深度文章 | 园区多能源系统综合能效评估-北极星售电网

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摘要：

针对当前在园区多能源系统综合能源利用效率评估中未能实现各能源子系统及其各能源环节能效的细化分解且缺乏对可再生能源利用与能源品位差异的有效度量等问题，提出了一种基于能质系数的综合能效评估方法。首先，考虑能源品位的差异、多能间的互补以及可再生能源的利用，构建了含储能装置的多能源系统综合能效的评估模型；其次，将园区多能源系统细化分解成电/气/热/冷等供能子系统和若干能源转换设备，并提出各供能子系统和各能源转换设备的能效评估模型；再次，结合多种不同品位能源统一折算方法的对比分析，提出了基于㶲分析的能质系数折算方法，并给出了各能源能质系数的计算方法；最后，通过广东惠州某工业园区的实例分析，验证了所提方法的有效性和实用性。

（来源：电网技术作者：刘洪，赵越，刘晓鸥，张强，葛少云，刘静仪）

0 引言

能源是人类赖以生存和发展的基础，是关系到国家安全稳定、国民经济发展的根本战略资源[1]。 21 世纪以来，我国社会经济迅速发展，能源需求总量急剧增加，能源供需矛盾日益凸显。2009 年，中国正式超过美国，成为世界上最大的能源消费国。 2015 年中国一次能源消费总量约 30.14t 油当量，占世界总量的 22.92%[2]。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，终将走向枯竭，提高能源利用效率、加强可再生能源利用，已成为解决社会经济发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择[3-4]。

面对能源发展中的种种问题，能源互联网、综合能源系统[5]等概念被提出。综合能源系统是能源互联网的物理载体，园区多能源系统是其重要支撑节点，包含了电、气、热、冷等多个能源网络，相较于传统能源分供系统，能实现多种能源之间的科学调度和能源的梯级利用[6]，但如何量化这种优势、实现对多能源系统低碳高效核心价值的准确评估，已成为当前综合能源系统研究领域普遍关注的重点问题。

现有的能效评估方法主要基于热力学第一定律和热力学第二定律，热力学第一定律侧重于能源“量”的利用程度，主要研究对象为热泵[7]、CCHP机组[8]、HVAC[9]和综合能源系统。文献[10]对多能协同园区一次能源利用率进行评估，引入能源不可再生系数，提出了反映不可再生能源利用率和可再生能源消纳水平的能源综合利用效率指标，但忽视了综合能源系统内部能流关系，并且利用渗透率将电能折算成一次能源，而渗透率的取值一般只能估算。此外，电能作为清洁高效的二次能源，其在长距离传输上的优势也因为折算而无法体现。因此，基于热力学第一定律的能效分析忽视了不同能源的品位差异，不能揭示系统内部存在的能量“质”的贬值和损耗，难以科学地表征能的利用程度。

热力学第二定律侧重于能源“质”的利用程度利用㶲的大小评估能源做功能力的差异。目前基于热力学第二定律对能效进行的评估主要集中在热力学工程领域，主要研究对象为发电厂[11]和HVAC[12]，而对综合能源系统的研究还较少，文献[13]分别计算了冷、热子系统和综合能源系统的传统能源利用效率和㶲效率，但是对㶲效率的评估仅侧重于冷、热模块，尚未涉及电和天然气系统，并且未考虑可再生能源的影响。文献[14]计算了可再生能源的利用效率和㶲效率，但对综合能源系统内部的能量耦合关系分析较少。文献[15]利用参数分析的方法总结了综合能源系统能源利用效率的 4种影响因素，但是对能源系统内部的分析侧重于设备层面，未实现对供能子系统的统一分析。

针对当前能效评估方法的问题，本文立足于园区多能源系统，综合考虑能源的品位差异、多能间的互补以及可再生能源的利用，提出一种利用基于㶲分析的能质系数对综合能效合理评估的方法。该方法相较于传统的能效评估方法，其创新性在于：1）将综合能源系统拆分成供能子系统和能源转换设备，在各供能子系统中考虑能源传输和存储环节的损耗以及能源传输过程中所需的驱动能量，在能源转换设备中考虑不同设备的能效比、可再生源的利用以及不同能源之间的折算系数，分别评估各子系统、各能源转换设备的能源利用效率，并分析其对整体能效的影响。2）对比现有不同能源统一折算的方法，根据其不能合理反映能源品位差异的弊端，提出一种基于㶲分析的能质系数法，合理地揭示了系统内部存在的能量“质”的贬值和损耗。3）设置利用多能互补前后、配置储能装置前后以及接入可再生能源前后等多个场景，对比分析不同场景下的园区综合能效和最优经济运行成本，说明本文提出的评估方法的合理性以及对多能源系统合理规划和优化运行的指导作用。

1 园区多能源系统综合能效评估模型

园区多能源系统主要涉及能源的生产、传输、转换、存储环节，其综合能效将反映了这些环节中的能量贬值和损耗。多能源系统综合能效的定义为：多能源系统可满足的能量需求与外部系统输入能量的比值。当园区中含有储能装置时，需要将储能装置分离出来，单独考虑。储能装置储能时，所储能量也是园区对外部系统输入能量的有效利用，因此应计入能量出口；储能装置放能时，所放能量也是园区在之前储能时外部系统的输入能量，因此应计入能量入口。此外，由于不同能源间的品位差异，不能将其简单叠加，而应乘以各自的折算系数，统一到同一能级上再进行能效计算。因此综合能效为

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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

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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

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