燃料电池综合能源系统在大学校园的应用

黄钰泽，任洪波，吴琼，李琦芬，杨涌文

(上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090)

在全球气候变暖态势日益凸显、能源安全局势日益严峻的大背景下，氢能以其清洁、零排放、高热量等优势而受到各国广泛关注[1]。美、日、欧等发达国家和地区均将氢能发展提升至国家战略层面，并制定了相应的中长期发展规划与路线图；中国也高度重视氢能发展，将其视为推动能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系的重要抓手[2]。氢能利用的核心技术之一是燃料电池，根据其电解液不同，可以有多种类型，最早实现商业化的是碱性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC)和磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell, PAFC)[3]。燃料电池的工作原理为：当外部不断输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能[4]。就燃料电池的应用领域而言，以燃料电池汽车为代表的交通领域是当前关注的热点[5-6]，但基于发电、供热的固定式应用也越发受到关注。以知名产品日本家用燃料电池热电联供系统ENE-FARM为例，其综合能效可高达85%～95%[7]。为此，构建以燃料电池为主体的综合能源系统将是未来能源系统能级提升的重要方向之一。

在中国，基于燃料电池的综合能源系统尚处于研究开发阶段，有待通过典型商业示范推动产业化发展，而大学校园是推进相关实践的最佳探索场所。一方面，大学校园兼具办公、生活、实验等多类型负荷，总量大且要求高；另一方面，由于兼具教育教学的要求使命，大学也是践行绿色低碳理念的最佳载体。中国目前共有3 000多所大学，遍布全国各地，通过在大学校园进行燃料电池综合能源系统的示范应用，将起到教育、科研、产业多方面功效。因此，有必要针对大学校园的典型用能特性，开展基于燃料电池的综合能源系统的适用性探讨。

近年来，国内外学者已经对燃料电池综合能源系统展开了系列研究，研究发现，燃料电池设备高昂的成本是制约系统推广的重要因素。文献[8]分析了ENE-FARM的技术原理及推广应用情况，并引入盈亏平衡电价曲线分析了系统在日本和中国应用的经济性差异，结果表明该系统当前尚不适合在中国开展大规模应用；文献[9]将污水处理厂的沼气作为固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)系统的燃料，并分析了其应用于污水处理厂的经济性；文献[10]探讨了燃料电池综合能源系统应用于公共建筑的可行性，结果表明较高的投资价格是制约燃料电池系统推广的主要原因。燃料电池综合能源系统的不同运行模式也是影响其应用效果的重要因素。文献[11]提出了可根据热电负荷需求自我调节输出功率的质子交换膜(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)热电联产系统，该系统相较于SOFC系统具有更高的碳减排率和经济效益；文献[12]探究了PAFC综合能源系统以电定热、以热定电两种运行模式的运行效果，结果表明以电定热模式虽然能够获得更高的经济效益，但会增加二氧化碳排放。文献[13]兼顾考虑经济性和环境性，提出了基于燃料电池的微网运行优化模型，并采用改良的遗传算法进行求解分析。

另一方面，不同气候区的负荷特性也会影响燃料电池系统的推广。文献[14]分析了商业建筑配置SOFC系统的经济性和节能性，结果表明SOFC系统安装在热负荷需求较高的建筑可以获得更高的经济效益；文献[15]分析了不同气候区上网电价政策对热电联产系统设计和性能的影响，发现较冷地区的热电联产系统性能往往优于较热地区。此外，通过对燃料电池系统的技术改进亦可提升系统整体性能。文献[16]搭建了天然气重整制氢-SOFC热电联供系统，并分析了系统的节能性，结果表明，采用天然气的SOFC热电联供系统相较于传统火力发电系统更加节能。文献[17]设计了一个应用于大型公共建筑的集成水循环热泵和SOFC的系统，该系统能够获得更高的一次能源效率，并且提升二氧化碳的减排效果。文献[18]基于商业软件构建了整体煤气化固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统模型，模拟结果表明，该系统具有较高的发电效率及总能利用率。综上所述，作为氢能产业链的核心技术，燃料电池在能源电力领域的应用已受到广泛关注，但针对燃料电池综合能源系统在大学校园的应用效果分析，目前国内外尚鲜有报道。

为此，现以基于燃料电池的综合能源系统为研究对象，探讨其在中国典型地区大学校园的应用可行性。首先，利用能耗模拟软件模拟出中国不同气候区典型大学校园的全年逐时负荷；其次，在提出系统结构设计与选型配置方法的基础上，综合考虑燃料电池的部分负荷特性和多样化运行模式，构建系统能量流理论模型；同时，从技术、节能、环境和经济等维度确立系统评价模型。基于所确定的理论模型，兼顾不同地区的能源价格、政策补贴、碳排放系数等，从定量层面对燃料电池综合能源系统在大学校园的适用性进行探讨。

1 基于燃料电池的综合能源系统结构及容量配置方法

1.1 基于燃料电池的综合能源系统供能结构

综合能源系统以燃料电池为核心，实现冷热电三联供。一方面通过本地发电与电网协同供应电力需求，另一方面通过余热回收进行供热(热水)和供冷(通过吸收式制冷机)，不足部分通过燃气锅炉补充，其整体结构如图1所示。作为参照，常规系统采用电网供电，电制冷机组满足冷负荷，热(热水)负荷则由燃气锅炉供应。

图1 燃料电池综合能源系统与常规供能系统结构图

1.2 基于燃料电池的综合能源系统容量配置方法

在综合能源系统中，各供能设备的选型配置至关重要，其中发电设备容量的确定尤为关键。目前在工程层面大多基于负荷峰值按比例(多为25%～40%)设定，或者按电负荷频度进行选择，以保证发电设备运行小时数；在理论层面，为确保设备选型的科学性，开发了诸多基于线性规划、整数规划，以及遗传算法等启发式算法的优化设计模型[19]，以及采用基于负荷(可以是热负荷也可以是电负荷，可根据拟采用的设计运行模式选定)延时曲线的“最大面积法”来进行燃料电池容量的设定[20]。为此，通过选用“最大面积法”为燃料电池容量的设定方法。

2 理论建模

2.1 燃料电池综合能源系统的能量模型

对于冷热电三联供系统而言，目前常见的运行模式的区分主要是考虑运行过程中热负荷(包括供热、供冷和热水负荷)、电负荷的优先度，据此主要有“以热定电”“以电定热”两种模式，在此基础上，考虑了兼顾热电平衡的“热电综合”模式，并将其与前两种运行模式进行了对比分析。

2.1.1 “以热定电”运行模式

(1)

用户总热负荷Qreq计算公式为

(2)

式(2)中：Qc为用户冷负荷需求；COPab为吸收式制冷机组的性能系数；Qh为用户热负荷；Qw为用户热水负荷；ηhe为换热器效率。

燃料电池的运行考虑了其部分负荷特性，主要取决于负荷率ffc，“以热定电”模式下的燃料电池部分负荷率计算公式为

(3)

根据燃料电池负荷率，可确定其发电效率和余热回收效率[21]计算公式为

0.755 6ffc+1.248)

(4)

3.815 0ffc-0.420 4)

(5)

式中：ηe、ηh分别为部分负荷下的发电效率与余热回收效率；ηe0、ηh0分别为燃料电池额定发电效率与余热回收效率。

(6)

(7)

(8)

式(8)中：ηb为锅炉效率。

(9)

式(9)中：E为用户直接电负荷。

(10)

(11)

(12)

式(12)中:η和ηgrid分别为电厂发电效率和输配电效率。

则“以热定电”模式下整个综合能源系统的一次能源消费量FFTL计算公式为

(13)

2.1.2 “以电定热”运行模式

(14)

(15)

其部分负荷下的效率特性与前述式(4)和式(5)一致。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

据此，可确定“以电定热”模式下综合能源系统总一次能源消费量FFEL计算公式为

(22)

2.1.3 “热电综合”运行模式

“以热定电”和“以电定热”两种运行方式各有优劣。“以热定电”模式可以确保系统余热的充分利用，但由于目前电网体制对余剩电力上网管控较严，即使允许上网，上网价格也极低甚至为零；相反，“以电定热”模式虽可保证电力的本地平衡，但可能会产生一定的余热浪费。为此，在现行电力体制下，为实现电、热本地消纳，避免能量浪费，可考虑综合“以热定电”和“以电定热”两种模式优势，所提出的“热电综合”运行模式如图2所示。

图2 综合能源系统运行模式示意图

由于“热电综合”模式是“以热定电”和“以电定热”两种模式的时序耦合，因此可以根据在特定时段系统所选择的运行模式，采用相对应的能量计算流程。具体计算时，可通过供需两侧热电比的对比分析，判断所采用的运行模式：当供给侧热电比大于需求侧热电比时，采用“以热定电”模式；反之，则采用“以电定热”模式。此外，在该模式下，还分别根据“以热定电”和“以电定热”设定了两类燃料电池容量情景进行分析。

2.2 常规系统的能量模型

常规系统，电力负荷由两部分组成。其中，制冷过程所需电负荷ECH为

(23)

式(23)中：COPCH为电制冷机组的性能系数。

因此，常规系统的电能平衡应满足式(24)，即

(24)

(25)

常规系统的热平衡应满足的关系式为

(26)

式(26)中：Qb为燃气锅炉供热量。

(27)

因此，常规能源系统的总一次能源消费量FCS为

(28)

2.3 系统评价指标

技术性指标是燃料电池综合能源系统构建所关注的核心。近年来，随着节能减排理念的日益渗透，节能性和环境性指标也越发受到关注，并被列入相关技术规程。经济性指标虽然不是约束性指标，但系统经济性是决定其能否推广应用的关键，在此也一并探讨。

2.3.1 技术性指标

以满足用户冷、热、电多元能源需求为立足点，兼顾本地产能与外部购能，设定年平均能源综合利用效率作为技术性指标，计算公式为

(29)

式(29)中：η为系统能源综合利用效率；E+Qc+Qh+Qw为用户侧的各项负荷需求总量；F为燃料电池综合能源系统总一次能源消费量。

2.3.2 节能性指标

选用相对节能率ESR作为节能性指标。即满足相同能源需求，燃料电池综合能源系统相对于常规供能系统的一次能源节约率，计算公式为

(30)

2.3.3 环境性指标

以燃料电池综合能源系统相对于常规供能系统的二氧化碳排放削减率作为减排性指标，计算公式为

(31)

式(31)中：CER为碳减排率；CECS、CE分别为常规供能系统与燃料电池综合能源系统的二氧化碳排放量。

2.3.4 经济性指标

以静态投资回收期作为经济性评价指标，计算公式为

(32)

3 算例分析

3.1 研究对象与负荷分析

考虑到中国幅员辽阔，不同地区的气候差异性会导致明显的用能特性差异[22]，且不同地区的能源价格等其他相关要素也不尽一致。为此，针对我国五大典型建筑气候区，分别选取哈尔滨、北京、上海、昆明和广州作为代表城市进行分析。

针对选定城市，设定学生规模约1万人的中等规模大学，包含教学楼、办公楼、图书馆和宿舍楼等大学典型建筑。基于eQUEST能耗模拟软件构建典型大学校园能耗模型，根据大学校园设计相关标准，设定园区总建筑面积约25万m2，同时设定5—9月为供冷期，1—3月、以及11—12月为供暖期；电力负荷只考虑设备用电且24 h供应；热水负荷夜间不供应。由于寒暑假期之间在校活动人数不规律，负荷特性差异较大，因此不考虑寒暑假的各项负荷需求；为了便于呈现各月的负荷特性，每月选取一个典型日作为该月典型负荷。选定城市大学校园负荷模拟结果如图3所示。

图3 选定城市大学校园年逐时负荷图

3.2 系统设备参数

常规系统及燃料电池综合能源系统相关设备参数如表1所示，主要包含各设备或系统的技术参数及初投资费用相关信息。此外，中国部分地区针对综合能源系统的应用出台了相关补贴政策，在经济性分析中也会予以考虑。

表1 系统相关参数设定[14,23-24]

3.3 其他相关参数设定

电价与天然气价格是影响综合能源系统经济效益的关键因素，不同地区的价格标准也有所差异；上海等地为促进综合能源系统的应用推广，还出台了优惠气价，具体如表2所示。

表2 选定城市的电力与燃气价格

此外，为评估系统碳排放量，需考虑各地电网和天然气的平均碳排放系数，如表3所示。

表3 各地区的二氧化碳排放系数[25]

4 结果与讨论

4.1 原动机容量的确定

根据前述“最大面积法”可以确定燃料电池综合能源系统中燃料电池的配置容量。以哈尔滨地区的大学校园为例，说明容量配置过程。在如图4所示的逐时负荷曲线上，找到面积最大的矩形，其中一个顶点于原点，另一个顶点被约束在曲线本身。以热负荷曲线为例，根据热负荷持续时间曲线下面积的最大化，确定出“以热定电”运行模式下，燃料电池热容量为9.160 MW，相应的全年满负荷运行时间为1 419 h。同理，通过电负荷曲线可以确定出“以电定热”运行模式下，燃料电池电容量为5.245 MW，相应的全年满负荷运行时间为1 728 h。按照此类方法，其他地区大学综合能源系统燃料电池容量亦可确定，如表4所示。

表4 各地区大学园区燃料电池系统容量

图4 燃料电池装机容量确定示意图

4.2 能量平衡

为了更好地展示所提运行模式的设计和运行结果，给出了所选解决方案每小时的热(包括供热、供冷和热水)、电负荷平衡。图5～图8分别给出了哈尔滨地区大学校园典型日的4种运行模式的能量平衡图。

图5 以热定电运行模式

图6 以电定热运行模式

图7 热电综合(热容量)运行模式

图8 热电综合(电容量)运行模式

图5(a)和图5(b)分别为“以热定电”运行模式下的热负荷和电负荷平衡图。可以看出，当热负荷需求较高时，燃料电池的供热量不能完全满足热负荷需求，此时需要锅炉来额外补充热负荷；当热负荷需求量较低时，燃料电池停止运行，热负荷由锅炉提供热量来满足，电负荷则通过电网购电来提供。当燃料电池“以热定电”运行时提供的电量高于电负荷需求量时，多余的电力可输入到电网。

图6(a)和图6(b)分别为“以电定热”运行模式下的热负荷和电负荷平衡图。可以看出，当电负荷需求较高时，燃料电池的发电量不能完全满足电负荷的需求，此时需要从电网购电来额外补充电负荷；当电负荷需求量较低时，燃料电池停止运行，只通过电网购电来提供电负荷，此时热负荷由锅炉来提供。当燃料电池“以电定热”运行时提供的热量高于热负荷需求量时，产生的余热若不进行利用则会造成能量浪费。

图7(a)、图7(b)和图8(a)、图8(b)分别为“热电综合(热容量)”和“热电综合(电容量)”运行模式下的热负荷和电负荷平衡图。可以看出，这两种运行模式在运行过程中没有多余能量的产生，可实现本地产能的完全消纳；受限于燃料电池容量的大小，两种运行模式各时段的供能情况也不完全相同。例如，在16时，“热电综合(热容量)”运行模式下，所需热负荷由燃料电池和锅炉提供，电负荷由燃料电池提供；而在“热电综合(电容量)”运行模式下，所需热负荷则完全由燃料电池提供，电负荷由燃料电池和电网共同提供。

4.3 技术性分析

能源综合利用效率是衡量综合能源系统技术性的核心指标。中国相关技术规程均明确提出了燃气分布式供能系统年平均能源综合利用效率不低于70%的技术要求；上海市最新出台的扶持政策更是推出了基于效率的阶梯式补贴措施，只有综合利用效率达到85%以上才能获得最高补贴额度。图9所示为燃料电池综合能源系统在各地大学校园及不同运行模式下的年平均能源综合利用效率。

图9 平均能源综合利用效率

由图9可以看出，就大学校园而言，燃料电池综合能源系统的年平均能源综合利用效率始终要高于常规系统，但各地区、各运行模式下的效率不尽相同：从气候层面来看，燃料电池综合能源系统在严寒和寒冷地区的能源综合利用效率相对较高，其中系统在哈尔滨和北京的大学校园的最大能源综合利用效率分别为77.6%和76.1%，而其他地区的能源综合利用效率则相对较低，如系统在广州的大学校园的能源综合利用效率最高只有74.1%，且昆明地区由于其特殊的气候，系统的最高能源综合利用效率只有72.9%。从技术层面来看，“以热定电”运行模式在哈尔滨的大学校园的能源综合利用效率最高，而在其他地区均是“以电定热”运行模式的能源综合利用效率最高。可见燃料电池综合能源系统的能源综合利用效率不但取决于其应用的地理位置，还取决于燃料电池的容量以及运行模式。

4.4 节能性分析

综合能源系统相对于常规系统的节能率是分析综合能源系统节能性的核心指标，中国相关技术规程均明确提出了燃气分布式供能系统年节能率不低于20%的技术要求。图10所示为燃料电池综合能源系统在各地大学校园及不同运行模式下的年节能率。

图10 节能率

由图10可以看出，燃料电池综合能源系统在5个地区的大学校园、4种运行模式下的应用均可实现节能效果。在气候层面，燃料电池综合能源系统在严寒地区的节能效果最好，如系统在哈尔滨的大学校园的最大年相对节能率为38.7%；在夏热冬暖地区的节能效果最差，例如，在广州地区的大学校园的最大年相对节能率只有25.6%。从技术层面来看，系统在哈尔滨、北京和上海的大学校园均是在采用“以热定电”运行模式下的年相对节能率最高，而在昆明和广州地区的大学校园均是采用“以电定热”运行模式的年相对节能率最高，即在节能率方面，燃料电池综合能源系统在严寒、寒冷和夏热冬冷地区采用“以热定电”运行模式的节能效果最为显著；而在温和、夏热冬暖地区，“以电定热”运行模式的节能效果则更好。

4.5 环境性分析

以年二氧化碳减排率作为环境性分析的重要指标，中国相关技术规程均明确提出了年二氧化碳减排率不低于40%的技术要求。图11所示为燃料电池综合能源系统在各地大学校园及不同运行模式下的年二氧化碳减排率。

图11 二氧化碳减排率

由图11可以看出，燃料电池综合能源系统的在5个地区、4种运行模式下的应用均有助于减少二氧化碳气体的排放。在气候层面，燃料电池综合能源系统在哈尔滨的大学校园的年二氧化碳减排效果最好，最大减排率为57.1%；在上海的大学校园的年二氧化碳减排效果最差，最大减排率只有41.3%；除上海地区之外，燃料电池综合能源系统呈现出从寒冷地区到夏热冬暖地区减排效果逐渐变差的趋势。从技术层面来看，系统在哈尔滨和北京地区的大学校园均是在“以热定电”运行模式下的年二氧化碳减排率最高分别为57.1%和50.7%；而在上海、昆明和广州地区则均是“以电定热”运行模式的年二氧化碳减排率最高，分别为41.3%、48.9%和44.9%。

通过与图10所示的节能率进行对比，可以发现节能率与减排率并不一定存在一致性关系，这是因为二氧化碳排放是通过一次能源消耗乘以相应的碳强度来计算的。一方面，电网电力的碳强度因地区而异，即使一次能源消耗相同，也可能产生不同的排放值；另一方面，由于燃料电池综合能源系统的引入，天然气的用量也会影响最终排放值。因此，二氧化碳减排率高的运行模式其节能率不一定高。

4.6 经济性分析

在满足综合能源系统能效、节能率和二氧化碳减排标准的前提下，经济性成为确定最佳运行模式的重要因素。以静态投资回收期作为经济性指标，对各地区不同运行模式下的燃料电池综合能源系统的静态投资回收期进行了计算和分析。由于回收期数值较大仅能说明该项目具有理论经济效益，但不具有实用性。静态投资回收期的计算结果如表5所示。

表5 静态投资回收期

尽管燃料电池综合能源系统可以实现节能、减排的效果，但与常规系统相比，它的成本更高。由表5可以看出，计算所得的燃料电池综合能源系统在广州的大学校园的四种运行方式的静态投资回收期均为负值，这意味着从经济的角度来看，在广州地区的大学引入燃料电池综合能源系统是不可行的，这主要是由于当地的天然气价格较高；由于在昆明地区的大学校园，系统各运行模式下的静态投资回收期均超过20 a，所以可以认为当前在昆明的大学校园采用燃料电池综合能源系统并无实际经济效益；同时，由于上海地区推出了针对燃气能源系统的优惠气价，使得上海地区的大学校园采用燃料电池综合能源系统的最小静态投资回收期仅为13.73 a，相对于其他地区具有更高的经济效益。除此之外，当前燃料电池综合能源系统在北京的大学校园应用的经济效益相对较好，4种运行模式的静态投资回收期均在15 a左右。

另外，同一地区(除去上海地区之外)，在燃料电池容量相同的规格下，采用“热电综合”运行模式相较于传统的“以热定电”或“以电定热”运行模式，可以使得燃料电池综合能源系统具有更高的经济效益，如北京的大学校园，在相同燃料电池容量的前提下，采用“以热定电”运行模式的静态回收期为16.34 a，而采用“热电综合”运行模式后的投资回收期为14.82 a，缩短了1.52 a。

4.7 综合适用性分析

结合年平均能源综合利用效率、年节能率、年二氧化碳减排率以及静态投资回收期年限(以20 a作为回收期的最大年限)。对各地区燃料电池系统适宜的运行模式进行总结与分析。综合来看，当前燃料电池综合能源系统仅适用于哈尔滨、北京和上海地区的大学校园，即严寒、寒冷和夏热冬冷地区的大学校园。其中，对于系统的运行模式，在哈尔滨的大学校园，仅有“热电综合(电容量)”这一种运行模式可被采用；北京的大学校园对系统运行模式没有限制，4种运行模式均可被采用；系统在上海地区的大学校园只能应用“以电定热”运行模式；而昆明和广州地区的大学校园暂不适合应用燃料电池综合能源系统。总体而言，燃料电池综合能源系统在北京地区的大学校园更易推广。

5 结论

以常规供能系统为基准，并结合相关指标要求，分析了燃料电池综合能源系统在不同气候区大学校园以及不同运行模式下的应用效果，得到以下结论。

(1)从系统能源综合利用效率来看，燃料电池综合能源系统在哈尔滨地区大学校园的效率最高，所对应的最佳运行模式为“以热定电”运行模式；在其他地区的大学校园，系统采用“以电定热”的运行模式可以获得较高的能源综合利用效率。

(2)从节能效果来看，燃料电池综合能源系统应用在全年热需求高的大学校园的节能率最高。其中，系统采用“以热定电”运行模式可在哈尔滨、北京、上海地区的大学校园获得较高的节能效益，而在昆明和广州地区的大学校园，则需采用“以电定热”运行模式。

(3)由于各地区碳强度的不同，二氧化碳减排率与节能率并不一定存在一致性关系。应用燃料电池综合能源系统后，哈尔滨和北京地区大学校园的减排效果最为显著，且均为“以热定电”运行模式；而在上海、昆明和广州地区的大学校园则在采用“以电定热”的运行模式后，可以获得较高的二氧化碳减排效益。

(4)从投资者的角度而言，燃料电池综合能源系统在哈尔滨、北京和上海地区的大学校园投入使用后，均可获得一定经济效益，但总体投资回收期较长。其中，系统在上海地区的大学校园投入使用后的经济效益相对最高，这离不开政府补贴以及优惠气价。在除上海之外的各地大学校园，相较于其他运行模式，燃料电池综合能源系统采用“热电综合”运行模式后可进一步提升系统整体的经济效益。

总体而言，当前燃料电池综合能源系统在北京地区的大学校园最为适宜推广，在哈尔滨地区的大学校园进行推广的难度则相对较大；上海地区则在相关优惠政策的加持下，也使得燃料电池综合能源系统在大学校园推广的竞争力大大增加；而昆明和广州地区的大学校园尚不具备应用燃料电池综合能源系统的条件。