趙樂冰，王 蕾，萬 燦，武夢景3，，原 凱，宋 毅

（1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省杭州市 310027；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,浙江省杭州市 310008；3. 國網(wǎng)北京城區(qū)供電公司,北京市 100032；4. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209）

0 引言

隨著中國“碳達(dá)峰·碳中和”能源戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,對國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型提出了較高要求。提升重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率既是當(dāng)前推進(jìn)碳達(dá)峰目標(biāo)的重點(diǎn)內(nèi)容,更是未來實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵措施［1-2］。綜合能源系統(tǒng)能夠耦合多種獨(dú)立能源系統(tǒng),有利于提高城市范圍內(nèi)多種能源的利用效率,也為傳統(tǒng)城市向更加高效、綠色、協(xié)調(diào)的智慧城市形態(tài)演變提供了可能。因此,如何有效量化城市綜合能源系統(tǒng)中多種能源的利用情況,進(jìn)一步明確能源系統(tǒng)能效薄弱環(huán)節(jié),對于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)具有重要意義。

目前,綜合能源系統(tǒng)能效評價主要包括以下步驟:首先,通過構(gòu)建系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型得到系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果；然后,分析影響系統(tǒng)能效得分的多維度因素,構(gòu)建系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系；接著,利用系統(tǒng)評價方法對系統(tǒng)能源利用效率進(jìn)行計算；最后,得到系統(tǒng)的能效得分結(jié)果。一般而言,能效評價結(jié)果作為一種負(fù)反饋對系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。基于系統(tǒng)仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)的能效評價結(jié)果,決策者可對多種備選規(guī)劃方案與運(yùn)行策略進(jìn)行直接決策,選擇得分更優(yōu)的方案與策略投入使用。對于系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行而言,此時的能效評價屬于先驗(yàn)分析。而基于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的能效評價則直接對現(xiàn)有系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行迭代修正,以得到優(yōu)化后的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。因此,能效評價可根據(jù)數(shù)據(jù)來源的差異進(jìn)行先驗(yàn)或后驗(yàn)分析。

在能效評價指標(biāo)體系方面,以能源消耗量、能源品質(zhì)利用情況來構(gòu)建系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系已具備較為深入的研究基礎(chǔ)［3］。文獻(xiàn)［4］采用一次能源利用率、一次能源消耗量等典型指標(biāo)描述系統(tǒng)能耗情況,然而,這類指標(biāo)忽略了不同類型能源的質(zhì)量差異,難以表示系統(tǒng)內(nèi)部高品位能量逐級利用的情況［5］。文獻(xiàn)［6］引入?分析理論,對不同類型能源的做功能力差異進(jìn)行表征,構(gòu)建了包含一次能源節(jié)約率、?效率、?經(jīng)濟(jì)成本等指標(biāo)的系統(tǒng)綜合能效評價指標(biāo)體系。但上述文獻(xiàn)未充分考慮清潔能源在系統(tǒng)中對提升能效與降低碳排放的重要作用,指標(biāo)體系仍須進(jìn)一步完善。

能效評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重反映了該指標(biāo)在綜合評價中的相對重要性,權(quán)重值將影響系統(tǒng)能效的最終評價結(jié)果。根據(jù)權(quán)重確定依據(jù)的差異性,能效評價方法分為主觀評價、客觀評價以及混合評價［7］。主觀評價法主要包括專家評價法、層次分析（AHP）法等［8-9］,客觀評價法主要包括優(yōu)劣解距離（TOPSIS）法、數(shù) 據(jù) 包 絡(luò) 分 析（DEA）法 等［10-11］。DEA 法通過構(gòu)建以效率值最大為目標(biāo)的權(quán)重優(yōu)化模型,對各個指標(biāo)的最優(yōu)權(quán)重進(jìn)行求解。這種方法的優(yōu)勢體現(xiàn)在當(dāng)求解每個決策單元相對效率最大值時,各類指標(biāo)的權(quán)重通過優(yōu)化模型進(jìn)行確定,不需要依賴主觀分析。但傳統(tǒng)DEA 模型得到的評價值為自評結(jié)果,容易出現(xiàn)各指標(biāo)權(quán)重較為極端的缺陷［12］。

城市綜合能源系統(tǒng)的能量流動情況見附錄A圖A1。可以看出,天然氣、電能、冷能、低溫?zé)崮?、中溫?zé)崮艿榷喾N能流在綜合能源系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換、能源存儲、能源傳輸?shù)雀髦虚g環(huán)節(jié)進(jìn)行流動。由于不同類型能源的做功質(zhì)量并不相同,系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中能量損失也不相同,僅計算系統(tǒng)輸出能量與輸入能量之比并不能找出系統(tǒng)能效的薄弱環(huán)節(jié)。為了對綜合能源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的能效情況做進(jìn)一步評估,文獻(xiàn)［13］將綜合能源系統(tǒng)能源效率利用情況細(xì)化到不同供能子系統(tǒng)與設(shè)備進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［14］考慮能源系統(tǒng)“產(chǎn)-輸-配-用-儲”各環(huán)節(jié),構(gòu)建了針對各環(huán)節(jié)的能效指標(biāo)并進(jìn)行了相關(guān)性分析,但所得到的分環(huán)節(jié)能效指標(biāo)值與整體能效情況的對應(yīng)關(guān)系不夠直接。

因此,為了進(jìn)一步提升城市綜合能源系統(tǒng)能效評價的準(zhǔn)確性,針對上述問題,本文圍繞構(gòu)建更全面的能效評價指標(biāo)體系與優(yōu)化系統(tǒng)綜合能效評價方法開展了研究工作?？紤]不同能源形式的供能品位差異,本文構(gòu)建了涵蓋能源消耗總量、不同品位能源差異化利用、清潔能源利用等方面的系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系,能夠更加全面地反映系統(tǒng)能源效率利用情況。此外,本文在傳統(tǒng)DEA 模型的基礎(chǔ)上,建立了一種基于關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型的能源系統(tǒng)全過程模型,提出了一種基于DEA 法的城市綜合能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價方法,能夠?qū)Χ喾N運(yùn)行場景下系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能效得分進(jìn)行計算。目前,該方法已在實(shí)際示范工程中應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了城市綜合能源系統(tǒng)不同運(yùn)行場景下能效提升重點(diǎn)環(huán)節(jié)的識別,為系統(tǒng)精準(zhǔn)提效提供參考。

1 城市綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型

城市綜合能源系統(tǒng)所包含的能源類型與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的差異將影響城市綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)果,進(jìn)一步影響能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價。在“碳達(dá)峰·碳中和”能源戰(zhàn)略目標(biāo)背景下,本文建立了以綠色、經(jīng)濟(jì)為運(yùn)行目標(biāo),綜合運(yùn)行成本包含多能網(wǎng)絡(luò)與多能設(shè)備運(yùn)行約束的城市綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型,為城市綜合能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

為了充分考慮城市綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與清潔能源消納情況,將城市綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為綜合運(yùn)行成本最小,綜合運(yùn)行成本包括設(shè)備燃料消耗成本、外部購能成本以及清潔能源棄風(fēng)棄光成本。

1.2 約束條件

1）多能網(wǎng)絡(luò)約束

對電網(wǎng)交流潮流進(jìn)行簡化,表示為:

2）多能設(shè)備約束

由附錄A 圖A1 可知,城市綜合能源系統(tǒng)中包括分布式光伏、風(fēng)機(jī)、電轉(zhuǎn)熱設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、電儲能、熱儲能等多種能源轉(zhuǎn)換、能源存儲設(shè)備［17-18］。由于篇幅限制,系統(tǒng)中多能設(shè)備運(yùn)行約束如附錄A 所示。

2 城市綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系

根據(jù)熱力學(xué)定律,綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)可以從能源消耗量與能源質(zhì)量兩個角度建立。典型指標(biāo)包括基于熱力學(xué)第一定律的一次能源消耗量、一次能源利用率,以及基于熱力學(xué)第二定律的?效率、?經(jīng)濟(jì)成本［6,19］。然而,依據(jù)當(dāng)前能源系統(tǒng)綠色低碳的發(fā)展趨勢,利用這些典型指標(biāo)所構(gòu)建的能效評價指標(biāo)體系難以滿足目前新能源接入下綜合能源系統(tǒng)的能效評價需求。因此,考慮系統(tǒng)能耗總量、能源品位、清潔能源利用等能源利用維度,構(gòu)建了城市綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系,如表1 所示。該指標(biāo)體系將指標(biāo)分為兩種類型:1）投入型指標(biāo),指數(shù)值越大,評價結(jié)果越差的指標(biāo)；2）產(chǎn)出型指標(biāo),指數(shù)值越大,評價結(jié)果越好的指標(biāo)。

表1 城市綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系Table 1 Energy efficiency evaluation index system ofurban integrated energy system

在能耗總量指標(biāo)中,天然氣消耗量、電能消耗量可以通過城市綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)果獲得。基于生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》［20］中的排放核算要求,系統(tǒng)碳排放總量指標(biāo)的計算式為:

式 中:λele、λgas、λhl、λhh、λPV、λW和λch分 別 為 電、天 然氣、低溫?zé)崴⒅袦責(zé)崴?、太陽能、風(fēng)能和冷能的能質(zhì)系數(shù)；Eeload、Ehlload、Ehhload和Echload分別為電負(fù)荷、低溫負(fù)荷、中溫負(fù)荷和冷負(fù)荷的能量值；Eele、Egas、EPV和EW分別為電能、天然氣、太陽能和風(fēng)能輸入的能量值。

3 基于關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型的分環(huán)節(jié)能效分解方法

3.1 傳統(tǒng)DEA 模型

傳統(tǒng)DEA 方法通常采用基礎(chǔ)CCR 模型［23］對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。在該模型中,每個需要評價的系統(tǒng)可以視作一個決策單元,而每個決策單元表示為一個黑箱模型,如圖1 所示。通過計算總產(chǎn)出與總投入之比,可以比較多個具有相同投入/產(chǎn)出指標(biāo)的系統(tǒng)之間的相對效率。

圖1 城市綜合能源系統(tǒng)黑箱模型Fig.1 Black box model of urban integrated energy system

通過構(gòu)建以系統(tǒng)相對效率最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化模型,可以求解待評價系統(tǒng)各評價指標(biāo)的權(quán)重。以待評價系統(tǒng)j為例,該優(yōu)化模型可以表示為:

由此,系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)換為包含產(chǎn)出型指標(biāo)集u'={u'1,u'2,…,u'K}和投入型指標(biāo)集v'={v'1,v'2,…,v'M}的線性模型式（25）至式（28）。

3.2 關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型

3.1 節(jié)所述的傳統(tǒng)DEA 模型能夠得到系統(tǒng)效率最高時的最優(yōu)權(quán)重值,客觀性較強(qiáng)。然而,該模型忽視了系統(tǒng)內(nèi)部能流關(guān)系,僅利用輸入指標(biāo)與輸出指標(biāo)計算系統(tǒng)整體能效值［11］。所得到的評價結(jié)果很難找到系統(tǒng)內(nèi)部能效薄弱環(huán)節(jié),容易出現(xiàn)投入成本大而能效提升輕微的問題,不利于補(bǔ)齊系統(tǒng)能效短板環(huán)節(jié)、精準(zhǔn)提效。

在運(yùn)籌學(xué)中,具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)部包含多個子環(huán)節(jié)。根據(jù)子環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以將系統(tǒng)分為鏈?zhǔn)?、并行式、串并?lián)混合等結(jié)構(gòu)類型［25］,如附錄B 圖B1 所示。在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)內(nèi)前一個子環(huán)節(jié)的輸出量作為后一個子環(huán)節(jié)的輸入量,系統(tǒng)子環(huán)節(jié)之間相互串聯(lián)。并行式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)子環(huán)節(jié)之間呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系。而串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)包含了鏈?zhǔn)胶筒⑿惺絻煞N關(guān)系。根據(jù)能源系統(tǒng)運(yùn)行特征,城市綜合能源系統(tǒng)屬于串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

因此,基于城市綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部多種能量流動過程,將能源轉(zhuǎn)換、能源存儲、能源傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)作為子環(huán)節(jié),構(gòu)建了關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型來描述系統(tǒng)內(nèi)部能量流動全過程。設(shè)置電能消耗量、天然氣消耗量、系統(tǒng)碳排放總量為投入型指標(biāo)X1,X2和X3,?效率、清潔能源消納率、清潔能源碳減排量為產(chǎn)出型指標(biāo)Y1,Y2和Y3,如圖2 所示?？梢钥闯?具有串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的城市綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)的輸入輸出量并不相同。能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)的輸入量流向存儲環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),分別為X(1)1、X(1)3和X(2)1、X2、X(2)3兩部分,并相應(yīng)產(chǎn)生了系統(tǒng)能流中間產(chǎn)物。而轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的部分輸出量Z(1)1、Z(1)3,作為流向存儲環(huán)節(jié)的輸入量。最終,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與存儲環(huán)節(jié)的輸出量Z(2)1、Z2、Z(2)3、Z4、Z5、Z6流向了傳輸環(huán)節(jié)。

圖2 基于關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型的系統(tǒng)全過程模型Fig.2 Whole process model of system based on relational network DEA model

將系統(tǒng)內(nèi)部各個環(huán)節(jié)視為子黑箱模型,關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型可以表示為:

然而,根據(jù)系統(tǒng)全過程模型式（29）至式（35）所得到的權(quán)重集合是不同決策單元以自身效率最優(yōu)為目標(biāo)求解得到的,可以認(rèn)為該模型為每個決策單元的自我評價模型。這將導(dǎo)致評價過程中標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,進(jìn)一步引起評價結(jié)果缺乏客觀性的問題。為了保證評價的客觀統(tǒng)一性,將各決策單元的自評價效率值ERN改進(jìn)為交叉效率值［26］,即在評價決策單元時,考慮其他決策單元自評權(quán)重的影響,從而形成自評與他評相結(jié)合的決策單元得分結(jié)果。求解交叉效率值的步驟如下。

步驟1:依據(jù)模型式（29）至式（35）,求解得到每個決策單元的權(quán)重系數(shù)集合以及自評價效率值,進(jìn)一步形成自評價效率矩陣,表示為:

步驟2:對每個決策單元,將式（36）中N個自評價效率值進(jìn)行平均,得到各決策單元交叉效率值,以系統(tǒng)j為例,有

4 算例分析

4.1 算例介紹

本文采用改進(jìn)IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)與巴厘島32節(jié)點(diǎn)低溫?zé)峋W(wǎng)所構(gòu)成的城市綜合能源系統(tǒng)作為算例［16,27］。在系統(tǒng)中設(shè)置某個包含中溫負(fù)荷與冷負(fù)荷的工業(yè)園區(qū)與配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)13 與熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)17 相連,而配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)31 上連接的燃?xì)廨啓C(jī)作為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)2 相連,其余燃?xì)廨啓C(jī)接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)7 和26 中,詳細(xì)設(shè)備連接情況如圖3 所示。

圖3 城市綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of urban integrated energy system

算例中采用的多能負(fù)荷曲線、風(fēng)電光伏曲線、儲能運(yùn)行參數(shù)見附錄C 圖C1、圖C2 與表C1。由圖C1可知,電負(fù)荷與低溫?zé)嶝?fù)荷曲線在4 個季節(jié)中存在一定的波動性,這是由于這兩類負(fù)荷與居民用戶的日常用能規(guī)律關(guān)系較為密切。而中溫?zé)嶝?fù)荷在一天之內(nèi)變化較小,這是因?yàn)橹袦責(zé)嶝?fù)荷主要是工業(yè)生產(chǎn)用熱需求,這類需求短期波動較小,用能較為穩(wěn)定。工業(yè)冷需求除了全年生產(chǎn)用冷之外,還包括用于保證生產(chǎn)車間內(nèi)溫度恒定的需求,因此四季冷負(fù)荷曲線呈現(xiàn)出波動小、夏季曲線值較大的特點(diǎn)。

4.2 城市綜合能源系統(tǒng)綜合能效評價場景

為了對比城市綜合能源系統(tǒng)在不同能源需求和不同運(yùn)行方式下的綜合能效情況,設(shè)置考慮能源需求季節(jié)變化特性與能源供給品位差異的城市綜合能源系統(tǒng)典型場景,如表2 所示。

表2 城市綜合能源系統(tǒng)能效評價典型場景Table 2 Typical scenarios of energy efficiencyevaluation of urban integrated energy system

其中,根據(jù)電熱負(fù)荷在時間尺度上所呈現(xiàn)出的季節(jié)特點(diǎn),劃分了4 類能源需求情況。系統(tǒng)運(yùn)行方式包括考慮能量梯級利用和不考慮能量梯級利用2 種類型,考慮能量梯級利用的系統(tǒng)運(yùn)行方式是指將系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)出的熱能回收輸入至余熱鍋爐,低溫?zé)嶝?fù)荷由余熱鍋爐、低溫燃?xì)忮仩t和電轉(zhuǎn)熱設(shè)備3 個部分進(jìn)行供給。不考慮能量梯級利用的運(yùn)行方式由低溫燃?xì)忮仩t和電轉(zhuǎn)熱設(shè)備供給低溫?zé)嶝?fù)荷。與此同時,由于能質(zhì)系數(shù)λe與能源種類、環(huán)境溫度有關(guān)［28］。因此,本文設(shè)置春夏秋冬4 個季節(jié)典型溫度分別為10、35、15、5 ℃,在此前提下得到不同季節(jié)下多種異質(zhì)能流的能質(zhì)系數(shù),如附錄D 表D1所示。

4.3 系統(tǒng)各場景優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對比

為了說明城市綜合能源系統(tǒng)典型能源需求場景的必要性,通過求解所構(gòu)建的城市綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型,得到各季節(jié)典型日城市綜合能源系統(tǒng)電功率/低溫?zé)峁β收{(diào)度結(jié)果,如附錄E 中圖E1 至圖E4 所示。圖中,清潔能源出力為風(fēng)機(jī)和分布式光伏的實(shí)際出力之和。由圖E1 至圖E4 可知,不同季節(jié)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)清潔能源發(fā)電量與出力時間有所不同。春季和夏季清潔能源的消納量較大且出力時間較為分散,而秋季和冬季清潔能源出力主要集中在07:00—18:00 時段。同時,由于夏季電負(fù)荷與冷負(fù)荷均處于較高水平,系統(tǒng)機(jī)組出力功率有所上升。在秋季和冬季,低溫和中溫?zé)嶝?fù)荷平均水平都較高,增長的熱負(fù)荷主要由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與低溫鍋爐進(jìn)行供給。由此可見,不同用能需求下系統(tǒng)能源供給情況具有較大差異。

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度結(jié)果,表1 中各類二級指標(biāo)的計算結(jié)果如表3 所示。

表3 城市綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of energy efficiency evaluation indexes for urban integrated energy system

由表3 可知,考慮能量梯級利用特性能夠有效優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。與不考慮能量梯級利用特性的場景相比,考慮能量梯級利用特性的場景能源消耗量有所減少,清潔能源消納率有所提升。與此同時,碳排放總量分別減少了7.7、46.8、12.5 和34.2 tCO2,?效率分別提升了4%、1.73%、2.38%和3.28%,綜合運(yùn)行成本分別下降585.32、1 848.21、481.53 和1 275.85 元。圖4 為系統(tǒng)春季典型日工業(yè)園區(qū)節(jié)點(diǎn)低溫?zé)嶝?fù)荷供需平衡情況。

由圖4 可知,通過余熱鍋爐的余熱回收,部分低溫?zé)嶝?fù)荷由回收的低溫?zé)峁β蔬M(jìn)行供給,從而減少了低溫鍋爐出力和天然氣消耗量,系統(tǒng)運(yùn)行成本有所減少。說明考慮系統(tǒng)的能量梯級利用特性能夠在消耗相同量燃料的情況下,利用回收余熱來供應(yīng)低溫?zé)嶝?fù)荷,減少額外能源輸入。

圖4 工業(yè)園區(qū)低溫?zé)嶝?fù)荷供需平衡情況Fig.4 Supply and demand balance of low-temperature heat load in industrial park

4.4 系統(tǒng)各場景分環(huán)節(jié)能效評估結(jié)果對比

依據(jù)上述能效評價指標(biāo)計算結(jié)果,通過關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型計算不同運(yùn)行場景下城市綜合能源系統(tǒng)各能效評價指標(biāo)權(quán)重,具體數(shù)值如附錄F 表F1 所示。由于不同運(yùn)行場景的能源供給情況并不相同,導(dǎo)致各場景在達(dá)到效率最高時的各指標(biāo)權(quán)重并不相同,進(jìn)一步說明列舉系統(tǒng)典型運(yùn)行場景的必要性。

利用上述城市綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)值與各權(quán)重值,可以得到城市綜合能源系統(tǒng)全過程交叉效率綜合能效評價結(jié)果,如表4 所示。

表4 城市綜合能源系統(tǒng)全過程能效評價結(jié)果Table 4 Energy efficiency evaluation results of whole process of urban integrated energy system

由表4 可知,不同運(yùn)行場景的交叉效率綜合能效值并不相同?？紤]能量梯級利用特性的場景中各個環(huán)節(jié)與整體能效評價結(jié)果均優(yōu)于不考慮能量梯級利用特性的場景,在能源轉(zhuǎn)換和能源存儲環(huán)節(jié)上提升較為明顯,平均增長了3.32 分和2.82 分。系統(tǒng)交叉效率綜合能效的平均值由高到低依次為春季、秋季、冬季和夏季,春季與夏季得分平均值的分差達(dá)到了49 分。與此同時,不同運(yùn)行場景中系統(tǒng)綜合能效的薄弱點(diǎn)各不相同:在春/秋兩季能源存儲環(huán)節(jié)的能效得分較低,夏季能源傳輸環(huán)節(jié)的能效得分較低,冬季能源存儲環(huán)節(jié)與能源傳輸環(huán)節(jié)的得分較低。這是由于夏季和冬季的負(fù)荷水平較高,在多能網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中有較大的網(wǎng)損。春秋兩季負(fù)荷水平較為平均,系統(tǒng)損耗主要集中在儲能設(shè)備上。由此可見,依據(jù)系統(tǒng)全過程能效評價得分能夠量化不同運(yùn)行場景下系統(tǒng)的綜合能效情況,有效識別系統(tǒng)運(yùn)行過程中能源利用效率較低的環(huán)節(jié),驗(yàn)證了所提出的城市綜合能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價方法的合理性與先進(jìn)性。

4.5 平臺與示范工程應(yīng)用

本文所提出的基于DEA 的城市綜合能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)評價方法已在江蘇揚(yáng)中與天津北辰示范區(qū)進(jìn)行落地應(yīng)用［29］。項目構(gòu)建了一種涵蓋城市綜合能源系統(tǒng)“規(guī)劃-運(yùn)行-交易-信息”全鏈條各環(huán)節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)［30］。作為能源系統(tǒng)多能耦合運(yùn)行評價的重要組成部分,所提能效評價方法利用能源互聯(lián)網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)平臺信息,充分考慮系統(tǒng)內(nèi)部不同品位能量的梯級利用情況,對兩個示范區(qū)目標(biāo)年與基準(zhǔn)年的綜合能效情況進(jìn)行評估。

由于城市綜合能源系統(tǒng)內(nèi)能源稟賦與能源需求具有地域差異性,兩個示范區(qū)綜合能效評價結(jié)果也具有差異。根據(jù)系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價結(jié)果,由于天津北辰多能耦合程度高,熱氣管網(wǎng)與地源熱泵接入豐富,因此提高能源輸送環(huán)節(jié)的效率是該示范區(qū)綜合能效提升重點(diǎn)。而江蘇揚(yáng)中地區(qū)具有較高比例的可再生能源接入,則降低能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)內(nèi)的能量損耗是該地區(qū)能效提升的關(guān)鍵。根據(jù)能效評價結(jié)果對示范區(qū)運(yùn)行策略進(jìn)行調(diào)整之后,示范區(qū)基準(zhǔn)年和目標(biāo)年綜合能效情況的對比情況如圖5 所示。

圖5 示范工程綜合能效評價結(jié)果Fig.5 Comprehensive energy efficiency evaluation results of demonstration projects

由圖可知,與基準(zhǔn)年相比,目標(biāo)年內(nèi)天津北辰與江蘇揚(yáng)中示范區(qū)的綜合能效得分分別提升了14.07%和11.30%,清潔能源占比顯著提升,一次能源輸入量有所下降。

因此,上述示范工程的試點(diǎn)應(yīng)用證明了本文所提方法能夠有效量化城市綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部能源的利用水平,反映各示范區(qū)從基準(zhǔn)年到目標(biāo)年綜合能效水平的提升程度,對制定“品位對口”的能源系統(tǒng)科學(xué)用能方案具有一定指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

隨著“碳達(dá)峰·碳中和”能源戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,對系統(tǒng)能源利用情況的有效評價變得至關(guān)重要。本文提出了一種基于DEA 法的城市綜合能源系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能效評價方法。通過結(jié)合系統(tǒng)能耗總量、能源品位、清潔能源利用等多種角度,構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系,并利用基于?分析的能質(zhì)系數(shù)對多種異質(zhì)能流品位進(jìn)行折算?；陉P(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DEA 模型,實(shí)現(xiàn)各能效評價指標(biāo)權(quán)重的優(yōu)化設(shè)置與系統(tǒng)分環(huán)節(jié)能源效率分解。計算考慮不同用能需求、不同運(yùn)行方式的多種場景系統(tǒng)運(yùn)行情況,進(jìn)一步求得各場景各環(huán)節(jié)能效得分。算例結(jié)果表明,所提出的能效評價方法能夠有效識別不同場景下系統(tǒng)能效提升的重點(diǎn)環(huán)節(jié),適用于系統(tǒng)不同規(guī)劃方案與運(yùn)行策略中提效關(guān)鍵環(huán)節(jié)的評估,并已在示范工程中初步落地應(yīng)用。為促進(jìn)綜合能源系統(tǒng)科學(xué)用能與精準(zhǔn)提效、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)提供支撐。

能源耦合種類更為廣泛的電熱氣綜合能源系統(tǒng)是目前能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的熱門趨勢,如何考慮面向能源耦合關(guān)系更復(fù)雜的電熱氣綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行分環(huán)節(jié)能效評價是下一步研究的方向。

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