多能源热互补分布式能源系统的节能率评价方法

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。

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。

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