多能互補分布式能源系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)研究

宋俊朝，李趙一特，陳志威

（1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院；2.浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310000）

相較于傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系而言，分布式能源系統(tǒng)是包含各類發(fā)電、儲能以及能源管理方式的一種能源解決方案。它具有多樣化、動態(tài)化的特點，該系統(tǒng)蘊含多層次能源和眾多信息流，不僅能自如應(yīng)對電力故障和中斷，還可以提高能源機組的靈活性，由此帶來更好的經(jīng)濟效益和穩(wěn)定性。多能互補分布式能源系統(tǒng)是指可兼容不同種類能源輸入，除天然氣燃?xì)廨啓C（或內(nèi)燃機）發(fā)電系統(tǒng)外，還包容太陽能、風(fēng)能等可再生能源，并提供多種能源供應(yīng)，如電、熱、冷等。其主要通過多種能源的相互補充、相互協(xié)調(diào)，提供建筑物電力供應(yīng)和冷熱負(fù)荷[1]。

多能互補分布式能源系統(tǒng)前景廣泛，因此如何對該系統(tǒng)進(jìn)行綜合、系統(tǒng)、有效的評價以期更精確地評估它的效益至關(guān)重要。查閱相關(guān)資料可知，目前國內(nèi)對能效的定義更側(cè)重于技術(shù)[2]。但是，對于存在不同種能源輸入、轉(zhuǎn)化、輸出和儲存的系統(tǒng)，僅僅考慮某一種能源利用效率或者某一個轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的能效不能夠真實全面地反映整個體系的效率水平，需要更多方面、更加完善的指標(biāo)來考察其作為一個完整體系的能效水平。本文經(jīng)過調(diào)查研究，匯總整理了共五類十二種多能互補分布式能源綜合評價指標(biāo)，以期促進(jìn)多能互補分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)。

1 能效指標(biāo)

能效指標(biāo)是最直觀評價能源系統(tǒng)能源利用效果的一類指標(biāo)，在傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系中就占據(jù)重要地位，多能互補分布式能源系統(tǒng)則賦予其新的定義。

1.1 一次能源利用率

一次能源利用率是指多能互補分布式能源系統(tǒng)一段時間內(nèi)（通常為一年內(nèi)）通過燃燒一次能源產(chǎn)生的熱能、冷能、電能的總和與其消耗的燃料能量之比[3]。

在此基礎(chǔ)上，能源綜合利用率是指表征分布式能源系統(tǒng)通過輸出冷、熱、電等能源形式對一次能源（天然氣為主）的利用程度。

式中，PPER為能源綜合利用率；Qc為多能互補分布式能源系統(tǒng)一年內(nèi)產(chǎn)生的總冷能，kJ；Qh為多能互補分布式能源系統(tǒng)一年內(nèi)產(chǎn)生的總熱能，kJ；Qe為多能互補分布式能源系統(tǒng)一年內(nèi)通過燃燒一次能源產(chǎn)生的總電能，kJ；Q1為多能互補分布式能源系統(tǒng)一年內(nèi)消耗的一次能源總能量，kJ。

式中，q1為一次能源（天然氣）的熱值，kJ/kg；m1為一年內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)一次能源消耗量，kg。

1.2 節(jié)能率

節(jié)能率為多能互補分布式能源系統(tǒng)一年內(nèi)消耗的一次能源總量，相較于基準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生相同量的冷、熱、電能時一次能源消耗量之比。

式中，ξc為節(jié)能率；Q0為基準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生等量冷、熱、電能時消耗的一次能源量，kJ。

1.3 ?效率

?是指理論上可以無限轉(zhuǎn)化為其他形式能量的能量，也可以稱作有效能量[4]。?效率為分布式能源系統(tǒng)將輸入的有效能量轉(zhuǎn)化為有用或者說有收益的有效能量的能力。對熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)來說，其?效率計算公式為：

式中，ηex為?效率；P為系統(tǒng)輸出電功率，包含原動機和蒸汽輪機輸出電功率，kW；H為系統(tǒng)單位時間的熱輸出，包含蒸汽、空調(diào)熱水以及生活熱水，kW；C為系統(tǒng)單位時間的冷輸出，kW；B為單位時間系統(tǒng)燃料消耗量，kg/s；Qf為單位燃料低位燃燒能量，kJ/kg；Ac為冷量的卡諾循環(huán)效率；Ah為熱量的卡諾循環(huán)效率。

2 梯級利用指標(biāo)

多能互補分布式能源系統(tǒng)具有獨特的熱能利用方式，高品位能源經(jīng)過一級利用后成為低品位（或中品味）能源，此時再經(jīng)過二級利用，如此遞推形成不同品位能源的梯級利用。它的存在使之區(qū)別于傳統(tǒng)能源體系，因此判別分布式能源系統(tǒng)的梯級利用情況是核心工作。

2.1 余熱利用率

對于多能互補分布式能源系統(tǒng)而言，余熱利用是相當(dāng)重要的一部分，余熱利用情況應(yīng)當(dāng)首先考慮：

式中，ηwh為余熱利用率；Qwh,e為一年內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)余熱發(fā)電量，kJ；Qwh,c為一年內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)余熱產(chǎn)熱量，kJ；Qwh,h為一年內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)余熱制冷量，kJ；Seg為一年內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)原動機排煙流量，kg；heg為多能互補分布式能源系統(tǒng)原動機排煙焓值，kJ/kg。

2.2 余熱利用?效率

3 經(jīng)濟指標(biāo)

對于任何系統(tǒng)來說，經(jīng)濟性指標(biāo)都是其能否建立以及如何合理建立的重要組成部分，本文介紹兩種經(jīng)濟指標(biāo)。

3.1 初投資

對任意系統(tǒng)而言，初投資在一定程度上決定了系統(tǒng)建設(shè)的難度、適用地區(qū)和經(jīng)濟效益等。系統(tǒng)所有設(shè)備、場地等內(nèi)外設(shè)施建設(shè)費用總和記為系統(tǒng)初投資：

式中，Ii為第i種設(shè)備的單位投資；Vi為第i種設(shè)備容量。

3.2 年度利潤

年度化成本是將非能量費用年度化，其計算公式為：

式中，Cax為年度化成本；Cox為初投資；Sv為經(jīng)濟壽命期后的殘值系數(shù)；PWF(i,n)為現(xiàn)金系數(shù)；Fm為第m年耗費的運行成本；CRF(i,n)為資金回收系數(shù)；i為基準(zhǔn)收益率，此處指銀行利率；n為系統(tǒng)運行壽命[5]。

年度利潤為年創(chuàng)造經(jīng)濟總值與年度成本之差：

為了表示系統(tǒng)單位產(chǎn)能的成本，上述兩個經(jīng)濟指標(biāo)（總體成本）均需除以系統(tǒng)年產(chǎn)能量。

4 可靠性指標(biāo)

對于多能互補分布式能源系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)運行是否可靠關(guān)系到用戶的實際生活，而其是否在額定功率下運行關(guān)系到系統(tǒng)的經(jīng)濟效益與設(shè)備損耗情況。

4.1 運行狀況

系統(tǒng)有無以設(shè)計額定功率運行是影響設(shè)備壽命的重要因素。定義系統(tǒng)運行狀況，即：

其中，P實際為參數(shù)系統(tǒng)運行功率；P額定為系統(tǒng)額定功率。

4.2 電能質(zhì)量

分布式能源系統(tǒng)并非以電能數(shù)量取勝，供電質(zhì)量更加重要。電壓偏差過大、波動過于劇烈以及諧波的出現(xiàn)都會導(dǎo)致電能質(zhì)量偏低。而諧波的存在會干擾用電設(shè)備正常工作，甚至燒毀設(shè)備，增加設(shè)備運行維護(hù)成本，危及人員和系統(tǒng)安全[6]。因此，在電能接入電網(wǎng)前就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行充分測評，針對分布式能源輸出電網(wǎng)的特點全面考察電壓偏差、電壓波動、諧波等數(shù)據(jù)，應(yīng)保證全部符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)后再準(zhǔn)許接入生活電網(wǎng)供電。

而分布式能源系統(tǒng)應(yīng)有一定的抗擾能力和平衡能力，當(dāng)偏差和擾動在允許范圍內(nèi)時仍能正常供電。在系統(tǒng)設(shè)計初期，人們就應(yīng)綜合考慮分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng)方式、變流器型號等相關(guān)參數(shù)，為之后正常運轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)[7]。

4.3 能源供給可靠性

可靠性子目標(biāo)關(guān)鍵評價指標(biāo)主要包括供能可靠率（包括冷熱電）、關(guān)鍵設(shè)備故障率、利用小時數(shù)。

4.3.1 計劃停運系數(shù)

式中，POH為計劃停運小時數(shù)；PH為統(tǒng)計期間小時數(shù)。

4.3.2 非計劃停運系數(shù)（UOF）

式中，UOH為非計劃停運小時數(shù)。

4.3.3 強迫停運系數(shù)（FOF）

式中，F(xiàn)OH為強迫停運小時數(shù)。

4.3.4 等效可用系數(shù)（EAF）

式中，AH為可用小時；運行小時+備用小時；EUNDH為降低出力等效停運小時。

5 環(huán)境指標(biāo)

由于分布式能源系統(tǒng)主要燃料為天然氣，粉塵的排放量可忽略不計，SO2排放量很少，因此排放方面主要考慮NOx、CO2和CO。環(huán)境評價主要從兩個方面來評定。

5.1 污染物排放環(huán)保稅（經(jīng)濟角度）

依據(jù)我國于2018年1月1日起正式生效的《環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定，環(huán)保稅需要按照季度繳納，這也就意味著，從2018年4月1日起，企業(yè)將正式開始繳納環(huán)保稅費，為排放污染物承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。

從經(jīng)濟角度考量，繳納環(huán)境保護(hù)稅費越低，分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟收益越高。污染物排放環(huán)保稅費指系統(tǒng)排向外界的污染物按排放當(dāng)量數(shù)征收的稅費[8]。

其基本公式為：

式中，A為污染物排放稅費，元；Tx為氮、碳、硫化物每污染當(dāng)量的稅額，元；mx為氮、碳、硫化物排放量，kg；ax為氮、碳、硫化物當(dāng)量值，kg。

5.2 污染物對環(huán)境的影響（環(huán)境角度）

根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法簡要》中的定義，污染物的污染當(dāng)量，是指根據(jù)污染物或者污染排放活動對環(huán)境的有害程度以及處理的技術(shù)經(jīng)濟性，衡量不同污染物對環(huán)境污染的綜合性指標(biāo)或者計量單位；同一介質(zhì)相同污染當(dāng)量的不同污染物，其污染程度基本相當(dāng)[8]。

計算系統(tǒng)的總的污染當(dāng)量數(shù)和單位能耗產(chǎn)生的污染當(dāng)量數(shù)，可評價系統(tǒng)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染程度和該系統(tǒng)的環(huán)保性。

5.2.1 總污染當(dāng)量數(shù)

冷熱電三聯(lián)的分布式能源系統(tǒng)一般采用天然氣作為能源，產(chǎn)生污染物較少，主要為氮氧化物和碳氧化物：

式中，B為總污染當(dāng)量數(shù)。

5.2.2 單位能耗排放量

單位能耗排放量是指一定時期內(nèi)某污染物排放量與該系統(tǒng)能源消耗量的比值[9]。其基本公式為：

式中，C為單位能耗產(chǎn)生的污染當(dāng)量數(shù)，1/kJ；B為系統(tǒng)污染物排放當(dāng)量數(shù)；E為系統(tǒng)能源消耗量，kJ。

6 結(jié)語

一個合理設(shè)計、正常運轉(zhuǎn)的多能互補分布式能源體系的環(huán)境效益與能源利用效率應(yīng)該優(yōu)于傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系，這也正是該體系的顯著特點。然而，其經(jīng)濟性囿于技術(shù)的不完善以及相關(guān)政策還有待提升。能源梯級利用及多能互補的技術(shù)思想值得推廣與進(jìn)一步研究發(fā)展，在漫長的科研道路上，謹(jǐn)希望本研究可以為多能互補分布式能源系統(tǒng)的進(jìn)步盡一份綿薄之力，推動中國能源更上一層樓。