分布式能源系統生命周期環境影響評價

謝偉偉, 邵雪奎

(1.中南大學 能源科學與工程學院,湖南 長沙 410083；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司,湖南 長沙 410083)

1 引言

隨著全球人口和經濟發展規模的急劇增長，能源問題已成為人類日益關注的焦點,而傳統能源資源的有限性以及對環境產生的負面影響，促使人類開始探索可再生的、環保低碳的新能源類型。從規劃、設計、生產、運行、使用、維修保養、回收再處置的全生命周期角度分析可再生能源，能讓我們進一步了解可再生能源全壽命周期過程的環保節能效益。分布式能源系統(Distributed energy system，DES)具有能源利用效率高、傳輸損耗小、清潔低碳等優點，然而，如何實現系統中各設備之間的最佳耦合，同時從全生命周期角度來看分布式能源系統的環保性、經濟性、社會效益究竟如何，有待深入研究。

近年來，生命周期評價方法被廣泛應用于可再生能源的研究。Cameron Smith等[1]比較了柴油、PV、風能混合微電網對泰國高吉格島的環境影響，評價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，結果表明，微電網系統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]對在不同歐洲氣候下使用太陽能加熱冷卻系統和傳統的吸附式冷水機組系統進行了分析比較，結果表明，在10年的使用壽命內，傳統系統所有的性能都優于可再生系統，然而，如果實現了較長的壽命(15年或20年)，太陽能系統幾乎所有氣候條件下都表現出環境優勢。Solano-Olivares K等[3]基于生命周期評價對太陽能吸收空調系統和商業空調系統進行環境影響的評估。安鵬等[4]基于生命周期評價對風力發電、光伏發電及燃煤發電的環境負荷進行了分析。雷舒堯等[5]在生命周期的視角下對不同的太陽能熱水系統的環境影響和能源效益進行了分析。崔元龍等[6]對冷、熱、電三聯供系統進行生命周期成本評估，并對其進行了詳細的技術經濟評估。王豆豆等[7]以西安咸陽國際機場貨運中心空調工程為案例，以生命周期方法進行能源消耗項目剖析，建立了新的能源利用層次評價模型，通過空調工程各種資源消耗值和環境影響潛值案例分析，明確了利用全生命周期影響評價量化剖析耗能項目的方法。胡玉坤等[8]基于生命周期評價理論，建立了地源熱泵空調系統生命周期內各階段碳排放核算模型，結合工程案例，用溫度頻率法(BIN)核算地源熱泵空調系統生命周期各個階段碳排放量，數據顯示運行階段碳排放量占絕大部分。用當量滿負荷運行法計算運行階段各設備碳排放情況，數據顯示采用變頻技術將減少生命周期碳排放。姜文秀等[9]基于生命周期評價理論，建立了集中式空調系統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系統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系統生命周期碳排放量對比指標的方法。

上述研究大多是對部分可再生能源進行生命周期評價，而分布式能源系統包括多種可再生能源，因此很有必要對分布式能源系統環境影響進行評價。本文基于生命周期評價對分布式能源系統和傳統能源系統的灰霾污染物及溫室氣體的排放進行了定量分析與比較，探究了分布式能源系統的環境效益。

2 研究目標與范圍

分布式能源系統是相對于傳統的集中式供能的能源系統而言的，傳統的集中式供能系統采用的是大容量設備、集中生產，通過專門的輸送設施(大電網、大熱網等)將各種能量輸送給大范圍內的諸多用戶；而分布式能源系統則是直接面向用戶，按用戶的需求的量生產并供應能量，具有多種功能，可滿足多重目標的中、小型能量轉換利用系統。如今的第三代分布式能源系統有三大要素：一是去中心化，二是多能源，三是集成應用終端節能資源和可再生能源[10]。在多能源與可再生能源方面《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》政策的提出使得分布式能源系統更多地與可再生能源系統綜合起來。在減少環境污染越來越被重視的大背景下，分布式能源系統對于環境的定量影響顯得尤其重要，因此很有必要對分布式能源系統進行全生命周期環境評價影響。

本文以游泳池分布式能源系統及常規能源系統(Conventional energy systems，CES)為研究案例，通過對其建設階段、運行階段、回收階段實際數據的清單分析，來評估DES與CES的全生命周期環境影響。

2.1 研究對象

根據國家發改委和財政部的統一部署，長沙市承擔了《新能源與可再生能源利用服務平臺及監管體系建設項目》主要任務，新能源與可再生能源綜合利用示范推廣中心是該建設項目成果主要的展示平臺之一。該平臺綜合考慮新能源與可再生能源技術、產品現狀，利用太陽能、地熱能、風能等對中南大學主校區游泳池進行綜合利用示范工程改造，將露天游泳池改造為室內游泳館，一年四季可對外開放，滿足人們對水上健身活動與教學的需求。該平臺是分布式能源系統的典型代表，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，其他能源供應系統為輔，實現以直接滿足泳池需求的能源梯級利用，并通過其他能源供應系統提供支持和補充。本研究主要是對該分布式能源系統進行全生命周期評價。

圖1 工程項目效果圖及實物圖

2.2 目標與范圍及系統邊界

本文的研究案例中分布式能源系統以及常規能源系統的邊界定義如下圖所示，在分布式能源系統中，太陽能集熱器以及燃氣鍋爐主要是負責熱水負荷的負荷，都由燃氣鍋爐輸出，冷負荷由常規制冷機輸出，電負荷由電網購電而得。

圖2 分布式能源系統邊界

圖3 常規能源系統邊界

2.3 系統負荷分析

本系統案例為長沙市某室內游泳館，游泳館面積1 143.20 m2，層數一層，建筑高度6.61 m，水體長度東西向為30 m， 南北向為15 m，平均池水深度為1.2 m，長沙地區屬于典型的夏熱冬冷地區，根據中國氣象數據網發布的我國各城市氣象數據可知，長沙水平面上的太陽輻照量為3 984.01 MJ/m2，與緯度相同表面太陽輻照量為4 048.90 MJ/m2，年平均溫度為17.1 ℃。水平面上年平均日太陽輻照量為10.628 MJ/m2，與緯度相同表面日太陽輻照量為11.061 MJ/ m2，年總日照時數為1 636 h，太陽能保證率為≤40%。游泳館的使用時間按12 h計算，考慮10:00～22:00對外開放，夜間的負荷也考慮在內，通過SketchUp對系統進行建模，再利用EnergyPlus算出系統的全年冷負荷、熱負荷、熱水負荷、電負荷分別如圖4～圖7所示。

圖4 全年冷負荷

圖5 全年熱負荷

圖6 全年熱水負荷

圖7 全年電負荷

3 清單分析

3.1 建設階段

本系統生命周期過程可分為建設階段、使用階段、回收階段，考慮到設備的使用年限為20年，對分布式能源系統和常規能源系統進行生命周期評價，維護結構的材料在兩個系統中均未考慮。建設階段的主要材料清單都是在實際工程項目中搜集整理的，準確度和精度都很高，本項目研究的游泳池分布式能源系統主要包括24塊共48 m2的光伏板、164塊共328 m2的平板集熱器、兩臺風力發電機、地源熱泵機組、燃氣鍋爐、集熱水箱、組合式空調機組、空氣源熱泵機組、板式換熱器以及若干水泵和管道。而常規能源系統的主要設備包括燃氣鍋爐、集熱水箱、制冷機組、換熱器以及若干水泵和管道。前文已經述及了生命周期軟件和數據庫，由于GaBi軟件的數據庫更新程度很高，而且應用范圍也很廣，因此本研究采用GaBi軟件對分布式能源系統進行清單分析，中南大學能源科學與工程學院已經獲得了GaBi軟件的使用權。表1為在GaBi軟件中對應的建設階段清單分析。

表1 建設階段輸入/輸出清單

原材料數據的搜集主要來自于建筑施工方的現場統計、設備商的售后咨詢以及專家咨詢。建設階段的水、電根據實際施工消耗量統計咨詢而來，分布式能源系統的柴油消耗量是地源熱泵系統柴油機打孔消耗量以及設備材料的運輸消耗量，常規能源系統由于沒有地源熱泵系統柴油消耗量均來自設備材料的運輸消耗量，其余數據均來自GaBi軟件自帶數據庫。

3.2 使用階段

使用階段根據已定的運行策略我們將全年負荷數據和運行方式利用Matlab編程計算得出兩個系統使用階段一年的能耗如表2所示。分布式能源系統由于擁有光伏發電和風力發電以及集熱器等可再生能源，因此消耗的電和燃氣明顯比常規能源系統少。輸出的排放物主要是燃氣的直接排放，而電力的排放則為間接排放，GaBi軟件數據庫自帶電力排放的量，因此使用階段不需要計算電力的間接排放。

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 生命周期環境影響結果與討論

本文對游泳池分布式能源系統以及常規能源系統進行全生命周期環境影響評價，重點對比溫室氣體以及灰霾污染物的排放，并將DES系統二氧化碳排放做重點分析，了解建筑系統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，中國氣象局的《地面氣象觀測規范》中，灰霾被這樣定義："大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km的空氣普遍混濁現象。霾使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。"本文統計的灰霾污染物排放主要包含兩部分，直接排放的細顆粒物PM2.5和會導致形成二次氣溶膠的NH3、NOx和SO2三種一次氣態污染物[11]。灰霾污染物的致灰霾能力用PM2.5當量(PM2.5equivalent，PM2.5-eq)表示，以SO2為例，向大氣中排放1 kg SO2，相當于直接向大氣中排放了0.133 kg PM2.5。PM2.5當量可以用公式(1)計算：

ρPM2.5-eq=∑∑ei,jFj

(1)

式中：i為生命周期階段；j為排放物質；e為物質的排放量；F為排放物質的細顆粒物當量因子，參見表4[12]。

表4 排放物質的細顆粒物 ρPM2.5當量因子

表5為GaBi軟件計算后的灰霾污染物的直接排放清單，通過公式(1)計算得出灰霾污染物的當量排放清單，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少一個數量級，這主要是由于DES充分利用了光伏、太陽能、風力發電以及地熱能等可再生能源系統，相比于CES而言DES的年消耗的電量及燃氣都遠遠小于CES，從表2也可以看出DES的燃氣年消耗量僅為CES燃氣年消耗量的約53.7%。DES與CES灰霾污染物的排放幾乎全部來自于使用階段，分別約占到了整個系統階段的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鍵。

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

表6 分布式能源系統與常規能源系統各部分生命周期PM2.5當量排放清單(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波輻射，并重新發射輻射的一些氣體。它們的作用是使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽輻射，并加熱溫室內空氣的作用。這種溫室氣體使地球變得更溫暖的影響稱為"溫室效應"。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。溫室效應的能力可以用全球變暖潛值(Global Warming Potential，GWP)，以CO2當量(CO2equivalent，CO2-eq)表示，如今常用的是GWP(100)，其含義為在未來100年內，各種溫室氣體導致的溫室效應對應于同等效應時的CO2的質量。本文采用以基于100年的溫室氣體溫室效應特征化因子為計算基準，如表7所示[13]。CO2當量可以用公式(2)計算：

表7 溫室氣體的溫室效應特征化因子(100年)

ρCO2-eq=∑i∑jei, jCFj

(2)

式中：CF為溫室效應特征化因子。

通過對GaBi軟件輸出的數據進行整理分析得到了如表8所示的溫室氣體排放清單，通過公式(2)的計算得到了表9所示的三個階段溫室氣體當量排放清單，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 溫室氣體當量排放清單(kg CO2-eq/GJ)

圖8～10顯示了DES各個階段二氧化碳的排放情況，從圖中可以看出建設階段的CO2排放主要來自PVC、電、柴油、304不銹鋼，分別約占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，而使用階段中燃氣的直排與電力間接排放分別約占58.7%、34.2%。使用階段90%以上的排放來自于電力和燃氣的排放，回收階段金屬的回收能有效地降低CO2的排放。

圖8 建設階段二氧化碳排放

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 結論

(1)計算出DES與CES在全生命周期過程中的能耗清單，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%，燃氣年消耗量減少了約46.3%。

(2)DES與CES灰霾污染物的排放主要來自使用階段，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該在使用階段減少電力和燃氣的消耗。

(3)DES在建設階段的排放中PVC、電、柴油、304不銹鋼分別約占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，使用階段中燃氣與電力分別約占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。