徐 聰, 劉泰秀, 隋 軍, 劉啟斌

(1. 中國科學院工程熱物理研究所, 北京市 100190; 2. 中國科學院大學, 北京市 100049)

0 引言

節(jié)能特性是評價分布式能源系統(tǒng)的重要指標之一,國家已頒布了《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[14],明確了節(jié)能率的計算方法并規(guī)定了節(jié)能率限定值、準入值和先進值,用以規(guī)范國內(nèi)燃氣分布式能源產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。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。在以往的研究中,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,選擇的參照系統(tǒng)難以統(tǒng)一。文獻[15]將綜合能效定義為系統(tǒng)輸出總量與外界輸入化石能源總量之比,得到綜合能效隨可再生能源增加而增大的結(jié)論。文獻[16]忽略其他輸入能源,將多能源互補系統(tǒng)的節(jié)能率定義局限于燃料節(jié)約率。上述方法未考慮可再生能源收集、轉(zhuǎn)化的代價,難以準確反映輸入能源的實際情況。文獻[17-18]將太陽能按輻照強度與鏡場面積的乘積全部計入系統(tǒng)輸入,定義了總能源利用率指標。該類方法是按熱力學第一定律處理輸入的簡單表達方法,未考慮輸入能源品質(zhì)的不同,難以準確體現(xiàn)可再生能源的利用過程對系統(tǒng)的影響。太陽能熱化學發(fā)電系統(tǒng)中常用太陽能凈發(fā)電效率評價[19],然而其無法體現(xiàn)系統(tǒng)總體的節(jié)能特性。

綜上可知,現(xiàn)階段多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)在能效評價上仍存在以下問題:可再生能源等非化石能源輸入計量不一致且不合理;節(jié)能率的研究開展較少,參比系統(tǒng)選擇具有主觀性;其他指標如太陽能凈發(fā)電效率存在局限性,無法評價系統(tǒng)總體節(jié)能性能等問題。因此,本文將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)鍵因素對節(jié)能率的影響規(guī)律,并以案例分析驗證節(jié)能率計算方法的適用性。

1 節(jié)能率計算方法

多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)模型如圖1所示。能源輸入側(cè)包括燃料、太陽熱能、地熱能或廢熱能等的其中一種或多種。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,太陽熱能、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)最終為用戶輸出電、冷、熱。

圖1 多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a distributed energy system with multi-energy thermal complementarity

節(jié)能率標準文獻[14]中定義節(jié)能率如下:

(1)

式中:ξCCHP為分布式冷熱電能源系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))的節(jié)能率;Fr為系統(tǒng)的報告期能耗;Fa為系統(tǒng)的校準能耗。

Fa按下式計算:

Fa=Peref,p+Ceref,c+Heref,h

(2)

式中:P,C,H分別為系統(tǒng)報告期凈供電量、總供冷量、總供熱量;eref,p,eref,c,eref,h分別為供電、供冷、供熱能耗參照值。

文獻[14]給出了能耗參照值的取值表。此標準僅適用于化石能源驅(qū)動的系統(tǒng),但其節(jié)能率的意義是廣義的,即與分布式能源系統(tǒng)輸出相同產(chǎn)品的參比系統(tǒng)總能耗與系統(tǒng)總能耗之差比上參比系統(tǒng)總能耗。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,如何計量系統(tǒng)能源輸入總量成為關(guān)鍵問題。為方便與節(jié)能率標準對接,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k為折合系數(shù)。前文提及的兩種做法分別是不考慮可再生能源的輸入或按量直接與燃料相加[15-18],即k=0和k=1。當k=0時,認為可再生能源是“白得”的,系統(tǒng)的節(jié)能率隨可再生能源的增加一定增加,此種方法僅適用于考察系統(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。當k=1時,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。

(3)

由此得出功的品位為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)[21-23],因此為方便計算,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[20],因此按本文計算方法,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?？ㄖZ循環(huán)效率的定義式為:

(4)

式中:ηc為卡諾循環(huán)效率;T0為環(huán)境溫度;T為以熱的形式輸入系統(tǒng)的低品位非化石能源的溫度。

根據(jù)熱能品位的定義,如500 ℃熱能的ηc為0.61,80 ℃熱能的ηc為0.16,實現(xiàn)了低品位熱能向燃料的折合,方便與化石能源系統(tǒng)的節(jié)能率標準對接和實際應(yīng)用。

本文針對多能源熱互補分布式能源系統(tǒng),提出將系統(tǒng)輸入的低品位非化石能源,如可再生能源、廢熱能等,根據(jù)其品位按做功能力折合成燃料的方法計量,并與系統(tǒng)輸入燃料相加,作為系統(tǒng)的總能耗。進一步,可按照現(xiàn)有化石能源驅(qū)動的分布式能源系統(tǒng)節(jié)能率標準,計算得到與現(xiàn)有分產(chǎn)技術(shù)相比的節(jié)能率,具體方法如下:

(5)

式中:ξMCCHP1為本文提出的多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率;Qr為多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)的能耗,Qa為參比系統(tǒng)能耗,單位均為kJ。

系統(tǒng)能耗Qr為:

(6)

(7)

式中:Qf,i為某種燃料的總發(fā)熱量,單位為kJ;Qnf,j為以熱的形式輸入系統(tǒng)的某種低品位非化石能源的能量,單位為kJ,Tnf,j為其輸入溫度,單位為K,ηcnf,j為該溫度下的卡諾循環(huán)效率。

參比系統(tǒng)能耗Qa為:

(8)

式中:ηe,ref,ηre,ref,ηb,ref分別為參比系統(tǒng)的供電效率、制冷系數(shù)、供熱效率。

P,C,H以實測數(shù)據(jù)或設(shè)計值為準,如數(shù)據(jù)缺乏,可以按以下方法計算:

(9)

(10)

(11)

式中:ηef,i為某種常規(guī)燃料驅(qū)動的動力機組發(fā)電效率;fj為某種非化石能源的熱化學轉(zhuǎn)換效率；ηenf,j為其轉(zhuǎn)化成燃料驅(qū)動的動力機組的發(fā)電效率;Qc,k為某股輸入制冷單元的驅(qū)動熱量,單位為kJ,ηre,k為其對應(yīng)的制冷系數(shù);Qh,l為某股輸入制熱單元的驅(qū)動熱量,單位為kJ,ηb,l為其對應(yīng)的制熱效率。

將式(6)至式(11)代入式(5),得到多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率計算公式如式(12)所示。以往研究中所采取的兩種節(jié)能率計算方法下的節(jié)能率分別以ξMCCHP2(k=1)和ξMCCHP3(k=0)表示,計算公式分別如式(13)和式(14)所示。

(12)

(13)

(14)

2 節(jié)能率計算方法比較及影響因素分析

由上述計算方法可知,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)。鑒于對化石能源驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能率影響因素研究已有很多,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,本文主要研究引入可再生能源等低品位非化石能源在3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,為方便分析,定義以下幾個參數(shù):R為太陽能投射到聚光集熱器上的總能量占其與燃料總發(fā)熱量之和的比例(以下簡稱太陽能占比);x為太陽能中用于熱化學互補的份額,則1-x為用于熱互補的份額;T1為熱化學互補集熱溫度;T2為熱互補集熱溫度;f為太陽能熱化學轉(zhuǎn)換效率;rc和rh分別為系統(tǒng)輸出冷電比和熱電比。假設(shè)熱化學發(fā)電動力機組和常規(guī)燃料動力機組發(fā)電效率相同均為ηef。熱化學發(fā)電不能滿足用戶電負荷時增加常規(guī)燃料動力機組,系統(tǒng)不能滿足用戶冷負荷或熱負荷時增加直燃鍋爐提供補充熱源。將以上參數(shù)代入式(12)至式(14)中，可得3種計算方法的節(jié)能率計算公式如下:

ξMCCHP1=1-

(15)

(16)

(17)

參比系統(tǒng)性能根據(jù)化石能源驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能率標準換算取定ηe,ref為38%,ηre,ref為4,ηb,ref為83.4%。為重點分析太陽能的引入對系統(tǒng)節(jié)能率的影響,確定系統(tǒng)其他參數(shù)如附錄A表A1所示。

2.1 太陽能占比

系統(tǒng)輸入可再生能源占比對節(jié)能率的影響值得研究,系統(tǒng)輸出電冷熱的比例對節(jié)能率也有影響。rc=1,rh=1和rc=0,rh=2兩種情況下,節(jié)能率隨太陽能占比R的變化如圖2所示。

圖2 太陽能占比對節(jié)能率的影響Fig.2 Influence of solar proportion on energy saving ratio

由圖2可知,當其他條件一定時,ξMCCHP2隨R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。ξMCCHP3隨R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。本文計算方法下的節(jié)能率介于前兩者之間,隨R的增加ξMCCHP1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,更符合客觀實際。由輸出冷電比、熱電比不同情況對比可知,當系統(tǒng)輸出冷和熱的總和與輸出電的比例(rc+rh)一定時,輸出熱的比例越大,系統(tǒng)節(jié)能率越大,是由于參比系統(tǒng)制冷能耗要低于制熱能耗,因此輸出更多熱時參比系統(tǒng)會更耗能,從而分布式能源系統(tǒng)更節(jié)能。

2.2 太陽能熱互補集熱溫度

太陽能集熱溫度是太陽能熱互補能量轉(zhuǎn)化利用過程的重要影響因素。當R分別為0.2和0.3時,以槽式太陽能集熱器為例,在集熱器其他影響參數(shù)選定時,集熱溫度T2對太陽能集熱效率ηclc2和系統(tǒng)節(jié)能率的影響結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖4 熱互補集熱溫度對節(jié)能率的影響Fig.4 Influence of thermal complementary heat collecting temperature on energy saving ratio

由圖3可知,隨著T2的升高,ηclc2明顯下降,因為集熱溫度越高,集熱器的熱損失越大。ηclc2的下降導(dǎo)致輸入相同太陽能時,其中可被利用的熱能下降,因此在圖4中,3種計算方法下的節(jié)能率均下降。以往計算方法由于將太陽能全部計入或完全忽略,ξMCCHP2和ξMCCHP3受T2的影響很小,溫度升高400 ℃,節(jié)能率降低不足5%。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T2越高,太陽能所折合成的燃料量越大,系統(tǒng)總能耗越大,節(jié)能率下降明顯。

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),是由較高品位的熱能向較低品位的熱能轉(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。由于熱化學互補的份額x不變,當R越大時,節(jié)能率受集熱溫度影響越明顯。當T2超過400 ℃時,ξMCCHP1已不再隨R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。

2.3 太陽能熱化學集熱溫度

與熱互補過程類似,太陽能集熱溫度同樣是太陽能熱化學互補過程的重要影響因素,且集熱溫度不僅會影響集熱效率,進而還會影響熱化學轉(zhuǎn)換效率。為突出重點,僅考慮太陽能熱化學發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),熱化學轉(zhuǎn)換效率f和節(jié)能率隨太陽能熱化學集熱溫度T1變化的結(jié)果如圖5、圖6所示,其中熱化學反應(yīng)過程采用Aspen軟件Gibbs反應(yīng)器模擬。

圖5 集熱溫度對熱化學轉(zhuǎn)換效率的影響Fig.5 Influence of heat collecting temperature on thermal to chemical transforming efficiency

與熱互補不同,雖然隨著T1升高,集熱效率一直下降,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T1過低時,燃料幾乎沒有實現(xiàn)轉(zhuǎn)化,因此即便此時集熱效率較高,f仍很小,因此f在集熱效率和熱化學反應(yīng)均隨溫度變化的雙重作用下,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。而當T1超過300 ℃時,燃料基本實現(xiàn)全部轉(zhuǎn)化,此后f主要受集熱效率影響。由于分析對象是熱化學發(fā)電系統(tǒng)余熱回收利用的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),因此ξMCCHP2和ξMCCHP3隨T1的變化完全取決于f隨T1的變化,如圖6所示。

圖6 熱化學互補集熱溫度對節(jié)能率的影響Fig.6 Influence of thermochemical complementary heat collecting temperature on energy saving ratio

ξMCCHP1和f隨T1的變化規(guī)律并不完全相同,分別在250 ℃附近和300 ℃附近達到最高值,而且分別在500 ℃和100 ℃達到最小值。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。

3 案例分析

為了進一步闡述所提出的節(jié)能率計算方法,以及分析不同互補系統(tǒng)節(jié)能率的差異,本文選取3類分布式能源系統(tǒng)向某用戶供能,分別為:太陽能熱化學發(fā)電與太陽能供熱方案、甲醇直燃發(fā)電與太陽能供熱方案、甲醇直燃發(fā)電與供熱方案。

各系統(tǒng)流程示意圖分別見附錄B圖B1、圖B2、圖B3。上述方案中選取的用戶負荷及系統(tǒng)參數(shù)見附錄B表B1。

在給定的用戶電、熱負荷下,對上述3種方案分別進行能量平衡分析,并基于所提的節(jié)能率計算方法進行性能評價分析。系統(tǒng)能量分析結(jié)果見表1。

表1 能量分析結(jié)果Table 1 Energy analysis results

通過表1結(jié)果分析可得,如果不考慮太陽能與化石能源之間的品質(zhì)差異,直接把太陽能按量作為系統(tǒng)能源輸入,則方案1的節(jié)能率最低，方案3的節(jié)能率最高,所計算得出的節(jié)能率數(shù)值并不能客觀反映出系統(tǒng)供能技術(shù)的先進性。根據(jù)本文節(jié)能率計算方法得出節(jié)能率由高到低分別是方案1,2,3,表明該多能源互補系統(tǒng)設(shè)計合理,較傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)具有更高的節(jié)能性,且熱化學互補方式實現(xiàn)了可再生能源品位的提升,使得系統(tǒng)更節(jié)能,該結(jié)果與實際系統(tǒng)的先進程度相一致,對多能源熱互補分布式能源系統(tǒng)評價具有更加客觀的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

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,并對可再生能源占比、不同形式能量輸出比例、熱/熱化學互補溫度等關(guān)鍵因素對系統(tǒng)節(jié)能率的影響規(guī)律進行分析,對比了3種節(jié)能率計算方法的結(jié)果,結(jié)論如下。

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)根據(jù)本文節(jié)能率計算方法,在發(fā)電、制冷空調(diào)和采暖的一般需求情況下,系統(tǒng)節(jié)能率隨可再生能源占比提高而提高,隨熱互補輸入熱溫度的升高而降低,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;隨熱化學互補輸入熱溫度的升高,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,在提高技術(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。

通過具體案例,對比了不同節(jié)能率計算方法下3類熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果,驗證了本文節(jié)能率計算方法的適用性。本文研究提出的節(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。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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