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图 1 表示园区多能源系统的能量流图,图中各变量与下文公式中的变量相对应,因此将在公式说明中对各变量进行解释。由图可知,入口能量为园区外部天然气网、电网及热网输入的气、电、热能;出口能量为园区供给的气、电、热、冷负荷。而园区自身合理利用的风、光、地热能、空气热能等可再生能源,属于园区系统内部可以利用的能源,不属于外部系统的输入能量,并且其取之无尽,用之不竭,因此这些可再生能源不计入能量入口;但利用可再生能源可以切实满足园区的能量需求,减少外部系统的输入能量,因此将可再生能源满足的负荷量计入能量出口。由此,图 1 所示的多能源系统综合能效为
2 园区多能源系统能效分解
在当前的能效分析中,往往将多能源系统看成 一个整体,而忽略了多能源系统内部能流关系。因 此,本文将园区多能源系统根据所涉及的能量种类 细化分解成供能子系统和实现供能子系统间耦合 转换的能量转换设备。在图 1 所示的多能源系统中, 虚线框内分别表示气/电/热/冷各供能子系统,虚线 框外为各供能子系统间的能量转换设备。
本节将先介绍多能源系统整体能效和各供能 子系统、各能源转换设备能效间的关系;其次按照 能源种类分别给出各供能子系统能效的计算方法; 再次按照入口能源对各能源转换设备进行分类,给 出其效率的计算方法。
2.1 多能源系统整体与局部能效的关系
多能源系统的综合能效可以细化分解为各供 能子系统的能效和各能源转换设备的效率。
从名词上而言,供能子系统能效表示的是供电/ 供气/供热/供冷子系统实际满足的能量需求与外部 输入能量的比值;能源转换设备效率表示的是转换 后的输出能量与转化前输入能量的比值,包括电-热、气-热、气-电、电-冷、热-冷之间的转换过程; 而多能源系统综合能效表示的是整个系统可满足 的能量需求与外部系统输入能量的比值。
从对象上而言,供能子系统能效考虑的是同一 能源系统内输送和存储中能源传递和损耗情况;能 源转换设备效率考虑的是不同能源系统间的耦合 元件上能源传递和损耗情况;而多能源系统综合能 效考虑的是在整个综合能源系统内涉及的所有元 件的能源传递和损耗情况。
从质量和数量上而言,供能子系统能效涉及同 一能源的传输和存储,无需折算;能源转换设备的 效率涉及不同能源之间的转化,需要引入折算系 数;而能源综合利用效率同时涉及不同能源和相同 能源,也需要引入折算系数,而且更为复杂。
2.2 供能子系统
供能子系统分为供气、供电、供热、供冷子系 统,包括各自的能量系统和动力系统,能量系统包 括能量传输环节和存储环节,主要计及能量在传输 网络和储能设备中的损耗,分析能量系统可以得出 各能源的实际供应量以及能量系统的能效;动力系 统包括动力传输环节,主要计及能源在动力传输过 程中动力设备提供驱动所消耗的能量,分析动力系 统可以得出动力系统的能效。
1)供电子系统。 供电子系统的能量入口为从外部电网购入的 电能、由能源转换装置产生的电能和储电装置所放 的电能,能量出口为纯电负荷、储电装置所储的电 能和用以转换成气、热、冷等其他能源的电能。供 电子系统中不需要动力设备为电能传输提供驱动, 因此仅分析其能量系统,包括电能输配和存储环 节,其中,电能输配环节包括电力线路和变压器, 存储环节包括储电装置。
根据园区中外部系统输入的电能以及三联供机组产生电能的电压等级不同,将电能的输配环节分为 3 种情况:①二者电压等级均为 10 kV,则均需要经过变压器降为 380 V;②外部输入电能的电压等级为 10 kV,三联供发电的电压等级为 380 V,则外部输入的电能需要经过变压器,而三联供产生的电能不需要经过变压器;③二者电压等级均为380 V 时,则均不需要经过变压器。因此,供电子系统中电能供应量 We为
2)供气子系统。
供气子系统的能量入口为从外部气网购入的天然气和由能源转换装置产生的天然气,出口为纯天然气负荷和用以转换成电、热、冷的天然气。在天然气的能量系统中,能量传输的载体为天然气,其损耗可忽略不计;存储环节中的损失也可忽略不计。因此,天然气的供应量 Wg 如式(8)所示,能量系统的能效可近似看成 100%。
在天然气的动力系统中,动力传输介质是天然气,依托加压循环泵消耗电能进行传输,其能效将和热/冷能的动力系统能效在下文统一分析。
3)供热/冷子系统。
供热子系统的能量入口为从外部热网购入的热能、由能源转换装置转换的热能和储热装置所放的热能,出口为纯热负荷、储热装置所储的热能和用以转换成冷能的热能。供冷子系统的能量入口为其他能源通过能源转换装置转换的冷能和储冷装置所放的冷能,出口为冷负荷和储冷装置所储的冷能。
在热/冷能的能量系统中,能量传输的载体是热/冷能的温度,传输过程中会有一定的温度耗散,可以取单位长度管网的耗散率进行简化;存储环节主要考虑储热/冷装置的损耗。因此供热、供冷子系统的热、冷供应量 Wh、Wc分别为
在热/冷能的动力系统中,动力传输的介质为热/冷水,其能效将和天然气动力系统能效在下文统一分析。
4)供热/供冷/供气子系统的动力系统。
在供热/供冷/供气子系统中,介质的传输往往会逸散一定的能量,因此需要依托水泵或加压循环泵等设备提供动力来保证系统正常运行。本文以保证供能管道出、入口扬程一致时,动力传输环节所消耗电能来度量介质传输过程中能量逸散,进而评估相应动力系统的传输效率。
2.3 能源转换设备
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