蓄热技术对可再生能源分布式能源系统的效益分析

摘 要： 为了综合分析蓄热技术对可再生能源分布式能源系统的效益，本工作以大连某办公建筑群太阳能、风能、燃气互补的可再生能源分布式系统为研究对象，建立了蓄热技术与可再生能源分布式能源系统耦合评价模型，分析了蓄热技术对可再生能源分布式能源系统的电平衡、热平衡、燃料耗量及对环境温室效应、酸化效应和污染效应的影响，并利用静态经济性和动态经济性评价法，分析了水、导热油、耐火砖、水合盐、石蜡等蓄热技术应用的经济可行性。结果表明，在以电定热运行模式下，蓄热技术的引入对电平衡没有影响，但蓄热技术典型日可供暖14261.14 kW·h，减小63.95%燃气锅炉补热量，节约1822.74 m³燃气耗量，一次能源节约率为13.16%，进而减轻372165.90 g CO₂造成的温室效应、278.30 g SO₂造成的酸化效应和150.74 g PM_2.5造成的污染效应；水、耐火砖、水合盐和石蜡蓄热技术具有较好的经济可行性，且以水蓄热技术最具优势，静态和动态投资回收期分别为4.91年和6.57年；导热油蓄热技术投资回收期较长，经济可行性较低。研究可为蓄热技术在分布式能源系统高效应用提供参考和依据。

关键词 ：蓄热技术；分布式能源；可再生能源；节能；环保；经济性

分布式能源系统，作为一种建设在用户端、实现能源梯级利用、同时满足用户热和电需求的新型供能模式，受到了世界各国广泛的重视。然而，由于分布式能源系统所产生的热、电负荷具有强烈的耦合关系，需要利用蓄热技术进行热电负荷解耦，达到最大的能源利用率。识别二维码下载全文

        

赵静等将水蓄热技术应用于上海商业建筑的传统分布式能源系统，并确定了典型日热负荷供应情况，水蓄热技术可供应日负荷的27.3%。Wu等计算了水蓄热技术应用于传统分布式能源系统的热平衡、电平衡、运行成本和CO₂排放量，发现水蓄热技术的应用可以减少商业建筑室外4.92%运行成本和22.14%CO₂排放量。杨志鹏等设计了水蓄热技术与光伏发电机组、风力发电机组、燃料电池、地源热泵结合分布式能源系统，结果表明，水蓄热技术引入可以满足用户热和电负荷，减少燃料费用19.2%，降低运行成本18.1%。Mavromatidis等分析了水蓄热与生物质、太阳能耦合的分布式能源系统，确定了CO₂排放量的最优装机容量和装机成本。Somma等也在可再生能源分布式系统引入水蓄热技术，并确定水蓄热技术引入可以降低21%～36%的总运行成本。由上述文献可知，现有研究主要集中于水蓄热技术耦合应用的分布式能源系统效益分析，且多集中于部分运行效果、运行成本和CO₂排放量的分析。事实上，蓄热技术对可再生能源分布式系统的效益分析需要全面包含电平衡、热平衡、燃料耗量及对环境温室效应、酸化效应和污染效应的综合分析。此外，随着蓄热技术的发展，水、导热油、耐火砖等显热蓄热材料和水合盐、石蜡等相变蓄热材料已经较为成熟，达到商业应用的阶段，也需要进行不同蓄热技术经济可行性的确定。

因此，本文以大连某办公建筑群的太阳能、风能、燃气互补的可再生能源分布式系统为研究对象，建立有无蓄热技术的可再生能源分布式系统耦合评价模型，分析蓄热技术对电平衡、热平衡、燃气耗量、环境等参数的影响，并结合水、导热油、耐火砖等显热蓄热技术和水合盐、石蜡等相变蓄热技术的技术成本，从静态经济性和动态经济性两方面，分析不同蓄热技术的经济可行性，为蓄热技术在分布式能源系统高效应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1　研究对象

本文的应用对象为大连某办公建筑群，总建筑面积为197568 m²，包括4幢单体24层建筑面积为49392 m²，其典型日气象条件和负荷需求如图1和图2所示。其中，室外干球温度为-7.3～6.6 ℃，太阳辐射最高为567.18 W/m²，风速为0～8 m/s，建筑群最大电负荷为1921.59 kW，出现在16:00时，最小为401.13 kW，出现在7:00时；热负荷最大为7016.66 kW，出现在7:00时，22:00时至次日5:00时负荷为0。

图1   室外气象参数

图2   电负荷和热负荷

为满足电负荷和热负荷，建筑采用太阳能、风能、燃气互补的可再生能源分布式系统与蓄热技术耦合系统，模式如图3所示。其中，电负荷由光伏发电机组、风力发电机组、燃气轮机供应，用户热负荷由余热锅炉、蓄热罐供给，燃气锅炉为备用热源。系统运行时，采用以电定热运行模式，光伏发电机组、风力发电机组、燃气轮机全面保障电力供应，燃气轮机产生的余热利用余热锅炉进行热量供应。当余热供热量超过热负荷时，蓄热罐进行蓄积；当余热供热量不满足热负荷，蓄热罐进行热量供热，蓄热罐热量不足时，开始燃气锅炉进行供热。

图3   蓄热技术与可再生能源分布式能源系统耦合模式图

1.2　模型建立

为了全面确定蓄热技术对可再生能源分布式系统的效益，确定不同蓄热技术应用的经济可行性，本文建立了蓄热技术与再生能源分布式能源系统耦合评价模型，主要包括以下部分。1.2.1　燃气轮机燃气轮机是分布式系统核心热电设备，可利用燃气产生电量和余热。燃气轮机的额定电效率和热效率可用式(1)和(2)进行计算，但是实际运行时，燃气轮机的热电效率均与设备的部分负荷率相关，可用式(3)～(6)计算余热量和燃气耗量

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，P_GT,cap为燃气轮机额定发电功率，kW，取2000 kW；为燃气轮机额定电效率，%； 为燃气轮机额定热效率，%； P_GT为燃气轮机发电功率，kW；为燃气轮机部分负荷率，%；为燃气轮机电效率，%；为燃气轮机散热损失系统，%，取15%； Q_GT为燃气轮机的可利用热值，kW；F_GT为输入燃气轮机的燃料热值，kW。1.2.2　余热锅炉余热锅炉可利用燃气轮机的余热产生热水进行热负荷供应，不同负荷率的余热锅炉热量特性模型如式(7)和(8)所示

(7)

(8)

式中，H_AM为余热锅炉供热功率，kW；为余热锅炉制热系数；为余热锅炉部分负荷率，%；为余热锅炉额定制热系数，取0.88。1.2.3　燃气锅炉燃气锅炉作为备用热源，在供热量不足时，进行辅助供热，不同负荷率的燃气锅炉热特性计算模型见式(9)和(10)

(9)

(10)

式中，H_B为燃气锅炉供热功率，kW；F_B为燃气锅炉燃料热值，kW；为锅炉效率，%；为燃气锅炉部分负荷率，%；为燃气锅炉额定效率，%，取80%。1.2.4　光伏发电机组光伏发电机组可利用太阳能为建筑提供电源，其输出功率可由式(11)和(12)进行计算

(11)

(12)

式中，P_PV为光伏发电机组发电功率，kW；f_PV为光伏发电机组降额因数，取0.95；P_PVcap为光伏发电机组的额定容量，kW，取1000 kW；I_t为环境温度下太阳光照的辐射强度，kW/m²；为功率温度系数，取-0.005%/ ℃；I_STC为标准测试条件下光照辐射强度，1000 W/m²；t_cellSTC为标准测试条件下温度，25 ℃；I_NOCT为光伏发电机组额定运行条件下光照辐射强度，800 W/m²；t_NOCT为光伏发电机组额定运行条件下环境温度，20 ℃；t_cellNOCT为额定运行条件下光伏发电机组表面温度，一般取45～48 ℃；为标准测试条件下最大功率点效率，一般取0.15；τ为光伏发电机组遮盖物的太阳能透过率，取0.9；α为光伏发电机组太阳能吸收率，取0.9。1.2.5　风力发电机组风力发电机组可以将风能转化为电能，其输出功率如式(13)所示 

(13)

式中，P_WT为风力发电机组的发电功率，kW；P_r为风力发电机组的额定功率，kW，取500 kW；V为风速，m/s；a、b、c、d为计算系数，取-0.1061、2.405、-8.8749、8.354；V_ci为切入风速，m/s，取3 m/s；V_r为切出风速，m/s，取18 m/s；V_co为安全风速，25 m/s。1.2.6　蓄热罐蓄热罐主要是在余热供热量富余时进行热量的蓄积，在供热量不足时，进行热量的释放。蓄热模型可按照式(14)进行计算

(14)

式中，R(h)为h时刻蓄能量，kW·h；Q_hs为h时刻蓄能功率，kW；Q_hr为h时刻放能功率，kW；Φ为漏热系数，取2%；ψ为能量传递过程中有效传递系数，取98%。1.2.7　环境影响系统在运行中会使用燃油进而产生污染物，会导致环境的问题，如全球变暖、酸化、空气污染等。为了评价多能源互补系统对环境的影响，需要计算CO₂、CH₄、N₂O、SO₂、NO_X、PM_2.5等排放量。相关污染物排放量可用式(15)计算

(15)

式中，M_X为污染物X的产生量，g；F为系统燃料总量，kW·h；β_X为燃气X污染物的排放系数，g/(kW·h)，其中CO₂取203.74，CH₄取0.015，N₂O取0.0004，SO₂取0.011，NO_X取0.202，PM_2.5取0.0012。不同污染物对环境影响也不近相同，为了统一评价系统对环境影响，分别采用等价CO₂、等价SO₂和等价PM_2.5指标定量评价对温室效应、酸化效应、污染效应的潜能。相关污染物潜能可用式(16)计算。

(16)

式中，G_X为污染物关于X的潜能，g等价污染物；M_i为i污染物质量，g；ε_i为i污染物的等价系数，不同污染物的等价系数见表1。

表1   不同污染物的等价系数

1.2.8　经济性评价经济性分析主要有静态评价和动态评价方法。静态评价方法是一种没有考虑资金时间价值的经济分析方法，主要指标包括投资利税率、资本金净利润率、总投资收益率、静态投资回收期。动态评价方法是考虑到资金在生产和系统运行过程中随着时间变化而产生价值的经济分析方法，主要指标包括内部收益率、财务净现值、动态投资回收期。投资利税率是表示项目达到设计生产能力后的一个正常生产年份的年利税总额或项目生产经营期内的年平均利税总额与总投资的比率，当投资利税率高于或等于行业基准投资利税率时，证明项目可以采纳，可用式(17)计算

(17)

式中，ROT为投资利税率，%；EBIT为年平均利润总额，元；ST为销售税金及附加，元；TI为项目总投资，元。资本金净利润率是表示项目资本金的盈利水平，可用式(18)计算

(18)

式中，ROE为资本金净利润率，%；NP为年平均税后利润，元；EC为项目资本金，元。总投资收益率是指达产期正常年份的年息税前利润或运营期年均息税前利润占项目总投资的百分比，可用式(19)计算

(19)

式中，ROI为投资收益率，%。静态投资回收期是使累计的经济效益等于最初的投资费用所需的时间，可用式(20)计算

(20)

式中，CI为现金流入量，元；CO为现金流出量，元；t为时间，年；P_ts为静态投资回收期，元；T⁺为各年累计净现金流量首次为正值或0的年份，年。内部收益率是表示项目寿命期内可以使净现金流量的净现值等于零的利率，可用式(21)计算

(21)

式中，IRR为内部收益率，%；n为计算期，年。财务净现值是拟建项目按行业的基准收益率或设定的折现率，将计算期内各年的净现金流量折现到建设起点年份(基准年)的现值累计数，可用式(22)计算

(22)

式中，i_c为基准收益率，%；FNPV为方案净现值，元。动态投资回收期是指在考虑资金的时间价值的情况下，按规定的基准收益率用每年的净收益收回全部投资额所需要的时间，可用式(23)计算

(23)

式中，P_td为项目动态投资回收期，年。

2 结果与讨论

2.1　电量平衡

鉴于系统运行方式是以电定热，蓄热技术对分布式能源系统的电量平衡没有影响，因此有无蓄热技术的可再生能源分布式系统电量平衡情况均为图4。从图中可以看出，有无蓄热技术的可再生能源分布式系统可以利用燃气轮机、光伏发电机组和风力发电机组完全满足用户的电负荷，其中燃气轮机为主要的电量供给源，最大发电功率为1888.91 kW，日供电量为23520.31 W·h，供电率为85.14%；其次为光伏发电机组，最大发电功率为555.87 kW，日供电量为2528.95 kW·h，供电率为9.15%；风力发电机组供电量最小，最大功率为369.52 kW，供电量为1577.51 kW·h，供电率为5.71%。

图4   电量平衡情况

2.2　热量平衡

蓄热技术的引入可蓄积余热锅炉的富余热量，并在余热锅炉供热不足时进行热量补充，因此，蓄热技术对分布式能源系统热量平衡影响如图5所示。从图中可知，有无蓄热技术的可再生能源分布式系统均能满足用户热负荷，但是，蓄热技术可以减小分布式能源系统中的燃气锅炉运行时间、补热功率和补热量。无蓄热技术时，分布式能源系统为了满足用户负荷，需要运行燃气锅炉9个小时，最大补热负荷为6723.39 kW，共补充22617.94 kW·h的热量，在14:00—18:00和21:00—次日6:00期间，余热锅炉产生16370.37 kW·h富余热量需要浪费。引入蓄热技术，可将前一天这部分的富余热量进行蓄积，用于满足或部分满足7—8时和19—20时的热负荷，因此，分布式能源系统燃气锅炉最大补热功率降至2730.04 kW，较无蓄热技术减少59.39%，也即耦合蓄热技术的分布式能源系统燃气锅炉装机功率可以减小约60%。耦合蓄热技术的分布式能源系统燃气锅炉补热量也降至8356.79 kW·h，较无蓄热技术减少63.95%，蓄热技术可以供热14261.14 kW·h，占到总热负荷的19.97%。

图5   热量平衡情况

2.3　燃气耗量

蓄热技术的引入对于分布式能源系统的电平衡没有影响，仅对热平衡有影响，因此，蓄热技术对满足电平衡的燃气轮机燃气耗量也没有影响，如图6所示，燃气轮机燃气总耗量均为10955.77 m³，但是，蓄热技术可以供给热负荷，因此，对燃气锅炉的燃气耗量影响较大，燃气消耗时间由无蓄热技术的9 h减少至7 h，最大消耗速率由859.33 m³/h减少至348.93 m³/h，减小59.40%；燃气锅炉燃料耗量由2890.84 m³减少至1068.10 m³，减小63.05%；系统总燃气耗量由13846.61 m³减少至12023.87 m³，一次能源节约率为13.16%。

图6   燃气耗量

2.4　环境效益

文中2.3节已经确定有无蓄热技术的分布式能源系统燃气消耗量，因此，可以定量计算不同系统的污染物排放量和温室效应、酸化效应、污染效应的潜能量，如表2和表3所示。从表中可以看出，蓄热技术的引入可以取得明显的减小污染物的排放，进而减少温室效应、酸化效应和污染效应的潜能，CO₂、CH₄、N₂O、SO₂、NO_X和PM_2.5减排量分别为371365.71 g、 27.34 g、0.73 g、20.05 g、368.19 g和2.19 g，减排率均达到13.16%，温室效应、酸化效应、污染效应减排量分别为372165.90 g等价CO₂、278.30 g等价SO₂、150.74 g等价PM_2.5，减排率也均达到13.16%。

表2   污染物排放量 ( 克 )

表3   温室效应、酸化效应和污染效应的潜能

2.5　经济性分析

不同蓄热技术的投资不同，技术经济可行性也不同。目前，蓄热技术主要分为显热、潜热和热化学蓄热技术，水、导热油、耐火砖等显热蓄热技术和水合盐、石蜡等潜热蓄热技术较为成熟，达到示范或商业应用阶段，热化学蓄热技术在蓄热周期、能量密度等方面具有较大的优势，但是技术复杂度高，大多处于实验室验证阶段，其蓄能效率、寿命、成本、技术成熟度仍需要进一步验证和提升。因此，为了确定可再生能源分布式系统应用可行的蓄热技术，分别采用静态分析法和动态分析法，对水、导热油、耐火砖、水合盐、石蜡等蓄热技术进行经济性分析。由图5可知，蓄热罐蓄积的最大热量为21:00—次日6:00的10918.55 kW·h，以此蓄热量分别计算不同蓄热技术的蓄热材料、蓄热容器及配件费用，三者之和作为蓄热技术的项目总投资。各种蓄热材料成本分别为：水为0.005元/kg，导热油为40元/kg，耐火砖为7元/kg，水合盐为5元/kg，石蜡为10元/kg。蓄热装置成本计算结果如表4所示。

表4   不同蓄热技术蓄热装置成本

运行成本包括人工费、维修费和管理费等，不同蓄热技术的运行成本分别为：水蓄热技术的运行成本为81409元、导热油蓄热技术的运行成本为198239元、耐火砖蓄热技术的运行成本为118179元、水合盐蓄热技术的运行成本为151329元、石蜡蓄热技术的运行成本为168134元。不同蓄热技术经济性静态分析如表5所示。从表中可以看出，在不考虑资金时间价值的前提下，水、导热油、耐火砖、水合盐和石蜡蓄热技术的投资利税率高于电力行业的平均利税水平7.8%，资本金净利润率和总投资收益率也大于基准收益率8%，具有较好的收益水平；水、耐火砖、水合盐和石蜡蓄热技术静态投资回收期较少，分别为4.91年、5.49年、7.18年、8.33年，具有一定的经济可行性，且以水蓄热技术最具优势，其投资利税率为42.29%，资本金净利润率为25.37%，总投资收益率为33.83%，静态投资回收期为4.91年。导热油蓄热技术项目总投资相对较高，投资回收期相对较长，经济可行性较低。

表5   蓄热技术静态经济性分析

不同蓄热技术动态经济性分析如表6所示。从表中可以看出，水、耐火砖、水合盐和石蜡作为蓄热介质时，财务净现值分别为1781998元、1701222元、898116元和562236元，内部收益率分别为19.64%、17.84%、13.00%和10.92%，动态投资回收期分别为6.57年、7.61年、11.33年和14.64年，也即水、耐火砖、水合盐和石蜡作为蓄热介质可实现盈利，项目资金利用情况较好，收益率较高，具有一定的可行性，且以水蓄热最优。导热油作为蓄热介质时，项目总投资相对较高，财务净现值为负值，内部收益率相对较小，动态投资回收期较长，经济可行性相对较差。

表6   蓄热技术动态经济性分析

3 结 论

（1）建立了应用蓄热技术的可再生能源分布式系统耦合评价模型，确定蓄热技术对电平衡、热平衡、燃气耗量、环保、经济性等参数的影响，从静态经济性和动态经济性两方面，分析不同蓄热技术的应用可行性。
（2）在以电定热运行模式下，蓄热技术的引入对电平衡没有影响，但对热平衡、燃气耗量、环保等有较大的影响。蓄热技术典型日可供暖14261.14 kW·h，减小63.95%燃气锅炉补给供暖量，节约1822.74 m³燃气耗量，一次能源节约率为13.16%，进而减轻372165.90 g CO₂造成的温室效应、278.30 g SO₂造成的酸化效应和150.74 g PM_2.5造成的污染效应；。
（3）静态和动态经济性分析综合表明，耦合应用可再生能源分布式系统时，导热油蓄热技术经济可行性较低，水、耐火砖、水合盐和石蜡蓄热技术具有较好的经济可行性，且以水蓄热技术最具优势。

引用本文： 曹建军,王俊,张利勇等.蓄热技术对可再生能源分布式能源系统的效益分析[J].储能科学与技术,2021,10(01):385-392. 

CAO Jianjun,WANG Jun,ZHANG Liyong,et al.Benefit analysis of heat storage technology applied to distributed energy system with renewable energy[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(01):385-392.

第一作者：曹建军（1970—），男，高级工程师，从事发电厂生产管理、基建项目、清洁发电、分布式能源、综合能源、智慧运营等管理和研究工作，E-mail：[e-mail]；通信作者：凌浩恕，博士，高级工程师，研究方向为蓄冷蓄热技术、大规模物理储能技术，E-mail：[e-mail]。