1 研究背景

利用可再生能源是緩解化石能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，但諸多可再生能源存在不穩(wěn)定、不連續(xù)、能量密度低等特點(diǎn)，限制了其單獨(dú)利用的可靠性，因此與化石能源或高品位燃料互補(bǔ)利用是更合理的利用方式。分布式能源系統(tǒng)靠近用戶附近，可集成度高，為因地制宜地利用可再生能源提供了有效途徑。傳統(tǒng)的化石能源驅(qū)動(dòng)的分布式能源系統(tǒng)已有節(jié)能率國家標(biāo)準(zhǔn)作為其評價(jià)方法，然而多能源互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)由于存在多種能量的輸入，其節(jié)能性評價(jià)具有復(fù)雜性，且作為支撐的可再生能源轉(zhuǎn)化等相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)不完善，使得其節(jié)能性評價(jià)尚未有統(tǒng)一的方法和指標(biāo)。在現(xiàn)有研究中，多采用一次能源利用率，可再生能源折合發(fā)電、制冷或供熱效率等作為能效評價(jià)指標(biāo)，對于可再生能源的輸入計(jì)量，主要分為兩類，一是忽略可再生能源的輸入，認(rèn)為是“白得”的；二是將可再生能源按量全部計(jì)入，認(rèn)為與高品位的化石能源或燃料是等價(jià)的。現(xiàn)有評價(jià)方法存在以下問題：可再生能源等非化石能源輸入計(jì)量不一致且不合理；節(jié)能率的研究少有開展，參比系統(tǒng)選擇具有主觀性；其他折合指標(biāo)存在局限性，無法評價(jià)系統(tǒng)總體節(jié)能性能等。在此研究背景下，針對目前得到廣泛研究的多能互補(bǔ)系統(tǒng)的重要形式之一，多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)，包括熱互補(bǔ)和熱化學(xué)互補(bǔ)，研究系統(tǒng)評價(jià)方法。充分考慮非化石能源的特殊性，建立多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率計(jì)算方法，分析關(guān)鍵參數(shù)對節(jié)能率的影響規(guī)律，與以往計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，得到所提出方法的合理性，對此類系統(tǒng)的評價(jià)具有指導(dǎo)意義，并為更廣泛的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)評價(jià)研究提供思路。

2 節(jié)能率評價(jià)方法

多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)模型如圖1所示。能源輸入可包括燃料，可再生能源如太陽能、地?zé)崮堋U熱能等的一種或多種。燃料進(jìn)入動(dòng)力單元發(fā)電，或進(jìn)入熱化學(xué)互補(bǔ)單元反應(yīng)生成合成氣再進(jìn)入動(dòng)力單元發(fā)電，動(dòng)力單元的余熱被回收用于驅(qū)動(dòng)制冷或制熱單元，太陽能、地?zé)帷U熱等能源進(jìn)入熱/熱化學(xué)互補(bǔ)單元，為燃料提供反應(yīng)熱或直接用于驅(qū)動(dòng)制冷或制熱單元。系統(tǒng)最終可為用戶提供多種產(chǎn)品如電、冷、熱等。

圖1 多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)示意圖

《分布式冷熱電能源系統(tǒng)的節(jié)能率第1部分：化石能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)中給出了節(jié)能率的具體計(jì)算方法，雖然該計(jì)算方法僅適用于化石能源驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，但其含義是廣義的，即輸出相同產(chǎn)品的參比系統(tǒng)總能耗與分布式能源系統(tǒng)總能耗之差與參比系統(tǒng)總能耗的比值。對于多能源互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)，是不同品質(zhì)的多種能源輸入且轉(zhuǎn)換利用方式各異，如何計(jì)量分布式能源系統(tǒng)能源輸入成為關(guān)鍵問題。為與節(jié)能率標(biāo)準(zhǔn)對接更方便實(shí)際應(yīng)用，可將多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的輸入能源統(tǒng)一向燃料折合，定義一個(gè)折合系數(shù)k。以往的研究中，是將k等于0或等于1，前者僅適用于考察系統(tǒng)在燃料方面的節(jié)約情況，而不能反映多能源互補(bǔ)系統(tǒng)整體的節(jié)能情況，且無法反映出可再生能源收集、轉(zhuǎn)化、利用技術(shù)對系統(tǒng)節(jié)能性的影響；后者認(rèn)為可再生能源和燃料完全等同，忽視了可再生能源由于能量密度低、不穩(wěn)定等特性導(dǎo)致的收集和轉(zhuǎn)化效率低，容易產(chǎn)生可再生能源在系統(tǒng)中占比越大，節(jié)能率越低的情況，不能真實(shí)反映可再生能源的利用對節(jié)能減排的作用。在多能源熱互補(bǔ)系統(tǒng)中，可再生能源如太陽能、地?zé)崮芎蛷U熱能等是以較低品位的熱能形式進(jìn)入系統(tǒng)的，因此問題轉(zhuǎn)化為低品位熱能如何向高品位燃料折合，本文提出將低品位非化石能源按做功能力向燃料折合的思路。能的品位定義為某微元過程能量釋放側(cè)或接收側(cè)釋放或接收的?與釋放或接收的能量之比，由此得出功的品位是1。同時(shí)，燃料化學(xué)能的品位通常也很高，如常用燃料煤、天然氣、甲醇、合成氣等燃料燃燒時(shí)的品位一般都在0.9~1范圍內(nèi)，為方便計(jì)算本文將燃料化學(xué)能的品位近似認(rèn)為是1。物理能（熱）的品位被認(rèn)為是釋放或接收熱量的熱源溫度所對應(yīng)的卡諾循環(huán)效率（ηc=1-T0/T）因此熱互補(bǔ)系統(tǒng)輸入熱能的折合系數(shù)k為輸入熱能的卡諾循環(huán)效率。據(jù)此本文提出的多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率評價(jià)方法具體計(jì)算方法如下：

其中，ESR為多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）節(jié)能率，Qa為參比系統(tǒng)總能耗，Qr為系統(tǒng)總能耗，Qf為燃料量，Qnf為非化石能源如可再生能源等的輸入熱，ηc為該輸入熱所對應(yīng)的卡諾循環(huán)效率。以往研究中系統(tǒng)總能耗的計(jì)算方法是Qr=Qf或Qr=Qf+Qnf。

3 節(jié)能率計(jì)算方法比較及系統(tǒng)節(jié)能特性影響因素分析

系統(tǒng)節(jié)能率和燃料輸入量、非化石能源輸入量及其品位，系統(tǒng)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化利用方式及效率，不同形式能量輸出比例，參比系統(tǒng)性能等有關(guān)。為突出多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)，比較各節(jié)能率計(jì)算方法對于分析多能源熱互補(bǔ)系統(tǒng)的適用性，主要研究引入可再生能源等低品位非化石能源在三種計(jì)算方法下對節(jié)能率的影響規(guī)律。以典型太陽能和燃料熱/熱化學(xué)互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)為例，通過理論計(jì)算，研究可再生能源占比，熱互補(bǔ)輸入熱溫度，熱化學(xué)互補(bǔ)輸入熱溫度在三種節(jié)能率計(jì)算方法下（當(dāng)k等于ηc、1、0時(shí)對應(yīng)的系統(tǒng)節(jié)能率用ESR1、ESR2、ESR3表示）對系統(tǒng)節(jié)能特性的影響規(guī)律。

3.1可再生能源占比

當(dāng)系統(tǒng)其他參數(shù)一定時(shí)，ESR2隨著可再生能源占比的增加而下降，是由于把低品位的太陽能完全按照高品位的燃料作為系統(tǒng)能源輸入量，導(dǎo)致可再生能源的引入反而引起系統(tǒng)節(jié)能性能下降的不恰當(dāng)結(jié)論。ESR3隨可再生能源占比的增加顯著上升且始終保持很高，說明完全忽略可再生能源的輸入價(jià)值，不考慮其收集、轉(zhuǎn)化的代價(jià)，難以準(zhǔn)確反映輸入能源的實(shí)際情況。在所提出的計(jì)算方法下，ESR1隨可再生能源占比的增加上升趨勢較緩，綜合考慮了可再生能源的品質(zhì)較低和轉(zhuǎn)化利用的代價(jià)，更加符合客觀實(shí)際。

3.2熱互補(bǔ)溫度

隨著太陽能集熱溫度的升高，集熱效率明顯下降，因?yàn)榧療釡囟仍礁撸療崞鞯臒釗p失越大。集熱效率的下降導(dǎo)致輸入相同太陽能時(shí)，熱互補(bǔ)中可被利用的熱能下降，系統(tǒng)節(jié)能率下降。由于k等于1或0時(shí)，是將太陽輸入熱能全部計(jì)入或完全不計(jì)，因此ESR2和ESR3受集熱溫度的影響相對較小，而本文提出的計(jì)算方法將太陽能根據(jù)品位按做功能力折算，因此集熱溫度越高，太陽能所折合成的燃料量越大，系統(tǒng)總能耗越大，ESR1下降明顯。該方法不僅體現(xiàn)出不同集熱溫度下集熱效率本身的差異，更能體現(xiàn)出熱互補(bǔ)利用的本質(zhì)，是由較高品位的熱向較低品位的熱轉(zhuǎn)化，輸入和輸出的品位差越大，系統(tǒng)越不節(jié)能，揭示了能量品位匹配對系統(tǒng)節(jié)能性的重要影響。當(dāng)集熱溫度超過一定值時(shí)，ESR1已不再隨可再生能源占比的增加而增大，因?yàn)榧療釡囟容^高時(shí)太陽能根據(jù)品位所能折合成的燃料量較多，而熱互補(bǔ)供熱效率此時(shí)卻較低，引入太陽能得到的收益不足以彌補(bǔ)輸入的太陽能所折合成燃料的代價(jià)，沒有實(shí)現(xiàn)高品位能量的高效利用。該結(jié)果說明多能源互補(bǔ)系統(tǒng)不是一味追求提高可再生能源的輸入比例，更應(yīng)根據(jù)能的品位對可再生能源進(jìn)行溫度對口，梯級利用。

3.3熱化學(xué)互補(bǔ)溫度

太陽能集熱溫度不僅會(huì)影響集熱效率，還會(huì)影響熱化學(xué)互補(bǔ)過程的熱化學(xué)轉(zhuǎn)換效率。隨著集熱溫度升高，集熱效率下降，但熱化學(xué)反應(yīng)隨反應(yīng)溫度的升高燃料轉(zhuǎn)化率會(huì)升高，獲得的合成氣燃料熱值越大，當(dāng)溫度過低時(shí)，燃料幾乎沒有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，即便此時(shí)集熱效率較高，熱化學(xué)轉(zhuǎn)換效率仍很小，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，燃料基本實(shí)現(xiàn)全部轉(zhuǎn)化，此后熱化學(xué)轉(zhuǎn)換效率主要受集熱效率影響，因此在集熱效率和熱化學(xué)反應(yīng)均隨溫度變化的雙重作用下，熱化學(xué)轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。ESR2和ESR3隨集熱溫度的變化完全取決于熱化學(xué)轉(zhuǎn)換效率隨溫度的變化，而ESR1的變化規(guī)律并不完全相同，這是由于本文提出的節(jié)能率計(jì)算方法考慮了所輸入可再生能源在質(zhì)上有所區(qū)別，考慮到了可再生能源收集、轉(zhuǎn)化的代價(jià)，技術(shù)的難易程度對系統(tǒng)節(jié)能性的影響，是從系統(tǒng)層面出發(fā)的整體評價(jià)，而非單一衡量某項(xiàng)能源轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)劣，因此適合作為系統(tǒng)節(jié)能性優(yōu)化的評價(jià)指標(biāo)。

4 總結(jié)

針對目前多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)節(jié)能性評價(jià)存在的問題，本文提出將低品位非化石能源按做功能力折合成燃料的節(jié)能率計(jì)算方法，通過研究得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）低品位非化石能源按量全部計(jì)入能源輸入或全部舍棄的方法存在不合理性或局限性。前者可能得出隨可再生能源占比增大節(jié)能率減小的不適當(dāng)結(jié)論；后者無法體現(xiàn)可再生能源的轉(zhuǎn)化利用和技術(shù)先進(jìn)性帶來的節(jié)能效果，因此也無法反映客觀實(shí)際。

2）本文提出的節(jié)能率計(jì)算方法能夠反映低品位非化石能源收集、轉(zhuǎn)化過程對系統(tǒng)節(jié)能性的影響，且折合成燃料后便于與現(xiàn)有化石能源驅(qū)動(dòng)的分布式能源系統(tǒng)節(jié)能率國家標(biāo)準(zhǔn)對接，進(jìn)而通過與傳統(tǒng)參比系統(tǒng)進(jìn)行比較，評價(jià)多能源熱互補(bǔ)系統(tǒng)的節(jié)能特性，便于工程實(shí)際應(yīng)用。

3）在發(fā)電、制冷和供暖的一般需求下，系統(tǒng)節(jié)能率隨可再生能源占比提高而提高；隨熱互補(bǔ)熱源溫度的升高而降低，減小熱互補(bǔ)利用過程輸入和產(chǎn)出的品位差能夠有效提高節(jié)能性；隨熱化學(xué)互補(bǔ)熱源溫度的升高，系統(tǒng)節(jié)能率先上升后下降，反映了為獲得更多節(jié)能收益，提高技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)應(yīng)考慮可再生能源的品質(zhì)，收集、轉(zhuǎn)化技術(shù)的難易程度，從而對多能源熱互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究提出的節(jié)能率評價(jià)方法，對多能源熱互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能性評價(jià)具有指導(dǎo)意義，但不適用于可再生能源等以非熱形式輸入的其他多能源互補(bǔ)系統(tǒng)，如風(fēng)電、光伏等，更廣泛的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的節(jié)能性評價(jià)尚有待于拓展研究。