多能互補分布式能源系統綜合評價指標研究

宋俊朝，李趙一特，陳志威

（1.浙江大學能源工程學院；2.浙江大學機械工程學院，杭州 310000）

相較于傳統能源供應體系而言，分布式能源系統是包含各類發電、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、動態化的特點，該系統蘊含多層次能源和眾多信息流，不僅能自如應對電力故障和中斷，還可以提高能源機組的靈活性，由此帶來更好的經濟效益和穩定性。多能互補分布式能源系統是指可兼容不同種類能源輸入，除天然氣燃氣輪機（或內燃機）發電系統外，還包容太陽能、風能等可再生能源，并提供多種能源供應，如電、熱、冷等。其主要通過多種能源的相互補充、相互協調，提供建筑物電力供應和冷熱負荷[1]。

多能互補分布式能源系統前景廣泛，因此如何對該系統進行綜合、系統、有效的評價以期更精確地評估它的效益至關重要。查閱相關資料可知，目前國內對能效的定義更側重于技術[2]。但是，對于存在不同種能源輸入、轉化、輸出和儲存的系統，僅僅考慮某一種能源利用效率或者某一個轉化環節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、更加完善的指標來考察其作為一個完整體系的能效水平。本文經過調查研究，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，以期促進多能互補分布式能源系統的發展建設。

1 能效指標

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

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一段時間內（通常為一年內）通過燃燒一次能源產生的熱能、冷能、電能的總和與其消耗的燃料能量之比[3]。

在此基礎上，能源綜合利用率是指表征分布式能源系統通過輸出冷、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一年內產生的總冷能，kJ；Qh為多能互補分布式能源系統一年內產生的總熱能，kJ；Qe為多能互補分布式能源系統一年內通過燃燒一次能源產生的總電能，kJ；Q1為多能互補分布式能源系統一年內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為一年內多能互補分布式能源系統一次能源消耗量，kg。

1.2 節能率

節能率為多能互補分布式能源系統一年內消耗的一次能源總量，相較于基準系統產生相同量的冷、熱、電能時一次能源消耗量之比。

式中，ξc為節能率；Q0為基準系統產生等量冷、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將輸入的有效能量轉化為有用或者說有收益的有效能量的能力。對熱電聯產的分布式能源系統來說，其?效率計算公式為：

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

2 梯級利用指標

多能互補分布式能源系統具有獨特的熱能利用方式，高品位能源經過一級利用后成為低品位（或中品味）能源，此時再經過二級利用，如此遞推形成不同品位能源的梯級利用。它的存在使之區別于傳統能源體系，因此判別分布式能源系統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而言，余熱利用是相當重要的一部分，余熱利用情況應當首先考慮：

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

2.2 余熱利用?效率

3 經濟指標

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

3.1 初投資

對任意系統而言，初投資在一定程度上決定了系統建設的難度、適用地區和經濟效益等。系統所有設備、場地等內外設施建設費用總和記為系統初投資：

式中，Ii為第i種設備的單位投資；Vi為第i種設備容量。

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為經濟壽命期后的殘值系數；PWF(i,n)為現金系數；Fm為第m年耗費的運行成本；CRF(i,n)為資金回收系數；i為基準收益率，此處指銀行利率；n為系統運行壽命[5]。

年度利潤為年創造經濟總值與年度成本之差：

為了表示系統單位產能的成本，上述兩個經濟指標（總體成本）均需除以系統年產能量。

4 可靠性指標

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

4.1 運行狀況

系統有無以設計額定功率運行是影響設備壽命的重要因素。定義系統運行狀況，即：

其中，P實際為參數系統運行功率；P額定為系統額定功率。

4.2 電能質量

分布式能源系統并非以電能數量取勝，供電質量更加重要。電壓偏差過大、波動過于劇烈以及諧波的出現都會導致電能質量偏低。而諧波的存在會干擾用電設備正常工作，甚至燒毀設備，增加設備運行維護成本，危及人員和系統安全[6]。因此，在電能接入電網前就應當進行充分測評，針對分布式能源輸出電網的特點全面考察電壓偏差、電壓波動、諧波等數據，應保證全部符合相應國家標準后再準許接入生活電網供電。

而分布式能源系統應有一定的抗擾能力和平衡能力，當偏差和擾動在允許范圍內時仍能正常供電。在系統設計初期，人們就應綜合考慮分布式能源系統并網方式、變流器型號等相關參數，為之后正常運轉奠定基礎[7]。

4.3 能源供給可靠性

可靠性子目標關鍵評價指標主要包括供能可靠率（包括冷熱電）、關鍵設備故障率、利用小時數。

4.3.1 計劃停運系數

式中，POH為計劃停運小時數；PH為統計期間小時數。

4.3.2 非計劃停運系數（UOF）

式中，UOH為非計劃停運小時數。

4.3.3 強迫停運系數（FOF）

式中，FOH為強迫停運小時數。

4.3.4 等效可用系數（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 環境指標

由于分布式能源系統主要燃料為天然氣，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。環境評價主要從兩個方面來評定。

5.1 污染物排放環保稅（經濟角度）

依據我國于2018年1月1日起正式生效的《環境保護稅法》規定，環保稅需要按照季度繳納，這也就意味著，從2018年4月1日起，企業將正式開始繳納環保稅費，為排放污染物承擔相應責任。

從經濟角度考量，繳納環境保護稅費越低，分布式能源系統經濟收益越高。污染物排放環保稅費指系統排向外界的污染物按排放當量數征收的稅費[8]。

其基本公式為：

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

5.2 污染物對環境的影響（環境角度）

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

計算系統的總的污染當量數和單位能耗產生的污染當量數，可評價系統對當地環境的污染程度和該系統的環保性。

5.2.1 總污染當量數

冷熱電三聯的分布式能源系統一般采用天然氣作為能源，產生污染物較少，主要為氮氧化物和碳氧化物：

式中，B為總污染當量數。

5.2.2 單位能耗排放量

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

式中，C為單位能耗產生的污染當量數，1/kJ；B為系統污染物排放當量數；E為系統能源消耗量，kJ。

6 結語

一個合理設計、正常運轉的多能互補分布式能源體系的環境效益與能源利用效率應該優于傳統能源供應體系，這也正是該體系的顯著特點。然而，其經濟性囿于技術的不完善以及相關政策還有待提升。能源梯級利用及多能互補的技術思想值得推廣與進一步研究發展，在漫長的科研道路上，謹希望本研究可以為多能互補分布式能源系統的進步盡一份綿薄之力，推動中國能源更上一層樓。