电气巾帼专栏 · 莫理莉：基于?经济学的低碳建筑园区综合能源系统分析与评价*

碳达峰、碳中和现在是全世界能源领域的热点问题。综合能源在碳达峰和碳中和里具有重要意义，首先有助于实现碳捕捉和新能源的储存，可将多余电能存储为热或转化为氢，用于氢燃料电池或者与二氧化碳结合生产甲烷或者甲醇实现碳捕捉同时解决新能源储存、运输问题。其次有利于提高能源系统效能，在系统规划、运行中可实现不同能源系统的优势互补。也有助于可再生分布式能源的大规模接入和高效利用。在碳中和后期，新能源装机所占发电量可能远超电力系统承受能力，多出来的发电量，必须通过综合能源系统来承接消纳。

本文建立基于?经济学的建筑园区综合能源系统?分析模型，该模型考虑?在电能和冷能网络传递的损耗，将电气线路和冷媒管路作为系统建模的一部分；提出把?效率和?损作为系统能耗特性评价指标，把?损成本和?经济系数作为系统经济特性评价指标；最后以某建筑园区能源系统为算例，对该系统的能耗特性和经济特性进行分析及评价，并提出改善系统性能的措施。

基于?经济学的?流成本数学模型

将能源系统的各个环节划分为能源转换、能源存储、能源传递线（管）路等若干个子系统，子系统由单一或多个设备组成，子系统i可以看作j个输入端口，k个输出端口的枢纽，如图1所示。

图中，E _i，j 代表子系统i的第j种输入?流，c _j 代表该输入?流的单位?经济成本，E _i，k ′代表子系统i的第k种输出?流，c _k ′代表该输出?流的单位?经济成本。Z _i 代表第i个子系统的非能量成本（包括设备的折旧费用及运维费用等成本）。为了便于分摊非能量成本，一般把非能量成本Z _i 根据经济寿命周期及年运行小时数按单位时间来折算，如式（1）所示：

式中， Z _i0 表示子系统i的设备成本，H表示系统年运行小时数，φ表示系统维护因子，f表示年度化因子。

对能源子系统i而言，输出?流总成本等于输入?流总成本与非能量成本之和，系统成本平衡是?经济学分析的基本思想。该子系统i的成本平衡方程如式（2）所示：

基于?经济学的低碳建筑园区能源系统分析

为满足园区生产和生活需要，低碳建筑园区能源系统一般由光伏发电、储能、充电桩、空调、热水、通风、照明及其他末端用能子系统组成，综合能源系统结构如图2所示。

采用?经济学方法分析应用到建筑能源系统时，对能量传递过程产生的?损作以下考虑：① 忽略天然气传递过程中的?损；② 忽略中央空调系统制冷主机房各设备间能量传递所产生的?损。分析时可以根据建筑用能特点，把建筑能源系统归类整理，按问题分析需要划分不同的子系统，建筑能源系统可以由一个或者多个子系统组成，各能源子系统间由一种或者多种?流相互联系。一般地，建筑能源系统可按如图3所示的子系统划分。

其中电能一般会由电源母线配出多个回路，有多个子系统，其能源网络接线拓扑如子系统Z ₁ 至Z ₇ 所示，市政供冷 / 热系统能源网络接线拓扑如子系统Z ₈ 至Z ₉ 所示，市政燃气能源网络接线拓扑如子系统Z ₁₀ 所示，能源系统网络接线拓扑可以根据建筑园区用能特点做删减或拓展。

低碳建筑园区能源系统评价

能量分析法只关注了能源量的变化，没有关注能源质的变化。本文采用?分析法代替能量分析法，以?损和?效率作为评价分布式供能系统能耗特性的指标，基于前述建模，可以将每个子系统的?损表示成子系统的各种输入?流之和与各种输出?流之和的差值，如式（3）所示：

式中，E _loss 代表子系统的?损，E _in 代表子系统的输入?流，E _out 代表子系统的输出?流。

?效率表达子系统?传递的效率，表示如式（4）所示：

经济特性是能源系统性能评价的重要因素，综合考虑能耗特性和经济特性两个方面，才能对能源系统的性能进行更全面和准确的分析评价，本文将?损成本和?经济系数作为系统经济特性的评价指标。

?损成本是传递过程中能质下降带来的经济损失。其表达如式（5）所示：

式中，C _loss 代表子系统的?损成本，c _loss 代表子系统?损的单位?经济成本。

?经济系数表示非能量成本在?损总成本中的占比，?经济系数如式（6）所示：

式中，f _E 代表子系统的?经济系数。

子系统的能耗特性、经济特性与系统成本的关系如图4所示。

增加非能量成本的投入可以提高系统的?效率，提升能耗特性，系统总成本将先下降再上升，将总成本达到最低时?经济系数的对应值称为参考值。一般可将f _E 设为0.5，此时非能量成本和?损总成本占同等比重，认为此时达到最佳“性价比”，也可以根据系统的特点设置不同的参考值作为系统投资、规划和运行决策的目标。当?经济系数小于参考值时，通过更换设备或优化运维提高现有设备效率等方法加大非能量成本的投入可同时实现能耗特性和经济特性的优化；当?经济系数大于参考值时，能耗特性已达到较高水平，继续追加非能量成本，是用经济特性的大幅下降换取能耗特性的小幅提升，代价大，这时应从能源系统整体出发，优化能源系统组成结构。

算例分析

> > > > 算例概况

为了验证本文分析与评价方法的正确性和可行性，对广州市某建筑园区能源系统进行建模，对该系统的能耗特性、经济特性进行分析及评价。该建筑园区建筑面积大约为2万m ² ，由一栋办公楼和一栋商场组成，办公楼面积约为1万m ² ，冷源采用市政供冷系统；商场建筑面积约为1万m ² ，采用水冷中央空调系统；室外安装30个7 kW交流充电桩，屋顶安装300 kWp光伏发电系统，光伏发电系统所发电量考虑在办公及商场电气系统内部做自消纳，根据前期自消纳分析，基本无余电需要上网。

系统主要设备包括空调、热水器、充电桩、炊具及末端用电设备等。园区供电距离较长，系统电?的损耗按7 % 计算，冷?在管道中产生的?损按22 % 计算。

为突出分析重点，这里忽略除电空调、充电桩和电炊具之外的其他用电负荷，也忽略热水器及热泵等供热，办公楼需要的冷量由市政冷源供给。根据上述各子系统间能量传递、转换关系，该能源系统模型如图5所示。

选取该能源系统8月中旬下午14时数据进行分析，该日环境温度为35 ℃，商业及办公电价为1元 / kWh，市政供冷价为0.622元 / kWh，天然气价格为3.45元 / m3，天然气低位发热值9.77 kWh / m3，光伏发电理想状态下发电量峰值为1 kWp / m ² ，制冷压缩机按理想卡诺循环效率公式得理想能效比为29.815，为进一步计算确定各?流的单位?经济成本，对各子系统的非能量成本进行折算，取中央空调造价为3 450元 / kWh，板式换热器造价为50元 / kWh，冷水管道造价为500元 / m，光伏发电系统造价为3 500元 / kWh，变压器（含高低压配电设备）造价为1 000元 / kVA，交流7 kW充电桩造价为5 000元 / 个，燃气炊具造价为750元 / kW，电炊具造价为400元 / kW，根据本文所提及计算方法对各子系统的非能量成本进行计算，各子系统?流值及按时间折算的非能量成本汇总如表1所示。

采用本文求解方法，可以计算出此时各?流的单位?经济成本，汇总如表2所示。

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供电电源的设置

为分析能源系统中各?流的单位?经济成本随生产流程环节变化情况，以商场供冷过程为例，各种?流数量和单位?经济成本变化曲线如图6所示，为方便对比，这里把冷量折算到电能进行归一化处理。

由图6可以看出，光伏发电的加入，使得电能E ₂₅ 单位?经济成本有所下降，所以自消纳型光伏发电系统对用户的收益更大，电能E ₂₅ 到E ₃₁ 和冷负荷E ₄₁ 到E ₅₁ 的?流损耗都不可忽视，说明冷媒和电气线路损耗对单位?经济成本加大明显，尤其是冷媒管道，导致单位?经济成本增加29 %，因此，为了准确计算?流成本，把传递过程产生的?损计入系统?经济分析里面是很有必要的，这有利于更好地进行系统能耗特性和经济特性的分析。从?流情况也可以看到，除了E ₃₁ 到E ₃₂ 是有电?流流至其他用电设备之外，从?流E ₂₅ 到E ₅₁ 是随着每个转换、传输环节不断减少，?损不断增加，单位?经济成本不断增加，这是由于能量传递过程的不可逆性导致能量品质的降低，越靠近生产流程末端的?流数量越小，又由于每个环节设备投资等非能量成本的不断叠加，上一级?流的成本不断转入下一级?流中，越靠近生产流程末端?流的单位?经济成本反而越高。不同环节?流的成本不同，因此，如果仅仅讨论?的数量，是无法真正反映?流的价值的，仅讨论某一环节发生的?损失的数量，也无法真正反映?损带来的经济损失，因而需要对系统的能耗特性和经济特性加以区分，并在结合算例的具体参数详细说明分析系统经济特性的必要性。

本算例能源系统的外部输入能源充足，这里以子系统输入?流的单位?经济成本给?损定价，根据本文计算方法得各子系统能耗特性及经济特性情况如表3所示。

表3结果显示，电中央空调子系统的?损最多，?效率最低，能耗特性较差，虽然看起来该子系统的?损价格不高，但?损成本在整个能源系统中占比是最大的，远高于其他子系统。从图7可以看到，该子系统?经济系数已经达0.55，高于参考值0.5，继续加大非能量成本的投资，并不能明显改善子系统的能耗特性，反而会使系统经济特性恶化，造成节?不节钱，这是因为电中央空调将高品位的电能转换成低品位的冷能，能量降质会带来大量的能量损耗，这属于能源流动过程中的缺陷，这种供冷方式应该尽量减少，使用其他能耗特性和经济特性更加好的冷源系统如冷热电三联供系统来取代电中央空调系统。

从表2和表3结果来看，采用市政冷源情况下的办公末端用冷单位?经济成本（0.861 4）比自设冷源的商场末端用冷单位?经济成本（0.418 7）要高很多，这是由于本算例所在位置未按市中心繁华地带考虑，而市政能源站一般设置在市中心，其综合投资造价和运营成本非常昂贵，造成系统非能源成本剧增，在同等条件下，分散冷源占用的土建空间价格和运行成本会比集中能源站要高，非能量成本也会相应比本算例提高，单位?经济成本具体提高比例需要根据项目实际进行调整。

从表3和图7中也可以看到，越接近末端，?的单位成本越高，所以采取措施降低末端?损，能够更有效地提高系统的经济性。对于本算例，冷媒管线?经济系数为0.04 ~ 0.06，在这种情况下，加大冷媒管管道和保温材料的投资，合理选择冷?的流量和温度，能够提升系统的经济性。对板式换热器、电气线路和炊具来说，提高子系统效率，可以提升系统的能耗特性和经济特性的表现。变压器（含高低压配电设备）子系统目前能耗特性和经济特性表现较好，系统优化方向是优化子系统的装机容量和运维成本来降低非能量成本，继续提高系统能效对系统的能耗特性和经济性优化效果不明显。充电桩子系统?经济系数为0.93，表示充电桩非能量成本占比很高，这是电动车数量仍有较大发展潜力，充电桩目前空置较多，单位时间非能量成本高，积极提高充电桩使用效率，降低充电桩造价，可以使得充电桩子系统的?经济性有明显改善。光伏发电系统由于太阳能是免费资源，光伏发电子系统只有非能量成本，?输入成本为0，所以?经济系统为1。

从上述分析可知，仅从?数量的角度进行能源系统性能分析与评价是不全面的，?的价格化是?分析走向实用的必经之路，这也体现了开展?经济分析的必要性。