技术领域
[0001] 本
发明涉及一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，属于新
能源技术领域。
背景技术
[0002] 随着经济高速发展，
可再生能源的需求量逐渐增加，一个有代表性的案例就是欧盟(EU)的2020年目标，其包括了一项约束性承诺，即到2020年时实现能源使用的20％来自于可再生能源。与此同时，如何更有效地提高系统的能源利用率逐渐成为国内外学者关注的焦点。实现能源
梯级利用的联供系统，如热电联供(CHP)，冷热电三联供(CCHP)，不仅能够提高一次能源利用率，还在节能减排方面表现出较大的优势，尤其在中小功率下(低于1～2MW)，联供系统更加受到人们的重视。
[0003] 与大型火电厂相比，可再生能源驱动的发电系统能够节约一次能源，减少排放，增加供
电网络可靠性。而可再生能源不仅对环境污染小，还能对社会经济起到一定的促进作用，比如带动了农村地区的经济发展，也在一定程度上缓解了
燃料短缺问题。
[0004] 以生物质为燃料的可再生能源联产系统(包括CHP和CCHP)能够在一定程度上缓解能源短缺和环境污染问题，故在欧盟的支持下，国外学者取得了很多相关的研发成果。然而联产系统实际带来的能源及环境效益与发电站的运行状态、负载类型(热负荷或冷负荷)及核心技术相关，其与传统发电站相比是否会有显著改善，是否能够代替传统发电站，还需要进一步评估。
[0005] 基于Angrisani等人前期的研究工作，Chicco和Maraver等人经研究得出，在一次能源利用率方面，CCHP系统完全取代独立发电系统的可行性受到各个子系统核心技术和冷热负荷比的制约。另一方面，在评估其环境效益时，许多学者使用了生命周期分析法(LCA)，例如Pehnt等人将以
天然气作燃料的CHP系统和CCHP系统与传统发电站作比较，并由此评估其环境效益；Carvalho和Jing等人利用LCA
算法对联供系统进行了有关优化。很多学者在可再生能源系统方面进行了多项研究，但这些研究并没有把联供系统和传统系统作对比，例如Pehnt等人仅对不同类型的可再生能源系统(供电、供热、
热电联产)进行了分析；Staffell和Jing等人仅研究了基于
化石燃料的CHP系统和基于
太阳能的CCHP系统；
Caserini、Kimming和Buonocore等人仅研究了基于不同类型生物质燃料的CHP系统。此外，Chevalier等人虽然将基于生物质燃料的CCHP系统与传统发电站进行了比较，但得出的结论仅针对于特定规模的沼气发电站。由前人的研究工作可知，基于生物质燃料的联产系统与其理论上所能实现的环境效益尚有一定距离。若考虑所有的可能因素(能源、有效能、经济和环境等)，并在适当的设计和运行模式下，联产系统所带来的理论效益有望在实际中体现。此外，在某些情况下，基于生物质燃料的联产系统所带来的环境效益是可以事先估计的。
发明内容
[0006] 针对
现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，将一次能源节能率(PESR)作为评估指标，还将CCHP系统和传统系统对环境影响的差异(即环境可行性)作为评估指标，并考虑了负荷变化对CCHP系统的环境可行性产生的影响。
[0007] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0008] 本发明的一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，具体包括以下步骤：
[0009] (1)以热
力学模型为
基础，分别建立生物质冷热电联供系统和传统独立发电系统的理论
框架；
[0010] (2)建立生物质冷热电联供系统运行原理图(步骤(2)中，一个完整的生物质冷热电联供系统运行原理图包括
能量流动方向和各个子系统，生物质燃料在生物质
锅炉中产生的大部分供给
原动机，小部分与原动机排出的热量混合，混合后的热量称之为原动机产生的热量；原动机产生的
电能用于供给
电力负荷，产生的热量分为三部分，第一部分作为热损耗被损失掉，第二部分用于供给热负荷，第三部分用于驱动制冷机使其产生冷能)，并确定原动机和制冷机的设备参数；
[0011] (3)利用生命周期分析法，将三种原动机和两种制冷机互相搭配构成六种不同配置结构的系统(原动机有三种不同类型，分别为使用低沸点冷却介质的有机
朗肯循环技术，使用高沸点冷却介质的
有机朗肯循环技术，斯特林
发动机技术，制冷机有两种不同类型，分别为
吸附式制冷机和
吸收式制冷机)，对六种不同配置结构的系统进行仿真，并与传统独立发电系统作对比，根据多种仿真数据结果(本发明采用三种编程方法，包括Eco-Indicator 99、IMPACT 2002+和ReCiPe)，确定冷热负荷比对环境可行性和一次能源节能率的影响；
[0012] 步骤(1)中，所述生物质冷热电联供系统的理论框架以生物质为燃料，设生物质能为F，并产生发
电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；以生物质为燃料，产生生物质能，送入冷热电联供系统CCHP，冷热电联供系统将生物质能转化为冷、热、电产出；所述传统独立发电系统的理论框架同样获得发电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；传统独立发电系统通过参考发电站发电产生电能，其中的一部分电能通过参考制冷机转化为冷能供给冷负荷，其余的电能用于供给电力负荷；传统独立发电系统通过参考锅炉产生
热能用于供给热负荷。
[0013] 步骤(2)中，所述生物质冷热电联供系统运行原理图包括能量流动方向和生物质锅炉、原动机、制冷机子系统，各个物理量的表达式如下：
[0014] Qburner＝F·ηburner
[0015] Qburner＝Qact,PM+Qextra
[0016] Qact,PM＝W+Qrej,PM
[0017] W＝Qact,PM·ηPM
[0018] Qrej,PM＝Qact,TAC+Qheating+Qloss
[0019] Qcooling＝Qact,TAC·COPTAC
[0020]
[0021] 式中，F为生物质能，单位为kW；Qburner为燃烧所产生的热量，单位为kW；ηburner为生物质燃烧的热效率；Qact,PM为用于供给原动机的热量，单位为kW；Qextra为额外供给冷却介质的热量，单位为kW；W为原动机的发电功率，单位为kW；Qrej,PM为原动机排出的热量，单位为kW；ηPM为原动机的发电效率；Qact,TAC为驱动制冷机的热量，单位为kW；Qheating为供给负荷的热量，单位为kW；Qloss为热损耗，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW；COPTAC为制冷系数；C为冷却因子；
[0022] 如果原动机排出热量Qrej,PM的
温度高于制冷机工作所需的温度，那么生物质F燃烧所产生的热量Qburner完全用于驱动原动机，即Qextra＝0，Qburner＝Qact,PM；该情况下，PM的冷却介质用于驱动TAC单元制冷产生Qcooling；若TAC单元工作所需的温度高于原动机排出热量的温度，则生物质燃烧产生的热量需额外提供给PM的冷却介质，使之温度上升至足以驱动制冷机正常运行，即Qextra≠0，Qburner>Qact,PM。
[0023] 上述原动机采用有机朗肯循环方法或者
斯特林发动机技术。
[0024] 上述制冷机采用吸附式制冷机或者吸收式制冷机。
[0025] 步骤(3)中，利用三种不同类型的LCA算法以排除单一LCA算法引起的主观性；分别使用Eco-Indicator 99、IMPACT 2002+和ReCiPe三种算法对系统的环境可行性进行分析。
[0026] 步骤(3)中，进行仿真时，以冷热负荷比为横轴，环境可行性和一次能源节能率为纵轴，即可确定；比较环境可行性时，表示环境可行性的公式中已包含传统独立发电系统的因素；比较一次能源节能率时，在仿真结果图中再绘制一条传统独立发电系统的一次能源节能率曲线，与由生命周期分析法得出的生物质冷热电联供系统的曲线相比较；依靠仿真结果图进行比较，仿真结果图的横轴为冷热负荷比，纵轴为环境可行性和一次能源节能率，均是对环境的相对影响。
[0027] 步骤(3)中，所述环境可行性和一次能源节能率的表达式如下：
[0028]
[0029]
[0030] 式中，ΔIMPACT为CCHP系统的环境可行性，即对环境的相对影响；IMPACTstand-alone为独立传统系统对环境的影响；IMPACTCCHP为CCHP系统对环境的影响；PESR为一次能源节能率；F为生物质能，单位为kW；W为电功率，单位为kW；ηref,e为参考发电效率；ηref,th为参考热效率；COPref为制冷系数；Qheating为制热量，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW。
[0031] 现有评估方法仅将一次能源节能率(PESR)作为评估指标，未考虑负荷的情况。实际上在某些情况下，系统的一次能源节能率不符合要求，但系统本身仍具有环境效益。故仅以一次能源节能率(PESR)为评估指标太过片面。本发明不仅将一次能源节能率(PESR)作为评估指标，还将CCHP系统和传统系统对环境影响的差异(即环境可行性)作为评估指标，并考虑了负荷变化对CCHP系统的环境可行性产生的影响。
附图说明
[0032] 图1为使用Eco-Indicator 99时系统对环境的影响；
[0033] 图2为使用IMPACT 2002+时系统对环境的影响；
[0034] 图3为使用ReCiPe时系统对环境的影响；
[0035] 图4为各配置下系统的一次能源节能率；
[0036] 图5为具有输入输出的理论框架的示意图；
[0037] 图6为设计系统运行原理图。
具体实施方式
[0038] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0039] 一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，以系统的理论框架为基础，建立基于生物质燃烧的冷热电联供系统模型，建立系统的运行原理图，设计原动机和制冷机的设备参数，构建六种配置结构的生物质冷热电联供系统，利用生命周期分析法对其进行仿真，并与独立传统系统作对比，分析冷热负荷比的变化对环境的影响。
[0040] 分析结果表明，在较低的冷热负荷比下，系统相比传统系统环保可行，反之则环境可行性差。同时，在某些情况下，系统的一次能源节能率不符合要求，但系统本身相比于传统系统仍具有环境效益，故不能单一使用一次能源节能率来评估这类系统的稳态性能。
[0041] 其中，建立系统的理论框架，其步骤包括：
[0042] 步骤(1)、建立具有输入输出的理论框架：
[0043] 比较和评估生物质冷热电联供系统和传统系统环境可行性的第一步是建立合适且具有代表性的框架。图5为该框架的示意图，其中生物质冷热电联供系统以生物质为燃料(设生物质能为F)，并产生电(W)、冷(Qcooling)、热(Qheating)。传统的独立发电系统同样可以获得电、冷、热，即发电机发电(W)，压缩式电制冷机制冷(Qcooling)，燃气锅炉制热(Qheating)。
[0044] 得到系统的理论框架后，设计生物质冷热电联供系统的系统运行原理图，并给出相应的设备参数，具体步骤包括：
[0045] 步骤(1)、设计系统运行原理图：
[0046] 一个完整的生物质冷热电联供系统运行原理图应包括能量流动方向和各个子系统，运行原理图如图6所示。
[0047] 图中各个物理量的表达式如下：
[0048] Qburner＝F·ηburner
[0049] Qburner＝Qact,PM+Qextra
[0050] Qact,PM＝W+Qrej,PM
[0051] W＝Qact,PM·ηPM
[0052] Qrej,PM＝Qact,TAC+Qheating+Qloss
[0053] Qcooling＝Qact,TAC·COPTAC
[0054]
[0055] 式中，F为生物质能，单位为kW；Qburner为燃烧所产生的热量，单位为kW；ηburner为生物质燃烧的热效率；Qact,PM为用于供给原动机的热量，单位为kW；Qextra为额外供给冷却介质的热量，单位为kW；W为原动机的发电功率，单位为kW；Qrej,PM为原动机排出的热量，单位为kW；ηPM为原动机的发电效率；Qact,TAC为驱动制冷机的热量，单位为kW；Qheating为供给负荷的热量，单位为kW；Qloss为热损耗，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW；COPTAC为制冷系数；C为冷却因子。
[0056] 如果原动机排出热量(Qrej,PM)的温度高于制冷机工作所需的温度，那么生物质(F)燃烧所产生的热量(Qburner)可以完全用于驱动原动机(Qextra＝0，Qburner＝Qact,PM)。该情况下，PM的冷却介质可以用于驱动TAC单元制冷产生Qcooling。若TAC单元工作所需的温度高于原动机排出热量的温度，则生物质燃烧产生的热量需额外提供给PM的冷却介质，使之温度上升至足以驱动制冷机正常运行(Qextra≠0，Qburner>Qact,PM)。
[0057] 步骤(2)、设计各个子系统的运行参数：
[0058] 各个子系统中较为重要的两个设备为原动机和制冷机，其中原动机采用有机朗肯循环技术和斯特林发动机技术，制冷机采用吸附式制冷机和吸收式制冷机，相关设备参数见附表1-4。
[0059] 表1原动机的平均性能参数
[0060]
[0061] 表2吸收式制冷机和吸附式制冷机的性能参数
[0062]
[0063]
[0064] 表3 CCHP系统六种可能的配置结构
[0065]
[0066] 表4 CCHP模型的输入参数
[0067]
[0068]
[0069] 构建系统运行原理图并确定相应参数后，对六种不同配置结构的系统进行仿真，仿真采用生命周期分析法，并使用三种类别的LCA算法以排除只使用一种所造成的主观性。环境影响和一次能源节能率的表达式如下：
[0070]
[0071]
[0072] 式中，ΔIMPACT为CCHP系统对环境的相对影响；IMPACTstand-alone为独立传统系统对环境的影响；IMPACTCCHP为CCHP系统对环境的影响；PESR为一次能源节能率；F为生物质能，单位为kW；W为电功率，单位为kW；ηref,e为参考发电效率；ηref,th为参考热效率；COPref为制冷系数；Qheating为制热量，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW。
[0073] 仿真结果见附图1-4。其中附图1为使用Eco-Indicator 99时系统对环境的影响结果；附图2为使用IMPACT 2002+时系统对环境的影响结果；附图3为使用ReCiPe时系统对环境的影响结果；附图4为各配置下系统的一次能源节能率。
[0074] 本发明结合当今以可再生能源为基础的冷热电联供系统，提出了一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法。
[0075] 具体的，本发明以
热力学模型为基础，建立基于生物质燃烧的冷热电联供系统及系统运行原理图，构建了六种配置结构的生物质冷热电联供系统，利用生命周期分析法对其进行仿真，并与独立传统系统作对比，分析冷热负荷比的变化对环境的影响。
[0076] 分析结果表明，在较低的冷热负荷比下，系统相比传统系统环保可行，反之则环境可行性差；同时，在某些情况下，系统的一次能源节能率不符合要求，但系统本身相比于传统系统仍具有环境效益，故不能单一使用一次能源节能率来评估这类系统的稳态性能。
[0077] 本发明提出了一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，本发明的具体方法如下：以热力学模型为基础，建立了基于生物质燃烧的冷热电联供系统模型；围绕系统运行原理图，构建了六种配置结构的生物质冷热电联供系统，利用生命周期分析法对其进行仿真，并与独立传统系统作对比，分析冷热负荷比的变化对环境的影响。
[0078] 分析结果表明，在较低的冷热负荷比下，系统相比传统系统环保可行，反之则环境可行性差。同时，在某些情况下，系统的一次能源节能率不符合要求，但系统本身相比于传统系统仍具有环境效益，故不能单一使用一次能源节能率来评估这类系统的稳态性能。通过仿真结果可以得出以下的结论：
[0079] (1)随着C值的增加，CCHP系统相对于传统系统的环境优势逐渐减弱，即冷热负荷比越高，CCHP系统的环境可行性越差，这与欧洲的平均情况相符。配置3和配置5中，原动机排出的热量可以直接用于驱动制冷机(Tref,PM≥Tact,TAC)，故即使在较高的C值下，其相比于传统系统也具有一定的环境效益。若生物质燃烧产生的热量额外提供给冷却介质使之升温来驱动制冷机正常运行，则这部分热量(Qextra)并没有完全用于供给冷热负荷，会使得ΔIMPACT曲线和PESR曲线的斜率增大，即环境可行性和一次能源节能率下降得更为迅速(配置1，2，4，6)。
[0080] (2)配置5和6的系统涉及SE技术，其原动机发电效率最高，当冷热负荷比较低(C<0.3)时，这两者具有最高的环境效益。然而随着冷却系数的上升，为了减少对环境的影响，PM和TAC单元的直接耦合比提高PM的发电效率更为重要。尽管SE的效率和吸收式制冷机的制冷系数更高，但从图中可以看出，随着C的上升，配置3(ORChighT+ADS)与配置6(SE+ABS)相比，其环境可行性提升更显著。
[0081] (3)一些发电站从能源效率的
角度来看是不可行的(PESR<0％)，但其与传统系统相比仍具有较高的环境效益。例如ORClowT配置下的的系统，使用Eco-Indicator 99分析时，若其C值在0.05～0.1范围内
波动，则相对于传统系统具有优势；使用IMPACT2002+分析时，若其C值在0.05～0.15范围内波动，则相对于传统系统具有优势；使用ReCiPe分析时，若其C值在0.05～0.27范围内波动，则相对于传统系统具有优势。当处于这些C值下时，ORClowT配置下的的系统对环境的影响相对于传统系统将减少15％～55％，但其PESR值未必优于传统系统。
[0082] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述
实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
