【Carbon Neutrality論文薦讀】沈俊、李健團(tuán)隊(duì)：考慮非設(shè)計(jì)工況特性的寒冷地區(qū)地?zé)釤犭娐?lián)供系統(tǒng)最優(yōu)方案

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北京理工大學(xué)沈俊教授與李健副教授團(tuán)隊(duì)在Carbon Neutrality發(fā)表研究論文：考慮非設(shè)計(jì)工況特性的寒冷地區(qū)地?zé)釤犭娐?lián)供系統(tǒng)最優(yōu)方案。本文針對(duì)寒冷地區(qū)地?zé)崮芾眯枨筇卣鳎谌曜児r分析揭示了熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力-經(jīng)濟(jì)性能特性，并給出了全工況性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

文章亮點(diǎn)

• 熱電聯(lián)供（CHP）系統(tǒng)是寒冷地區(qū)地?zé)豳Y源利用的最優(yōu)途徑；

• CHP 系統(tǒng)在大多數(shù)市場(chǎng)情景下表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)可行性；

• 相較于單一發(fā)電系統(tǒng)，CHP 系統(tǒng)的輸出功率可提高 153 kW，其最短動(dòng)態(tài)投資回收期為 5.96 年；

• 全工況性能評(píng)估對(duì)于優(yōu)選系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要；

• 環(huán)境溫度的最佳設(shè)計(jì)基準(zhǔn)取決于熱力性能與經(jīng)濟(jì)性能的權(quán)衡。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

隨著寒冷地區(qū)清潔供能與低碳轉(zhuǎn)型需求的不斷增強(qiáng)，如何在復(fù)雜氣候條件下實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿娜旮咝Ю茫殉蔀榭稍偕茉匆?guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。針對(duì)傳統(tǒng)地?zé)崂媚Ｊ蕉嘁詥我话l(fā)電或季節(jié)性供熱為主、難以匹配寒冷地區(qū)時(shí)變負(fù)荷特征且資源利用率偏低的現(xiàn)實(shí)瓶頸，北京理工大學(xué)李健團(tuán)隊(duì)圍繞寒冷地區(qū)地?zé)豳Y源特性和用能需求，系統(tǒng)開(kāi)展了地?zé)釤犭娐?lián)供（CHP）系統(tǒng)的全年變工況熱力-經(jīng)濟(jì)性能研究。該研究基于全年真實(shí)季節(jié)變化特征，對(duì)地?zé)?CHP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)單一發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了全工況對(duì)比評(píng)估，揭示了 CHP 系統(tǒng)通過(guò)“非采暖季發(fā)電—采暖季供熱”的靈活運(yùn)行模式，在規(guī)避寒冷環(huán)境下設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地?zé)豳Y源的全年高效利用。研究結(jié)果表明，地?zé)?CHP 系統(tǒng)在寒冷地區(qū)具有顯著的熱力-經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢(shì)，其適用性隨年平均氣溫降低和日最低氣溫低于 0℃ 的天數(shù)增加而進(jìn)一步增強(qiáng)，為寒冷地區(qū)地?zé)衢_(kāi)發(fā)提供了更具潛力的系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步從全工況視角系統(tǒng)探討了最優(yōu)設(shè)計(jì)環(huán)境溫度與方案選取準(zhǔn)則，指出僅基于額定工況開(kāi)展分析易導(dǎo)致性能評(píng)估與投資決策偏差。研究在熱力-經(jīng)濟(jì)性能權(quán)衡基礎(chǔ)上確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為寒冷地區(qū)地?zé)?CHP 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、規(guī)模化推廣以及利用地?zé)崽娲茉垂崤c發(fā)電提供了關(guān)鍵支撐，對(duì)降低區(qū)域碳排放、推動(dòng)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型以及實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

圖文導(dǎo)讀

結(jié)論一

本研究建立了地?zé)酑HP系統(tǒng)與單一發(fā)電系統(tǒng)的熱力和經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估模型，并基于全年變工況分析，系統(tǒng)比較了兩種方案的性能差異。如表1所示，CHP系統(tǒng)在熱利用率和?效率方面均顯著優(yōu)于單一發(fā)電系統(tǒng)：非供暖季通過(guò)水冷方式，有效降低冷凝壓力、提升有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）子系統(tǒng)發(fā)電性能；供暖季則直接利用地?zé)峁幔M(jìn)一步提高CHP系統(tǒng)的地?zé)豳Y源利用率。無(wú)論處于發(fā)電階段還是供熱階段，CHP系統(tǒng)均展現(xiàn)出熱力性能優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，在非供暖季，其凈輸出功率較單一發(fā)電系統(tǒng)提高 116~207 kW，平均提升 153 kW，相對(duì)增幅達(dá) 179.1%。此外，僅基于額定工況估算年發(fā)電量將產(chǎn)生明顯偏差，并導(dǎo)致誤導(dǎo)性結(jié)論，凸顯了全年變工況分析對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估地?zé)酑HP系統(tǒng)真實(shí)性能的必要性。

表1 CHP系統(tǒng)和單一發(fā)電系統(tǒng)的熱利用率和?效率對(duì)比

圖1 CHP系統(tǒng)與單一發(fā)電系統(tǒng)對(duì)比: （a）凈輸出功率；（b）額定工況和變工況下的年發(fā)電量

結(jié)論二

研究對(duì)地?zé)酑HP系統(tǒng)與單一發(fā)電系統(tǒng)的投資成本進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖 2 所示。盡管CHP系統(tǒng)在ORC核心部件與輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)上額外添加供熱子系統(tǒng)，其總投資成本仍比單一發(fā)電系統(tǒng)低約4.6 × 106人民幣，降幅約 17.6%，凸顯了CHP系統(tǒng)在初始投資方面的顯著優(yōu)勢(shì)。從成本構(gòu)成來(lái)看，單一發(fā)電系統(tǒng)中冷凝器占比最大，達(dá)48.4%，主要由于空冷裝置為滿(mǎn)足冷卻需求需配置更大換熱面積，從而導(dǎo)致設(shè)備成本顯著增加，這也是單一發(fā)電系統(tǒng)總成本較高的主要原因。相比之下，CHP系統(tǒng)中水冷裝置僅占總成本的12%，其主要投資集中在鉆井過(guò)程與透平。鑒于CHP系統(tǒng)具有更高的凈輸出功率，這兩部分所需的容量規(guī)模在總成本中的占比更高。

圖2 系統(tǒng)投資成本對(duì)比：（a）CHP系統(tǒng)；（b）單一發(fā)電系統(tǒng)

結(jié)論三

不同電價(jià)與熱價(jià)條件下的地?zé)酑HP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)投資回收期（DPP）如圖3所示。DPP的上限設(shè)定為25年，當(dāng)DPP超過(guò)該閾值時(shí)，項(xiàng)目被視為經(jīng)濟(jì)上不可行。結(jié)果表明，DPP對(duì)熱價(jià)的敏感性顯著強(qiáng)于電價(jià)，但隨著熱價(jià)的升高，敏感性逐漸減弱。當(dāng)電價(jià)為0.3 CNY·kWh-1時(shí)，若將熱價(jià)從40 CNY·GJ-1提高至45 CNY·GJ-1，DPP由24.86 年降至19.66 年，降幅達(dá)20.9%；而當(dāng)熱價(jià)由85 CNY·GJ-1上升至90 CNY·GJ-1時(shí)，DPP僅由7.66 年降至7.13 年，降幅為6.9%。這與寒冷地區(qū)CHP系統(tǒng)的運(yùn)行特性密切相關(guān)：供暖季約持續(xù)195天，占全年時(shí)長(zhǎng)的一半以上，同時(shí)系統(tǒng)的供熱功率（2.53 × 103 kW）遠(yuǎn)高于發(fā)電功率。因此，熱價(jià)在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能中起主導(dǎo)作用。此外，當(dāng)熱價(jià)較低時(shí)，系統(tǒng)利潤(rùn)空間有限，此時(shí)即便熱價(jià)略有上升，也會(huì)顯著縮短DPP，從而大幅改善經(jīng)濟(jì)可行性。

圖3 不同電價(jià)與熱價(jià)條件下的CHP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)回收期

結(jié)論四

不同設(shè)計(jì)環(huán)境溫度的熱力-經(jīng)濟(jì)性能加權(quán)指標(biāo)結(jié)果如圖4所示，星形標(biāo)記表示不同權(quán)重下對(duì)應(yīng)的最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度。在指標(biāo)交匯點(diǎn)左側(cè)，設(shè)計(jì)方案的熱力性能更優(yōu)；右側(cè)則經(jīng)濟(jì)性能占優(yōu)。當(dāng)β > 0.5時(shí)，最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度選取由熱力性能主導(dǎo)，接近年平均濕球溫度；當(dāng)β < 0.5時(shí)，最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度選取由經(jīng)濟(jì)性能主導(dǎo)，最佳設(shè)計(jì)溫度隨之升高，最終達(dá)到19.93°C。結(jié)果表明，最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度對(duì)指標(biāo)權(quán)重高度敏感。當(dāng)熱力性能與經(jīng)濟(jì)性能同等重要時(shí)，最佳溫度為7.70°C，此時(shí)系統(tǒng)整體性能最優(yōu)，熱力性能損失有限且經(jīng)濟(jì)性顯著提升，實(shí)現(xiàn)兩者理想權(quán)衡。傳統(tǒng)以年平均或非采暖季平均濕球溫度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的方法，無(wú)法兼顧熱力性能與經(jīng)濟(jì)性能。通過(guò)變工況性能分析與熱力-經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)，可確定介于兩者之間的最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度，為系統(tǒng)全年高效運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 不同設(shè)計(jì)環(huán)境溫度的熱力-經(jīng)濟(jì)性能加權(quán)指標(biāo)結(jié)果

總結(jié)展望

在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，寒冷地區(qū)供熱與發(fā)電領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)深度脫碳的重要突破口。研究從全年變工況特性的視角系統(tǒng)揭示了地?zé)酑HP系統(tǒng)相較傳統(tǒng)化石能源與單一功能系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)地解決了最佳設(shè)計(jì)環(huán)境溫度選取準(zhǔn)則和系統(tǒng)最佳全工況性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)策略問(wèn)題，為地?zé)崮茉诤涞貐^(qū)高效利用提供了清晰可行的技術(shù)路徑。未來(lái)研究有望進(jìn)一步引入多樣性的地?zé)豳Y源類(lèi)型或終端使用條件，深化對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的通用性和工程適用性的認(rèn)識(shí)。該研究不僅有助于降低區(qū)域能源系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度，也為構(gòu)建安全、高效、低碳的新型區(qū)域能源系統(tǒng)提供了具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的理論支撐。

原文信息

Optimal design scheme of geothermal combined heat and power system in cold regions considering off-design operating characteristics

作者：

Yunfei Zhang, Jian Li*, Mingzhe Yu & Jun Shen

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00149-4

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-025-00149-4

Cite this article：

Zhang, Y., Li, J., Yu, M. et al. Optimal design scheme of geothermal combined heat and power system in cold regions considering off-design operating characteristics. Carb Neutrality 4, 37 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00149-4

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通訊作者信息

李健，北京理工大學(xué)，副教授

研究領(lǐng)域

溫?zé)崮芨咝Ю谩⑾嘧儍?chǔ)熱和卡諾電池等。

個(gè)人簡(jiǎn)介

主要從事中低溫?zé)崮芨咝Ю谩⑾嘧儍?chǔ)熱和卡諾電池等研究，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)自然面上和青年項(xiàng)目等，入選國(guó)家博新計(jì)劃，獲中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)“吳仲華優(yōu)秀研究生獎(jiǎng)”等獎(jiǎng)勵(lì)。

聯(lián)系方式

E-mail: lijian2022@bit.edu.cn

圖文來(lái)源：原文作者

編輯：Carbon Neutrality編輯部

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Carbon Neutrality 是由上海交通大學(xué)與Springer Nature合作出版的低碳科學(xué)與技術(shù)及碳管理領(lǐng)域的國(guó)際跨學(xué)科綜合期刊。本刊旨在打造碳中和領(lǐng)域旗艦期刊和國(guó)際一流期刊，主要刊載低碳相關(guān)領(lǐng)域具有高度原創(chuàng)性、能夠反映學(xué)科水平的高質(zhì)量研究論文和評(píng)論性綜述文章，為國(guó)內(nèi)外從事低碳研究的專(zhuān)家學(xué)者提供一個(gè)專(zhuān)業(yè)的國(guó)際學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。

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