园区级区域综合能源系统综合评价方法及应用

本文确定了技术效益、能源效益、环境效益、经济效益和社会效益五个维度，逐层分析确定各个定量和定性评价指标，初步建立包括19项指标在内的区域综合能源系统评价指标体系。

1.技术效益指标

1）技术成熟度

技术成熟度是指供能设备的技术水平、工艺流程、配套资源、技术生命周期等方面所具有的产业化实用程度。传统的电制冷机、燃气锅炉等设备应用广泛、技术成熟；燃气冷热电三联供通过大量示范项目，技术不断成熟，经济性水平逐渐提高；地源热泵技术相关的施工工艺、设计水平得到快速发展；建筑屋顶光伏发电得到大规模推广，用户侧分散式风电应用有待进一步发展；用户侧电储能技术逐渐成熟，但成本较高；蓄冷蓄热技术成熟，在峰谷价差不断提高的电价政策下，经济性水平较高。

2）安全可靠性

区域综合能源系统一般布置区域建筑的负荷中心，相比于传统的分产能源系统，避免了长输供热管网的投资建设和运行损耗，结合分布式光伏、分散式风电等可再生能源利用。配置电化学储能和水蓄能，可以提高用户侧的供电和供冷供热稳定性，此外储蓄能装置具有削峰填谷和需求响应能力，缓解电网运行压力，提高电网运行安全性。

3）设备设施可维护性

区域综合能源系统是多能融合系统，具有多种先进的高效设备，设备运行方式不同，系统运行策略复杂，因此运行的专业性较强，需要更专业的维护团队和运维管理。

4）占用土地面积

区域综合能源系统中的冷热源设施，由于系统形式和设备类型的不同，占地面积有较大差异。而分布式光伏、分散式风电及储能、蓄能设备安装形式较为固定。因此区域综合能源系统的占地面积大小可以由各类冷热源设备机房的占地面积来进行衡量。占用土地面积的表达式如下

其中，S为区域综合能源系统的占地面积，单位为平方米；Sc为制冷机房占地面积，单位为平方米；Sh为供热机房占地面积，单位为平方米。

2.能源效益指标

1）综合能源利用率

综合能源利用率是指系统产出的能量总和与系统非可再生能源消耗量的比值，又称能源利用率或者综合能效。由于区域综合能源系统输入输出的多为异质能源，为考虑不能同能源间的差异和能源转换环节的转换效率，利用“能质系数”将不同能源折算至同一能级水平[15]。能质系数反映能源做功的能力，在同一标准环境下，不同能源的能质系数是一个固定值，具体数值如表2所示。

表 2  能质系数[16]

2）园区清洁能源消纳率

园区清洁能源消纳率是指屋顶分布式光伏、分散式风电和燃气冷热电三联供等清洁能源发电系统，在一段时间内自发自用部分电量与其总发电量的比值。此外在园区碳核查方面，只有新能源自发自用电量部分可以抵消园区二氧化碳排放量，因此高消纳率也有利于园区碳减排。

3）能耗强度

能耗强度是指统计期内综合能源系统的能耗总量与总建筑面积的比值，亦可称为单位建筑面积能耗。此处综合能源系统的能耗统计范围包括冷热源系统能耗，主要用于评估园区建筑的空调系统能耗和能源系统经济效率，园区建筑的照明、动力用电、办公用电等能耗不包含在内。

4）设备利用率

设备利用率是指综合能源系统冷热源主设备的实际运行时间与设计运行时间的比值。为考虑设备实际运行容量的影响，将设备运行时间折算为满负荷运行时间进行比较。设备的利用率越高，反映了系统设计装机容量越合理，投资节奏与负荷增长具有一致性。

5）年削峰填谷电量

年削峰填谷电量是指在一年内通过电储能、蓄冷蓄热系统等设备的削峰填谷电量之和。系统的削峰填谷能力越高，表明系统具有较高的负荷调节能力，有利于平滑电力负荷曲线，保持电网的平衡稳定性。

3.环境效益指标

1）绿色电力使用比例

绿色电力使用比例是指园区消耗的光伏、风电等绿色电力总量与园区耗电总量的比值。绿色电力使用量是指光伏、风电自发自用的电量，由于目前新能源上网电量不可以抵消园区碳排放，因此余电上网部分电量暂不计入。绿色电力使用比例可以衡量园区新能源使用带来的减碳水平。

2）二氧化碳减排率

二氧化碳减排率是指通过太阳能、风能、地热能等可再生能源利用减少的二氧化碳排放量与园区二氧化碳排放总量的比值。本项目主要指光伏发电、风力发电以及地源热泵供热带来的二氧化碳减排量。根据欧盟的相关计算方法，地源热泵的可再生能源利用量需要扣除电力输入部分，并且热泵供冷部分不包含在内[17]。

3）气体污染物减排率

气体污染物减排率是指通过太阳能、风能、地热能、燃气等清洁能源利用减少的气体污染物排放量与园区气体污染物排放总量的比值。

4）噪声影响

由于综合能源系统含有众多供能设备，运行时产生一定的噪声，工人和外界环境会受到一定的噪声干扰，长期接触一定程度的噪声会对人体产生较大的健康影响。根据中国现行的环境噪声的相关国家标准《声环境质量标准》（GB 3096-2008），要求适用于居住型社区的噪声限值应满足二类标准，白天不超过60分贝，夜间不超过55分贝。此外能源站运行噪声还应满足《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB 12348-2008)中三类标准要求。

4.经济效益指标

经济效益评价是决定工程项目是否可行的重要依据，也是评价准则层中最受项目投资者关注的指标。经济性评价指标主要分为三类：一是比率型指标，比如投资收益率、内部收益率、净现值指数等；二是价值型指标，比如净现值、费用现值等；三是时间型指标，如动态投资回收期、静态投资回收期、借款偿还期等。本文主要采用动态投资回收期和内部收益率来评价项目经济性，二者均为动态评价指标，考虑了资金的时间价值。

1）动态投资回收期

动态投资回收期在计算时需将项目投资期内每年的净现金流以一定的基准收益率折算成现值，项目的回收期越短表明项目投资风险越低。本文采用动态投资回收期对项目进行经济性评价。表达式如下

其中，Tp为动态投资回收期，单位为年；CIt表示第t年的现金流入额，单位为万元；COt表示第t年的现金流出额，单位为万元；i0为基准折现率，本文取4.5%。

2）内部收益率

内部收益率是指项目在全寿命周期内，使净现值等于零时的折现率。表达式如下

其中，IRR为项目内部收益率；表示项目的寿命期，取20年。

3）单位供能成本

单位供能成本是指在统计期内园区总供冷热成本费用与总供能建筑面积的比值。此处供能成本仅包含供冷供热成本，不含供电成本。

5.社会效益指标

社会效益指标是指项目建设与运行为人民生产生活以及社会发展做出的贡献，是一种间接收益。

1）政策支持

中国今年陆续出台了诸多鼓励综合能源发展的政策，尤其是碳达峰碳中和背景下，加强了对于光伏、风电等可再生能源的开发利用，鼓励区域能源布局，实现区域供能与用能平衡，推动清洁能源就近消纳，实现区域能源的自给自足。

2）产业效益

区域综合能源系统融合利用了地源热泵、分布式光伏发电系统、分散式风电和储能系统等能源技术。项目建成投产后，将发挥积极的示范效应，带动同行业采用类似的清洁供能能源系统，必将对热泵设备、光伏、风电、储能等应用设备产生巨大需求，有效促进国内相关能源利用技术的进步，带动核心装备制造、互联网设备、节能环保等相关行业的发展。

3）就业效益

区域综合能源项目的建设会带动当地的就业以及服务业的发展，而设备研发、制造等相关产业链的发展必将促进相关工程技术人员就业。

根据以上指标选取，获得评价指标体系层次结构，如图1所示。

图  1  区域综合能源系统评价指标体系层次结构

对于案例园区综合能源系统的评价指标进行计算（表3），需要对定量指标和定性指标、正指标和逆指标等不同性质的指标进行规范化处理。

1.定量指标的计算

将园区综合能源系统的实际运行数据作为基础数据，通过确定的评价指标及其计算公式，对定量指标进行计算，得到初始计算结果，然后通过后续构建指标隶属度函数，进行指标数据归一化。

1）技术效益定量

技术效益包含一个二级定量指标，即占用土地面积A14，其数值与冷热源机房建筑面积相等，计算结果为1 900平方米。

2）能源效益定量

根据确定的能源效益指标，全部为定量指标，以园区运行数据为基础数据，如表4所示，通过计算公式得到能源效益的二级定量指标计算结果。

3）环境效益定量指标计算

根据确定的环境效益指标定义，其中绿色电力使用比例A31、二氧化碳减排率A32和气体污染物减排率A33为定量指标，以园区运行数据为基础数据，如表5所示。

表 3  评价指标的类型及正逆性

表 4  能源效益包含的二级指标计算

4）经济效益定量指标计算

根据确定的经济效益指标，全部为定量指标，以园区运行数据、投资概算等为基础数据，列于表6。

表 5  环境效益包含的二级指标计算

表 6  经济效益包含的二级指标计算

2.定性指标量化计算及标准化

将定性评价指标划分为不同等级，构建评价集。然后再确定不同等级的对应取值，为方便计算可将定性指标的取值范围规定为0~1之间，最后通过专家打分和模糊处理确定标准量化值。本文定性指标包括技术效益指标中的技术成熟度A11、安全可靠性A12、设备设施可维护性A13，以及社会效益指标中的政策支持A51、产业效益A52、就业效益A53。本文将定性评价指标划分为5个等级，即$ V{\text{ = }}\left\{ {\left. {{v_1},{v_2},{v_3},{v_4},{v_5}} \right\}} \right. $={好,较好,一般,较差,差}，并确定其对应的赋值分别为1、0.9、0.8、0.7、0.6。

通过邀请6名综合能源行业专家进行评分，其中2位综合能源方案规划专家，2位暖通动力设计专家，2位综合能源市场领域专家（表7）。

表 7  定性评价指标专家评分表

3.定量指标数据归一化

1）技术效益指标归一化

本项目机房占地面积1 900平方米，建筑总面积10.99万平方米，机房占建筑面积的比例为1.7%。根据制冷机房、供热机房的设计经验，制冷机房约占建筑总面积的0.5%~1.2%，供热机房约占总建筑面积的1%[18]。因此，能源机房占总建筑面积的范围一般为1.5%~2.2%。本文占用土地面积的隶属度函数表达式如下

技术效益指标通过相关的定量指标计算、定性指标评分计算，同时经过数据归一化处理，得到各指标隶属度值如表8所示。

表 8  技术效益指标数据归一化

2）能源效益指标归一化

通过分析各分供系统的$ \eta $值来构建隶属度函数。采用燃气锅炉供热部分供热量442.7万千瓦时，耗气量42.8万标准立方米，$ \eta $值为14.3%。采用电制冷供冷部分供冷量为541.0万千瓦时，耗电量107.7万千瓦时，$ \eta $值为35.1%。采用CCHP系统供电量为11.6万千瓦时，供冷供热量11.6万千瓦时，耗气量3.7万标准立方米，$ \eta $值为66.6%。常规系统中$ \eta $值较低，高效电制冷设备$ \eta $值较高，而CCHP系统$ \eta $值最高。因此选择常规系统中，电制冷系统$ \eta $值35.1%作为最佳综合能源利用效率，燃气锅炉$ \eta $值14.3%作为最差综合能源利用效率，构建综合能源利用率隶属度函数，表达式如下

根据项目实际经验，清洁能源发电最高可以全部自发自用，就地消纳率100%。也可以全额上网，就地消纳率为零。因此可以将园区清洁能源消纳率的指标值作为其隶属度函数值。

根据北京市2020年公共建筑能耗限额标准，综合性建筑能耗限额标准为22.3千克标准煤/平方米，同时规定超出能耗限额20%的建筑考核为不合格，该建筑限额包括空调、照明、动力用电及办公用电能耗。由于典型办公建筑空调能耗占比48.7%[19]，该综合能源系统的能耗主要指冷热源系统能耗，因此综合能源系统的能耗强度下限按比例可以设置为10.9千克标准煤/平方米，能耗强度上限上浮20%，即为13.0千克标准煤/平方米。本文能耗强度隶属度函数表达式如下

可以将设备利用率的计算值作为其隶属度函数值，函数表达式如下

本项目削峰填谷电量为34.8万千瓦时，园区总用电量1 518.1万千瓦时，削峰填谷电量占比2.29%。为优化电力资源配置，促进可再生能源消纳，缓解电网运行压力，中国大力推动需求响应机制建设，在多个省份提出逐步形成5%左右的峰时负荷调节能力[20]，因此将5%作为最佳用户侧负荷调节能力，构建本项目年削峰填谷电量隶属函数如下

能源效益指标通过相关的定量指标计算，同时经过数据归一化处理，得到各指标隶属度值如表9所示。

表 9  能源效益指标数据归一化

3）环境效益指标归一化

由于用户侧分布式能源发电的能量密度较低，新能源发电设施安装空间有限，受到消纳能力限制，一般光伏、风电等绿色电力占到园区全部用电的20%处于较高水平，低于5%可以认为绿色电力使用比例较低。因此绿色电力使用比例的隶属度函数表达式如下

在考虑现实条件后，将10年内总二氧化碳减排率30%作为综合能源系统最佳减排率，代表减排目标可以完全由综合能源系统替代常规能源实现，同时将10%作为综合能源系统最低减排率。因此二氧化碳减排率的隶属度函数表达式如下

北京市2016—2017年度SO2减排率、NOX减排率和细颗粒物浓度下降率分别为62.9%、4.2%、21.6%[21]。将气体污染物减排率最高值取62.9%，减排率最低值取4.2%，构建隶属度函数表达式如下

环境效益指标通过相关的定量指标计算、定性指标评分计算，同时经过数据归一化处理得到各指标隶属度值，如表10所示。

表 10  环境效益指标数据归一化

4）经济效益指标归一化

根据区域综合能源系统投资项目经验，设定最佳投资回收期为6年，最差投资回收期为运营周期20年，动态投资回收期隶属度函数表达式如下

根据区域综合能源投资企业对收益率的要求，本文设定最佳全投资收益率为12%，最低投资收益率为6%，全投资内部收益率隶属度函数表达式如下

根据北京市郊区供热收费标准，非居民建筑43元/平方米，设定供冷收费标准与供暖相同，则园区建筑单位供冷供热收费标准为86元/平方米。则构建单位供能成本隶属度函数如下

经济效益指标通过相关的定量指标计算，同时经过数据归一化处理得到各指标隶属度值，如表11所示。

表 11  经济效益指标数据归一化

5）社会效益指标归一化

社会效益指标均为定性指标，定性指标评分原始数值即为指标隶属度值。