CN112258021A - 用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法及系统，方法包括用于燃料电池建筑物设计及运营阶段的能效评估方法，首先对综合能源系统进行配置和能效评价，再对其进行优化，详细的用数学方法将建筑基础能效和能量利用率效率相结合，确定了能效等级，并给出了建筑物评价基准，从而在全过程对建筑物进行较为全面能效评估，可在设计阶段对设计指标进行能效评估，确定方案的能效等级，同时，在运行阶段可以确定建筑内部多尺度指标统计，并给出建筑物评价基准，从而在全过程对建筑物较为全面评估其能源利用率；同时，还可根据本发明的方法在设计初期及时进行诊断，及时调整有关参数，并在运行阶段实时进行优化运行。

Description

用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法及系统

技术领域

本发明属于燃料电池建功能系统配置及筑物能效评估技术领域，具体涉及用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法及系统。

背景技术

从全球范围来看，建筑能耗占一次能源消耗的20—40％，随着城镇化的推进，建筑能耗占比呈现持续上升的趋势。建筑与工业、交通成为能源使用的三大主力行业，其中又以建筑节能的潜力最为巨大到2030年，全球建筑领域可形成每年60亿吨CO2当量的减排潜力，建筑节能是未来减少CO2排放，解决全球能源困境的重要途经，实现建筑全生命周期内的低能耗、低排放，是实现节能减排目标，走现代化可持续发展之路的内在要求。

建筑节能领域的研究无论从宏观国家层面上，还是从微观区域层面上，都具有重要的战略意义和现实意义。从国家层面上建筑节能对于建设环境友好型和资源节约性社会具有重要的战略发展意义；从区域层面上，随着城镇化建设的不断加强，建筑总量的上升成为必然的趋势，城镇化率的提升使得建筑能耗在全社会终端能耗中的比重进一步加大。从长远来看，为减少碳排放，一方面需要进行节能，另一方面，需要不断增加可再生能源的占比，逐渐替代化石能源的使用。

燃料电池可以高效地将化学能转化为电能，同时产生的热能可以回收利用，是一种高效、清洁的能源转换装置。特别是氢燃料电池，由于其良好的工作特性，相比于其他类型的燃料电池，在家庭热电联产领域具有良好的前景。但是，利用燃料电池给热电联产系统供热、电的工作刚刚起步，目前存在热电供需总量不匹配、能源利用率不高的问题，需要建立一套评价方法对其进行评价并据此给优化系统提供参考。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法及系统，对使用家用燃料电池系统的居住建筑建立一套行之有效的能效评估以及节能诊断，分别从设计和运营两个阶段对居住建筑能源利用情况进行完备的评价，同时对于影响其能效水平的因素进行量化分析，为相关系统或设备的优化运行管理提供指导。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，包括以下步骤：

S100，确定采用燃料电池的能源系统中能源转换环节、能源传输环节以及能源储存环节的能源利用率，结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，得到综合能源系统配置；所述能源包括外购电、天然气、燃料电池用氢气以及CHP热电联产机组；

S200，建立S100所述综合能源系统配置阶段的综合指标体系；即能源转换环节的效率G、能源传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T、储能环节损失的能量占所有一次能源消耗S与能源综合利用效率η_total的关系，

S300，根据S200所得配置阶段的综合指标体系，分别对需求结构因素、系统配置方案因素、可再生能源因素进行优化符合实际工况最优结果后，得到综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系；

S400，获取经过S300优化后的综合能源系统实际运行参数，包括冷、热、电等能源系统的指标体系和重要设备的能效指标，计算其各项指标；

S500，根据S400所得结果，收集综合能源系统所供用户不同时间的用电数据，对不同年份同一月份的用能指标进行分级，用电情况进行能效评估，获得最终能效评估结果。

S100具体如下：

计算能源转换环节的转换效率、能源传输环节的效率以及储能设备的效率；

根据所述能源转换环节的转换效率、能源传输环节的效率以及储能设备的效率，计算用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求，

根据所述用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求，再结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素计算得到综合能源系统配置。

结合能质系数可得能源供应环节所输入的一次能源量E_prim

E_prim＝E_coalC_coal,e+E_gasC_gas+E_celleC_cell,e+E_cellhC_cell,h

其中，E_gas表示消耗的天然气的能量，E_celle表示用来发电的燃料电池输入量，E_cellh表示用来发热的燃料电池输入量，C表示相应的一次能源的能质系数；

能源转换环节的电输出等于能源转换环节生产的电量与能源转换环节消耗的电能的差，其中生产的电能包括电网购入电能，燃料电池发电量，CHP热电联产机组发电量；能源转换环节消耗的电能包括：地源热泵消耗的电能，电制氢设备消耗的电能，做功元件消耗的电能；

能源转换环节的热输出有四个途径，分别是CHP热电联产设备直接供热、地源热泵机组供热、燃气锅炉供热和燃料电池供热，

能源转换环节的冷输出有两个途径，分别是吸收式制冷机组供冷和地源热泵机组供冷；

将能源转换环节输出的冷、热、电三种能量的和除以输入的一次能源可得能源转换环节的转换效率。

对于能源传输环节效率η_tr等于传输环节输出的能量与能源转换环节输出的能量之比。

能源储存环节中储能设备的效率为各储能设备的实际储能量之和与总储能容量之比，各储能设备的实际储能量为各储能设备的储能容量乘以其储能效率。

S200中，综合能源利用效率η_total为用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求的总量与一次能源输入量的比值，根据综合能源利用效率计算获得能源转换环节的效率、传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例以及储能环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例。

S300中，将综合能源系统的综合能效公式中与数量相关的量都转换为与比值相关的量，通过比值量和设备的能效水平，求得S100所得综合能源系统中各个部分的效率与系统综合能耗的关系，根据所述关系得到能够减少系统综合能耗的策略，根据策略选择适用于用户侧的设备参数，优化能源配置至符合实际工况下的最优参数配置。

S400中，所述指标包括单位面积综合能耗、供暖系统单位面积能耗指标、分户或分栋供暖方式的供暖能耗指标、重要能源转换设备的效率、设备实际容量与额定容量之比、不同能源转换设备的效率、建筑中能源转换设备效率以及计算清洁能源供能占比。

S500中进行最终能效评估具体如下：

S501，结合S400中关于能源转换设备的参数、重要设备的参数，能源转换设备效率、设备负载率需要分别达到各设备相关国家标准，并以国家标准准入值作为下限值，国家先进水平作为上限值，定下限值为1，上限值为10，将国家先进水平和国标准入值之间的区间均分为10份，每一份即为一个等级，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级；利用下式计算能效等级，

S502，对于家庭建筑，利用S300所得综合能耗/面积获得单位面积能耗最优值，并以所述最优值作为为上限，国家标准规定家庭建筑单位面积能耗准入值作为下限值，定下限值为1，上限值为10，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级，计算能耗等级，

S503，收集不同年份综合能源系统的运行数据，分别评估每一年的能效等级。

本发明还提供一种用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估系统，包括综合能源配置模块、综合指标体系构建模块、综合能源优化模块、运行参数获取和计算模块、建筑综合效能评估模块；综合能源配置模块用于确定采用燃料电池的能源系统中能源转换环节、能源传输环节以及能源储存环节的能源利用率，结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，得到综合能源系统配置；

综合指标体系构建模块建立所述综合能源系统配置阶段的综合指标体系；即能源转换环节的效率G、能源传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T、储能环节损失的能量占所有一次能源消耗S与能源综合利用效率η_total的关系；

综合能源优化模块根据所得配置阶段的综合指标体系，分别对需求结构因素、系统配置方案因素、可再生能源因素进行优化符合实际工况最优结果后，得到综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系；

运行参数获取和计算模块用于获取经过优化后的综合能源系统实际运行参数，包括冷、热、电等能源系统的指标体系和重要设备的能效指标，计算其各项指标；

建筑综合效能评估模块根据综合能源系统实际运行参数，收集综合能源系统所供用户不同时间的用电数据，对不同年份同一月份的用能指标进行分级，用电情况进行能效评估，获得最终能效评估结果。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明对家用燃料电池热电联供建筑提出了能效评估方法，分别从设计阶段和运营阶段建立建筑物能效评估和能效基准线对标方法，首先构建出初步的综合能源系统进行，再对其进行能效评价和优化，得到更加符合实际运行的综合能源系统，较为详细的用数学方法将建筑基础能效和能量利用率效率相结合，计算重要设备用能数据、建筑用能数据和建筑用能数据，确定了能效等级，并给出了建筑物能效评价基准，从而在全过程对建筑物进行较为全面能效评估；本发明的方法具有准确性和实时性；确立了通过可在设计阶段对设计指标进行能效评估的方法，确定方案的能效等级，同时，在运行阶段可以确定建筑内部多尺度指标统计，并给出建筑物评价基准，从而在全过程对建筑物较为全面评估其能源利用率；同时，还可根据本发明所述方法在设计初期及时进行诊断，及时调整有关参数，并在运行阶段实时进行优化运行。

附图说明

图1为一个可实施的一种建筑能效管理系统的结构示意图。

图2为系统综合能效和发热量与发电量比值的关系。

图3为系统综合能效和制冷量与发电量比值的关系。

图4为系统综合能效和压缩能量与发电量比值的关系。

图5为系统综合能效和锅炉制热量与制热量比值的关系。

图6为系统综合能效和电制热量与总制热量比值的关系。

图7为系统综合能效和电制冷量与总制冷量比值的关系。

图8为系统综合能效和燃料电池发电量与总发电量比值的关系

图9为系统综合能效和燃料电池占总发热量比例的关系

图10为能效等级示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

能源系统示意如图1所示，

家用热电联供能源系统的配置方法，包括以下步骤：

S100，确定采用燃料电池综合能源系统的各项综合参数，结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，各环节能源利用率，得到综合能源系统配置；

所述能源包括外购电电量、天然气需求量、燃料电池用氢气需求量以及CHP热电联产机组；

S101计算能源转换环节的转换效率、能源传输环节的效率以及储能设备的效率；

对于能源转换环节：

外购电的一次能源消耗量E_coal等于外购电的量E_in,e除以网电的平均发电效率η_e,net，利用下式计算：

E_coal＝E_in,e/η_e,net

结合能质系数可得能源供应环节所输入的一次能源量E_prim，式中E_gas表示消耗的天然气的能量，E_celle表示用来发电的燃料电池输入量，E_cellh表示用来发热的燃料电池输入量，C_coal.e表示一次能源的能质系数，C_gas表示天然气的能质系数，C_cell,e表示用来发电的燃料电池的能质系数，C_cell,h表示用来发热的燃料电池的能质系数；E_prim利用下式计算：

E_prim＝E_coalC_coal,e+E_gasC_gas+E_celleC_cell,e+E_cellhC_cell,h

能源转换环节的电输出E_c,out,e等于能源转换环节生产的电量与能源转换环节消耗的电能的差，其中生产的电能包括：电网购入电能E_in，e，燃料电池发电量E_cell，e，CHP热电联产机组发电量E_chp，e；能源转换环节消耗的电能包括：地源热泵消耗的电能E_hp，e，电制氢设备消耗的电能E_p2g，e，做功元件消耗的电能E_compress，e，CHP装置的发电效率η_chp,e，CHP中所用的燃气占所有燃气的比例λ_chp；E_c,out,e利用下式计算：

E_c,out,e＝E_in,e+E_cell,e+E_chp,e-E_hp,e-E_p2g,e-E_compress,e

＝E_in,e+E_cellη_cell+(E_gas+E_p2g,gas)λ_chpη_chp,e-

E_hp-E_p2g,e-E_compress,e

能源转换环节的热输出E_c,out,h主要有四个途径，分别是CHP热电联产设备直接供热、地源热泵机组供热、燃气锅炉供热和燃料电池供热。E_c,out,h利用下式计算，式中λ_b为锅炉中所用的燃气占所有燃气的比例，λ_hp,h为热泵中能量用于供热的比例，λ_h,ab为CHP系统中用于制热的能源在CHP总能源的比例，η_chp,h为CHP制热的能效，η_b为锅炉制热的能效，η_cell,h为燃料电池制热的能效，η_hp,h为热泵制热的能效：

能源转换环节的冷输出E_c,out,c主要有两个途径，分别是吸收式制冷机组供冷和地源热泵机组供冷，COP_eh为CHP中吸收式制冷机组的制冷系数，COP_hp,c为地源热泵机组的制冷系数利用下式计算：

E_c,out,c＝C_c((E_gas+E_p2g,gas)λ_chpη_chp,hλ_h,abCOP_eh+E_hp,eλ_hp,cCOP_hp,c)

将能源转换环节输出的冷、热、电三种能量的和除以输入的一次能源量可得能源转换环节的转换效率η_conv利用下式计算：

对于能源传输环节：

电能传输环节中，E_k为电能传输环节消耗的总电量，包括热能传输设备消耗的电能和冷能传输设备消耗的电能，η_lost，t，e表示电能传输环节的效率，E_tr,out,e利用下式计算：

E_tr,out,e＝(E_c,out,e-E_k)η_lost,t,e

热能传输环节：η_lost，t，h表示热能传输环节的效率，E_tr,out,h利用下式计算：

E_tr,out,h＝E_c,out,hη_lost,t,h

冷能传输环节：η_lost，t，c表示冷能传输环节的效率，E_tr,out,c利用下式计算：

E_tr,out,c＝E_c,out,cη_lost,t,c

压力能传输环节：η_lost，t，p表示压力能传输环节的效率，E_tr,out,p利用下式计算：

E_tr,out,p＝E_compressη_lost,t,p

综上可得传输环节效率η_tr等于传输环节输出的能量与能源转换环节输出的能量之比，η_tr利用下式计算：

对于能源储存环节：

能源储存环节的设备包括蓄电池、蓄热设备、蓄冷设备和储气设备；储能设备的效率η_store通常需要经过一个完整的充放能周期才能测算出来，储能环节的效率直接用储能设备的容量进行计算，S_e表示蓄电池的容量，η_los，s，e表示蓄电池的效率；S_h表示蓄热设备的容量，η_los，s，h表示电蓄热设备的效率，C_h电蓄热设备的能质系数；S_c表示冰蓄冷设备的容量，η_los，s，c表示蓄冷设备的效率，C_C表示冰蓄冷设备能质系数；S_p表示储气设备的容量，η_los,s,p表示储气设备的效率。储能设备的效率η_store用下式计算：

综合考虑能源转换环节输出、能源传输环节和能源存储环节损耗，用户纯电需求l_u，e、热量需求l_u，h、冷量需求l_u，c和机械能需求l_u，m可分别利用下式计算：

l_u,e＝E_tr,out,e-S_e(1-η_lose,s,e)

l_u,h＝E_tr,out,h-S_h(1-η_los,s,h)C_h

l_u,c＝E_tr,out,c-S_c(1-η_los,s,c)C_c

l_u,p＝E_tr,out,p-S_p(1-η_los,s,p)

得到如图1所示的家用热电联产建筑能源系统，根据实际要求及客户需要分为以下几类：需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，这三种因素的计算方法具体如下：

对于需求结构因素

需求结构因素主要关注用户需求的改变，由于用户需求的改变直接会影响到转化环节各种能源的输出，将转化环节的输出结构视为需求结构，在四种能源中，选择发电量作为参考变量，用其他能源的输出量与发电量的比值表示需求结构因素，因此需求结构因素包括三个，分别是发热量与发电量的比λ_h/e、制冷量与发电量的比λ_c/e和输出压缩能与发电量的比λ_compress/e，具体表达式如下文所示。

转化环节的发热量与发电量的比值利用下式计算：

式中，E_c,out,h为设计阶段转化环节的平均发热量，E_c,out,e为设计阶段转化环节的平均发电量。

转化环节的制冷量与发电量的比值利用下式计算：

式中，E_c,out,c为设计阶段转化环节的平均发热量，E_c,out,e为设计阶段转化环节的平均发电量。

转化环节输出压缩能与发电量的比值利用下式计算

系统配置方案因素

由于用能设备较多，综合能源系统的能流中有许多分叉点，分配点处分配给各设备的能源比例不同，会导致系统的用能方式发生改变，从而导致系统的综合能效改变。

电制冷量E_c,hp占总制冷量E_c,out,c的比值c_e/c利用下式计算：

锅炉制热量E_h,b占总制热量E_c,out,h的比值h_b/h利用下式计算：

电制热量E_h,hp占总制热量E_c,out,h的比值h_e/h利用下式计算：

锅炉燃气消耗量F_b与CHP机组燃气消耗量F_CHP的比值F_b/CHP利用下式计算：

外购电产气的比重λ_p2g/net利用下式计算：

可再生能源利用因素

为了考察可再生能源的利用对系统综合能效的影响，构造与可再生能源有关的因素，在本系统中，主要的可再生能源装置是燃料电池。其在本系统既能提供电能，又能给制冷系统提供热能，相对于其它仅能提供单一能源的装置来说，它在本因素中占有主要地位。

燃料电池制热量占总发电量的比值λ_ce/e利用下式计算：

燃料电池制热量占总制热量的比值h_c/h利用下式计算：

S200，建立所述综合能源系统能效评估设计阶段的综合指标体系，即通过建立能源转换环节的效率G、传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T、储能环节损失的能量占所有一次能源消耗S与能源综合利用效率η_total的关系，定性得到这些环节对系统总能效的影响。

综合能源利用效率η_total的定义是用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求的总量与一次能源输入量的比值，利用下式计算：

对上式进行变形得到

进而获得能源转换环节的效率G：

传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T：

储能环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例S利用下式计算：

首先针对G进行变形，将分子分母同时除以能源转换环节生产的电能：

与燃气消耗相对应的分母：

与外电网购电相对应的分母：

与可再生能源的利用有关的分母项：

对G项变形完成后，针对T进行变形。

将分子分母同时除以能源转换环节生产的电能：

分母的转换方法与G相同，传输环节的熵增损失相对于阻力损失可以忽略不记，则T项的最终形式可表示为：

针对S进行变形，将分子分母同时除以能源转换环节生产的电能

将综合能源系统的综合能效公式中与数量相关的量都转换为与比值相关的量，只通过比值量和设备的能效水平就可以求得系统的综合能效。

S300，根据S200所得设计阶段综合能效评估结果，分别对需求结构因素、系统配置方案因素、可再生能源因素进行优化符合实际工况最优结果后，得到综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系；

通过对影响系统综合能效的比值量求偏导，判断其偏导数的符号，可以定性判断其对系统综合能效的影响是积极的还是消极的；例如对锅炉制热量占总制热量的比值的分析。为方便计算设定分母为：

设定分子为：

f＝1+λ_h/eC_h+λ_c/eC_c+λ_compress/e

则有：

从综合能效公式可以看出，综合能源利用效率与能源传输环节和能源存储环节之间具有明确的关联关系，即传输环节和存储环节效率越高，综合能源利用率越高，因此，为了便于后续分析综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系，在下面的影响综合能源利用效率的相关因素分析中，假设综合能源系统传输和存储参数(T，S)均是零。

锅炉制热量占总制热量的比值，转换环节能效对h_b/h求偏导可得：

由上式可以知，

是恒小于0的，所以，随之锅炉制热量的增加，G增大，即锅炉制热量占总制热量的比值的增加对系统综合能效是有积极影响的如图5所示。

电制热量占总制热量的比值，转换环节能效针对h_e/h进行分析：

当

时，综合能效随着h_e/h的增大而提高，即为提高综合能源利用效率，应增加电制热设备的配置容量；当

时，综合能效随着h_e/h的增大而降低，即为提高综合能源利用效率，如图6所示，应增加燃气制热设备的配置容量。

电制冷量占总制冷量的比值，转换环节能效针对c_e/c进行分析：

当

时，综合能效随着c_e/c的增大而提高，即为提高综合能源利用效率，应增加电制冷设备的配置容量；当

时，综合能效随着c_e/c的增大而降低，即为提高综合能源利用效率，应增加吸收式制冷设备的配置容量。从上式可以看出，

的符号主要与地源热泵制冷的COP和吸收式制冷的COP的相对大小有关，如图7所示。

燃料电池发电量占总发电量的比值，对燃料电池发电进行分析：

燃料电池发热量占总发热量的比值，对燃料电池发热量占比的分析：

由上式可知，燃料电池的利用与燃料电池设备效率有关，当燃料电池设备较高时，随着燃料电池热占比的增加综合能效增加，当燃料电池设备能效极低时，随着燃料电池占比的增加综合能效降低，如图8图9所示。

通过以上方法，得到S100所得综合能源系统中各个部分的效率与系统综合能耗的关系。根据所述关系，找出能够减少系统综合能耗的策略，根据策略修改用户侧的设备参数，挑选适当的设备，优化能源配置。

S400，获取经过优化能源配置的综合能源系统实际运行各项参数，包括冷、热、电能源系统的指标和各重要设备的效率。

单位面积综合能耗、计算建筑物单位面积综合能耗、供暖系统单位面积能耗指标、分户或分栋供暖方式的供暖能耗指标、重要能源转换设备的效率。

单位面积综合能耗表征建筑物单面面积的能量利用能力，计算在统计期内单位面积建筑物内各种能源的综合能耗，利用下式计算：

式中：

e_i,b-type-sub单位面积综合能耗，

第n个区域的综合能耗，

第n个区域的面积。

供暖系统单位面积能耗体现了供暖单位供暖节能的能力，供暖温度应不低于18℃，集中供热方式的建筑能耗指标实测值E_bh，f利用下式计算：

E_bh,f＝(q_s+e_dis)β

q_s＝ΣQ_i/A_s

β＝H_DD0/H_DD

其中：E_bh,f为建筑能耗指标实测值，q_s为热源能耗实测值，β为修正系数，e_dis为供热管网水泵电耗实测值，A_s为系统承担的总的供暖面积，Q_i热源热量，H_DD0为以18℃为标准计算的标准供暖期供暖度日数，H_DD为以18℃为标准计算的当年供暖期供暖度日数。

分户或分栋供暖方式的供暖能耗指标实测值E_bh利用下式计算：

E_bh,d＝E_sβ/A

E_s为供暖系统供暖期所消耗的燃煤；A为供暖建筑面积。

需要考虑统计期内，设备实际容量与额定容量之比

评价各负载的状态。

利用下式计算：

式中：W^j为设备实际负荷大小，可根据评价分析需要选择设备实时负荷或者平均负荷；W_N为设备额定容量大小。

需要考虑不同能源转换设备的效率，本发明对于重要设备的效率计算式如下：

燃气轮机的一次能源利用率C_r为：

式中：

W——燃气轮机发电量；G_r——燃气轮机天然气消耗量；H_r——消耗天然气的低位热值。热泵C_p的一次能源利用率为：

式中：Q₀——热泵的制冷量；W——热泵消耗的电功率；η_w——发电效率；η_f——电网的输配效率；η_y——压缩机的效率。

余热锅炉的一次能源利用率C_b：

式中：Q_h——为余热锅炉的供热量；Q——为燃气轮机的余热回收量；η_rec——为余热锅炉的余热回收效率。

常见的分布式能源系统都采用溴化锂机组进行制冷，机组的相关参数如下：

溴化锂制冷机组的性能系数COP：

式中：Q_c,c——溴化锂制冷机组消耗的制冷量，Q_c,h——溴化锂制冷机组消耗的热量。

对于电锅炉，(1)电锅炉输出热功率Q_s：

Q_s电锅炉输出热功率，C_p水的比热容，m流量，ρ密度，T₂锅炉出口水温，T₁锅炉入口水温。

(2)电锅炉效率：

其中，η_i为第i次计算电锅炉效率，Q_si为第i次计算电锅炉输出热功率，N_gi为第i次采样电锅炉有功功率，统计时间段Δt内的平均热效率η_pj：

(3)平均效率(差值最小的两个效率的平均值)：

其中，η为平均效率，η₁第1个锅炉效率，η₂第2个锅炉效率

热水锅炉系统正平衡效率计算公式：

式中：η₁为锅炉正平衡效率，D_gs为给水流量，h_sc为给水焓值，D_sc为输出热水流量，h_sc为输出热水焓值，G_s为锅水取样量(排污量)，h_s为取样量焓值，B为燃料消耗量，Q_r为输入热量，对于饱和蒸汽锅炉系统，饱和蒸汽锅炉系统正平衡效率计算公式：

式中：h_bq为饱和蒸汽焓，γ为汽化潜热，ω为蒸汽湿度，

建筑中其余能源转换设备如未有统一标准计算，其效率η_trs可利用下式计算：

式中：η_trs为能源转换设备效率(％)；Q_E,out为设备输出能量，Q_E,in为设备输入能量。

本发明考虑能源转换指标需要达到在进行能效评估时，应尽可能利用清洁能源，清洁能源供冷量占比φ_C供热量占比φ_H利用下式计算：

式中：Q_Crenew为可再生能源能够提供的建筑供冷量，Q_Hrenew为可再生能源能够提供的可供干燥、炊事等较高温用途的热量，Q_C为建筑物空调需要的耗冷量，Q_H为建筑物空调需要的耗热量，E_used为获取某种可再生能源而需要消耗的电量；COP_C为普通冷水机组的制冷能效比，以满足现行国家公共建筑节能设计标准的限定值为基准；COP_H为普通高温热泵的制热能效比，以满足现行国家公共建筑节能设计标准的限定值为基准。

S500，收集综合能源系统所供用户不同时间的用电数据，对不同年份同一月份的用能指标进行分级，用电情况进行能效评估，获得最终能效评估结果，找出节能潜力。

S501，结合S400中关于能源转换设备的参数、重要设备的参数，能源转换设备效率、设备负载率需要分别达到各设备相关国家标准，并以国家标准准入值作为下限值，国家先进水平作为上限值，定下限值为1，上限值为10，将国家先进水平和国标准入值之间的区间均分为10份，每一份即为一个等级，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级；利用下式计算能效等级，能效等级如图5所示：

S502，对于家庭建筑，利用S300中(综合能耗/面积)获得单位面积能耗最优值，并以所述最优值作为为上限，国家标准规定家庭建筑单位面积能耗准入值作为下限值，定下限值为1，上限值为10，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级，如图10所示；利用下式计算能耗等级：

S503，收集不同年份综合能源系统的运行数据，分别评估每一年的能效等级。

根据本发明所得数据对当年与上一年同一个月中所有参数进行对比，找到耗能较大的设备，挖掘节能潜力，并对比前后清洁能源的占比，提高系统中清洁能源在系统中的占比。

Claims (10)

1.一种用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，确定采用燃料电池的能源系统中能源转换环节、能源传输环节以及能源储存环节的能源利用率，结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，得到综合能源系统配置；所述能源包括外购电、天然气、燃料电池用氢气以及CHP热电联产机组；

S200，建立S100所述综合能源系统配置阶段的综合指标体系；即能源转换环节的效率G、能源传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T、储能环节损失的能量占所有一次能源消耗S与能源综合利用效率η_total的关系，

S300，根据S200所得配置阶段的综合指标体系，分别对需求结构因素、系统配置方案因素、可再生能源因素进行优化符合实际工况最优结果后，得到综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系；

S400，获取经过S300优化后的综合能源系统实际运行参数，包括冷、热、电等能源系统的指标体系和重要设备的能效指标，计算其各项指标；

S500，根据S400所得结果，收集综合能源系统所供用户不同时间的用电数据，对不同年份同一月份的用能指标进行分级，用电情况进行能效评估，获得最终能效评估结果。

2.根据权利要求1所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，S100具体如下：

计算能源转换环节的转换效率、能源传输环节的效率以及储能设备的效率；

根据所述能源转换环节的转换效率、能源传输环节的效率以及储能设备的效率，计算用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求，

根据所述用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求，再结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素计算得到综合能源系统配置。

3.根据权利要求2所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，

结合能质系数可得能源供应环节所输入的一次能源量E_prim

E_prim＝E_coalC_coal,e+E_gasC_gas+E_celleC_cell,e+E_cellhC_cell,h

其中，E_gas表示消耗的天然气的能量，E_celle表示用来发电的燃料电池输入量，E_cellh表示用来发热的燃料电池输入量，C表示相应的一次能源的能质系数；

能源转换环节的电输出等于能源转换环节生产的电量与能源转换环节消耗的电能的差，其中生产的电能包括电网购入电能，燃料电池发电量，CHP热电联产机组发电量；能源转换环节消耗的电能包括：地源热泵消耗的电能，电制氢设备消耗的电能，做功元件消耗的电能；

能源转换环节的热输出有四个途径，分别是CHP热电联产设备直接供热、地源热泵机组供热、燃气锅炉供热和燃料电池供热，

能源转换环节的冷输出有两个途径，分别是吸收式制冷机组供冷和地源热泵机组供冷；

将能源转换环节输出的冷、热、电三种能量的和除以输入的一次能源可得能源转换环节的转换效率。

4.根据权利要求2所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，对于能源传输环节效率η_tr等于传输环节输出的能量与能源转换环节输出的能量之比。

5.根据权利要求2所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，能源储存环节中储能设备的效率为各储能设备的实际储能量之和与总储能容量之比，各储能设备的实际储能量为各储能设备的储能容量乘以其储能效率。

6.根据权利要求1所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，S200中，综合能源利用效率η_total为用户纯电需求、热量需求、冷量需求和机械能需求的总量与一次能源输入量的比值，根据综合能源利用效率计算获得能源转换环节的效率、传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例以及储能环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例。

7.根据权利要求1所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，S300中，将综合能源系统的综合能效公式中与数量相关的量都转换为与比值相关的量，通过比值量和设备的能效水平，求得S100所得综合能源系统中各个部分的效率与系统综合能耗的关系，根据所述关系得到能够减少系统综合能耗的策略，根据策略选择适用于用户侧的设备参数，优化能源配置至符合实际工况下的最优参数配置。

8.根据权利要求1所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，S400中，所述指标包括单位面积综合能耗、供暖系统单位面积能耗指标、分户或分栋供暖方式的供暖能耗指标、重要能源转换设备的效率、设备实际容量与额定容量之比、不同能源转换设备的效率、建筑中能源转换设备效率以及计算清洁能源供能占比。

9.根据权利要求1所述的用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估方法，其特征在于，S500中进行最终能效评估具体如下：

S501，结合S400中关于能源转换设备的参数、重要设备的参数，能源转换设备效率、设备负载率需要分别达到各设备相关国家标准，并以国家标准准入值作为下限值，国家先进水平作为上限值，定下限值为1，上限值为10，将国家先进水平和国标准入值之间的区间均分为10份，每一份即为一个等级，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级；利用下式计算能效等级，

S502，对于家庭建筑，利用S300所得综合能耗/面积获得单位面积能耗最优值，并以所述最优值作为为上限，国家标准规定家庭建筑单位面积能耗准入值作为下限值，定下限值为1，上限值为10，分为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个等级，计算能耗等级，

S503，收集不同年份综合能源系统的运行数据，分别评估每一年的能效等级。

10.用于家庭燃料电池热电联供建筑的能效评估系统，其特征在于，包括综合能源配置模块、综合指标体系构建模块、综合能源优化模块、运行参数获取和计算模块、建筑综合效能评估模块；综合能源配置模块用于确定采用燃料电池的能源系统中能源转换环节、能源传输环节以及能源储存环节的能源利用率，结合需求结构因素、系统配置方案因素以及可再生能源因素，得到综合能源系统配置；

综合指标体系构建模块建立所述综合能源系统配置阶段的综合指标体系；即能源转换环节的效率G、能源传输环节损失的能量占所有一次能源消耗的比例T、储能环节损失的能量占所有一次能源消耗S与能源综合利用效率η_total的关系；

综合能源优化模块根据所得配置阶段的综合指标体系，分别对需求结构因素、系统配置方案因素、可再生能源因素进行优化符合实际工况最优结果后，得到综合能源利用效率与能源供应环节、能源转换环节和能源需求环节之间的关系；

运行参数获取和计算模块用于获取经过优化后的综合能源系统实际运行参数，包括冷、热、电等能源系统的指标体系和重要设备的能效指标，计算其各项指标；

建筑综合效能评估模块根据综合能源系统实际运行参数，收集综合能源系统所供用户不同时间的用电数据，对不同年份同一月份的用能指标进行分级，用电情况进行能效评估，获得最终能效评估结果。

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