燃料電池綜合能源系統(tǒng)在大學校園的應用

黃鈺澤，任洪波，吳瓊，李琦芬，楊涌文

(上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090)

在全球氣候變暖態(tài)勢日益凸顯、能源安全局勢日益嚴峻的大背景下，氫能以其清潔、零排放、高熱量等優(yōu)勢而受到各國廣泛關(guān)注[1]。美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)均將氫能發(fā)展提升至國家戰(zhàn)略層面，并制定了相應的中長期發(fā)展規(guī)劃與路線圖；中國也高度重視氫能發(fā)展，將其視為推動能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的重要抓手[2]。氫能利用的核心技術(shù)之一是燃料電池，根據(jù)其電解液不同，可以有多種類型，最早實現(xiàn)商業(yè)化的是堿性燃料電池(alkaline fuel cell, AFC)和磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell, PAFC)[3]。燃料電池的工作原理為：當外部不斷輸送燃料和氧化劑時，燃料氧化所釋放的能量也就源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能和熱能[4]。就燃料電池的應用領(lǐng)域而言，以燃料電池汽車為代表的交通領(lǐng)域是當前關(guān)注的熱點[5-6]，但基于發(fā)電、供熱的固定式應用也越發(fā)受到關(guān)注。以知名產(chǎn)品日本家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)ENE-FARM為例，其綜合能效可高達85%～95%[7]。為此，構(gòu)建以燃料電池為主體的綜合能源系統(tǒng)將是未來能源系統(tǒng)能級提升的重要方向之一。

在中國，基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)尚處于研究開發(fā)階段，有待通過典型商業(yè)示范推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而大學校園是推進相關(guān)實踐的最佳探索場所。一方面，大學校園兼具辦公、生活、實驗等多類型負荷，總量大且要求高；另一方面，由于兼具教育教學的要求使命，大學也是踐行綠色低碳理念的最佳載體。中國目前共有3 000多所大學，遍布全國各地，通過在大學校園進行燃料電池綜合能源系統(tǒng)的示范應用，將起到教育、科研、產(chǎn)業(yè)多方面功效。因此，有必要針對大學校園的典型用能特性，開展基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)的適用性探討。

近年來，國內(nèi)外學者已經(jīng)對燃料電池綜合能源系統(tǒng)展開了系列研究，研究發(fā)現(xiàn)，燃料電池設備高昂的成本是制約系統(tǒng)推廣的重要因素。文獻[8]分析了ENE-FARM的技術(shù)原理及推廣應用情況，并引入盈虧平衡電價曲線分析了系統(tǒng)在日本和中國應用的經(jīng)濟性差異，結(jié)果表明該系統(tǒng)當前尚不適合在中國開展大規(guī)模應用；文獻[9]將污水處理廠的沼氣作為固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)系統(tǒng)的燃料，并分析了其應用于污水處理廠的經(jīng)濟性；文獻[10]探討了燃料電池綜合能源系統(tǒng)應用于公共建筑的可行性，結(jié)果表明較高的投資價格是制約燃料電池系統(tǒng)推廣的主要原因。燃料電池綜合能源系統(tǒng)的不同運行模式也是影響其應用效果的重要因素。文獻[11]提出了可根據(jù)熱電負荷需求自我調(diào)節(jié)輸出功率的質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)相較于SOFC系統(tǒng)具有更高的碳減排率和經(jīng)濟效益；文獻[12]探究了PAFC綜合能源系統(tǒng)以電定熱、以熱定電兩種運行模式的運行效果，結(jié)果表明以電定熱模式雖然能夠獲得更高的經(jīng)濟效益，但會增加二氧化碳排放。文獻[13]兼顧考慮經(jīng)濟性和環(huán)境性，提出了基于燃料電池的微網(wǎng)運行優(yōu)化模型，并采用改良的遺傳算法進行求解分析。

另一方面，不同氣候區(qū)的負荷特性也會影響燃料電池系統(tǒng)的推廣。文獻[14]分析了商業(yè)建筑配置SOFC系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)能性，結(jié)果表明SOFC系統(tǒng)安裝在熱負荷需求較高的建筑可以獲得更高的經(jīng)濟效益；文獻[15]分析了不同氣候區(qū)上網(wǎng)電價政策對熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設計和性能的影響，發(fā)現(xiàn)較冷地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能往往優(yōu)于較熱地區(qū)。此外，通過對燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)改進亦可提升系統(tǒng)整體性能。文獻[16]搭建了天然氣重整制氫-SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的節(jié)能性，結(jié)果表明，采用天然氣的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)火力發(fā)電系統(tǒng)更加節(jié)能。文獻[17]設計了一個應用于大型公共建筑的集成水循環(huán)熱泵和SOFC的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲得更高的一次能源效率，并且提升二氧化碳的減排效果。文獻[18]基于商業(yè)軟件構(gòu)建了整體煤氣化固體氧化物燃料電池-燃氣輪機混合發(fā)電系統(tǒng)模型，模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率及總能利用率。綜上所述，作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)，燃料電池在能源電力領(lǐng)域的應用已受到廣泛關(guān)注，但針對燃料電池綜合能源系統(tǒng)在大學校園的應用效果分析，目前國內(nèi)外尚鮮有報道。

為此，現(xiàn)以基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)為研究對象，探討其在中國典型地區(qū)大學校園的應用可行性。首先，利用能耗模擬軟件模擬出中國不同氣候區(qū)典型大學校園的全年逐時負荷；其次，在提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與選型配置方法的基礎上，綜合考慮燃料電池的部分負荷特性和多樣化運行模式，構(gòu)建系統(tǒng)能量流理論模型；同時，從技術(shù)、節(jié)能、環(huán)境和經(jīng)濟等維度確立系統(tǒng)評價模型?；谒_定的理論模型，兼顧不同地區(qū)的能源價格、政策補貼、碳排放系數(shù)等，從定量層面對燃料電池綜合能源系統(tǒng)在大學校園的適用性進行探討。

1 基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及容量配置方法

1.1 基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)以燃料電池為核心，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。一方面通過本地發(fā)電與電網(wǎng)協(xié)同供應電力需求，另一方面通過余熱回收進行供熱(熱水)和供冷(通過吸收式制冷機)，不足部分通過燃氣鍋爐補充，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。作為參照，常規(guī)系統(tǒng)采用電網(wǎng)供電，電制冷機組滿足冷負荷，熱(熱水)負荷則由燃氣鍋爐供應。

圖1 燃料電池綜合能源系統(tǒng)與常規(guī)供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于燃料電池的綜合能源系統(tǒng)容量配置方法

在綜合能源系統(tǒng)中，各供能設備的選型配置至關(guān)重要，其中發(fā)電設備容量的確定尤為關(guān)鍵。目前在工程層面大多基于負荷峰值按比例(多為25%～40%)設定，或者按電負荷頻度進行選擇，以保證發(fā)電設備運行小時數(shù)；在理論層面，為確保設備選型的科學性，開發(fā)了諸多基于線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃，以及遺傳算法等啟發(fā)式算法的優(yōu)化設計模型[19]，以及采用基于負荷(可以是熱負荷也可以是電負荷，可根據(jù)擬采用的設計運行模式選定)延時曲線的“最大面積法”來進行燃料電池容量的設定[20]。為此，通過選用“最大面積法”為燃料電池容量的設定方法。

2 理論建模

2.1 燃料電池綜合能源系統(tǒng)的能量模型

對于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)而言，目前常見的運行模式的區(qū)分主要是考慮運行過程中熱負荷(包括供熱、供冷和熱水負荷)、電負荷的優(yōu)先度，據(jù)此主要有“以熱定電”“以電定熱”兩種模式，在此基礎上，考慮了兼顧熱電平衡的“熱電綜合”模式，并將其與前兩種運行模式進行了對比分析。

2.1.1 “以熱定電”運行模式

(1)

用戶總熱負荷Qreq計算公式為

(2)

式(2)中：Qc為用戶冷負荷需求；COPab為吸收式制冷機組的性能系數(shù)；Qh為用戶熱負荷；Qw為用戶熱水負荷；ηhe為換熱器效率。

燃料電池的運行考慮了其部分負荷特性，主要取決于負荷率ffc，“以熱定電”模式下的燃料電池部分負荷率計算公式為

(3)

根據(jù)燃料電池負荷率，可確定其發(fā)電效率和余熱回收效率[21]計算公式為

0.755 6ffc+1.248)

(4)

3.815 0ffc-0.420 4)

(5)

式中：ηe、ηh分別為部分負荷下的發(fā)電效率與余熱回收效率；ηe0、ηh0分別為燃料電池額定發(fā)電效率與余熱回收效率。

(6)

(7)

(8)

式(8)中：ηb為鍋爐效率。

(9)

式(9)中：E為用戶直接電負荷。

(10)

(11)

(12)

式(12)中:η和ηgrid分別為電廠發(fā)電效率和輸配電效率。

則“以熱定電”模式下整個綜合能源系統(tǒng)的一次能源消費量FFTL計算公式為

(13)

2.1.2 “以電定熱”運行模式

(14)

(15)

其部分負荷下的效率特性與前述式(4)和式(5)一致。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

據(jù)此，可確定“以電定熱”模式下綜合能源系統(tǒng)總一次能源消費量FFEL計算公式為

(22)

2.1.3 “熱電綜合”運行模式

“以熱定電”和“以電定熱”兩種運行方式各有優(yōu)劣。“以熱定電”模式可以確保系統(tǒng)余熱的充分利用，但由于目前電網(wǎng)體制對余剩電力上網(wǎng)管控較嚴，即使允許上網(wǎng)，上網(wǎng)價格也極低甚至為零；相反，“以電定熱”模式雖可保證電力的本地平衡，但可能會產(chǎn)生一定的余熱浪費。為此，在現(xiàn)行電力體制下，為實現(xiàn)電、熱本地消納，避免能量浪費，可考慮綜合“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式優(yōu)勢，所提出的“熱電綜合”運行模式如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)運行模式示意圖

由于“熱電綜合”模式是“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式的時序耦合，因此可以根據(jù)在特定時段系統(tǒng)所選擇的運行模式，采用相對應的能量計算流程。具體計算時，可通過供需兩側(cè)熱電比的對比分析，判斷所采用的運行模式：當供給側(cè)熱電比大于需求側(cè)熱電比時，采用“以熱定電”模式；反之，則采用“以電定熱”模式。此外，在該模式下，還分別根據(jù)“以熱定電”和“以電定熱”設定了兩類燃料電池容量情景進行分析。

2.2 常規(guī)系統(tǒng)的能量模型

常規(guī)系統(tǒng)，電力負荷由兩部分組成。其中，制冷過程所需電負荷ECH為

(23)

式(23)中：COPCH為電制冷機組的性能系數(shù)。

因此，常規(guī)系統(tǒng)的電能平衡應滿足式(24)，即

(24)

(25)

常規(guī)系統(tǒng)的熱平衡應滿足的關(guān)系式為

(26)

式(26)中：Qb為燃氣鍋爐供熱量。

(27)

因此，常規(guī)能源系統(tǒng)的總一次能源消費量FCS為

(28)

2.3 系統(tǒng)評價指標

技術(shù)性指標是燃料電池綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建所關(guān)注的核心。近年來，隨著節(jié)能減排理念的日益滲透，節(jié)能性和環(huán)境性指標也越發(fā)受到關(guān)注，并被列入相關(guān)技術(shù)規(guī)程。經(jīng)濟性指標雖然不是約束性指標，但系統(tǒng)經(jīng)濟性是決定其能否推廣應用的關(guān)鍵，在此也一并探討。

2.3.1 技術(shù)性指標

以滿足用戶冷、熱、電多元能源需求為立足點，兼顧本地產(chǎn)能與外部購能，設定年平均能源綜合利用效率作為技術(shù)性指標，計算公式為

(29)

式(29)中：η為系統(tǒng)能源綜合利用效率；E+Qc+Qh+Qw為用戶側(cè)的各項負荷需求總量；F為燃料電池綜合能源系統(tǒng)總一次能源消費量。

2.3.2 節(jié)能性指標

選用相對節(jié)能率ESR作為節(jié)能性指標。即滿足相同能源需求，燃料電池綜合能源系統(tǒng)相對于常規(guī)供能系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率，計算公式為

(30)

2.3.3 環(huán)境性指標

以燃料電池綜合能源系統(tǒng)相對于常規(guī)供能系統(tǒng)的二氧化碳排放削減率作為減排性指標，計算公式為

(31)

式(31)中：CER為碳減排率；CECS、CE分別為常規(guī)供能系統(tǒng)與燃料電池綜合能源系統(tǒng)的二氧化碳排放量。

2.3.4 經(jīng)濟性指標

以靜態(tài)投資回收期作為經(jīng)濟性評價指標，計算公式為

(32)

3 算例分析

3.1 研究對象與負荷分析

考慮到中國幅員遼闊，不同地區(qū)的氣候差異性會導致明顯的用能特性差異[22]，且不同地區(qū)的能源價格等其他相關(guān)要素也不盡一致。為此，針對我國五大典型建筑氣候區(qū)，分別選取哈爾濱、北京、上海、昆明和廣州作為代表城市進行分析。

針對選定城市，設定學生規(guī)模約1萬人的中等規(guī)模大學，包含教學樓、辦公樓、圖書館和宿舍樓等大學典型建筑?；趀QUEST能耗模擬軟件構(gòu)建典型大學校園能耗模型，根據(jù)大學校園設計相關(guān)標準，設定園區(qū)總建筑面積約25萬m2，同時設定5—9月為供冷期，1—3月、以及11—12月為供暖期；電力負荷只考慮設備用電且24 h供應；熱水負荷夜間不供應。由于寒暑假期之間在校活動人數(shù)不規(guī)律，負荷特性差異較大，因此不考慮寒暑假的各項負荷需求；為了便于呈現(xiàn)各月的負荷特性，每月選取一個典型日作為該月典型負荷。選定城市大學校園負荷模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 選定城市大學校園年逐時負荷圖

3.2 系統(tǒng)設備參數(shù)

常規(guī)系統(tǒng)及燃料電池綜合能源系統(tǒng)相關(guān)設備參數(shù)如表1所示，主要包含各設備或系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)及初投資費用相關(guān)信息。此外，中國部分地區(qū)針對綜合能源系統(tǒng)的應用出臺了相關(guān)補貼政策，在經(jīng)濟性分析中也會予以考慮。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設定[14,23-24]

3.3 其他相關(guān)參數(shù)設定

電價與天然氣價格是影響綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵因素，不同地區(qū)的價格標準也有所差異；上海等地為促進綜合能源系統(tǒng)的應用推廣，還出臺了優(yōu)惠氣價，具體如表2所示。

表2 選定城市的電力與燃氣價格

此外，為評估系統(tǒng)碳排放量，需考慮各地電網(wǎng)和天然氣的平均碳排放系數(shù)，如表3所示。

表3 各地區(qū)的二氧化碳排放系數(shù)[25]

4 結(jié)果與討論

4.1 原動機容量的確定

根據(jù)前述“最大面積法”可以確定燃料電池綜合能源系統(tǒng)中燃料電池的配置容量。以哈爾濱地區(qū)的大學校園為例，說明容量配置過程。在如圖4所示的逐時負荷曲線上，找到面積最大的矩形，其中一個頂點于原點，另一個頂點被約束在曲線本身。以熱負荷曲線為例，根據(jù)熱負荷持續(xù)時間曲線下面積的最大化，確定出“以熱定電”運行模式下，燃料電池熱容量為9.160 MW，相應的全年滿負荷運行時間為1 419 h。同理，通過電負荷曲線可以確定出“以電定熱”運行模式下，燃料電池電容量為5.245 MW，相應的全年滿負荷運行時間為1 728 h。按照此類方法，其他地區(qū)大學綜合能源系統(tǒng)燃料電池容量亦可確定，如表4所示。

表4 各地區(qū)大學園區(qū)燃料電池系統(tǒng)容量

圖4 燃料電池裝機容量確定示意圖

4.2 能量平衡

為了更好地展示所提運行模式的設計和運行結(jié)果，給出了所選解決方案每小時的熱(包括供熱、供冷和熱水)、電負荷平衡。圖5～圖8分別給出了哈爾濱地區(qū)大學校園典型日的4種運行模式的能量平衡圖。

圖5 以熱定電運行模式

圖6 以電定熱運行模式

圖7 熱電綜合(熱容量)運行模式

圖8 熱電綜合(電容量)運行模式

圖5(a)和圖5(b)分別為“以熱定電”運行模式下的熱負荷和電負荷平衡圖?？梢钥闯?，當熱負荷需求較高時，燃料電池的供熱量不能完全滿足熱負荷需求，此時需要鍋爐來額外補充熱負荷；當熱負荷需求量較低時，燃料電池停止運行，熱負荷由鍋爐提供熱量來滿足，電負荷則通過電網(wǎng)購電來提供。當燃料電池“以熱定電”運行時提供的電量高于電負荷需求量時，多余的電力可輸入到電網(wǎng)。

圖6(a)和圖6(b)分別為“以電定熱”運行模式下的熱負荷和電負荷平衡圖?？梢钥闯?，當電負荷需求較高時，燃料電池的發(fā)電量不能完全滿足電負荷的需求，此時需要從電網(wǎng)購電來額外補充電負荷；當電負荷需求量較低時，燃料電池停止運行，只通過電網(wǎng)購電來提供電負荷，此時熱負荷由鍋爐來提供。當燃料電池“以電定熱”運行時提供的熱量高于熱負荷需求量時，產(chǎn)生的余熱若不進行利用則會造成能量浪費。

圖7(a)、圖7(b)和圖8(a)、圖8(b)分別為“熱電綜合(熱容量)”和“熱電綜合(電容量)”運行模式下的熱負荷和電負荷平衡圖?？梢钥闯?，這兩種運行模式在運行過程中沒有多余能量的產(chǎn)生，可實現(xiàn)本地產(chǎn)能的完全消納；受限于燃料電池容量的大小，兩種運行模式各時段的供能情況也不完全相同。例如，在16時，“熱電綜合(熱容量)”運行模式下，所需熱負荷由燃料電池和鍋爐提供，電負荷由燃料電池提供；而在“熱電綜合(電容量)”運行模式下，所需熱負荷則完全由燃料電池提供，電負荷由燃料電池和電網(wǎng)共同提供。

4.3 技術(shù)性分析

能源綜合利用效率是衡量綜合能源系統(tǒng)技術(shù)性的核心指標。中國相關(guān)技術(shù)規(guī)程均明確提出了燃氣分布式供能系統(tǒng)年平均能源綜合利用效率不低于70%的技術(shù)要求；上海市最新出臺的扶持政策更是推出了基于效率的階梯式補貼措施，只有綜合利用效率達到85%以上才能獲得最高補貼額度。圖9所示為燃料電池綜合能源系統(tǒng)在各地大學校園及不同運行模式下的年平均能源綜合利用效率。

圖9 平均能源綜合利用效率

由圖9可以看出，就大學校園而言，燃料電池綜合能源系統(tǒng)的年平均能源綜合利用效率始終要高于常規(guī)系統(tǒng)，但各地區(qū)、各運行模式下的效率不盡相同：從氣候?qū)用鎭砜?，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在嚴寒和寒冷地區(qū)的能源綜合利用效率相對較高，其中系統(tǒng)在哈爾濱和北京的大學校園的最大能源綜合利用效率分別為77.6%和76.1%，而其他地區(qū)的能源綜合利用效率則相對較低，如系統(tǒng)在廣州的大學校園的能源綜合利用效率最高只有74.1%，且昆明地區(qū)由于其特殊的氣候，系統(tǒng)的最高能源綜合利用效率只有72.9%。從技術(shù)層面來看，“以熱定電”運行模式在哈爾濱的大學校園的能源綜合利用效率最高，而在其他地區(qū)均是“以電定熱”運行模式的能源綜合利用效率最高?？梢娙剂想姵鼐C合能源系統(tǒng)的能源綜合利用效率不但取決于其應用的地理位置，還取決于燃料電池的容量以及運行模式。

4.4 節(jié)能性分析

綜合能源系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)的節(jié)能率是分析綜合能源系統(tǒng)節(jié)能性的核心指標，中國相關(guān)技術(shù)規(guī)程均明確提出了燃氣分布式供能系統(tǒng)年節(jié)能率不低于20%的技術(shù)要求。圖10所示為燃料電池綜合能源系統(tǒng)在各地大學校園及不同運行模式下的年節(jié)能率。

圖10 節(jié)能率

由圖10可以看出，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在5個地區(qū)的大學校園、4種運行模式下的應用均可實現(xiàn)節(jié)能效果。在氣候?qū)用?，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)的節(jié)能效果最好，如系統(tǒng)在哈爾濱的大學校園的最大年相對節(jié)能率為38.7%；在夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能效果最差，例如，在廣州地區(qū)的大學校園的最大年相對節(jié)能率只有25.6%。從技術(shù)層面來看，系統(tǒng)在哈爾濱、北京和上海的大學校園均是在采用“以熱定電”運行模式下的年相對節(jié)能率最高，而在昆明和廣州地區(qū)的大學校園均是采用“以電定熱”運行模式的年相對節(jié)能率最高，即在節(jié)能率方面，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū)采用“以熱定電”運行模式的節(jié)能效果最為顯著；而在溫和、夏熱冬暖地區(qū)，“以電定熱”運行模式的節(jié)能效果則更好。

4.5 環(huán)境性分析

以年二氧化碳減排率作為環(huán)境性分析的重要指標，中國相關(guān)技術(shù)規(guī)程均明確提出了年二氧化碳減排率不低于40%的技術(shù)要求。圖11所示為燃料電池綜合能源系統(tǒng)在各地大學校園及不同運行模式下的年二氧化碳減排率。

圖11 二氧化碳減排率

由圖11可以看出，燃料電池綜合能源系統(tǒng)的在5個地區(qū)、4種運行模式下的應用均有助于減少二氧化碳氣體的排放。在氣候?qū)用?，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在哈爾濱的大學校園的年二氧化碳減排效果最好，最大減排率為57.1%；在上海的大學校園的年二氧化碳減排效果最差，最大減排率只有41.3%；除上海地區(qū)之外，燃料電池綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出從寒冷地區(qū)到夏熱冬暖地區(qū)減排效果逐漸變差的趨勢。從技術(shù)層面來看，系統(tǒng)在哈爾濱和北京地區(qū)的大學校園均是在“以熱定電”運行模式下的年二氧化碳減排率最高分別為57.1%和50.7%；而在上海、昆明和廣州地區(qū)則均是“以電定熱”運行模式的年二氧化碳減排率最高，分別為41.3%、48.9%和44.9%。

通過與圖10所示的節(jié)能率進行對比，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)能率與減排率并不一定存在一致性關(guān)系，這是因為二氧化碳排放是通過一次能源消耗乘以相應的碳強度來計算的。一方面，電網(wǎng)電力的碳強度因地區(qū)而異，即使一次能源消耗相同，也可能產(chǎn)生不同的排放值；另一方面，由于燃料電池綜合能源系統(tǒng)的引入，天然氣的用量也會影響最終排放值。因此，二氧化碳減排率高的運行模式其節(jié)能率不一定高。

4.6 經(jīng)濟性分析

在滿足綜合能源系統(tǒng)能效、節(jié)能率和二氧化碳減排標準的前提下，經(jīng)濟性成為確定最佳運行模式的重要因素。以靜態(tài)投資回收期作為經(jīng)濟性指標，對各地區(qū)不同運行模式下的燃料電池綜合能源系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期進行了計算和分析。由于回收期數(shù)值較大僅能說明該項目具有理論經(jīng)濟效益，但不具有實用性。靜態(tài)投資回收期的計算結(jié)果如表5所示。

表5 靜態(tài)投資回收期

盡管燃料電池綜合能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)節(jié)能、減排的效果，但與常規(guī)系統(tǒng)相比，它的成本更高。由表5可以看出，計算所得的燃料電池綜合能源系統(tǒng)在廣州的大學校園的四種運行方式的靜態(tài)投資回收期均為負值，這意味著從經(jīng)濟的角度來看，在廣州地區(qū)的大學引入燃料電池綜合能源系統(tǒng)是不可行的，這主要是由于當?shù)氐奶烊粴鈨r格較高；由于在昆明地區(qū)的大學校園，系統(tǒng)各運行模式下的靜態(tài)投資回收期均超過20 a，所以可以認為當前在昆明的大學校園采用燃料電池綜合能源系統(tǒng)并無實際經(jīng)濟效益；同時，由于上海地區(qū)推出了針對燃氣能源系統(tǒng)的優(yōu)惠氣價，使得上海地區(qū)的大學校園采用燃料電池綜合能源系統(tǒng)的最小靜態(tài)投資回收期僅為13.73 a，相對于其他地區(qū)具有更高的經(jīng)濟效益。除此之外，當前燃料電池綜合能源系統(tǒng)在北京的大學校園應用的經(jīng)濟效益相對較好，4種運行模式的靜態(tài)投資回收期均在15 a左右。

另外，同一地區(qū)(除去上海地區(qū)之外)，在燃料電池容量相同的規(guī)格下，采用“熱電綜合”運行模式相較于傳統(tǒng)的“以熱定電”或“以電定熱”運行模式，可以使得燃料電池綜合能源系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟效益，如北京的大學校園，在相同燃料電池容量的前提下，采用“以熱定電”運行模式的靜態(tài)回收期為16.34 a，而采用“熱電綜合”運行模式后的投資回收期為14.82 a，縮短了1.52 a。

4.7 綜合適用性分析

結(jié)合年平均能源綜合利用效率、年節(jié)能率、年二氧化碳減排率以及靜態(tài)投資回收期年限(以20 a作為回收期的最大年限)。對各地區(qū)燃料電池系統(tǒng)適宜的運行模式進行總結(jié)與分析。綜合來看，當前燃料電池綜合能源系統(tǒng)僅適用于哈爾濱、北京和上海地區(qū)的大學校園，即嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū)的大學校園。其中，對于系統(tǒng)的運行模式，在哈爾濱的大學校園，僅有“熱電綜合(電容量)”這一種運行模式可被采用；北京的大學校園對系統(tǒng)運行模式?jīng)]有限制，4種運行模式均可被采用；系統(tǒng)在上海地區(qū)的大學校園只能應用“以電定熱”運行模式；而昆明和廣州地區(qū)的大學校園暫不適合應用燃料電池綜合能源系統(tǒng)?？傮w而言，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在北京地區(qū)的大學校園更易推廣。

5 結(jié)論

以常規(guī)供能系統(tǒng)為基準，并結(jié)合相關(guān)指標要求，分析了燃料電池綜合能源系統(tǒng)在不同氣候區(qū)大學校園以及不同運行模式下的應用效果，得到以下結(jié)論。

(1)從系統(tǒng)能源綜合利用效率來看，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)大學校園的效率最高，所對應的最佳運行模式為“以熱定電”運行模式；在其他地區(qū)的大學校園，系統(tǒng)采用“以電定熱”的運行模式可以獲得較高的能源綜合利用效率。

(2)從節(jié)能效果來看，燃料電池綜合能源系統(tǒng)應用在全年熱需求高的大學校園的節(jié)能率最高。其中，系統(tǒng)采用“以熱定電”運行模式可在哈爾濱、北京、上海地區(qū)的大學校園獲得較高的節(jié)能效益，而在昆明和廣州地區(qū)的大學校園，則需采用“以電定熱”運行模式。

(3)由于各地區(qū)碳強度的不同，二氧化碳減排率與節(jié)能率并不一定存在一致性關(guān)系。應用燃料電池綜合能源系統(tǒng)后，哈爾濱和北京地區(qū)大學校園的減排效果最為顯著，且均為“以熱定電”運行模式；而在上海、昆明和廣州地區(qū)的大學校園則在采用“以電定熱”的運行模式后，可以獲得較高的二氧化碳減排效益。

(4)從投資者的角度而言，燃料電池綜合能源系統(tǒng)在哈爾濱、北京和上海地區(qū)的大學校園投入使用后，均可獲得一定經(jīng)濟效益，但總體投資回收期較長。其中，系統(tǒng)在上海地區(qū)的大學校園投入使用后的經(jīng)濟效益相對最高，這離不開政府補貼以及優(yōu)惠氣價。在除上海之外的各地大學校園，相較于其他運行模式，燃料電池綜合能源系統(tǒng)采用“熱電綜合”運行模式后可進一步提升系統(tǒng)整體的經(jīng)濟效益。

總體而言，當前燃料電池綜合能源系統(tǒng)在北京地區(qū)的大學校園最為適宜推廣，在哈爾濱地區(qū)的大學校園進行推廣的難度則相對較大；上海地區(qū)則在相關(guān)優(yōu)惠政策的加持下，也使得燃料電池綜合能源系統(tǒng)在大學校園推廣的競爭力大大增加；而昆明和廣州地區(qū)的大學校園尚不具備應用燃料電池綜合能源系統(tǒng)的條件。