多能源热互补分布式能源系统的节能率评价方法

1研究背景

利用可再生能源是缓解化石能源危机，实现节能减排的重要途径，但诸多可再生能源存在不稳定、不连续、能量密度低等特点，限制了其单独利用的可靠性，因此与化石能源或高品位燃料互补利用是更合理的利用方式。分布式能源系统靠近用户附近，可集成度高，为因地制宜地利用可再生能源提供了有效途径。传统的化石能源驱动的分布式能源系统已有节能率国家标准作为其评价方法，然而多能源互补的分布式能源系统由于存在多种能量的输入，其节能性评价具有复杂性，且作为支撑的可再生能源转化等相关能效标准不完善，使得其节能性评价尚未有统一的方法和指标。在现有研究中，多采用一次能源利用率，可再生能源折合发电、制冷或供热效率等作为能效评价指标，对于可再生能源的输入计量，主要分为两类，一是忽略可再生能源的输入，认为是“白得”的;二是将可再生能源按量全部计入，认为与高品位的化石能源或燃料是等价的。现有评价方法存在以下问题：可再生能源等非化石能源输入计量不一致且不合理;节能率的研究少有开展，参比系统选择具有主观性;其他折合指标存在局限性，无法评价系统总体节能性能等。在此研究背景下，针对目前得到广泛研究的多能互补系统的重要形式之一，多能源热互补分布式能源系统，包括热互补和热化学互补，研究系统评价方法。充分考虑非化石能源的特殊性，建立多能源热互补分布式能源系统的节能率计算方法，分析关键参数对节能率的影响规律，与以往计算方法进行比较分析，得到所提出方法的合理性，对此类系统的评价具有指导意义，并为更广泛的多能源互补系统评价研究提供思路。

2节能率评价方法

多能源热互补分布式能源系统模型如图1所示。能源输入可包括燃料，可再生能源如太阳能、地热能、废热能等的一种或多种。燃料进入动力单元发电，或进入热化学互补单元反应生成合成气再进入动力单元发电，动力单元的余热被回收用于驱动制冷或制热单元，太阳能、地热、废热等能源进入热/热化学互补单元，为燃料提供反应热或直接用于驱动制冷或制热单元。系统最终可为用户提供多种产品如电、冷、热等。

图1 多能源热互补分布式能源系统示意图

《分布式冷热电能源系统的节能率第1部分：化石能源驱动系统》国家标准中给出了节能率的具体计算方法，虽然该计算方法仅适用于化石能源驱动的系统，但其含义是广义的，即输出相同产品的参比系统总能耗与分布式能源系统总能耗之差与参比系统总能耗的比值。对于多能源互补的分布式能源系统，是不同品质的多种能源输入且转换利用方式各异，如何计量分布式能源系统能源输入成为关键问题。为与节能率标准对接更方便实际应用，可将多能源互补系统的输入能源统一向燃料折合，定义一个折合系数k。以往的研究中，是将k等于0或等于1，前者仅适用于考察系统在燃料方面的节约情况，而不能反映多能源互补系统整体的节能情况，且无法反映出可再生能源收集、转化、利用技术对系统节能性的影响;后者认为可再生能源和燃料完全等同，忽视了可再生能源由于能量密度低、不稳定等特性导致的收集和转化效率低，容易产生可再生能源在系统中占比越大，节能率越低的情况，不能真实反映可再生能源的利用对节能减排的作用。在多能源热互补系统中，可再生能源如太阳能、地热能和废热能等是以较低品位的热能形式进入系统的，因此问题转化为低品位热能如何向高品位燃料折合，本文提出将低品位非化石能源按做功能力向燃料折合的思路。能的品位定义为某微元过程能量释放侧或接收侧释放或接收的㶲与释放或接收的能量之比，由此得出功的品位是1。同时，燃料化学能的品位通常也很高，如常用燃料煤、天然气、甲醇、合成气等燃料燃烧时的品位一般都在0.9~1范围内，为方便计算本文将燃料化学能的品位近似认为是1。物理能(热)的品位被认为是释放或接收热量的热源温度所对应的卡诺循环效率(ηc=1-T0/T)因此热互补系统输入热能的折合系数k为输入热能的卡诺循环效率。据此本文提出的多能源热互补分布式能源系统的节能率评价方法具体计算方法如下：

其中，ESR为多能源热互补分布式能源系统(以下简称系统)节能率，Qa为参比系统总能耗，Qr为系统总能耗，Qf为燃料量，Qnf为非化石能源如可再生能源等的输入热，ηc为该输入热所对应的卡诺循环效率。以往研究中系统总能耗的计算方法是Qr=Qf或Qr=Qf+Qnf。

3节能率计算方法比较及系统节能特性影响因素分析

系统节能率和燃料输入量、非化石能源输入量及其品位，系统内部能量转化利用方式及效率，不同形式能量输出比例，参比系统性能等有关。为突出多能源互补系统的特点，比较各节能率计算方法对于分析多能源热互补系统的适用性，主要研究引入可再生能源等低品位非化石能源在三种计算方法下对节能率的影响规律。以典型太阳能和燃料热/热化学互补分布式能源系统为例，通过理论计算，研究可再生能源占比，热互补输入热温度，热化学互补输入热温度在三种节能率计算方法下(当k等于ηc、1、0时对应的系统节能率用ESR1、ESR2、ESR3表示)对系统节能特性的影响规律。

3.1可再生能源占比

当系统其他参数一定时，ESR2随着可再生能源占比的增加而下降，是由于把低品位的太阳能完全按照高品位的燃料作为系统能源输入量，导致可再生能源的引入反而引起系统节能性能下降的不恰当结论。ESR3随可再生能源占比的增加显著上升且始终保持很高，说明完全忽略可再生能源的输入价值，不考虑其收集、转化的代价，难以准确反映输入能源的实际情况。在所提出的计算方法下，ESR1随可再生能源占比的增加上升趋势较缓，综合考虑了可再生能源的品质较低和转化利用的代价，更加符合客观实际。

3.2热互补温度

随着太阳能集热温度的升高，集热效率明显下降，因为集热温度越高，集热器的热损失越大。集热效率的下降导致输入相同太阳能时，热互补中可被利用的热能下降，系统节能率下降。由于k等于1或0时，是将太阳输入热能全部计入或完全不计，因此ESR2和ESR3受集热温度的影响相对较小，而本文提出的计算方法将太阳能根据品位按做功能力折算，因此集热温度越高，太阳能所折合成的燃料量越大，系统总能耗越大，ESR1下降明显。该方法不仅体现出不同集热温度下集热效率本身的差异，更能体现出热互补利用的本质，是由较高品位的热向较低品位的热转化，输入和输出的品位差越大，系统越不节能，揭示了能量品位匹配对系统节能性的重要影响。当集热温度超过一定值时，ESR1已不再随可再生能源占比的增加而增大，因为集热温度较高时太阳能根据品位所能折合成的燃料量较多，而热互补供热效率此时却较低，引入太阳能得到的收益不足以弥补输入的太阳能所折合成燃料的代价，没有实现高品位能量的高效利用。该结果说明多能源互补系统不是一味追求提高可再生能源的输入比例，更应根据能的品位对可再生能源进行温度对口，梯级利用。

3.3热化学互补温度

太阳能集热温度不仅会影响集热效率，还会影响热化学互补过程的热化学转换效率。随着集热温度升高，集热效率下降，但热化学反应随反应温度的升高燃料转化率会升高，获得的合成气燃料热值越大，当温度过低时，燃料几乎没有实现转化，即便此时集热效率较高，热化学转换效率仍很小，当温度超过一定值时，燃料基本实现全部转化，此后热化学转换效率主要受集热效率影响，因此在集热效率和热化学反应均随温度变化的双重作用下，热化学转换效率呈现先上升后下降的趋势。ESR2和ESR3随集热温度的变化完全取决于热化学转换效率随温度的变化，而ESR1的变化规律并不完全相同，这是由于本文提出的节能率计算方法考虑了所输入可再生能源在质上有所区别，考虑到了可再生能源收集、转化的代价，技术的难易程度对系统节能性的影响，是从系统层面出发的整体评价，而非单一衡量某项能源转化过程的优劣，因此适合作为系统节能性优化的评价指标。

4总结

针对目前多能源热互补分布式能源系统节能性评价存在的问题，本文提出将低品位非化石能源按做功能力折合成燃料的节能率计算方法，通过研究得到以下几点结论：

1)低品位非化石能源按量全部计入能源输入或全部舍弃的方法存在不合理性或局限性。前者可能得出随可再生能源占比增大节能率减小的不适当结论;后者无法体现可再生能源的转化利用和技术先进性带来的节能效果，因此也无法反映客观实际。

2)本文提出的节能率计算方法能够反映低品位非化石能源收集、转化过程对系统节能性的影响，且折合成燃料后便于与现有化石能源驱动的分布式能源系统节能率国家标准对接，进而通过与传统参比系统进行比较，评价多能源热互补系统的节能特性，便于工程实际应用。

3)在发电、制冷和供暖的一般需求下，系统节能率随可再生能源占比提高而提高;随热互补热源温度的升高而降低，减小热互补利用过程输入和产出的品位差能够有效提高节能性;随热化学互补热源温度的升高，系统节能率先上升后下降，反映了为获得更多节能收益，提高技术先进性的同时应考虑可再生能源的品质，收集、转化技术的难易程度，从而对多能源热互补系统进行优化设计。本研究提出的节能率评价方法，对多能源热互补分布式能源系统的节能性评价具有指导意义，但不适用于可再生能源等以非热形式输入的其他多能源互补系统，如风电、光伏等，更广泛的多能源互补系统的节能性评价尚有待于拓展研究。