分布式能源系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

謝偉偉, 邵雪奎

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 引言

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的急劇增長(zhǎng)，能源問(wèn)題已成為人類日益關(guān)注的焦點(diǎn),而傳統(tǒng)能源資源的有限性以及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，促使人類開(kāi)始探索可再生的、環(huán)保低碳的新能源類型。從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng)、回收再處置的全生命周期角度分析可再生能源，能讓我們進(jìn)一步了解可再生能源全壽命周期過(guò)程的環(huán)保節(jié)能效益。分布式能源系統(tǒng)(Distributed energy system，DES)具有能源利用效率高、傳輸損耗小、清潔低碳等優(yōu)點(diǎn)，然而，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各設(shè)備之間的最佳耦合，同時(shí)從全生命周期角度來(lái)看分布式能源系統(tǒng)的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益究竟如何，有待深入研究。

近年來(lái)，生命周期評(píng)價(jià)方法被廣泛應(yīng)用于可再生能源的研究。Cameron Smith等[1]比較了柴油、PV、風(fēng)能混合微電網(wǎng)對(duì)泰國(guó)高吉格島的環(huán)境影響，評(píng)價(jià)的影響類別包括酸化潛力、全球升溫潛能值、人類毒性潛力和非生物資源耗竭潛力，結(jié)果表明，微電網(wǎng)系統(tǒng)在三種電氣化方案中全球變暖和非生物資源消耗潛力最低。Sonia Longo等[2]對(duì)在不同歐洲氣候下使用太陽(yáng)能加熱冷卻系統(tǒng)和傳統(tǒng)的吸附式冷水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明，在10年的使用壽命內(nèi)，傳統(tǒng)系統(tǒng)所有的性能都優(yōu)于可再生系統(tǒng)，然而，如果實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的壽命(15年或20年)，太陽(yáng)能系統(tǒng)幾乎所有氣候條件下都表現(xiàn)出環(huán)境優(yōu)勢(shì)。Solano-Olivares K等[3]基于生命周期評(píng)價(jià)對(duì)太陽(yáng)能吸收空調(diào)系統(tǒng)和商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境影響的評(píng)估。安鵬等[4]基于生命周期評(píng)價(jià)對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了分析。雷舒堯等[5]在生命周期的視角下對(duì)不同的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的環(huán)境影響和能源效益進(jìn)行了分析。崔元龍等[6]對(duì)冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行生命周期成本評(píng)估，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。王豆豆等[7]以西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)中心空調(diào)工程為案例，以生命周期方法進(jìn)行能源消耗項(xiàng)目剖析，建立了新的能源利用層次評(píng)價(jià)模型，通過(guò)空調(diào)工程各種資源消耗值和環(huán)境影響潛值案例分析，明確了利用全生命周期影響評(píng)價(jià)量化剖析耗能項(xiàng)目的方法。胡玉坤等[8]基于生命周期評(píng)價(jià)理論，建立了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期內(nèi)各階段碳排放核算模型，結(jié)合工程案例，用溫度頻率法(BIN)核算地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期各個(gè)階段碳排放量，數(shù)據(jù)顯示運(yùn)行階段碳排放量占絕大部分。用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行法計(jì)算運(yùn)行階段各設(shè)備碳排放情況，數(shù)據(jù)顯示采用變頻技術(shù)將減少生命周期碳排放。姜文秀等[9]基于生命周期評(píng)價(jià)理論，建立了集中式空調(diào)系統(tǒng)生命周期各階段及總的二氧化碳排放量核算模型，提出了以集中式空調(diào)系統(tǒng)每年單位制冷量的二氧化碳排放量作為不同類型集中式空調(diào)系統(tǒng)生命周期碳排放量對(duì)比指標(biāo)的方法。

上述研究大多是對(duì)部分可再生能源進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，而分布式能源系統(tǒng)包括多種可再生能源，因此很有必要對(duì)分布式能源系統(tǒng)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文基于生命周期評(píng)價(jià)對(duì)分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的灰霾污染物及溫室氣體的排放進(jìn)行了定量分析與比較，探究了分布式能源系統(tǒng)的環(huán)境效益。

2 研究目標(biāo)與范圍

分布式能源系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供能的能源系統(tǒng)而言的，傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)采用的是大容量設(shè)備、集中生產(chǎn)，通過(guò)專門(mén)的輸送設(shè)施(大電網(wǎng)、大熱網(wǎng)等)將各種能量輸送給大范圍內(nèi)的諸多用戶；而分布式能源系統(tǒng)則是直接面向用戶，按用戶的需求的量生產(chǎn)并供應(yīng)能量，具有多種功能，可滿足多重目標(biāo)的中、小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。如今的第三代分布式能源系統(tǒng)有三大要素：一是去中心化，二是多能源，三是集成應(yīng)用終端節(jié)能資源和可再生能源[10]。在多能源與可再生能源方面《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》政策的提出使得分布式能源系統(tǒng)更多地與可再生能源系統(tǒng)綜合起來(lái)。在減少環(huán)境污染越來(lái)越被重視的大背景下，分布式能源系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的定量影響顯得尤其重要，因此很有必要對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)影響。

本文以游泳池分布式能源系統(tǒng)及常規(guī)能源系統(tǒng)(Conventional energy systems，CES)為研究案例，通過(guò)對(duì)其建設(shè)階段、運(yùn)行階段、回收階段實(shí)際數(shù)據(jù)的清單分析，來(lái)評(píng)估DES與CES的全生命周期環(huán)境影響。

2.1 研究對(duì)象

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和財(cái)政部的統(tǒng)一部署，長(zhǎng)沙市承擔(dān)了《新能源與可再生能源利用服務(wù)平臺(tái)及監(jiān)管體系建設(shè)項(xiàng)目》主要任務(wù)，新能源與可再生能源綜合利用示范推廣中心是該建設(shè)項(xiàng)目成果主要的展示平臺(tái)之一。該平臺(tái)綜合考慮新能源與可再生能源技術(shù)、產(chǎn)品現(xiàn)狀，利用太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等對(duì)中南大學(xué)主校區(qū)游泳池進(jìn)行綜合利用示范工程改造，將露天游泳池改造為室內(nèi)游泳館，一年四季可對(duì)外開(kāi)放，滿足人們對(duì)水上健身活動(dòng)與教學(xué)的需求。該平臺(tái)是分布式能源系統(tǒng)的典型代表，一次能源以天然氣為主，可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源；二次能源以電力為主，其他能源供應(yīng)系統(tǒng)為輔，實(shí)現(xiàn)以直接滿足泳池需求的能源梯級(jí)利用，并通過(guò)其他能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充。本研究主要是對(duì)該分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)。

圖1 工程項(xiàng)目效果圖及實(shí)物圖

2.2 目標(biāo)與范圍及系統(tǒng)邊界

本文的研究案例中分布式能源系統(tǒng)以及常規(guī)能源系統(tǒng)的邊界定義如下圖所示，在分布式能源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器以及燃?xì)忮仩t主要是負(fù)責(zé)熱水負(fù)荷的負(fù)荷，都由燃?xì)忮仩t輸出，冷負(fù)荷由常規(guī)制冷機(jī)輸出，電負(fù)荷由電網(wǎng)購(gòu)電而得。

圖2 分布式能源系統(tǒng)邊界

圖3 常規(guī)能源系統(tǒng)邊界

2.3 系統(tǒng)負(fù)荷分析

本系統(tǒng)案例為長(zhǎng)沙市某室內(nèi)游泳館，游泳館面積1 143.20 m2，層數(shù)一層，建筑高度6.61 m，水體長(zhǎng)度東西向?yàn)?0 m， 南北向?yàn)?5 m，平均池水深度為1.2 m，長(zhǎng)沙地區(qū)屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)布的我國(guó)各城市氣象數(shù)據(jù)可知，長(zhǎng)沙水平面上的太陽(yáng)輻照量為3 984.01 MJ/m2，與緯度相同表面太陽(yáng)輻照量為4 048.90 MJ/m2，年平均溫度為17.1 ℃。水平面上年平均日太陽(yáng)輻照量為10.628 MJ/m2，與緯度相同表面日太陽(yáng)輻照量為11.061 MJ/ m2，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 636 h，太陽(yáng)能保證率為≤40%。游泳館的使用時(shí)間按12 h計(jì)算，考慮10:00～22:00對(duì)外開(kāi)放，夜間的負(fù)荷也考慮在內(nèi)，通過(guò)SketchUp對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，再利用EnergyPlus算出系統(tǒng)的全年冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、熱水負(fù)荷、電負(fù)荷分別如圖4～圖7所示。

圖4 全年冷負(fù)荷

圖5 全年熱負(fù)荷

圖6 全年熱水負(fù)荷

圖7 全年電負(fù)荷

3 清單分析

3.1 建設(shè)階段

本系統(tǒng)生命周期過(guò)程可分為建設(shè)階段、使用階段、回收階段，考慮到設(shè)備的使用年限為20年，對(duì)分布式能源系統(tǒng)和常規(guī)能源系統(tǒng)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，維護(hù)結(jié)構(gòu)的材料在兩個(gè)系統(tǒng)中均未考慮。建設(shè)階段的主要材料清單都是在實(shí)際工程項(xiàng)目中搜集整理的，準(zhǔn)確度和精度都很高，本項(xiàng)目研究的游泳池分布式能源系統(tǒng)主要包括24塊共48 m2的光伏板、164塊共328 m2的平板集熱器、兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、地源熱泵機(jī)組、燃?xì)忮仩t、集熱水箱、組合式空調(diào)機(jī)組、空氣源熱泵機(jī)組、板式換熱器以及若干水泵和管道。而常規(guī)能源系統(tǒng)的主要設(shè)備包括燃?xì)忮仩t、集熱水箱、制冷機(jī)組、換熱器以及若干水泵和管道。前文已經(jīng)述及了生命周期軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，由于GaBi軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)更新程度很高，而且應(yīng)用范圍也很廣，因此本研究采用GaBi軟件對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行清單分析，中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院已經(jīng)獲得了GaBi軟件的使用權(quán)。表1為在GaBi軟件中對(duì)應(yīng)的建設(shè)階段清單分析。

表1 建設(shè)階段輸入/輸出清單

原材料數(shù)據(jù)的搜集主要來(lái)自于建筑施工方的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備商的售后咨詢以及專家咨詢。建設(shè)階段的水、電根據(jù)實(shí)際施工消耗量統(tǒng)計(jì)咨詢而來(lái)，分布式能源系統(tǒng)的柴油消耗量是地源熱泵系統(tǒng)柴油機(jī)打孔消耗量以及設(shè)備材料的運(yùn)輸消耗量，常規(guī)能源系統(tǒng)由于沒(méi)有地源熱泵系統(tǒng)柴油消耗量均來(lái)自設(shè)備材料的運(yùn)輸消耗量，其余數(shù)據(jù)均來(lái)自GaBi軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 使用階段

使用階段根據(jù)已定的運(yùn)行策略我們將全年負(fù)荷數(shù)據(jù)和運(yùn)行方式利用Matlab編程計(jì)算得出兩個(gè)系統(tǒng)使用階段一年的能耗如表2所示。分布式能源系統(tǒng)由于擁有光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電以及集熱器等可再生能源，因此消耗的電和燃?xì)饷黠@比常規(guī)能源系統(tǒng)少。輸出的排放物主要是燃?xì)獾闹苯优欧?，而電力的排放則為間接排放，GaBi軟件數(shù)據(jù)庫(kù)自帶電力排放的量，因此使用階段不需要計(jì)算電力的間接排放。

表2 使用階段輸入/輸出清單

3.3 回收階段

回收階段主要考慮將金屬物回收，而其他廢物則填埋。表3為回收階段的輸入輸出清單。

表3 回收階段輸入/輸出清單

4 生命周期環(huán)境影響結(jié)果與討論

本文對(duì)游泳池分布式能源系統(tǒng)以及常規(guī)能源系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)，重點(diǎn)對(duì)比溫室氣體以及灰霾污染物的排放，并將DES系統(tǒng)二氧化碳排放做重點(diǎn)分析，了解建筑系統(tǒng)各階段主要二氧化碳排放的材料。

4.1 灰霾污染物排放

灰霾又稱大氣棕色云、大氣灰霾，中國(guó)氣象局的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中，灰霾被這樣定義："大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10.0 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象。霾使遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍(lán)色。"本文統(tǒng)計(jì)的灰霾污染物排放主要包含兩部分，直接排放的細(xì)顆粒物PM2.5和會(huì)導(dǎo)致形成二次氣溶膠的NH3、NOx和SO2三種一次氣態(tài)污染物[11]?；姻参廴疚锏闹禄姻材芰τ肞M2.5當(dāng)量(PM2.5equivalent，PM2.5-eq)表示，以SO2為例，向大氣中排放1 kg SO2，相當(dāng)于直接向大氣中排放了0.133 kg PM2.5。PM2.5當(dāng)量可以用公式(1)計(jì)算：

ρPM2.5-eq=∑∑ei,jFj

(1)

式中：i為生命周期階段；j為排放物質(zhì)；e為物質(zhì)的排放量；F為排放物質(zhì)的細(xì)顆粒物當(dāng)量因子，參見(jiàn)表4[12]。

表4 排放物質(zhì)的細(xì)顆粒物 ρPM2.5當(dāng)量因子

表5為GaBi軟件計(jì)算后的灰霾污染物的直接排放清單，通過(guò)公式(1)計(jì)算得出灰霾污染物的當(dāng)量排放清單，如表6所示。從表6以及圖8可以看出DES的灰霾污染物的排放比CES少一個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要是由于DES充分利用了光伏、太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電以及地?zé)崮艿瓤稍偕茉聪到y(tǒng)，相比于CES而言DES的年消耗的電量及燃?xì)舛歼h(yuǎn)遠(yuǎn)小于CES，從表2也可以看出DES的燃?xì)饽晗牧績(jī)H為CES燃?xì)饽晗牧康募s53.7%。DES與CES灰霾污染物的排放幾乎全部來(lái)自于使用階段，分別約占到了整個(gè)系統(tǒng)階段的99.98%、99.99%，因此使用階段的有效控制是減少灰霾污染物排放的關(guān)鍵。

表5 分布式能源系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)各部分生命周期PM2.5直接排放清單(g/GJ)

表6 分布式能源系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)各部分生命周期PM2.5當(dāng)量排放清單(g PM2.5-eq/GJ)

4.2 溫室氣體排放

溫室氣體指的是大氣中能吸收地面反射的長(zhǎng)波輻射，并重新發(fā)射輻射的一些氣體。它們的作用是使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽(yáng)輻射，并加熱溫室內(nèi)空氣的作用。這種溫室氣體使地球變得更溫暖的影響稱為"溫室效應(yīng)"。二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)等是地球大氣中主要的溫室氣體。溫室效應(yīng)的能力可以用全球變暖潛值(Global Warming Potential，GWP)，以CO2當(dāng)量(CO2equivalent，CO2-eq)表示，如今常用的是GWP(100)，其含義為在未來(lái)100年內(nèi)，各種溫室氣體導(dǎo)致的溫室效應(yīng)對(duì)應(yīng)于同等效應(yīng)時(shí)的CO2的質(zhì)量。本文采用以基于100年的溫室氣體溫室效應(yīng)特征化因子為計(jì)算基準(zhǔn)，如表7所示[13]。CO2當(dāng)量可以用公式(2)計(jì)算：

表7 溫室氣體的溫室效應(yīng)特征化因子(100年)

ρCO2-eq=∑i∑jei, jCFj

(2)

式中：CF為溫室效應(yīng)特征化因子。

通過(guò)對(duì)GaBi軟件輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到了如表8所示的溫室氣體排放清單，通過(guò)公式(2)的計(jì)算得到了表9所示的三個(gè)階段溫室氣體當(dāng)量排放清單，溫室氣體的排放在DES與CES的使用階段分別約占96.76%、98.59%。

表8 溫室氣體直接排放清單(kg/GJ)

表9 溫室氣體當(dāng)量排放清單(kg CO2-eq/GJ)

圖8～10顯示了DES各個(gè)階段二氧化碳的排放情況，從圖中可以看出建設(shè)階段的CO2排放主要來(lái)自PVC、電、柴油、304不銹鋼，分別約占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，而使用階段中燃?xì)獾闹迸排c電力間接排放分別約占58.7%、34.2%。使用階段90%以上的排放來(lái)自于電力和燃?xì)獾呐欧牛厥针A段金屬的回收能有效地降低CO2的排放。

圖8 建設(shè)階段二氧化碳排放

DES與CES的溫室氣體排放和灰霾污染物的排放均主要來(lái)自于使用階段。若想有效地控制氣體污染物的排放必須減少使用階段天然氣以及電力的利用。通過(guò)DES與CES的氣體排放分析能很清楚地知道，可再生能源在分布式能源系統(tǒng)中的充分利用能夠很明顯地減少溫室氣體以及灰霾污染物的排放。

圖9 使用階段二氧化碳排放

圖10 回收階段二氧化碳排放

5 結(jié)論

(1)計(jì)算出DES與CES在全生命周期過(guò)程中的能耗清單，相比于CES，充分利用可再生能源的DES電力年消耗量減少了約15.5%，燃?xì)饽晗牧繙p少了約46.3%。

(2)DES與CES灰霾污染物的排放主要來(lái)自使用階段，分別約占99.98%、99.99%；而溫室氣體的排放在使用階段分別約占96.76%、98.59%，有效地控制氣體污染物的排放應(yīng)該在使用階段減少電力和燃?xì)獾南摹?/p>

(3)DES在建設(shè)階段的排放中PVC、電、柴油、304不銹鋼分別約占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，使用階段中燃?xì)馀c電力分別約占58.7%、34.2%，回收階段金屬的回收能有效地降低二氧化碳的排放。