多能互补分布式能源系统综合评价指标研究
2019-08-29宋俊朝李赵一特陈志威
宋俊朝，李赵一特，陈志威
（1.浙江大学能源工程学院；2.浙江大学机械工程学院，杭州 310000）
相较于传统能源供应体系而言，分布式能源系统是包含各类发电、储能以及能源管理方式的一种能源解决方案。它具有多样化、动态化的特点，该系统蕴含多层次能源和众多信息流，不仅能自如应对电力故障和中断，还可以提高能源机组的灵活性，由此带来更好的经济效益和稳定性。多能互补分布式能源系统是指可兼容不同种类能源输入，除天然气燃气轮机（或内燃机）发电系统外，还包容太阳能、风能等可再生能源，并提供多种能源供应，如电、热、冷等。其主要通过多种能源的相互补充、相互协调，提供建筑物电力供应和冷热负荷[1]。
多能互补分布式能源系统前景广泛，因此如何对该系统进行综合、系统、有效的评价以期更精确地评估它的效益至关重要。查阅相关资料可知，目前国内对能效的定义更侧重于技术[2]。但是，对于存在不同种能源输入、转化、输出和储存的系统，仅仅考虑某一种能源利用效率或者某一个转化环节的能效不能够真实全面地反映整个体系的效率水平，需要更多方面、更加完善的指标来考察其作为一个完整体系的能效水平。本文经过调查研究，汇总整理了共五类十二种多能互补分布式能源综合评价指标，以期促进多能互补分布式能源系统的发展建设。
1 能效指标
能效指标是最直观评价能源系统能源利用效果的一类指标，在传统能源供应体系中就占据重要地位，多能互补分布式能源系统则赋予其新的定义。
1.1 一次能源利用率
一次能源利用率是指多能互补分布式能源系统一段时间内（通常为一年内）通过燃烧一次能源产生的热能、冷能、电能的总和与其消耗的燃料能量之比[3]。
在此基础上，能源综合利用率是指表征分布式能源系统通过输出冷、热、电等能源形式对一次能源（天然气为主）的利用程度。
式中，PPER为能源综合利用率；Qc为多能互补分布式能源系统一年内产生的总冷能，kJ；Qh为多能互补分布式能源系统一年内产生的总热能，kJ；Qe为多能互补分布式能源系统一年内通过燃烧一次能源产生的总电能，kJ；Q1为多能互补分布式能源系统一年内消耗的一次能源总能量，kJ。
式中，q1为一次能源（天然气）的热值，kJ/kg；m1为一年内多能互补分布式能源系统一次能源消耗量，kg。
1.2 节能率
节能率为多能互补分布式能源系统一年内消耗的一次能源总量，相较于基准系统产生相同量的冷、热、电能时一次能源消耗量之比。
式中，ξc为节能率；Q0为基准系统产生等量冷、热、电能时消耗的一次能源量，kJ。
1.3 㶲效率
㶲是指理论上可以无限转化为其他形式能量的能量，也可以称作有效能量[4]。㶲效率为分布式能源系统将输入的有效能量转化为有用或者说有收益的有效能量的能力。对热电联产的分布式能源系统来说，其㶲效率计算公式为：
式中，ηex为㶲效率；P为系统输出电功率，包含原动机和蒸汽轮机输出电功率，kW；H为系统单位时间的热输出，包含蒸汽、空调热水以及生活热水，kW；C为系统单位时间的冷输出，kW；B为单位时间系统燃料消耗量，kg/s；Qf为单位燃料低位燃烧能量，kJ/kg；Ac为冷量的卡诺循环效率；Ah为热量的卡诺循环效率。
2 梯级利用指标
多能互补分布式能源系统具有独特的热能利用方式，高品位能源经过一级利用后成为低品位（或中品味）能源，此时再经过二级利用，如此递推形成不同品位能源的梯级利用。它的存在使之区别于传统能源体系，因此判别分布式能源系统的梯级利用情况是核心工作。
2.1 余热利用率
对于多能互补分布式能源系统而言，余热利用是相当重要的一部分，余热利用情况应当首先考虑：
式中，ηwh为余热利用率；Qwh,e为一年内多能互补分布式能源系统余热发电量，kJ；Qwh,c为一年内多能互补分布式能源系统余热产热量，kJ；Qwh,h为一年内多能互补分布式能源系统余热制冷量，kJ；Seg为一年内多能互补分布式能源系统原动机排烟流量，kg；heg为多能互补分布式能源系统原动机排烟焓值，kJ/kg。
2.2 余热利用㶲效率
3 经济指标
对于任何系统来说，经济性指标都是其能否建立以及如何合理建立的重要组成部分，本文介绍两种经济指标。
3.1 初投资
对任意系统而言，初投资在一定程度上决定了系统建设的难度、适用地区和经济效益等。系统所有设备、场地等内外设施建设费用总和记为系统初投资：
式中，Ii为第i种设备的单位投资；Vi为第i种设备容量。
3.2 年度利润
年度化成本是将非能量费用年度化，其计算公式为：
式中，Cax为年度化成本；Cox为初投资；Sv为经济寿命期后的残值系数；PWF(i,n)为现金系数；Fm为第m年耗费的运行成本；CRF(i,n)为资金回收系数；i为基准收益率，此处指银行利率；n为系统运行寿命[5]。
年度利润为年创造经济总值与年度成本之差：
为了表示系统单位产能的成本，上述两个经济指标（总体成本）均需除以系统年产能量。
4 可靠性指标
对于多能互补分布式能源系统来说，其系统运行是否可靠关系到用户的实际生活，而其是否在额定功率下运行关系到系统的经济效益与设备损耗情况。
4.1 运行状况
系统有无以设计额定功率运行是影响设备寿命的重要因素。定义系统运行状况，即：
其中，P实际为参数系统运行功率；P额定为系统额定功率。
4.2 电能质量
分布式能源系统并非以电能数量取胜，供电质量更加重要。电压偏差过大、波动过于剧烈以及谐波的出现都会导致电能质量偏低。而谐波的存在会干扰用电设备正常工作，甚至烧毁设备，增加设备运行维护成本，危及人员和系统安全[6]。因此，在电能接入电网前就应当进行充分测评，针对分布式能源输出电网的特点全面考察电压偏差、电压波动、谐波等数据，应保证全部符合相应国家标准后再准许接入生活电网供电。
而分布式能源系统应有一定的抗扰能力和平衡能力，当偏差和扰动在允许范围内时仍能正常供电。在系统设计初期，人们就应综合考虑分布式能源系统并网方式、变流器型号等相关参数，为之后正常运转奠定基础[7]。
4.3 能源供给可靠性
可靠性子目标关键评价指标主要包括供能可靠率（包括冷热电）、关键设备故障率、利用小时数。
4.3.1 计划停运系数
式中，POH为计划停运小时数；PH为统计期间小时数。
4.3.2 非计划停运系数（UOF）
式中，UOH为非计划停运小时数。
4.3.3 强迫停运系数（FOF）
式中，FOH为强迫停运小时数。
4.3.4 等效可用系数（EAF）
式中，AH为可用小时；运行小时+备用小时；EUNDH为降低出力等效停运小时。
5 环境指标
由于分布式能源系统主要燃料为天然气，粉尘的排放量可忽略不计，SO2排放量很少，因此排放方面主要考虑NOx、CO2和CO。环境评价主要从两个方面来评定。
5.1 污染物排放环保税（经济角度）
依据我国于2018年1月1日起正式生效的《环境保护税法》规定，环保税需要按照季度缴纳，这也就意味着，从2018年4月1日起，企业将正式开始缴纳环保税费，为排放污染物承担相应责任。
从经济角度考量，缴纳环境保护税费越低，分布式能源系统经济收益越高。污染物排放环保税费指系统排向外界的污染物按排放当量数征收的税费[8]。
其基本公式为：
式中，A为污染物排放税费，元；Tx为氮、碳、硫化物每污染当量的税额，元；mx为氮、碳、硫化物排放量，kg；ax为氮、碳、硫化物当量值，kg。
5.2 污染物对环境的影响（环境角度）
根据《中华人民共和国环境保护税法简要》中的定义，污染物的污染当量，是指根据污染物或者污染排放活动对环境的有害程度以及处理的技术经济性，衡量不同污染物对环境污染的综合性指标或者计量单位；同一介质相同污染当量的不同污染物，其污染程度基本相当[8]。
计算系统的总的污染当量数和单位能耗产生的污染当量数，可评价系统对当地环境的污染程度和该系统的环保性。
5.2.1 总污染当量数
冷热电三联的分布式能源系统一般采用天然气作为能源，产生污染物较少，主要为氮氧化物和碳氧化物：
式中，B为总污染当量数。
5.2.2 单位能耗排放量
单位能耗排放量是指一定时期内某污染物排放量与该系统能源消耗量的比值[9]。其基本公式为：
式中，C为单位能耗产生的污染当量数，1/kJ；B为系统污染物排放当量数；E为系统能源消耗量，kJ。
6 结语
一个合理设计、正常运转的多能互补分布式能源体系的环境效益与能源利用效率应该优于传统能源供应体系，这也正是该体系的显著特点。然而，其经济性囿于技术的不完善以及相关政策还有待提升。能源梯级利用及多能互补的技术思想值得推广与进一步研究发展，在漫长的科研道路上，谨希望本研究可以为多能互补分布式能源系统的进步尽一份绵薄之力，推动中国能源更上一层楼。
