一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法与流程

本发明涉及海水淡化效益分析、综合能效评价体系构建领域，尤其涉及一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法。

背景技术：

水资源作为一项基础性的自然资源，对人类生存和经济发展具有重要的影响。伴随我国市场经济的飞速发展以及城市化发展进程不断加快，水资源尤其是淡水资源受到超限度应用，导致供给与需求矛盾不断扩大。海水淡化技术凭借原理简单、技术成熟、不受时空和气候影响的优势，逐渐成为解决中国淡水资源缺乏问题的重要途径。

能源互联网概念的提出为缓解能源危机和环境问题提供了新思路，受到了广泛关注。作为能源互联网的重要形式，多源多荷系统对于充分促进可再生能源大规模、灵活、高效的接入和消纳具有重要意义。同时沿海地区太阳能，风能等可再生能源资源十分丰富，充分利用这些资源，是解决海水淡化能源消耗过高，环境污染等问题的重要方案。

海水淡化多源多荷系统涉及设备丰富，系统多样，相互关联复杂，在选取指标构建体系时需充分考虑各设备和可再生能源的特点，全面评价系统各个角度的属性。同时，海水淡化多源多荷系统中可再生资源有间歇性和不稳定性的特点，这为评价指标体系与评价方法的建立带来困难。因此，对海水淡化多源多荷系统进行比较及优化的评价准则成为目前研究的热点与难点。指标体系的建立是综合能效评价的基础，建立合理的指标体系是评价结果具有科学性和可靠性的前提条件。复杂的影响因子导致海水淡化多源多荷系统的评价指标众多，且主客观指标并存，难以形成统一的标准，难以保证评价结果的准确性。需要根据海水淡化多源多荷系统的能效特征提出涉及能源、装置、经济、环境和社会等多个维度的综合评价技术。

因此，建立合理并具有统一性的评价指标体系是一项十分重要的工作。是实现海水淡化多源多荷系统稳定运行，提高系统经济合理性、环境保护性、以及社会效益，保证其各方面综合效益最佳的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法，本发明可有效解决海水淡化多源多荷系统构建准备和优化运行过程中，系统的综合能效评价问题。是实现海水淡化多源多荷系统稳定运行，提高系统经济合理性、环境保护性、以及社会效益，保证其各方面综合效益最佳的有效途径。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法，包括以下过程：

(1)构建海水淡化多源多荷系统能源能效指标体系；

(2)构建海水淡化多源多荷系统装置能效指标体系；

(3)构建海水淡化多源多荷系统经济能效指标体系；

(4)构建海水淡化多源多荷系统环境和社会能效指标体系；

(5)综合考虑所建立的能源能效指标体系、装置能效指标体系、经济能效指标体系、环境和社会能效指标体系构建海水淡化多源多荷系统综合能效指标体系。

进一步的，所述能源能效指标体系包括能够评价海水淡化多源多荷系统能源能效水平的5类子指标，包括可再生能源能效水平、储能能效水平、电能效水平、热能效水平和冷能效水平。

进一步的，所述可再生能源能效水平定义为：

其中，pp为多源多荷系统中运行年光伏发电量总量，pt为多源多荷系统中运行年风力发电量总量；pa为当地年平均光照和风力水平下，全年理论可再生能源发电总量；

所述的储能能效水平，定义为：

其中，pout为储能系统的放电量，pin为储能系统的充电量；

所述电能效水平，定义如下：

其中，pel为多源多荷系统供给电负荷的电能；pei为多源多荷系统耗电设备消耗的电能；pew为海水淡化装置产水所需的电能；pre、ps、pg分别为多源多荷系统的可再生能源电能供给、储能放电量和电网电能输入；

所述热能效水平，定义如下：

其中，qhl为多源多荷系统供给热负荷的热能，qhi为多源多荷系统内耗热设备和海水淡化装置消耗的热能；qhw为海水淡化装置产水所需电能；qchp、qgb、qeb分别为多源多荷系统的chp、燃气锅炉和电锅炉产生的热能；

所述冷能效水平，定义如下：

其中，qcl为多源多荷系统供给冷负荷的制冷量，qci为多源多荷系统内部消耗的制冷量；qec、qac分别为电制冷机和吸收式制冷机的制冷量。

进一步的，所述装置能效指标体系包括能够评价海水淡化多源多荷系统能效水平的5类子指标，包括平均能源转化效率、装置设备利用率、装置设备故障率、装置使用寿命年限、装置运行维护系数指标。

进一步的，所述平均能源转化效率，定义如下

其中，eout为装置能量输出量，ein为装置能量输入量，n为海水淡化多源多荷系统中，能量利用和变换装置的数量，mfw为海水淡化装置淡水产量，msw为海水淡化装置海水利用量；

装置设备利用率，定义如下

其中，tau为单台设备每日系统实际运行机时数，tpu为单台设备每日系统计划运行机时数，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量；twau为海水淡化每日实际运行机时数，twpu为海水淡化每日计划运行机时数；

装置设备故障率，定义如下

其中，tft为单台设备故障停机时间，tnt为单台设备正常运行时间，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量；twft为海水淡化装置故障停机时间，twnt为海水淡化装置正常运行时间；

装置使用寿命年限，定义如下

其中，teu为单台装置正常使用和损耗情况下的预期使用寿命；n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量；twu为海水淡化装置正常使用和损耗情况下的预期使用寿命；

装置运行维护系数，定义如下

其中，tma为单台设备一个运行周期维护所花费的时间，top为单台设备一个运行周期的正常工作时间，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量；twma为海水淡化装置运行周期维护所花费的时间，twop为运行周期的正常工作时间。

进一步的，所述经济能效指标体系包括能够评价海水淡化多源多荷系统经济能效水平的5类子指标，包括综合能源成本、系统投资成本、系统运行维护成本、系统产出效益、系统综合收益率指标。

进一步的，所述综合能源成本，定义如下：

wec＝wele+wgas+wwat(30)

其中，wele为一个典型运行日，海水淡化多源多荷系统运行的购电成本，wgas为一个典型运行日，海水淡化微多源多荷系统运行的购气成本，wwat为一个典型运行日，淡化海水过程所需海水的获取成本；

系统投资成本，定义如下：

wsi＝wdi+wwi+woi(31)

其中，wdi为系统建设的设备固定投资费用，wwi为系统中海水淡化装置的投资费用，woi为系统建设过程中其他环节投资费用，至少包括规划设计费用、管线建设费用、勘测丈量费用、土地使用费用、临时设施费用、预算编审费用；

系统运行维护成本wom为运营周期内，运行维护过程中支出的费用，包括为系统中装置，管线和海水淡化设备投入的费用；

系统产出效益，定义如下：

wob＝weload+whload+wcload+wwload(32)

其中，weload、whload、wcload、wwload分别为电、热、冷负荷供给及淡水产出的收益；

系统综合收益率，定义为：

即为系统总产出收益与总投入成本的比值。

进一步的，所述环境和社会能效指标体系包括能够评价海水淡化多源多荷系统环境和社会能效水平的5类子指标，包括污染物排放能效水平、废弃物能效水平、环境贡献能效水平、用户能效认同度、社会能效认同度指标。

进一步的，所述污染物排放能效水平，定义为：

其中，wein为总能量输入量，包括可再生能源，电能和燃气能量输入，gm为单一污染物排放量，m为污染物种类数；

废弃物能效水平，定义为：

其中，hm定义为单一废弃物量；

环境贡献能效水平，定义为：

其中，mp为光伏发电折算二氧化碳减排量，mt为风力发电折算二氧化碳减排量，mc为系统运行中消耗非可再生资源总能量折算二氧化碳排放量；

用户能效认同度，定义为：

iu＝iuc+iuh+iue+iuw(37)

其中，iuc、iuh、iue、iuw分别表示用户对冷、热、电、水能源的认同度；

社会能效认同度，定义为：

is＝isu+ise+iss(38)

其中，isu、isu、iss分别为社会对用户服务，环境贡献、社会贡献的认同度；其中，认同度为一衡量对事物认同水平的主观量，可通过调查问卷等方式获取，评分在1-10之间，1非常为不满意，10为非常满意。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明描述了一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法，其中多源多荷系统包含光伏，风电等可再生资源，蓄电池等储能装置，chp、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机等制冷制热设备，冷热电负荷，海水淡化装置等，多种形式能源之间相互耦合，兼具冷、热、电、淡水产出。

2.本发明通过建立的能源能效指标体系对系统建设和运行的能源能效进行评估优选，可以提高光伏和风电等可再生资源的消纳水平，提高储能装置的运行效率，提高冷、热、电的能源利用效率。

3.本发明通过建立的装置能效指标体系对系统建设和运行的装置能效进行评估优选，能提高系统各装置的能源转化效率，装备利用率，装置使用寿命，降低运行维护时间。

4.本发明通过建立的经济能效指标体系对系统建设和运行的经济能效进行评估优选，在较少的投资和运行维护费用情况下，提高系统产出收益和能量综合利用效率。

5.本发明通过建立的环境和社会能效指标体系对系统建设和运行的环境和社会能效进行评估优选，降低污染物排放水平和废弃物排放，提高用户和社会对多源多荷系统的认同水平。

附图说明

图1是本发明所实施综合能效评价体系的结构示意图。

图2-1和图2-2分别为采用典型热法和膜法的海水淡化多源多荷系统模型。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本具体实施方式公开了一种海水淡化多源多荷系统综合能效评价体系构建方法，包括以下过程：

构建海水淡化多源多荷系统能源能效指标体系。

构建海水淡化多源多荷系统装置能效指标体系。

构建海水淡化多源多荷系统经济能效指标体系。

构建海水淡化多源多荷系统环境和社会能效指标体系。

综合考虑所建立的能源能效指标体系、装置能效指标体系、经济能效指标体系、环境和社会能效指标体系构建海水淡化多源多荷系统综合能效指标体系，如图1所示。

将可再生能源引入海水淡化系统，组建多源多荷系统，使海水淡化同时兼具冷、热、电产出，是解决传统海水淡化能源问题的有效手段，有助于缓解淡水资源危机，保障人类生产生活和经济发展。在包含光伏，风电等可再生资源，蓄电池等储能装置，chp、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机等制冷制热设备，冷热电负荷，海水淡化装置，多种形式能源之间相互耦合，兼具冷、热、电、淡水产出的海水淡化多源多荷系统中，引入包含能源、装置、经济、环境和社会能效指标的综合评价体系，能更好解决海水淡化多源多荷系统的建设和运行问题，海水淡化多源多荷系统如图2-1和图2-2所示。

为了保证所述海水淡化多源多荷系统的能源利用效率，从能源能效角度建立海水淡化多源多荷系统能源能效指标体系。能源能效指标体系包括可再生能源能效水平、储能能效水平、电能效水平、热能效水平、冷能效水平五个子指标。

海水淡化多源多荷系统包含光伏，风电等可再生资源，高可再生能源利用效率可以有效缓解海水淡化耗能弊端，因此衡量可再生能源能效水平是判断多源多荷系统能源效率的重要手段，可用下述公式计算：

其中，ηre为多源多荷系统可再生能源能效水平，pp为多源多荷系统中运行年光伏发电量总量，pt为多源多荷系统中运行年风力发电量总量。pa为当地年平均光照和风力水平下，全年理论可再生能源发电总量。

储能可以在可再生能源充足时储存多余电能，在可再生能源不足和故障时释放电能保证海水淡化多源多荷系统正常运行。其储能能效水平定义如下：

其中，ηst为多源多荷系统储能能效水平，pout为储能系统的放电量，pin为储能系统的充电量。

海水淡化多源多荷系统兼具冷、热、电三种形式能量的输出，三种能源的输出和利用效率是多源多荷系统能源能效水平的重要指标，电能效水平ηe定义如下：

其中，pel为多源多荷系统供给电负荷的电能。pei为电制冷机、电锅炉等设备消耗的电能。pew为海水淡化装置产水所需的电能。pre，ps，pg为多源多荷系统的可再生能源电能供给，储能放电量和电网电能输入。

热能效水平ηh定义如下：

其中，qhl为多源多荷系统供给热负荷的热能，qhi为吸收式制冷机，海水淡化装置等设备消耗的热能。qhw为海水淡化装置产水所需电能。qchp，qgb，qeb为多源多荷系统的chp，燃气锅炉，电锅炉提供产生的热能。

冷能效水平ηc定义如下：

其中，qcl为多源多荷系统供给冷负荷的制冷量，qci为多源多荷系统内部消耗的制冷量。qec，qac为电制冷机和吸收式制冷机的制冷量。

为了保证所述海水淡化多源多荷系统的装置利用效率，从装置能效角度建立海水淡化多源多荷系统装置能效指标体系。装置能效指标体系包括平均能源转化效率、装置设备利用率、装置设备故障率、装置使用寿命年限、装置运行维护系数五个子指标。

海水淡化多源多荷系统中包含储能，chp、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机等设备，在能源利用和转化过程中，装置能源转化效率、装置设备利用率、装置设备故障率、装置使用寿命年限、装置运行维护系数是衡量多源多荷系统能效的重要指标，平均能源转化效率ηec定义如下：

其中，eout为装置能量输出量，ein为装置能量输入量，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量，mfw为海水淡化淡水产量，msw为海水淡化海水利用量。

装置设备利用率ηeu定义如下：

其中，tau为单台设备每日系统实际运行机时数，tpu为单台设备每日系统计划运行机时数，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量。twau为海水淡化每日实际运行机时数，twpu为海水淡化每日计划运行机时数。

装置设备故障率ηef定义如下：

其中，tft为单台设备故障停机时间，tnt为单台设备正常运行时间，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量。twft为海水淡化装置故障停机时间，twnt为海水淡化装置正常运行时间。

装置使用寿命年限teu定义为：

其中，teu为单台装置正常使用和损耗情况下的预期使用寿命。n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量。twu为海水淡化装置正常使用和损耗情况下的预期使用寿命。

装置运行维护系数rom定义为：

其中，tma为单台设备一个运行周期维护所花费的时间，top为单台设备一个运行周期的正常工作时间，n为海水淡化多源多荷系统中装置设备数量。twma为海水淡化装置运行周期维护所花费的时间，twop为运行周期的正常工作时间。

为了保证所述海水淡化多源多荷系统的能源经济效益，从经济能效角度建立海水淡化多源多荷系统经济能效指标体系。经济能效指标体系包括综合能源成本、系统投资成本、系统运行维护成本、系统产出效益、系统综合收益率五个子指标。

海水淡化多源多荷系统产出包括淡水、冷、热、电，可以带来收益。建设过程中主要投入为装置设备建设费用，运行过程中主要投入为能源投资和运营维护投资。在经济角度对多源多荷系统综合能源成本、系统投资成本、系统运行维护成本、系统产出效益、系统综合收益率进行分析，是分析多源多荷系统能源投入与产出的重要环节，与经济能效有关的指标定义如下。

综合能源成本wec定义如下：

wec＝wele+wgas+wwat(49)

其中，wele为一个典型运行日，海水淡化多源多荷系统运行的购电成本，wgas为一个典型运行日，海水淡化多源多荷系统运行的购气成本，wwat为一个典型运行日，淡化海水过程所需海水的获取成本。

系统投资成本wsi定义如下：

wsi＝wdi+wwi+woi(50)

其中，wdi为系统建设的设备固定投资费用，wwi为系统中海水淡化装置的投资费用，woi为系统建设过程中其他环节投资费用，如管线建设，土地使用费用等。

系统运行维护成本wom为运营周期内，运行维护过程中支出的费用，至少包括规划设计费用、管线建设费用、勘测丈量费用、土地使用费用、临时设施费用、预算编审费用。

系统产出效益wob定义如下：

wob＝weload+whload+wcload+wwload(51)

其中，weload，whload，wcload，wwload为电、热、冷负荷供给及淡水产出的收益。

系统综合收益率wab定义为：

即为系统总产出的收益与总投入成本的比值。

为了保证所述海水淡化多源多荷系统的环境和社会效益，从环境和社会能效角度建立海水淡化多源多荷系统环境和社会能效指标体系。环境和社会能效指标体系包括污染物排放能效水平、废弃物能效水平、环境贡献能效水平、用户能效认同度、社会能效认同度五个子指标。

在海水淡化多源多荷系统能量产出和输入利用过程中，会对环境和社会造成影响，由此定义环境和社会能效指标对能源的环境社会影响进行分析。定义污染物排放能效水平、废弃物能效水平、环境贡献能效水平、用户能效认同度、社会能效认同度如下：

污染物排放能效水平ηce定义为：

其中，wein为总能量输入量，包括可再生能源，电能和燃气能量输入，gm为单一污染物排放量，m为污染物种类数。

废弃物能效水平ηwe定义为：

其中，hm定义为单一废弃物量。

环境贡献能效水平ηed定义为：

其中，mp为光伏发电折算二氧化碳减排量，mt为风力发电折算二氧化碳减排量，mc为系统运行中消耗非可再生资源总能量折算二氧化碳排放量。

用户能效认同度iu定义为：

iu＝iuc+iuh+iue+iuw(56)

其中，iuc，iuh，iue，iuw分别表示用户对冷、热、电、水能源的认同度。

社会能效认同度is定义为：

is＝isu+ise+iss(57)

其中，isu，isu，iss为社会对用户服务，环境贡献、社会贡献的认同度。其中，认同度为一衡量对事物认同水平的主观量，可通过调查问卷等方式获取，评分在1-10之间，1非常为不满意，10为非常满意。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。