步發展奠定了基礎。中國共產黨第十八屆中央委員會第五次全體會議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》中的相關建議，進一步明確了政府對發展CCHP能源系統的重視程度。

雖然有眾多政策支持，然而CCHP能源系統在中國的普及速度并不快。為尋找原因，一些學者在政策的基礎上做了很多探討，大多數學者針對具體案例對CCHP能源系統經濟性進行評價，由于CCHP能源系統在各個地區的運行環境、負荷均不同，這類探討有一定的局限性。在能源互聯網快速發展以及在《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》對分布式能源愈加重視、能源政策逐漸完善、分布式能源定位逐漸明確的政策環境下，這種比較方法所具有的參考價值有限。本文在現有分布式能源政策、其他學者研究成果的基礎上，將CCHP能源系統所有的能量產出折算為電能，扣除能源損耗部分，計算出CCHP能源系統的全能量平準化發電成本(LCOE)，然后將商業電價與CCHP系統LCOE之差設定為經濟性指標，通過這種比較方式可以較為直觀地評價CCHP具有潛在經濟性的地域分布情況。

2 分析框架

2.1 LCOE模型

美國國家可再生能源實驗室(NREL)把LCOE定義為平準化發電成本(levelized cost of energy);弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer-ISE)把LCOE定義為度電成本(levelized cost of electricity)。對于分布式天然氣冷熱電聯產而言，LCOE是指CCHP能源項目單位發電量的綜合成本，即CCHP能源系統在運行期間所發生的所有成本與該項目供應出的所有能量的比值。在本文中，CCHP能源系統生命周期內所產出的能量不僅包括燃氣輪機發出的電能，還包括系統提供的冷、熱能量。為了計算LCOE，采用如下公式。

公式(1)代表的意義是收入的凈現值等于成本的凈現值，即LCOE的恒等式定義，其中LCOE與En的乘積是系統在生命周期內的總收益。將公式(1)進行恒等變形后得出公式(2)。

將公式(3)、(4)、(5)、(6)帶入公式(2)，可得出在本文中計算CCHP系統LCOE的計算公式。

在上述公式中，各符號及其含義見表1。

2.2 系統能量去向解釋

根據CCHP能源系統能夠對天然氣燃燒后的熱量進行階梯利用的特性，將天然氣完全燃燒后的熱量利用流向分為4個部分(見圖1)。能量流向1，為利用高品位熱量發出來的電能，其熱量利用率為，即燃氣輪機發電熱效率。2、3能量流向為利用中品位熱量所產生的冷、熱能量，其利用率為，由于在CCHP系統實際運行過程中，這部分熱量不太可能被全部充分利用，所以在本文中加入了Un、Dn兩個比例參數，當這兩個參數發生變化時，能量流向2、3的比例大小會隨之發生相應變化。能量流向2即為CCHP系統產生且被消費者消費掉的冷、熱能量，能量流向3是系統產生但是沒有被利用的冷、熱能量。在實際運行中，能量流向1、2表示被利用的能量;系統利用效率及消費市場不足，造成3、4能量流向，即散失的能量。

2.3 變量解釋和參數假設

本文通過衡量整個系統在生命周期內的花費和生命周期內所產出的總能量來計算LCOE，其中一些變量解釋和參數取值見表2。

運營費率是為了保持系統日常運行而產生的費用，包括每年的大修費用、保險費用、系統所占空間的租賃費用。每年的大修費用數額為設備的資產額與大修費率的乘積;CCHP占地面積較小，而且對所在位置要求較低，因此其租賃費用較低，對LCOE的影響很小，在本文中沒有參與成本計算。固定資產支出包括燃氣輪機發電設備，供冷、供熱設備費用及其相應管道設備的費用以及各設備的設計安裝費用。設計安裝費用的計算方法是：燃氣輪機、冷熱設備的購買費用與設計安裝費率的乘積，燃氣輪機發電設備價格由進口的先進設備30兆瓦、50兆瓦機組價格通過匯率折算得來。CAPXn為CAPX按照直線折舊所得出的每年折舊成本。各種稅率及銀行貸款利率、年限、各種職工工資及福利待遇等數據均由實際考察取數。

人工成本包括職工工資、福利費，同時考慮了職工工資的增長情況。供冷熱時間比的計算方法為：系統供應冷熱的時間之和與全年小時數(365×24)的比。產生冷、熱的消費比例，即系統產出的冷、熱能量被消費的比例。職工人數根據相關文獻和本文中的機組容量共同確定。分布式天然氣能源系統的自動化程度較高，在本文中各容量機組均為單機組容量，所以用人數量取相同值。銀行貸款利率為商業銀行長期貸款利率取整數值。

3 計算結果

3.1 基準情景參數設定

基準情景下有良好的多余電量上網政策支持，CCHP能源系統所產出的電能90%被消費，在敏感性分析中考慮了被消費的電量以2%的幅度增減的情況。雖然CCHP的系統總效率可以達到80%以上，但考慮到實際的運行情況，在本文中設定基準值為80%。燃氣輪機運行小時數的取值范圍為4000～6000小時，在本文中的基準情景取值5000小時，敏感性分析的取值在基準取值基礎上上下浮動1000小時。天然氣價格取燃氣發電用氣價格2.51元/立方米。冷、熱消費比指能夠銷售出去的冷、熱能量占系統能夠供給量的百分比，考慮到“以熱定電”運行策略系統的經濟效益突出，但對電網的依賴程度大，在本文中以冷熱消費量70%為基準情景參數，在敏感性分析中考慮了冷、熱消費較少(40%)及CCHP系統所產生的冷、熱全部消費的情況下系統的LCOE。與傳統的電力生產設備相比，CCHP系統的單位造價更高，融資較為困難，因此在基準情景下本文設定無銀行貸款。供冷熱時間比的參數是根據北京的供熱、制冷空調開放時間，計算得出總冷熱供應時間為243天，考慮到商業運營的特殊性，冷熱供應為全天供應，共計5832小時，與全年時間的比約為0.666，據此設定基準情景的供冷熱時間比為0.66。根據不同的電網，過網費用在40元/兆瓦時上下，由于所占成本很小在本文的LCOE計算中沒有參與成本計算，具體參數及浮動范圍見表3。

3.2 基準情景LCOE結果及其與商業電價的比較

根據相關文獻、案例可以估算出每兆瓦裝機容量大約能覆蓋5萬平方米的建筑面積，因此在商業聚集區，對冷、熱、電要求較高的地區可以根據實際情況選擇適當大小容量的機組和熱電比，以免造成冷、熱供給大于所需造成的系統效率較低情況的發生。本文假設不同容量的機組都有良好的規劃及多余電量上網政策環境，即滿足基準情景的參數設置。結合上節的基本運行參數假設，可以得到一個分布式天然氣冷熱電聯產在不同容量機組下的LCOE及其成本組成(見圖2)。

在基準情景下各容量機組CCHP系統的LCOE在區間0.68～0.74元/千瓦時。LCOE隨著機組容量的增大、熱利用效率的增高而降低，在單位燃料成本相同的情況下，大容量機組更具有優勢。從成本組成來看，各機組LCOE構成中燃料成本占據了總成本的85%左右。

為了更好地把握CCHP能源系統在不同環境下的經濟性，利用LCOE的計算方法，根據不同省份的氣候特征、天然氣價格和商業電價，分別計算出30兆瓦機組在中國各省份的省會城市商業電價與LCOE的差值，根據差值把各地的CCHP系統分為5種情況：虧損巨大的省份、略微虧損的省份、略盈利省份、盈利省份和豐厚盈利省份(見圖3)。總體來看，CCHP能源系統在各省份天然氣價格、電價等條件下的競爭性有所不同，虧損省份主要集中在經濟不發達地區，略盈利、虧損的省份較多，在中東部經濟較為發達的省份CCHP能源系統在設定的標準情景下具有較好的經濟性。為了進一步找出對LCOE影響較大的因素，下文對可能影響成本的因素進行敏感性分析。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是在基準情景下僅改變相應敏感性因素，來觀察該因素對CCHP能源系統LCOE的影響程度。分析結果表明CCHP系統所產出能源的利用率越高、天然氣價格越低，其LCOE就越小。

首先，影響LCOE變化的重要因素是系統所生產冷、熱能量的消費比，供冷、熱的時間比與電量消費比，以上比例可以統稱為系統產出的總能量的消費比例。對于不同容量的機組，在冷、熱消費百分比提高時，各容量機組的LCOE都呈現下降趨勢(見圖4)。在冷熱消費比例上升時，各容量機組的成本下降0.19～0.25元/千瓦時。隨著供冷、熱時間的增長，不同容量的機組的LCOE降幅在0.08元/千瓦時左右(見圖5)。有較大降幅的原因是隨著CCHP系統利用發電后余熱效率的增高，整個系統產出且被利用的能量增多。說明CCHP能源系統在冷、熱需求較高的地區具有較好的經濟性。當上網電量比下降20%時，會造成度電成本上升0.1元左右(見圖6)。因此，在進行CCHP能源系統規劃時，不但要考慮到當地的冷、熱需求量，在滿足供電需求的前提下要選擇冷、熱需求較高的區域，使CCHP系統能夠長時間以較高的負荷穩定地輸出冷、熱能量，還要有較好的多余電量上網政策的支持。

其次，燃料價格和利用小時數的變動對系統的LCOE影響較大，主要原因是燃料成本占總成本的85%左右。隨著天然氣價格的上漲，各容量機組的LCOE成本必然隨著天然氣價格的上升而上升(見圖7)。對于不同容量的機組，當燃料價格取值為天然氣門站價格(2元/立方米)時，LCOE在0.56～0.6元/千瓦時之間，在此種情境下有較高的經濟性。隨著利用小時數增加，各容量機組的LCOE均呈下降的趨勢(見圖8)。

最后，對CCHP能源系統LCOE有影響的因素是銀行貸款占比。不論是對大容量機組還是小容量機組，貸款占比的變化對LCOE均有影響，貸款(或自有資金)占比敏感性較小(見圖9)。

從以上各個因素的敏感性分析中可見，天然氣價格、冷熱供應及消費量、發電量消費比、貸款占比和機組容量對LCOE均有不同程度的影響，基于對這些影響因素進行的定量經濟性分析，筆者提出影響CCHP能源系統大規模推進的主要因素及對應的政策建議。

4 結論及政策建議

4.1 結論

全國競爭性地圖及經濟性分析表明，CCHP能源系統在良好規劃條件下是有一定經濟性的，尤其在中東部經濟較為發達地區，其發展潛力較大。在內部收益率為8%的條件下，廣東、重慶、湖北、浙江等省份仍然具有較高的競爭力。考慮到天然氣市場改革的進一步深化，天然氣價格的進一步合理化，CCHP能源系統的經濟性會進一步提高，其發展前景也會不斷明朗。另外，CCHP系統由于其LCOE受冷熱能量輸出影響較大，在氣候較為溫和、經濟欠發達、商業電價較低的地區，其經濟性不高，甚至沒有經濟性。

成本分析及敏感性分析表明，燃料成本占總成本的比重較高，燃料價格的高低對CCHP能源系統的經濟性具有決定性的影響;LCOE對影響因素有不同的敏感性，其中敏感性較高的因素是所產生能量的輸出量及天然氣價格。在“十三五”期間，國家需要制定合理的天然氣價格、分布式能源產出能量消費政策，促進CCHP能源系統在環境、資源允許地區的有序發展。

4.2 政策建議

4.2.1 完善CCHP能源系統發展機制

明確CCHP能源系統在全國能源系統中的地位，優化能源結構，完善CCHP能源系統發展機制。CCHP能源系統對電網和氣網都有積極作用，同時對環境較為友好，明確其地位可以加快資本的進入，加快發展。確定地位，優化能源結構，可以解決資本對此類項目的觀望態度，相關主管部門需要根據不同區域經濟性的差異來制定相應的促進政策，協調相關利益主體，促進CCHP能源系統發展。

4.2.2 加快能源供應與消費市場改革

1)電力市場。對于CCHP能源系統而言，電能上網量對其是否具有經濟性有較大影響，但是在現有政策條件下，電能順利上網存在技術和市場兩方面的阻礙。為消除這些障礙，首先應加快統一具有約束力的并網技術標準，為CCHP系統多余電量上網提供技術保證。同時加快能源互聯網建設，協調各方利益，打開電力交易柵欄，使CCHP能源系統能夠參與電力市場交易，允許CCHP能源系統與中、小電力用戶直接簽訂交易合同，自主協商確定電量和電價，加大電力供應端和消費端的靈活性，增加系統的上網電量，保障系統運營的經濟性，以吸引投資充分發揮分布式能源在電網末端的輔助作用。

2)天然氣市場。CCHP能源項目的正常、穩定運行離不開充足的天然氣資源供應，天然氣供應中斷、氣壓不足都會對其覆蓋范圍內的居民和企業造成不良影響，因此天然氣分布式能源項目的穩定供應必不可少。根據成本組成分析，燃料成本占據LCOE的85%左右，這意味著天然氣價格高低對CCHP能源系統是否具有經濟性起著決定性作用。建議氣價的制定要充分考慮到不同用戶的社會、節能環保效益，特別是類似CCHP能源系統之類的大用戶穩定持續用氣對氣網、電網削峰填谷的作用，用相應的方式計算不同的輸氣價格和配氣價格，降低CCHP能源系統的燃料成本、運行風險，使之充分發揮對電網、氣網的積極作用，促進CCHP能源系統的發展，爭取達到“十三五”規劃中提出的天然氣消費目標。

3)冷熱供應市場。CCHP能源系統的LCOE對冷、熱能量的消費量比例較為敏感，如果不能有效地保障系統冷熱能量的輸出、系統總熱效率，CCHP能源系統的發展將面臨巨大挑戰。建議在系統覆蓋范圍內給予冷、熱特許經營，以充分挖掘CCHP能源系統冷熱能量的就地消納的能力。此外，完善規劃策略，在系統規劃時要充分考慮當地氣候、政策環境，最大程度保障系統的冷、熱輸出量。

4.2.3 推進燃氣輪機科技創新，降低投資門檻

CCHP能源系統規模偏小、單位造價較高、融資困難，對于項目投資者而言一次性建設投入成本、風險較大，而且中國當前的分布式能源技術還不是很完善，燃氣輪機等核心設備購買、維護費用相對較高，所導致的投資門檻較高。針對這些問題，建議出臺積極的金融及研發政策，以加快分布式天然氣冷熱電聯產的核心技術研究，實現核心設備的國產化，形成具有自主知識產權的分布式天然氣冷熱電聯產裝備的產業體系，降低項目初期建設成本以及日常維護成本。針對CCHP能源系統項目，鼓勵銀行向CCHP能源系統項目投資，減小投資方的初始資金壓力，降低CCHP系統的度電成本，讓投資方能夠獲得一定的收益，從而吸引資本進入CCHP能源系統的建設。