基于未利用能分解的能源利用系统能效评价方法

《Energies》：An Energy-Efficiency Evaluation Method for Energy-Utilization Systems Based on Unutilized-Energy Decomposition

　　

为解决传统能效指标在评价边界受限以及对复杂能源利用系统中能量耦合与再利用过程表征不足方面的潜在局限，本文提出了一种基于未利用能分解的修正能效评价方法。首先，基于最小功能单元概念，建立了基础能源利用单元的统一表征；随后，引入串联、反馈、延迟和辅助等典型结构映射，用于统一描述复杂能量交互路径。其次，将未利用能与实际损失加以区分，并进一步将未利用能分解为不可避免未利用能与潜在可回收未利用能，以揭示未形成有用输出能量的内部差异及其再利用潜力。在此基础上，构建了适用于下游利用、反馈再循环和辅助结构的修正能效指标，并配套提出回收效率增益、辅助效率增益和实际损失率等支撑指标，从而形成了复杂能源利用系统的综合评价框架。最后，以燃气内燃机热电联产（CHP）系统为案例开展研究。结果表明，传统发电效率无法区分不同热利用条件下的系统性能差异，而所提出的修正能效与实际损失率能够有效揭示余热利用、热负荷匹配以及储热移峰对系统整体性能的影响。该研究可为热电联产系统以及其他链式与多能耦合能源利用系统的综合能效评价提供参考。

本文发表于《Energies》，围绕复杂能源利用系统综合能效评价中“评价边界不统一、内部能量耦合难刻画、再利用过程难识别”的核心问题，提出了基于未利用能分解的修正能效评价框架。研究背景在于，随着热电联产、余热回收、储能调节与多能协同利用在工业与建筑能源系统中的广泛应用，系统运行已不再是单设备、单阶段、单路径的线性能量转换，而表现出多级耦合、跨时段调节与多支路交互等显著特征。传统能效、总效率或单纯发电效率等指标，虽然适用于简单边界下的设备性能评价，但在复杂系统中往往只能反映局部转换水平，难以揭示那些未直接形成有用输出的能量中，哪些属于物理上难以避免的部分，哪些则具有进一步回收、再利用或跨时段转移的潜力。已有火用效率（exergy efficiency）分析能够从能质退化与不可逆损失角度补充传统能效，但仍未显式追踪潜在可回收未利用能最终是否真正被负荷吸收、被储能转移，或转化为系统边界内的最终实际损失。因此，开展本研究的必要性在于，建立一种能够统一复杂结构、区分未利用能内部属性并反映最终工程利用结果的综合评价方法。

研究人员以“最小功能单元”为出发点，将能源利用单元（EUU，energy-utilization unit）定义为从能量输入到输出过程中能够独立完成特定能量转换功能的最小单元，并将其统一表示为输入能、有用输出能和未利用能三部分构成的矩形能流模块。在此基础上，研究人员进一步按照输入输出形式将基础单元划分为单输入单输出、单输入多输出、多输入单输出和多输入多输出等类型，并提出串联、辐射、汇聚、反馈、延迟调节和辅助等典型结构映射，用于将复杂系统中的多阶段耦合路径转化为可分解、可组合的统一结构。随后，论文提出区分“未利用能”与“实际损失”的关键思想：前者表示在当前单元层级未直接形成有用输出的能量，后者则表示在系统边界内最终未被利用的能量。进一步地，未利用能又被分解为不可避免未利用能与潜在可回收未利用能，从而把节能潜力分析从“减少总损失”推进到“识别并转化可再利用能量”。

研究人员据此构建了针对不同典型结构的修正能效指标。对于下游利用结构，回收单元输出不返回原始单元，而进入后续单元形成新的有用输出，修正能效体现的是回收能量直接增加系统最终有用能的效果。对于反馈再循环结构，回收能量重新返回原始单元参与转换，评价时以初始外部输入能作为统一边界，避免内部循环能量重复计数，从而获得能够同时反映原始单元单程效率与回收单元回收能力的修正能效表达。对于辅助结构，研究采用单参数等效耦合方法，将辅助单元的作用表示为对主单元关键运行参数的改善，并据此评价辅助能耗带来的净效率变化。对于延迟调节结构，则通过储能单元将某一时段无法直接利用的剩余能量转移至后续需求时段，从时间维度上改善系统有用输出。围绕修正能效，论文还建立了不可避免未利用能占比、潜在可回收未利用能占比、回收效率增益、辅助效率增益和实际损失率等支撑指标，形成以初始外部输入能为统一评价边界的综合指标体系。

本文所用主要技术方法可概括为以下几类：其一，基于最小功能单元的能源利用单元统一建模与结构映射方法；其二，未利用能—回收利用—实际损失的分解与逻辑关系建模；其三，面向下游利用、反馈再循环、辅助耦合和延迟调节的修正能效数学构建；其四，采用燃气内燃机热电联产（CHP）系统开展仿真案例验证，并结合热回收、储热与辅助调节工况进行对比分析。样本并非队列数据，而是基于典型系统参数构建的仿真案例，相关参数参考既有文献选取。

在“Representation and Structure Mapping of Energy-Utilization Units”部分，研究人员首先建立了能源利用单元的统一表示方式，明确输入能量不可能全部转化为满足目标功能的有用输出，未直接形成有用输出的部分定义为未利用能。通过对基础单元进行单输入单输出、单输入多输出、多输入单输出和多输入多输出分类，论文给出了统一的能量核算边界与符号体系。随后，研究人员提出串联、辐射、汇聚、反馈、延迟调节和辅助结构等典型映射，指出复杂系统的系统级能效机制不能仅依赖单元内部能量平衡理解，而必须结合多单元之间的能量交互路径分析。该部分的主要结论是：通过统一表示与结构映射，原本异构离散的工程对象可以转化为可分解组合的能流单元，为后续指标定义提供一致的建模基础。

在“Unutilized-Energy Decomposition and Loss Analysis in Energy-Utilization Units”部分，论文对未利用能进行了进一步分类。研究人员将其分为不可避免未利用能与潜在可回收未利用能，并强调未利用能不等同于最终损失。只有在系统边界内具备可行回收路径、足够回收能力以及接收负荷或储能空间时，潜在可回收未利用能中的一部分才能真正被回收并形成有用输出，其余部分最终才转化为实际损失。该部分通过分解关系说明，并非所有未利用能都具有现实节能意义，真正关键的是具有转化潜力且能够被工程利用的那一部分。由此提出两条节能路径：一是从生成机制上减少潜在可回收未利用能，二是从利用结果上尽可能提升其实际回收利用比例。

在“Modified Energy Efficiency for Typical Structures”部分，研究人员首先指出传统能效在不存在回收和内部循环时具有良好可解释性，但当未利用能在后续单元中重新形成有用输出时，传统指标难以完整表征系统边界内能源综合利用程度，因此引入修正能效。对于“Modified Energy Efficiency for Recovery-Type Structures”，论文区分了下游利用结构与反馈再循环结构：前者体现回收能量对新增最终有用输出的直接贡献，后者体现未利用能经回收后重新进入原始单元、增加累计处理能量而不增加外部输入的机制。对于“Modified Energy Efficiency for Auxiliary Structures”，研究人员证明辅助单元虽不直接承担主能流输送任务，但可通过改善运行状态改变主单元效率水平，因此应将辅助能耗与性能提升综合纳入净效益评价。对于“Modified Energy Efficiency for Delay-Regulation Structures”，则指出储能并不改变一次转换能力，而是通过跨时段转移剩余能量提升最终有用输出。该部分的总体结论是，修正能效应针对不同能量交互机制分别构建，并统一以初始外部输入能作为边界，才能避免重复计量并正确识别回收与再利用的系统价值。

在“Comprehensive Evaluation Indicator System and Assessment Procedure”部分，论文构建了完整的评价指标体系。不可避免未利用能占比用于表征受能量转换原理或设备物理特性限制、原则上难以消除的未利用能比例；潜在可回收未利用能占比用于表征理论上可通过优化、回收或调度降低的部分；回收效率增益用于衡量回收单元相对于传统能效带来的系统综合能效绝对提升；辅助效率增益用于评估辅助单元的综合作用，当其为正时表示增益型辅助作用，为负时则表明附加能耗抵消甚至超过性能改善；实际损失率则用于刻画外部输入能中最终未被系统利用的比例。研究人员强调，这些指标不是简单并列，而是在统一边界下围绕未利用能分解、结构识别和修正能效共同构成系统化评价逻辑。

在“Case Study”部分，研究人员以典型燃气内燃机热电联产系统开展验证。于“Structural Mapping and Energy-Flow Decomposition of the System”小节中，系统被映射为由串联、下游利用、延迟调节和辅助结构组成的复合系统。燃气机本体属于单输入多输出结构，输入为天然气化学能，输出包括电能和未利用能；其中辐射散热与机械摩擦更接近不可避免未利用能，而理论上可回收的废热属于潜在可回收未利用能。换热器组负责回收这部分废热并输送至热负荷侧，对应下游利用结构；储热水箱对应延迟调节结构；辅助单元通过改善燃气机与热回收过程的运行状态间接提高系统性能，对应辅助结构。

在“Energy-Flow Calculation Model of the System”小节中，论文建立了燃气内燃机、废热回收、热负荷匹配、储热状态更新及辅助调节响应的计算模型。研究人员定义了燃料输入功率、电输出功率、电效率、理论可回收热份额、各类废热源比例与换热效率，并给出了无储热和考虑储热时的有效供热量、弃热量及储能状态演化关系；同时，以辅助功耗、参考辅助效应和等效参数改善响应因子构建了辅助结构的等效描述，并进一步写出考虑辅助能耗后的系统净修正效率。该小节主要为后续工况比较提供统一计算基础。

在“Evaluation Results Under Different Heat-Utilization Conditions”小节中，研究人员设置了三种稳态工况：Case A为热回收单元不运行的分供工况；Case B为热需求与可回收热量基本匹配的热电联产匹配工况；Case C为热需求显著低于可回收热量的吸纳受限工况。结果显示，传统能效在三种工况下基本不变，而修正能效与实际损失率则出现显著差异。Case A中修正能效为0.368，实际损失率为0.632；Case B中修正能效升至0.729，实际损失率降至0.271；Case C中修正能效降至0.581，实际损失率升至0.419。热源分解进一步表明，Case A仅表现为理论可回收热存在但未进入利用过程，而Case B与Case C中理论可回收热与实际回收热总量接近，说明差异并不主要来自设备回收能力，而在于回收后的热量能否被负荷有效吸收。该部分关键结论是：复杂系统性能提升的核心不只是“能否回收”，更在于“回收后能否真正利用”。

在“Comparative Analysis with Existing Energy-Efficiency Indicators”小节中，研究人员将所提方法与传统电效率及系统层面火用效率进行比较。结果表明，火用效率能够反映不同工况下的相对性能差异，并从能质量退化和不可逆性角度提供更全面的热力学参考；但与修正能效相比，其对不同热利用条件变化的敏感性较弱，因为火用分析并未显式追踪潜在可回收未利用能最终是被负荷吸收、跨时段转移还是变为实际损失。由此得出结论：传统电效率反映发电转换性能，火用效率评价能质与不可逆损失，而本文修正能效进一步揭示回收路径、再利用结果与实际损失削减，二者具有互补关系。

在“Gain Analysis of Delay-Regulation and Auxiliary Structures”小节中，研究人员进一步分析储热与辅助调节的增益效应。连续4天运行结果表明，不配置储热时，系统修正能效为0.7169，实际损失率为0.2831，热负荷满足率为0.9689，累计弃热为5702.3 kWh。引入储热后，储能单元并未改变一次转换能力，而是通过将供热过剩时段的热量转移到供热不足时段，降低了由时间不匹配导致的弃热。灵敏度分析进一步显示，随着储热容量增加，残余弃热逐渐下降，热负荷满足率提高，修正能效增益与实际损失率降幅同步增加；当储热容量超过约2000 kWh后，主要供热失配已基本缓解，继续扩大容量的边际收益有限。对于辅助结构，等效响应因子随辅助输入强度增加而上升并逐渐饱和，总修正能效增益和实际损失率降幅也先增加后趋稳；但由于辅助调节本身消耗额外能量，净效率增益则表现为先升后降。这表明延迟调节主要通过跨时段移热改善系统性能，而辅助调节的有效性取决于主系统性能改善与附加能耗之间的平衡。

论文讨论部分的核心内容可概括为：所提出框架能够在统一外部输入边界下，把复杂能源利用系统中的未利用能、回收利用与最终损失联系起来，因而比传统单一效率指标更能反映系统的最终工程利用水平。案例研究表明，在余热回收能力相近的情况下，真正决定综合能效差异的是负荷匹配、跨时段调节和辅助投入是否使潜在可回收未利用能转化为实际有用输出。与火用分析相比，本文方法并非替代热力学本质分析，而是从工程利用机制层面提供补充解释，尤其适用于识别回收路径是否有效、储能移峰是否降低实际损失、辅助调节是否带来净收益等问题。论文的意义在于，为热电联产、余热回收系统及其他链式、多能耦合能源利用系统提供了一套可分解、可映射、可比较的综合能效评价思路。

研究结论部分可译述为：本研究提出了一种基于未利用能分解的复杂能源利用系统修正能效评价框架。通过引入最小功能单元概念，建立了基础能源利用过程的统一表征，并将复杂能量交互映射为若干典型结构，从而把多级与多能耦合关系转化为可分解、可组合的能流路径，为能效修正与综合性能评价提供了一致建模基础。研究的主要贡献在于区分了未利用能与实际损失，并进一步将未利用能分解为不可避免未利用能和潜在可回收未利用能。该区分表明，复杂能源利用系统的节能潜力不仅取决于减少未利用能总量，还取决于可回收部分能否通过回收、反馈、跨时段转移或辅助调节得到再利用。基于这一机制，研究人员构建了修正能效指标。以燃气内燃机热电联产系统为验证对象的结果表明，所提出的修正能效和实际损失率能够有效反映可回收未利用能最终是转化为有用输出还是实际损失。在热电联产匹配工况下，修正能效由0.3680提高至0.7291，实际损失率由0.6320降低至0.2709。对延迟调节与辅助调节结构的分析进一步表明，储热可通过跨时段转移可回收热量改善系统性能，而过高的辅助输入可能抵消主系统效率提升带来的正面作用。总体而言，该方法从工程利用角度为热电联产系统、余热回收系统及其他链式或多能耦合能源利用系统评价提供了补充视角，强调对潜在可回收未利用能最终利用结果及其向实际损失转化过程的关注。