多能互补分布式能源系统

马丽敏

清华大学/新能源与节能

作为能源革命的重要环节之一的多能互补混合分布式能源系统集合高新技术和设备为一体，可实现对输出能量梯级利用。国内外已出现部分示范运营项目，其中国外有加州大学戴维斯分校和新墨西哥大学等项目，国内有天津中新生态城动漫园冷热电三联产项目等项目。国内外研究和实践证明，实施多能互补混合能源系统联合优化管理，可以提升区域的减排效果，缓解区域能源供需矛盾，促进分布式可再生能源就地消纳，还能最大程度实现区域电网的削峰填谷。

目前以平均负荷为基准的“以热定电”、“以电定热”的设计思想己经不能满足多能互补混合能源系统日益多样化的运行需求。需要更精确地分析多能互补混合能源系统内典型终端用户的能源利用特性及负荷特征，研究多能互补混合能源系统内典型能源供给设备和储能设备的精细化数学模型，提出多能互补混合能源系统的能源优化运行调度策略，制定可以提升多能互补混合能源系统能效、降低整个系统运行费用和污染物排放量的优化运行方案。随着微电网技术和分布式电源技术的发展，区域多能互补混合能源系统逐渐具备高渗透率分布式电源、分布式储能、大规模电动汽车接入等特征，结合区域能源站内存在的大量冷热电负荷以及冷热电三联供设备，为开展冷热电多种能源综合建模、经济优化协调控制技术研究和多能互补混合能源系统多目标优化运行及实时优化调度研究提供了必要的条件。

本成果采用国际先进的多能互补分布式能源系统，并对互补式地源热泵系统、燃气发电系统、蓄电系统、风光互补供电系统、低温余热回收系统进行改进和创新，将风能、太阳能光伏、太阳能光热、土壤源热、天然气等可再生能源和传统化石能源深度结合，设计和建造国际领先的冷热电混合能源系统，并开发与之配套的调度系统，形成了自主知识产权。首先对区域内冷、热、电等多种能源的特点进行研究，总结冷、热、电等多种能源的用能特征，与此同时建立冷热电多能互补分布式能源系统中多种供能设备及储能设备的数学模型，以此为基础进行多能互补分布式能源系统的经济优化调度研究。然后，针对多种运行目标要求，进行系统的多目标运行优化，提出区域内冷、热、电多能互补能源多目标优化运行方案。最后，基于系统实时运行要求，考虑能源供需预测可能出现的偏差，提出多能互补分布式能源实时优化调度方案。

一种工业余热与太阳能联合的跨季节蓄热、区域供热系统

马丽敏

清华大学/新能源与节能

本成果属于区域供热技术领域，特别涉及一种工业余热与太阳能联合的跨季节蓄热、区域供热系统。区域供热是指从城市集中热源，以蒸汽或热水为介质，经供热管网向全市或其中某一地区的用户供应采暖和生活热水的技术。太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽，用于不竭，清洁无污染的特点。如果能够以太阳能为热源，向区域供热热网提供热量，将带来可观的节能和环保效益。然而太阳能资源自身的不稳定性、不连续性和季节不平衡性限制了太阳能的规模化应用。与之相似，工业余热作为一种可在生能源，已经被应用于区域供热领域。但是在夏季没有供热需求的情况下，工业余热无法得到有效利用，只能通过冷却塔排放到环境中，造成了设备的闲置和热量的浪费。该系统实现了太阳能和工业余热跨季节存储，并将两种热源引入区域供热系统，提高了蓄热体热源品位，提高了系统全年利用率。

本发明的特点和有益效果为：

1、与采用煤、天然气等一次能源提供热源的常规采暖方式相比，该系统将太阳能和工业余热联合使用，相互补充，节约了一次能源，减少了二氧化碳及污染物排放；

2、与常规太阳能供热和工业余热供热方式相比，该系统采用跨季节蓄热的方式，利用土壤作为跨季节蓄热体，将非采暖季的富余热量蓄存至地下，并在采暖季提取出来用于建筑供热，实现了太阳能和工业余热的“夏热冬用”，从而大大提高了太阳能集热器、工业余热回收装置和地埋管换热器的全年利用率，提高了系统经济性；同时，通过蓄热体的调蓄作用和两种热源的相互补充，提高了系统的运行稳定性，解决了太阳能不稳定和不连续的问题；

3、与传统的地源热泵系统相比，该系统通过梯级利用多种不同品位热源，优化了取放热流程，将土壤温度加热到55℃左右，提高了地下土壤的温度品位，并利用低温热水采暖末端装置的低温回水，实现了通过直接换热提取土壤热量，避免了采用电力提取土壤中低品位热量造成的热量品位浪费，从而降低了系统投资，提高了系统效率。

已建立国内首个成功运行的工业余热与太阳能跨季节储热用于城市集中供热示范工程。储热系统的储热体积达到了50万立方米，为迄今世界最大的地埋管储热体，取得了良好的示范效果和节能环保效益。示范工程热价成本38.32元/GJ，低于燃煤采暖和燃气采暖。

示范工程示意图

02. 应用前景