薛屹洵 ，郭慶來 ，孫宏斌 ，沈欣煒，湯 磊

（1.清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084；2.清華-伯克利深圳學院，廣東 深圳 518000；3.北京清大高科系統(tǒng)控制有限公司，北京 102208）

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，是關系到國家安全穩(wěn)定、國民經(jīng)濟發(fā)展的根本戰(zhàn)略資源。近年來，我國在能源領域發(fā)展迅速，但仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在源側(cè)，2015年我國平均棄風率達到15%，西北部分地區(qū)平均棄光率則高達30%，棄風棄光問題嚴重。在用能側(cè)，2011年中國單位GDP是世界平均水平的2.5倍，能源利用效率低下成為阻礙中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要問題［1］。隨著中央提出推動我國能源生產(chǎn)與消費革命，促進可再生能源消納、提升社會用能效率，成為我國能源發(fā)展的當務之急。

面對當今能源發(fā)展的諸多問題，綜合能源系統(tǒng)成為適應我國能源領域變革、確保社會用能安全和長治久安的必經(jīng)之路。根據(jù)地理因素，綜合能源系統(tǒng)可分為跨區(qū)級、園區(qū)級和用戶級［2］。其中，多能協(xié)同園區(qū)是其在地域分布與功能實現(xiàn)的具體體現(xiàn)。目前，綜合能源系統(tǒng)在我國迅速發(fā)展，建立了一系列園區(qū)級示范工程，如天津中新生態(tài)城、上海崇明島、上海迪士尼度假園區(qū)等。綜合能源系統(tǒng)已成為國際學術界關注的新焦點，而多能協(xié)同園區(qū)亦成為產(chǎn)業(yè)界的又一前沿發(fā)展方向與重要課題［3］。

綜合能源系統(tǒng)的核心在于其將多種類型能源的源、網(wǎng)、荷深度融合，通過多能互補協(xié)同及能量梯級利用，促進可再生能源的消納，實現(xiàn)能源的清潔高效供給［4］。然而，如何在規(guī)劃、運行等階段合理地應用與評估其低碳、高效的核心特點，體現(xiàn)其相對于傳統(tǒng)分供能源系統(tǒng)的優(yōu)勢，是多能協(xié)同園區(qū)在進一步工程實踐中亟需解決的問題。而應對這一問題，提出合理評價多能協(xié)同園區(qū)能效水平，同時能體現(xiàn)其低碳、高效核心特征，有助于園區(qū)消納可再生能源并減少非可再生能源消耗的指標，正是本文所要解決的。

目前，有關能效評估指標的研究可分為基于熱力學第一定律和熱力學第二定律2類，且多為“效率”指標，即數(shù)值介于0與1之間。一次能源利用率是基于熱力學第一定律的典型指標，其側(cè)重于能量的數(shù)量。Sun［5］等人通過一次能源利用率分析比較冷熱電聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)與分供系統(tǒng)在能源利用方面的優(yōu)勢，結(jié)果表明CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率比分供系統(tǒng)高35%。Santo［6］以一次能源利用率最高為優(yōu)化目標，分析了以內(nèi)燃機作為驅(qū)動裝置的CCHP系統(tǒng)的運行情況，并預測出基于2種不同運行模式下系統(tǒng)的指標特性。除一次能源利用率外，Hui Li［7］等人將一次能源節(jié)約率這一指標作為評價指標來對比分析CCHP系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的一次能源利用情況，這一方法主要是通過與分供系統(tǒng)的對比來反映聯(lián)供的節(jié)能優(yōu)勢。但一次能源節(jié)約率為相對性指標，其通過比較分供與CCHP一次能源耗量的差異以評估聯(lián)供的能效，受分供參考系統(tǒng)參數(shù)的影響較大。

除第一定律外，炯用效率是基于熱力學第二定律的能效評估指標，其側(cè)重于不同能量轉(zhuǎn)化為寂態(tài)的最大做功能力。 Ebmhimi［8］等人選取炯用效率為評價指標，分析了住宅建筑CCHP系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的炯用損失。Huangfu［9］人等則重點分析了微型CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率和炯用效率，并得出結(jié)論采用高效燃氣輪機對CCHP的優(yōu)化運行起到重要的作用。炯用效率忽視了炯無的作用，且結(jié)果受參考系影響很大，目前研究也多集中于CCHP系統(tǒng)。

除指標所固有的問題外，上述能效指標主要是針對CCHP系統(tǒng)的評估。而針對多能協(xié)同園區(qū)，其能效評估存在一系列新的問題：（1）與CCHP不同，綜合能源園區(qū)的能流關系復雜，其能量輸入不再限于燃氣、煤炭等一次能源；（2）熱泵、電制冷機等能效比（COP）超過1的設備的廣泛應用使得“效率”評估必須考慮空氣中熱能等能量的輸入，而考慮空氣中熱能的利用程度并無實際意義；（3）綜合能源系統(tǒng)能效評估的意義在于指導其提高可再生能源的消納率、降低非可再生能源的利用量，因此僅僅細化傳統(tǒng)一次能源利用率以反映對一次能源的利用效率缺乏實際意義。

針對上述問題，本文分析了傳統(tǒng)能效評估方法存在的問題，考慮園區(qū)級綜合能量系統(tǒng)多能流特征及可再生能源接入的影響，提出了適用于園區(qū)能效評估的能源綜合利用率指標。該指標并非一次能源利用率的細化或簡單推廣，其在考慮園區(qū)多能流特性的同時，引入了能源不可再生系數(shù)，并將外購電依照滲透率折算為對應的一次能源。該指標反映了園區(qū)對于不可再生能源的利用率和對可再生能源的消納水平。相對于傳統(tǒng)指標，本文的創(chuàng)新之處在于：（1）傳統(tǒng)指標僅適用于CCHP設備，本文提出了適用于園區(qū)能效評估的能源綜合利用率指標；（2）區(qū)別于傳統(tǒng)指標，所提指標綜合反映了園區(qū)對于可再生能源的消納率及不可再生能源的利用水平，從而可促進園區(qū)的低碳、高效供能；算例中進一步驗證了所提指標在多能協(xié)同園區(qū)不同運行模式下的有效性，并以優(yōu)化調(diào)度為工具探討了不同目標函數(shù)對調(diào)度策略的影響，以及為提升園區(qū)能源綜合利用率，合理定價的必要性。

1 多能協(xié)同園區(qū)能效評估

現(xiàn)有的評估指標僅適用于CCHP設備，未考慮到多能協(xié)同園區(qū)多能流特性及其能效評估的實際意義。針對這一問題，本文旨在從第三方的角度出發(fā)，考慮綜合能源系統(tǒng)的多能流特性，提出合理評價多能協(xié)同園區(qū)的能效水平，同時能體現(xiàn)其低碳、高效核心特征，有助于園區(qū)消納可再生能源并減少非可再生能源消耗的指標。

對于多能協(xié)同園區(qū)，其輸入輸出能流組成如圖1所示。其中，輸出能量為冷、熱、電負荷，輸入能量包含來自電網(wǎng)的外購電能、本地接入的可再生電能以及煤炭或天然氣等能源。進一步，外購電能可根據(jù)其來源劃分為燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電及可再生能源發(fā)電等。因此，該園區(qū)接入的可再生能源包含兩部分：一部分通過電網(wǎng)接入，另一部分為本地可再生能源，不通過大電網(wǎng)直接接入。

圖1 多能協(xié)同園區(qū)能流輸入輸出組成Fig.1 Input and output energy flows of park-levelmulti-energy cooperation

結(jié)合圖1，以T為評估周期，將多能協(xié)同園區(qū)能量輸入按是否來自外部電網(wǎng)分為購電能量Egrid，T與其他能量Eother，T兩部分?？紤]到可再生能源接入的影響及園區(qū)多能流特性，提出能源綜合利用率指標，其定義如下：

其中，η 為園區(qū)能源綜合利用率；PL，T、CL，T、QL，T分別為園區(qū)在T時段內(nèi)的供電、供冷與供熱量，單位為kJ；PL（t）、CL（t）、QL（t）為 t時刻園區(qū)電、冷、熱負荷功率，單位為kW；下標re、coal、gas分別表示能量來源為可再生能源、煤炭、天然氣，下同；ξ為能源不可再生系數(shù)，對于可再生能源該值為0，不可再生能源為1；υ（t）為t時刻外購電中不同一次能源來源的滲透率；λ為相應機組發(fā)電效率；Pbuy（t）為t時刻園區(qū)購入電網(wǎng)電能功率，單位為kW；Pre（t）為t時刻園區(qū)不經(jīng)電網(wǎng)所接入的可再生能源功率，單位為kW；F（t）為所消耗相應燃料的低位熱值，單位為kJ。

由式（1）可知，該指標著眼于整體評價園區(qū)對一次能源中不可再生部分的利用情況，其不考慮園區(qū)內(nèi)部能流轉(zhuǎn)換關系。如園區(qū)供電可能具有外購電能、CCHP發(fā)電等多種來源，供冷量與供熱量同理。

考慮到能效評估主要是針對煤、天然氣等不可再生能源，對僅由可再生能源供能的系統(tǒng)進行能效評估并無實際意義。因此本文定義了能源不可再生系數(shù)ξ來描述能源的不可再生程度，將外購電網(wǎng)電能Egrid，T根據(jù)其來源按滲透率細分為可再生能源電能、燃氣發(fā)電、燃煤發(fā)電，并將各部分按照對應機組發(fā)電效率折算到發(fā)電側(cè)。

由式（1）—（6）可知：（1）對于多能協(xié)同園區(qū)，在一定負荷下，其一次能源綜合利用率越高，則對應的非可再生一次能源耗量越低，兩者具有一致性；（2）對于高比例可再生能源滲透的綜合能源系統(tǒng)，隨著其可再生能源消納量的增加，在負荷一定的情況下，其所消耗的非可再生一次能源也會相應降低，從而使其能源綜合利用率提高，即該指標可反映園區(qū)對于可再生能源的消納水平。

綜合以上分析，與傳統(tǒng)指標不同，該指標考慮綜合能源系統(tǒng)多能流特性及可再生能源接入的影響，綜合反映了園區(qū)對非可再生一次能源的利用水平及對可再生能源的消納率，可體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)低碳、高效的核心特征，為綜合能源園區(qū)規(guī)劃、調(diào)度方案的確定與評估提供參考。

2 對能源綜合利用率的討論

2.1 能源綜合利用率與其他能效指標的比較

現(xiàn)有能效評估指標依據(jù)其計算原理可分為3類：第1類指標依據(jù)熱力學第一定律，以能量守恒關系進行計算，包括一次能源利用率、一次能源節(jié)約率及本文所提出的能源綜合利用率；第2類指標依據(jù)熱力學第二定律，以炯用來描述不同能量的質(zhì)量，主要為炯用效率；第3類指標結(jié)合熱力學第一定律與第二定律，將炯用與炯無結(jié)合，含PURPA效率等。以坐標圖形式進行示意，評價指標機理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 評價指標機理架構(gòu)Fig.2 Architecture of evaluation index mechanism

2.1.1 不同類別指標對比

基于熱力學第一定律的各類指標著眼于能量守恒，從能量數(shù)量角度進行能效評估，其評估結(jié)果范圍一般為0～100%。而基于熱力學第二定律的各類指標著眼于能量品質(zhì)，從炯用的角度評估能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程中質(zhì)量的損失。燃料炯用與電炯用約等于其本身能量，而對熱與冷，熱量炯用ExQ和冷量炯用ExC的計算方法［6］如下：

其中，Te0、Te分別為參考環(huán)境寂態(tài)溫度與工質(zhì)本身溫度；QH、QC為工質(zhì)中的熱力學能。

炯用描述了系統(tǒng)達到熱力學寂態(tài)所能做出的最大有效功。 結(jié)合式（7）、（8）可知，冷、熱炯用受參考的環(huán)境寂態(tài)溫度影響極大，其炯用值遠小于電炯用與燃料炯用。由于冷、熱的低炯用值特點，一般CCHP的炯用效率在50%以下。

結(jié)合以上分析，基于熱力學第一定律與基于熱力學第二定律的2類指標著眼點不同，因此不具備可比性。而考慮到炯用效率評估側(cè)重于做功能力，與園區(qū)冷、熱的實際用途并不符合，且其受參考系影響較大，因此目前的能效評估中較多地采用了第1類指標。

2.1.2 基于熱力學第一定律的指標對比

在各類能效指標中，應用最為廣泛的是基于熱力學定律的一次能源利用率、一次能源節(jié)約率等指標。本文提出的能源綜合利用率也屬于這一類指標。

一次能源節(jié)約率為相對性指標，其通過比較分供與CCHP一次能源耗量的差異以評估聯(lián)供的能效。對于多能協(xié)同園區(qū)，由于其運行方式多樣，可能僅以CCHP供能，也可能分別以燃氣鍋爐供熱、電制冷機供冷，即其可能包含分供與聯(lián)供等多種運行模式，因此該相對性指標無法適用。一次能源利用率為CCHP供能量與輸入一次能源量的直接比值，未考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多能流特性。該指標可直接推廣至園區(qū)能效評估，但其無法體現(xiàn)可再生能源接入產(chǎn)生的能效影響。

由式（1）—（6）知，能源綜合利用率在考慮園區(qū)多能流特性的同時引入能源不可再生系數(shù)，可評估不同類型、不同運行方式下的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)。

2.2 能源綜合利用率與經(jīng)濟性指標的比較

實際中園區(qū)運行常以經(jīng)濟性來評估，即評估園區(qū)在一定周期內(nèi)的總運行成本，其計算表達如下：

其中，Ctotal、CEle、CLng分別為園區(qū)總運行成本、總外購電費用、總購氣費用；rLng為單位體積燃氣價格；VGT、VB分別為總?cè)細獍l(fā)電機耗氣量和總?cè)細忮仩t耗氣量；NGT、NB分別為燃氣發(fā)電機、燃氣鍋爐的數(shù)目；VLH為單位燃氣的低位熱值。

將（1）—（6）與式（9）—（12）進行對比可發(fā)現(xiàn)，園區(qū)運行成本與其購電量、煤耗及氣耗量正相關，而能源綜合利用率則與其購入的不可再生電能、煤耗及氣耗量負相關，因此低運行成本與高能源綜合利用率具有一定的一致性。

3 算例分析

以上海某園區(qū)實際數(shù)據(jù)為例進行分析。該園區(qū)由商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)3類負荷區(qū)域組成，各區(qū)域均有冷、熱、電負荷需求。園區(qū)負荷由臨近的2個能源站供給，每個能源站均配置CCHP裝置、燃氣鍋爐與電制冷機，同時園區(qū)內(nèi)建設有風機、光伏等可再生能源，能源站設備能流如圖3所示。各設備模型參考文獻［10］，參數(shù)如表1所示。根據(jù)協(xié)議，該園區(qū)僅能向電網(wǎng)購電，其電能反送受阻。

圖3 能源站設備能流圖Fig.3 Energy flows of devices in energy station

表1 能源站主要設備參數(shù)與數(shù)值Table 1 Parameters of main devices in energy station

冷、熱、電負荷參考該區(qū)域夏、冬季典型負荷數(shù)據(jù)，風電、光伏出力分別按照兩季節(jié)預測值進行計算，具體數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。該區(qū)域電網(wǎng)可再生電能滲透率取為0.25。

夏季氣溫高，日照時間長、強度大，對冷負荷需求較大，熱負荷相對較小。但工業(yè)及商業(yè)負荷的需求依然存在一定的熱負荷。

冬季氣溫低，日照時間、強度都較夏季低，熱負荷需求大，冷負荷低。同時冬季光伏出力也比夏季低。

3.1 算例1

圖4 夏季冷熱電負荷及風電、光伏預測值Fig.4 Typical heat，cooling and power loads and predicted wind and solar power outputs for summer

圖5 冬季冷熱電負荷及風電、光伏預測值Fig.5 Typical heat，cooling and power loads and predicted wind and solar power outputs for winter

由上文知，能源綜合利用率與炯用效率等其他類指標并無可比性，且一次能源節(jié)約率無法適用于多能協(xié)同園區(qū)。因此該算例將傳統(tǒng)的一次能源利用率細化推廣應用于多能協(xié)同園區(qū)，利用其比較分供與聯(lián)供系統(tǒng)的能效差異，并與文中提出的一次綜合利用率的評估結(jié)果進行比較。其中，分供模式是指園區(qū)按照傳統(tǒng)的冷、熱、電單獨供應方式供能，即電能外購，燃氣鍋爐供熱，電制冷機制冷；聯(lián)供模式是多能耦合互補的供能方式，通過余熱鍋爐再利用燃氣輪機產(chǎn)生的高品位廢熱，同時結(jié)合燃氣鍋爐等裝置保證負荷的用能需求。為準確比較2類指標的差異，此時不考慮風電、光伏等新能源。

聯(lián)供模式運行狀態(tài)參考該園區(qū)當前“以熱定電”模式運行數(shù)據(jù)，以24 h為評估周期，不同模式下的日能源綜合利用率及一次能源利用率計算結(jié)果見表2。

表2 聯(lián)供與分供模式能效對比Table 2 Comparison of energy efficiency between joint supply and separate supply

由表2可知，在冬季與夏季典型日，一次能源利用率與本文提出的能源綜合利用率對分供、聯(lián)供系統(tǒng)的評估結(jié)果完全相反。其原因在于多能協(xié)同園區(qū)的能源輸入除燃料外還包括電能等二次能源，若將這部分能量按傳統(tǒng)一次能源利用率的形式在分母簡單求和，則該指標無法體現(xiàn)出聯(lián)供模式運行下能量梯級利用的優(yōu)勢，得出分供能效高于聯(lián)供的結(jié)果。

而能源綜合利用率將輸入園區(qū)的電能折算為發(fā)電側(cè)對應的一次能源，以充分評估園區(qū)對一次能源的利用水平。其評估結(jié)果為聯(lián)供能效高于分供，該結(jié)果反映了多能聯(lián)合供應通過不同品位的能量梯級利用可以實現(xiàn)能量的充分利用，與實際相符。進而說明：相比于傳統(tǒng)一次能源利用率的直接推廣，本文提出的能源綜合利用率指標能夠反映聯(lián)供與分供的差異，體現(xiàn)多能聯(lián)供梯級利用的優(yōu)勢。

3.2 算例2

為分析不同目標函數(shù)對調(diào)度策略的影響，結(jié)合上文中對該指標與經(jīng)濟性關系的分析，分別以日運行成本最低和能源綜合利用率最高為目標函數(shù)對該園區(qū)在夏季典型日進行優(yōu)化調(diào)度。約束條件包括設備出力約束、負荷平衡約束、爬坡約束［11-12］等。

比較不同目標函數(shù)下的各時段外購電功率及CCHP出力，結(jié)果如圖6—8所示。其中成本最低表示以運行成本最低為目標函數(shù)，能效最高表示目標函數(shù)為能源綜合利用率最大。

圖6 不同目標函數(shù)下外購電功率Fig.6 Electric power purchase for different objective functions

圖7 不同目標函數(shù)下燃機發(fā)電功率Fig.7 Power generation of gas turbine for different objective functions

圖8 不同目標函數(shù)下燃氣鍋爐耗氣量Fig.8 Gas consumption of gas boiler for different objective functions

該園區(qū)夏季典型日全天的新能源消納率、能源綜合利用率及日運行成本如表3所示。

表3 不同目標下園區(qū)運行指標對比Table 3 Comparison of park-level operating indexes between two objective functions

由圖6—8可知，以能源綜合利用率最高為目標函數(shù)時，園區(qū)外購電功率近于0，燃氣鍋爐出力也基本為0，園區(qū)負荷通過CCHP供給。而以運行成本最低為目標時，在電價谷值段會大量外購電能，造成的熱能缺額以燃氣鍋爐來補充；而在電價平端、峰值段兩者優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果基本一致。

這一結(jié)果差異是由于在電價谷值段，從電網(wǎng)購電成本低于燃氣發(fā)電機發(fā)電，因此以成本最優(yōu)為目標會出現(xiàn)該時段電能的大量購入。但由于電網(wǎng)中可再生能源電能滲透率僅占25%，且燃煤發(fā)電效率本身遠低于CCHP機組，因此從節(jié)能角度會優(yōu)先采用CCHP發(fā)電。在電價平端、峰值段兩者結(jié)果一致則是該時段電價較高的結(jié)果。圖9給出了不同谷值電價下分別以成本最低和能效最高為目標的外購電網(wǎng)電量。

圖9 外購電量與谷值電價關系Fig.9 Curve of electric power purchase vs.valley price

由圖9可知，以能效最高為目標的調(diào)度結(jié)果不受谷值電價影響。而以成本最低為目標時，隨谷值電價的提高，購入電網(wǎng)電能會逐漸減少。當谷值電價達到0.66元／（kW·h）以上后，能效最高與成本最低的外購電量達到一致。這主要是因為園區(qū)的能源綜合利用率與電價無關，而當谷值電價逐漸提高，以成本最低為目標下園區(qū)會傾向于選擇更為經(jīng)濟的CCHP發(fā)電，趨向于能效最高。由于在實際中常以成本最低為目標，這一結(jié)果說明了通過電網(wǎng)合理定價，成本最低與能效最高可以趨于一致，反映了合理定價的必要性。

為進一步分析兩指標的關系，改變外購電中可再生能源的滲透率，比較不同情況下能效最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的差異，如圖10所示。

圖10 燃機發(fā)電量、外購電量與可再生能源滲透率關系Fig.10 Curves of gas-turbine power generation and electric power purchase vs.renewable energy penetration rate

由圖10可知，以能效最優(yōu)為目標的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與外購電能中可再生能源滲透率密切相關。當該滲透率達到0.35時，由于供應相同負荷CCHP所消耗的不可再生能源與購電基本一致，因此隨著電網(wǎng)中可再生能源電能滲透率的進一步增大，相對于本地CCHP發(fā)電，電網(wǎng)中的電能更為清潔，因此園區(qū)會購入更多的電網(wǎng)電能，其更多的負荷將由可再生能源供應。

4 結(jié)論

a.本文分析了傳統(tǒng)能效評估方法存在的問題，考慮園區(qū)級綜合能量系統(tǒng)多能流特點及可再生能源接入影響，提出了適用于多能協(xié)同園區(qū)能效評估的能源綜合利用率指標。建立了能效評估指標體系，分析比較了所提指標與其他能效指標的區(qū)別與聯(lián)系，討論了其與經(jīng)濟性指標的一致性。

b.本文結(jié)合上海某園區(qū)的實際數(shù)據(jù)進行了算例分析。算例1表明，相比于傳統(tǒng)一次能源利用率的直接推廣，所提指標能夠更加準確地體現(xiàn)園區(qū)多能聯(lián)供、能量梯級利用的優(yōu)勢，有效評估園區(qū)在不同運行模式下的能效；算例2表明，基于所提指標的優(yōu)化調(diào)度與基于成本最低的調(diào)度策略在除電價谷值時段外具有一致性，且其一致性受電網(wǎng)中可再生能源滲透率影響。而通過適當調(diào)整谷值電價，成本最低與能源綜合利用率最高的調(diào)度結(jié)果將趨于一致，反映了為促進可再生能源消納，減少非可再生一次能源耗量，合理定價的必要性。

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