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3 能源品位差异的度量方法

3.1 多种能源品位差异的度量方法比较

多能源系统中，不同能源间的转换过程具有 ‘量’的守恒性和‘质’的差异性。传统能效计算中通常将不同质的能量简单叠加，只能分析出‘量’ 的守恒性，而缺乏对‘质’的差异性的分析，不能揭示系统内部存在的能量质的贬值和损耗，不能科学地表征能的利用程度。因此，需要将不同能源折算到同一能级上进行品位差异的度量，常见的折算方法[18]如下：

1）标煤法。主要用于一次能源的统一折算，由于各种燃料燃烧时释放能量存在差异，将煤炭、石油、天然气等都按一定比例统一折算成标准煤。

2）热当量法。利用不同热能的热功当量，并按照热能所做的功进行折算。

3）相对价格法。用单位能源的相对价格作为能质因子对不同能源进行统一折算。

这几种方法有其合理性，但是也存在一些不足，标煤法只能针对一次能源进行折算；热当量法只针对于冷、热 2 种能源进行折算；相对价格法仍将二次能源折算成一次能源，但二次能源的来源区分较为困难，并且价格的差异不完全等同于能源品位的差异。因此上述 3 种方法都无法准确说明不同能源品位的高低和做功能力的区别。

3.2 能质系数

为了合理解决上述方法的问题，有效地度量能源品位差异，采用基于㶲分析的能质系数[19]法进行折算。综合考虑环境因素的影响以及不同品位能源做功能力的高低，将能量的“质”和“量”结合起来，更能揭露能量损失的原因，合理表征能的利用程度。

㶲[19]描述了系统达到热力学寂态所能做出的最大有效功，是一种可以同时衡量能量数量和质量的物理量，其值与能源的形态、温度以及环境温度有关。能质系数[20]的定义为：不同能源对外所能够做的功和其总能量的比值，表示每单位能量中所含㶲值的大小，能质系数受能量的种类、形态和温度以及环境温度的影响。因此将能源分为一次能源，二次能源和负荷分别进行计算[19-22]。

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4 算例分析

4.1 算例概况

以广东惠州某工业园区为例进行分析，该园区有冷、热、电负荷需求，取一年中夏季典型日进行能效计算，典型日气温见附录图 1，典型日的冷、热、电负荷需求见附录图 2。在考虑多能互补特性、可再生能源的接入下，园区的电负荷需求由外部电网、光伏发电、CCHP 机组和蓄电池供应，园区的热负荷由 CCHP 机组和电锅炉供应，园区的冷负荷由常规冷机、地源热泵、溴化锂制冷机和蓄冷水池供应，其中地源热泵是一种可以在夏季通过电能利用地下冷水制冷的设备，其制冷能效比 COPe-c 随地下冷水温度的变化而变化，根据参考文献[23]中给出的制冷能效比与地下水温度的拟合函数关系式，确定 COPe-c 的取值。园区内预计安装分布式光伏总容量共计 5MW，典型日光伏出力数据见附录图 3。园区主要设备参数如表 1 所示，气、热、冷管网长度、流量及相关泵的数据参考文献[24-25]。

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4.2 传统供能方案与多能互补方案的对比

为了展现多能互补方案相较于传统供能方案的优势，对比 2 种方案下的综合能效和最优经济运行成本，多能互补方案见 4.1 节，设备及其参数见表 1。

传统供能方案中电负荷由外部电网、光伏发电和蓄电池供应，热负荷由电锅炉供应，冷负荷由常规冷机和蓄冷水池供应。为了准确对比这 2 种供能方案的差异，传统供能方案下常规冷机的容量定为多能互补方案下溴化锂制冷机、常规冷机和地源热泵的容量之和，其他设备参数与多能互补方案下相同。对比结果如表 2 所示。

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由表 2 可知，多能互补供能方案中，由于三联供机组合理利用了发电时产生的热能，实现了能量的梯级利用，因此最优经济运行成本和综合能效较传统供能方案均更小。供气和供热子系统中由于不含储能装置，因而 2 种供能方案下能量出入口值相同，能效也相同；而供电和供冷子系统通过多能间的互补耦合减少因储能装置不断充放造成的能量损失，因此在多能互补方案下的能效更小。该对比结果说明本文提出的综合能效评估方法能够反映出多能互补和传统供能方案的差异，从而体现能源梯级利用的优势。

4.3 储能配置方案对能效和运行成本的影响

储能装置是供能子系统中的重要设备，可以实现削峰填谷，对多能源系统的经济运行有着重要的作用，但储放能过程中会造成能源损耗。表 3 对比了多能源系统中不同储能配置方案下最优经济运行时的综合能效和运行成本，4 种方案下的设备配置参数与表 1 相同，只是有无储能装置的区别。

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由表 3 可知，在储电、储冷装置都投入运行时，由于合理调用储能装置，因此最优经济运行成本最小；但由于储能装置的效率小于 100%，因此储能装置调用越多，园区多能源系统综合能效越低。储能装置虽会造成能效降低，但也有积极意义：一方面，对于园区自身而言，能够降低其运行成本；另一方面，对于外部系统而言，能够有效地平抑其负荷需求峰谷差，减少其发电机组的频繁调节，提高资产利用率。综上，未来应综合储能装置的积极和消极影响，考虑园区的能效和经济性等多项指标对园区多能源系统进行规划。

4.4 可再生能源对综合能效和运行成本的影响

对比可再生能源加入前后最优经济运行下的综合能效和运行成本，可以直观地反映出可再生能源接入对多能源系统的影响。其中，可再生能源加入前园区中不含光伏机组和地源热泵，常规冷机的容量为可再生能源接入后的常规冷机和地源热泵容量之和，其余设备参数与表 1 相同；可再生能源接入后园区配置方案与 4.2 节中多能互补供能方案的配置相同。对比结果如表 4 所示，实时综合能效与可再生能源出力占比的对应关系如图 2 所示。

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由表 4 可知，可再生能源接入后，综合能效大幅度提升，最优经济运行成本也显著降低。由图 2 可知，地源热泵仍需消耗一部分电能才能将地热能转换成冷能，因此其出力占比对综合能效的影响不大，而光伏出力占比对综合能效的影响较为显著，光伏出力占比越高，综合能效越高。从整体上来看，合理利用可再生能源会对综合能效和运行成本产生积极的影响。

5 结论

本文提出了园区多能源系统综合能效的评估方法，结合园区实例对评估方法进行验证，通过对各供能子系统和各能源转换设备的效率以及系统整体的综合能效计算分析，得出以下结论：

1）园区多能源系统的能效分析可拆分为供能子系统和能源转换设备进行分析。其中，供能子系统能效影响因素主要为能源传输环节中的损耗和传输所需的驱动能量以及能源存储设备的损耗；能源转换设备能效的影响因素主要为能源转换设备的效率以及能质系数的大小。

2）不同能源的品位有所差异，在进行能效分析时需要利用能质系数将其统一折算，以反映能源 ‘质’的利用程度。

3）考虑多能互补和能源梯级利用，并合理利用可再生能源，是提高综合能效的重要手段。

4）储能装置的配置会降低多能源系统最优经济运行时的成本，但同时也会造成能效的降低，因此，在园区规划时应综合考虑园区的能效指标和经济性指标。本文的研究成果为分析园区多能源系统的能源利用效率评估方法提出了新思路，该评估方法可作为综合能源系统的合理规划和运行调度的一项重要指标，通过计算多能源系统不同供能模式、规划配置及运行方式下的能效指标，可以帮助能源供应商选择合理的规划运行方案，对能源供应商有一定的指导意义。

原标题：计及能源品位差异的园区多能源系统综合能效评估

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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