引言
能源效率通常用能耗強度表達，國際能源署 (IEA)將其視為全球可持續能源係統的第一燃料。工信部發布數據顯示，我國工業部門的能源消(xiao)費量為全社(she)會(hui)能源消(xiao)費量的 65%，在已過去(qu)的兩(liang)個五年規劃期間，全國規模以上(shang)工業企業單位(wei)增加值能耗分(fen)別(bie)下降28% 和16%，“十四五”第一年進一步下降5.6%。提升工業用能效率，對減少(shao)化石能源使用，減少(shao)二氧化碳排放將起到重要作用。
一、工業園區能源消(xiao)耗及(ji)節能工作現狀(zhuang)
(一)工業園區用能特征
工業園區能源使用呈現五大特點: 1園區以工業負荷為主，終端用能形(xing)式主要為電、熱、氣、冷等，生產端涉及(ji)煤、燃氣、生物質等多種能源的加工、轉化和供給，能源係統複雜; 2園區發展階段、產業結構各異，呈現出流程型、離散型、 新興研發型等不同用能特征，負荷需求具有多樣性、時空異質性; 3園區集(ji)聚(ju)大量企業，對冷、熱、電等能源品種及(ji)氣、水等載能公共產品的需求量大且集(ji)中，對供應可靠性、質量要求較高; 4園區能源負荷特性複雜，對供能可靠性、穩(wen)定性要求苛(ke)刻，輸配送係統的運行調度複雜，清潔、高效、可靠、經濟的綜(zong)合能源供應服務需求強烈(lie); 5大部分(fen)園區內建有熱電聯產、熱力廠、發電廠等能源基礎設施。
(二)工業園區碳排放現狀(zhuang)
作者(zhe)團(tuan)隊建立了(liao)包括 1600 多家國家級和省級園區能源基礎設施數據庫，以 2014 年為基準年，研究發現園區在役的能源基礎設施裝機容量達515 GW，占全國該年發電總裝機容量的 38%，這些(xie)設施的溫(wen)室氣體排放量占到全國的 21%，SO 2 排放占 12%，NOx 排放占 15%，新鮮水消(xiao)耗為全 國工業新鮮水用量的5%(Guo et al., 2021)。園區能源基礎設施有三個特點: 1以煤為原料的機組裝機容量占比高達 87%; 2小機組，尤其是單機 50 MW 以下機組數量占比達 62%，而小機組普遍能源效率較低(di); 3能源基礎設施的溫(wen)室氣體排放量平均占園區排放量的 75%。基礎設施的一個特征是服役時間長(chang)，一旦投運其排放量基本被(bei)鎖定，既是園區的基礎排放，也是園區節能降碳的關鍵節點。
以我國兩(liang)類最重要的國家級園區為例，其涵(han)蓋國家高新技術產業開發區和國家級經濟技術開發區，能耗具有代表性和典(dian)型性。全國有 169 家高新區，2019 年高新區 GDP 占全國的 12.3%。2015 -2020 年國家高新區能耗強度持續下降，平均值從 0.584 噸標準煤/萬元工業增加值下降到 2020 年的 0.451 噸標準煤/萬元。2020 年國家高新區能耗約占同年全國終端能源消(xiao)費總量的 5%。《國家高新區綠色發展專項行動實施方案》(國科發火 [2021]28 號)提出，2025 年國家高新區工業增加值能耗強度預期目標為0.4 噸標準煤/萬元，其中 50% 的高新區將努力降至 0.3 噸標準煤/萬元以下。
2021 年，217 家國家級經濟技術開發區貢(gong)獻(xian)了(liao)全國 GDP 的 11%。郭揚等針對 210 多家國家級經開區的分(fen)品種能源進行分(fen)析顯示，2015 年國家級經開區煤炭(tan)消(xiao)耗總量占園區能源消(xiao)費總量的74%，而當年中國工業部門燃煤消(xiao)費的比例為 56%，表明(ming)國家級經 開區一次能源結構中煤炭(tan)占比較高。近年來，國家級經開區能源結構多樣化進展較快，在餘熱利(li)用的同時，非常規能源如以生物質、生活垃圾(ji)和工業固廢(fei)等為原料的能源基礎設施在東部地區發展尤為迅速，同時園區太陽能光伏屋頂也成為一個亮(liang)點。
再(zai)以浙江省為例，浙江省 120 家省級以上(shang)工業園區規模以上(shang)工業增加值占全省的 64%，園區在經濟持續增長(chang)、創新驅動、對外開放、新業態、產城融合等方麵發揮越來越大的作用。數據顯示，其 120 家園區的能源消(xiao)費總量約占全省的 46% 左右，基礎設施中以煤炭(tan)為原料的設施規模達 71%，能源結構仍倚(yi)油(you)倚(yi)煤，低(di)碳化轉型任務艱巨。
(三)工業園區節能提效實踐創新
我國各級園區節能工作卓(zhuo)有成效，持續推動了(liao)綠色低(di)碳發展，主要體現在五個方麵。
一是聚(ju)焦重點領(ling)域(yu)，針對園區能源係統、產業結構、工藝過程、基礎設施、交通物流、公共建築等重點領(ling)域(yu)，全過程係統性推進節能工作，加大節能技術、產品開發應用推廣。
二是集(ji)中式能源基礎設施升級改造，建設能源綠島，推進熱電冷多聯供，開展化石能源清潔高效利(li)用和超低(di)排放改造，實施煤炭(tan)減量和天(tian)然(ran)氣超低(di)排放熱電聯產，多樣化開發利(li)用餘熱餘壓(ya)和能量多級利(li)用。
三是積極利(li)用可再(zai)生能源，推進能源結構轉型升級。“一園一策”開發利(li)用光伏、地源/空氣源熱泵、沼氣、生物質等，提升可再(zai)生能源比例; 靈活應用用戶側高壓(ya)並網和低(di)壓(ya)並網技術、電網高低(di)壓(ya)開關和傳輸變(bian)電技術等，實現可再(zai)生能源發電就(jiu)地消(xiao)納(na)，同時積極推進大用戶直供電。
四是積極開展智慧能源探(tan)索，建設數字化、 智能化的能源環境綜(zong)合管理平台、電能精細化管理平台，運用物聯網、大數據、AI 等技術對能源生產、輸配、儲能和使用進行實時檢測，通過係統優化、數智提效實現能源全過程精細化管理。
五是建立健(jian)全能源管理體係，落實能源管理、節能目標責任、節能獎懲等;完善(shan)能源消(xiao)費統計製度、重點企業能源利(li)用狀(zhuang)況報告製度;加快信息(xi)化建設，積極開展企業清潔生產審核、能效評價、能源審計、節能考核、能源管理體係認證等 工作，推進高耗能行業重點領(ling)域(yu)節能降碳改造升級;積極發揮市場機製，廣泛(fan)應用階梯電價、用能權交易、合同能源管理、第三方治(zhi)理等，促進節能降碳。
二、工業園區綜(zong)合能效提升的五大挑戰
麵向雙碳戰略目標以及(ji)減汙降碳協同增效總要求，全麵深化能效提升，工業園區仍麵臨若(ruo)幹(gan)重要挑戰。
(一)園區綜(zong)合能效提升分(fen)類指導亟待加強
園區地域(yu)分(fen)布廣，資源稟(bing)賦差異大，個性共性兼具，園區間能耗總量和強度、碳排放總量和強度差異大。按照能源消(xiao)耗總量和強度雙控向碳排放總量和強度雙控轉變(bian)的要求，不同地域(yu)不同園區差異很大，控能控碳哪個優先、如何來控，缺乏分(fen)類指導。亟需加強園區綜(zong)合能效提升的分(fen)類指導，推動綠色低(di)碳發展。
(二)園區能源基礎設施規模效率結構性鎖定
園區廣泛(fan)推行基礎設施共享，以熱定電為特征的集(ji)中式熱電聯產能源基礎設施普及(ji)推廣，但同時又呈現出“規模 - 效率”結構性鎖定，以及(ji)以化石能源為主的傳統能源與新能源供給結構失衡(heng)，導致溫(wen)室氣體排放結構性鎖定。目前，大部分(fen)基礎設施服役未(wei)到設計壽(shou)命的一半，園區基礎設施節能降碳改造需要解決好成本收益的平衡(heng)， 能源加工轉化效率及(ji)係統優化亟待提升。
(三)終端電氣化麵臨規模數量成本綜(zong)合製約
終端電氣化是園區深化節能降碳的關鍵舉(ju)措。當前，園區大部分(fen)企業的裝備電氣化麵臨單體規模小、數量多的問題，節能提效技術創新及(ji)裝備推廣存在投入成本高等短(duan)板(ban)。課題組對某典(dian)型精細化工園區進行了(liao)專題研究，分(fen)析了(liao)其八大類 5000 台存量電機設備，總容量 100 MW，單台設備的平均容量約 10 kW，其中單機容量大於 15 kW 以上(shang)的電機設備數量僅占設備總數的 35%，容量占 81%，小規模電機的能效提升麵臨較大挑戰，需要電機技術的整體提升。
(四)能效局(ju)部有效和係統整體有效需要平衡(heng)
“十一五”以來，在節能減排約束性指標的持續推動下，重點用能行業節能挖潛難度日益加大， 亟待平衡(heng)好局(ju)部有效和係統整體有效，並從局(ju)部過程節能向全過程、全鏈條、全係統優化節能轉變(bian)。以煉(lian)油(you)行業為例，全國 2020 年煉(lian)油(you)企業能效水平優於標杆水平的產能約 25%，同時有 20% 的產能其能效低(di)於基準水平。我國火力發電、鋼鐵、 化工產業和垃圾(ji)焚(fen)燒熱電聯產自(zi)身的能效已較高， 但進一步與周(zhou)邊城市和社(she)區協同挖掘餘熱利(li)用方麵，尚有較大潛力。研究顯示，中國北方地區工業餘熱供暖潛力約為區域(yu)熱需求的 1.4 倍。
(五)園區物質流能量流精細化管理短(duan)板(ban)明(ming)顯
《國務院關於印發 2030 年前碳達峰行動方案的通知》(國發〔2021〕23 號)要求“加強園區物質流管理”，這裏物質流是廣義的概(gai)念，既包括生產原料也包括能源。園區物質流能量流管理是全過程節能減汙最直接、最有效、最經濟的措施， 是推進園區綜(zong)合能效提升的重要抓手。但實踐中， 物質流能量流管理最基礎的工作 ——三級計量體係建設尚存在明(ming)顯短(duan)板(ban)、弱項，特別(bie)是中小規模企業。
三、推進工業園區節能降碳重點工程
從係統工程和全局(ju)視角，推進園區經濟 —能源 —環境(“3E”)係統整體 優化， 實施園區節能降碳增效工程。鼓勵優先利(li)用可再(zai)生能源，實施能 - 水統籌，強化節約、提效、開源，產業和能源結構雙優化、雙清潔化，優化資源要素配置; 以園區基礎設施為重點，推動能源、環境基礎設施係統優化和循環共生;構建智慧管理平台，推動能源管理與園區安全、環保、物流等一體化、智慧化。為此，園區節能降碳建議優先抓好以下重點工程。
(一)園區節能降碳分(fen)類指導能力建設工程
“一園一策”，研究製定園區分(fen)類管理方法。從綠色發展水平、經濟規模、產業特征、能源結構、能源效率、碳排放等維(wei)度，對園區分(fen)級分(fen)類; 從產業結構優化、生態產業鏈網、能源係統優化、基礎設施升級等方麵，明(ming)確各類園區能效提升重點。
總體來看，園區作為實體經濟主戰場，未(wei)來隨(sui)著(zhou)經濟持續增長(chang)能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長(chang)。針對園區能源消(xiao)耗及(ji)碳排放特點，課題組提出“以地定產、以產見能( 碳)、以能( 碳) 優產”的碳達峰方略，將園區綜(zong)合能效提升作為關鍵，係統有序推進產業結構優化、能效提升、能源結構轉型、 碳捕集(ji)等四大措施，全方位(wei)深化工業園區節能降碳。
研究顯示，通過有序實施上(shang)述四類減排措施，2015 -2035 年和 2035 - 2050 年期間，全生命周(zhou)期碳排放量可分(fen)別(bie)減排28%和51%。現階段園區應優先實施產業結構調整與能效提升減碳工程，挖掘其最大減排潛力;其次是提高園區非化石能源占比和增加 CCUS 應用。從時間維(wei)度分(fen)析，2035 -2050 年期間通過產業結構優化、能效提升、能源結構轉型的減排潛力基本釋放，進一步深度減排則需要依(yi)靠工業生產的係統優化、產業空間布局(ju)優化和必要的 CCUS。
推動園區能源結構優化，可著(zhou)力生活垃圾(ji)、生物質和汙泥(ni)能源化，並輔以工藝過程餘熱高效回(hui)收，“一園一策”發展風、光、氫能等能源。已有研究顯示，2035 年後預期對園區碳減排貢(gong)獻(xian)較大的途徑主要為氫能、 風電和光伏，到 2050 年其潛在減排貢(gong)獻(xian)率約為 73%~81%，其中氫能在 2015 -2035 年期間有望減碳 36%~37%，預期 2035 -2050 年達到 46%~50%，將對園區深度減碳起到積極作用。
(二)園區基礎設施共生節能減汙降碳提效工程
針對工業園區能源基礎設施的三大特點，課題組建立了(liao)年份-存量減碳模型，研究了(liao)五種主要技術措施的減碳潛力及(ji)成本效益，主要包括:天(tian)然(ran)氣替代燃煤 熱電聯產、垃圾(ji)焚(fen)燒熱電聯產替代燃煤、抽凝 / 純凝式汽(qi)輪(lun)機升級為背壓(ya)式汽(qi)輪(lun)機、將小容量燃煤機組用大容量機組替代、發展天(tian)然(ran)氣聯合循環機組替代燃煤小機組。研究發現，通過五種措施綜(zong)合應用，溫(wen)室氣體可減排8%~16%，同時能減排SO2 24%~31%、 減排 NOx 10%~14%， 並有 34%~39% 的節水潛力。五種措施綜(zong)合作用情景 下，可獲得 519 元/噸CO 2 當量收益(按 2015 年可比價)。
園區能源基礎設施和環境基礎設施之(zhi)間建立餘熱利(li)用、汙水深度處理資源化、汙泥(ni)能源化等為主的能 -水耦(ou)合共生係統，可同時實現節能節水減汙。課題組研究表明(ming)，全國 80% 的國家級和省級園區有集(ji)中式能源環境基礎設施，72% 的園區有集(ji)中式汙水處理廠，園區水環境基礎設施和能源基礎設施之(zhi)間建立能 -水耦(ou)合的共生關係是減汙降碳的重要舉(ju)措。針對國家 級經開區的研究顯示，210 餘家園區可建立 518 條共生關係，其中 239 條基於能源交換(huan)，279 條基於水資源交換(huan);通過共生，能源和水資源節 約潛力分(fen)別(bie)為 7% 和 73%，可獲得的節水潛力、節能潛力、降碳潛力分(fen)別(bie)為 12.8 億立方米/年、 90.9 萬噸標煤/年、572 萬噸 CO 2 當量/年(Hu et al., 2020)。
(三)園區數智強鏈數字化電氣化工程
推動數字要素、智能製造加快向園區集(ji)聚(ju)發展，促進企業層麵和園區層麵數字化、智能化、 綠色化融合發展，強化電力管理智能化，提升產業鏈、供應鏈、創新鏈協同配套能力，提高產業 鏈韌性，增強產業鏈安全性，催生“產業化+數字化 + 智能製造”新業態;加強園區企業生產計劃、工藝技術、物料配送、設備監控維(wei)護、質量管控以及(ji)能量流物質流智能化跟蹤(zong)管理。
搭建數據驅動的園區節能降碳決策支撐平台，設計開發園區基礎數據庫，並定期動態更(geng)新，由專業機構和科研單位(wei)聯合運維(wei)並開展數據挖掘研 究，支撐管理決策。
加強園區電氣化建設。針對園區海量中低(di)壓(ya)小容量電力用戶，開發終端智控裝置和資源群(qun)控平台，建立碎片資源喚醒聚(ju)合互動新模式，以 “小裝置”全麵感知、柔性調節、本地控製用戶多類型設備，以“大平台”聚(ju)合可調資源，智能輔助決策，開展分(fen)層分(fen)級響(xiang)應;以“強服務”注重用戶無(wu)感體驗，拓展節能降費增值服務，實現政府、用戶、電網多方共贏。
加強園區電力資源配置優化。通過能源係統綜(zong)合規劃、多用戶互動、電網協調控製及(ji)智能化改造，實現冷熱電氣協同、源網荷儲集(ji)群(qun)聯控; 通過優化負荷和儲能有功控製及(ji)電力電子(zi)設備無(wu)功調控對衝有功和無(wu)功衝擊，提升園區電能質量; 通過智慧電務，基於設備級用能數據，開展精細化綜(zong)合能源服務。
(四)園區綜(zong)合能效提升係統工程
立足園區產業結構和用能特點，加強工業園區能源係統建設，突出係統優化和全生命周(zhou)期思想，著(zhou)力三個轉變(bian):一是橫向多能互補，從單一能源向綜(zong)合能源轉變(bian);二是縱(zong)向建立“源、網、荷、儲”協調，形(xing)成多樣化能源的供給、需求及(ji)儲能調節的動態平衡(heng);三是集(ji)中與分(fen)布式相協調。
以化工園區為例，首先，針對園區能源生產 —能源供應 —化工生產等多係統，綜(zong)合運用生產工藝綠色化、電網係統優化、電機設備升級、餘熱回(hui)收等推進園區係統性節能和效率提升。其次，強化生產過程 —產業鏈接 —基礎設施 —安全環境管理協同，抓住綠色化學與綠色化工技術集(ji)成的關鍵，加強短(duan)流程原子(zi)經濟合成技術開發， 實現源頭減汙和源頭節能，通過多產品多過程共生耦(ou)合，實現園區整體性能效提升和減汙降碳。
(五)園區三級計量精細化物質流能量流管理提升工程
完善(shan)企業三級計量，是“加強園區物質流管理”的重要支撐。推動園區深入開展精細化數字化計量工程，配齊能、水、料三級計量監測設施，實現數據驅動精準管理;全麵推行數字化智能化計量工作，建立實時數據驅動的智慧化物質流管理係統。
設立園區及(ji)企業能效專職崗位(wei)，推動用能、 用水量大的企業配全三級計量設備，並適當超前配備數字化智能化儀表，逐(zhu)步實現園區全覆蓋，實時采集(ji)能量流、物質流信息(xi)並接入園區智慧化管理平台，建立多源時間序列數據驅動的園區智能分(fen)析和精細管理決策，做好園區能源和物質平衡(heng)管理，在此基礎上(shang)建立數字化碳管理係統。
通過完善(shan)園區企業用戶側分(fen)時三級計量表計的建設改造，自(zi)下而上(shang)厘(li)清園區多產品、多元素、多層級的物質能量代謝(xie)結構、路徑、過程等特征，定量揭示全生命周(zhou)期的環境影響(xiang)，提出靶向減汙降碳調控措施，推動企業內、企業間、產業間物料閉路循環，並持續循環迭(die)代優化。
