1 研究背景

利用可再生能源是緩解化石能源危機，實現(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，限制了其單獨利用的可靠性，因此與化石能源或高品位燃料互補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)動的分布式能源系統(tǒng)已有節(jié)能率國家標準作為其評價方法，然而多能源互補的分布式能源系統(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)能效標準不完善，使得其節(jié)能性評價尚未有統(tǒng)一的方法和指標。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指標，對于可再生能源的輸入計量，主要分為兩類，一是忽略可再生能源的輸入，認為是“白得”的；二是將可再生能源按量全部計入，認為與高品位的化石能源或燃料是等價的?，F(xiàn)有評價方法存在以下問題：可再生能源等非化石能源輸入計量不一致且不合理；節(jié)能率的研究少有開展，參比系統(tǒng)選擇具有主觀性；其他折合指標存在局限性，無法評價系統(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系統(tǒng)的重要形式之一，多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)，包括熱互補和熱化學互補，研究系統(tǒng)評價方法。充分考慮非化石能源的特殊性，建立多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率計算方法，分析關(guān)鍵參數(shù)對節(jié)能率的影響規(guī)律，與以往計算方法進行比較分析，得到所提出方法的合理性，對此類系統(tǒng)的評價具有指導(dǎo)意義，并為更廣泛的多能源互補系統(tǒng)評價研究提供思路。

2 節(jié)能率評價方法

多能源熱互補分布式能源系統(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、地熱能、廢熱能等的一種或多種。燃料進入動力單元發(fā)電，或進入熱化學互補單元反應(yīng)生成合成氣再進入動力單元發(fā)電，動力單元的余熱被回收用于驅(qū)動制冷或制熱單元，太陽能、地熱、廢熱等能源進入熱/熱化學互補單元，為燃料提供反應(yīng)熱或直接用于驅(qū)動制冷或制熱單元。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)動系統(tǒng)》國家標準中給出了節(jié)能率的具體計算方法，雖然該計算方法僅適用于化石能源驅(qū)動的系統(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)能率標準對接更方便實際應(yīng)用，可將多能源互補系統(tǒng)的輸入能源統(tǒng)一向燃料折合，定義一個折合系數(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。在多能源熱互補系統(tǒng)中，可再生能源如太陽能、地熱能和廢熱能等是以較低品位的熱能形式進入系統(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，燃料化學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的品位一般都在0.9~1范圍內(nèi)，為方便計算本文將燃料化學能的品位近似認為是1。物理能（熱）的品位被認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分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率評價方法具體計算方法如下：

其中，ESR為多能源熱互補分布式能源系統(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)總能耗的計算方法是Qr=Qf或Qr=Qf+Qnf。

3 節(jié)能率計算方法比較及系統(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)。為突出多能源互補系統(tǒng)的特點，比較各節(jié)能率計算方法對于分析多能源熱互補系統(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/熱化學互補分布式能源系統(tǒng)為例，通過理論計算，研究可再生能源占比，熱互補輸入熱溫度，熱化學互補輸入熱溫度在三種節(jié)能率計算方法下（當k等于ηc、1、0時對應(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

當系統(tǒng)其他參數(shù)一定時，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值，不考慮其收集、轉(zhuǎn)化的代價，難以準確反映輸入能源的實際情況。在所提出的計算方法下，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，更加符合客觀實際。

3.2熱互補溫度

隨著太陽能集熱溫度的升高，集熱效率明顯下降，因為集熱溫度越高，集熱器的熱損失越大。集熱效率的下降導(dǎo)致輸入相同太陽能時，熱互補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，是將太陽輸入熱能全部計入或完全不計，因此ESR2和ESR3受集熱溫度的影響相對較小，而本文提出的計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。當集熱溫度超過一定值時，ESR1已不再隨可再生能源占比的增加而增大，因為集熱溫度較高時太陽能根據(jù)品位所能折合成的燃料量較多，而熱互補供熱效率此時卻較低，引入太陽能得到的收益不足以彌補輸入的太陽能所折合成燃料的代價，沒有實現(xiàn)高品位能量的高效利用。該結(jié)果說明多能源互補系統(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行溫度對口，梯級利用。

3.3熱化學互補溫度

太陽能集熱溫度不僅會影響集熱效率，還會影響熱化學互補過程的熱化學轉(zhuǎn)換效率。隨著集熱溫度升高，集熱效率下降，但熱化學反應(yīng)隨反應(yīng)溫度的升高燃料轉(zhuǎn)化率會升高，獲得的合成氣燃料熱值越大，當溫度過低時，燃料幾乎沒有實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，即便此時集熱效率較高，熱化學轉(zhuǎn)換效率仍很小，當溫度超過一定值時，燃料基本實現(xiàn)全部轉(zhuǎn)化，此后熱化學轉(zhuǎn)換效率主要受集熱效率影響，因此在集熱效率和熱化學反應(yīng)均隨溫度變化的雙重作用下，熱化學轉(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，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，而非單一衡量某項能源轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)劣，因此適合作為系統(tǒng)節(jié)能性優(yōu)化的評價指標。

4 總結(jié)

針對目前多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)節(jié)能性評價存在的問題，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)能率計算方法，通過研究得到以下幾點結(jié)論：

1）低品位非化石能源按量全部計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)先進性帶來的節(jié)能效果，因此也無法反映客觀實際。

2）本文提出的節(jié)能率計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)動的分布式能源系統(tǒng)節(jié)能率國家標準對接，進而通過與傳統(tǒng)參比系統(tǒng)進行比較，評價多能源熱互補系統(tǒng)的節(jié)能特性，便于工程實際應(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；隨熱互補熱源溫度的升高而降低，減小熱互補利用過程輸入和產(chǎn)出的品位差能夠有效提高節(jié)能性；隨熱化學互補熱源溫度的升高，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)先進性的同時應(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系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。本研究提出的節(jié)能率評價方法，對多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能性評價具有指導(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系統(tǒng)，如風電、光伏等，更廣泛的多能源互補系統(tǒng)的節(jié)能性評價尚有待于拓展研究。