CN113822598A - 一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法与系统,方法包括S1:分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,得到综合能源系统的能量流动模型;S2:基于能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;S3:基于分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;S4:采用计算表达式分析综合能源系统能效。本发明考虑综合能源系统的能源供应、转化、传输、存储和需求环节,分析电/热/冷能量在综合能源系统中的流动,进而得出综合能源系统能源利用效率,能够对综合能源系统能效实现较为完整的分析。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统技术领域,涉及一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法与系统。
背景技术
随着社会的快速发展,如何解决传统化石能源的枯竭以及环境污染加剧问题,是人类面临的重大挑战。对能源的高效利用是各界探讨的热点问题,综合能源系统的概念的提出为提高能源利用效率提供了全新的视角。
综合能源系统包括电、气、热、冷等在内的各类能源系统,在能源的生产、转换、传输、存储和需求各个环节深度耦合,以高效环保的方式为用户提供电/热/冷负荷的需求保障。单独考虑某一能源系统或者某一环节的能效都不足以反映综合能源系统的能源利用效率,缺乏对综合能源系统的整体评估,分析缺乏完整性。
现有的综合能源系统能效分析大多基于热力学第一定律与第二定律展开,对综合能源系统的全面描述与能源各个环节的流动关系考虑不全。因此,亟需更深入研究综合能源系统中能量流动的各个环节,从能源供应环节、能源转换环节、能源传输环节、能源存储环节和能源需求环节提炼出适用于综合能源系统的能源利用效率的分析方法。
发明内容
为解决现有技术中的不足,本申请提供一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法与系统,能够分析综合能源系统能源利用效率与各个环节的关联性。
为了实现上述目标,本发明采用如下技术方案:
一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
所述方法包括以下步骤:
S1:分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
S2:基于步骤S1的能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
S3:基于步骤S2的分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;
S4:采用步骤S3的综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
本发明进一步包括以下优选方案:
优选地,步骤S1中,将综合能源系统的能量流动分为能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节,得到综合能源系统的能量流动模型。
优选地,所述能源供应环节:包括电能、分布式光伏、风力发电、天然气、热能与冷能;
所述能源转化环节:通过电产热设备和电制冷设备将电能转化为热能和冷能,通过吸收式制冷机将热能转化为冷能;
所述能源传输环节:分别通过电能传输设备、热能传输设备和冷能传输设备将电、热、冷能连接能源供应与能源转化环节,将电、热、冷能输送给存储设备和负荷;
所述能源存储环节:对综合能源系统中的各种能源进行存储;
所述能源需求环节:包括综合能源系统中的电、热、冷负荷,为能量流的最终路径。
优选地,步骤S2中,根据步骤S1综合能源系统的能量流动模型,从能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节对能源利用效率进行分析。
优选地,步骤S2中,从能源供应环节对能源利用效率进行分析,具体为:
定义不同种类能源的能质系数C:
式中,Wpow为能源中可以转化为功的部分;Wtotal为能源的总能量;
通过能质系数换算实现不同种类的能源的相互联系。
优选地,电能的能质系数为1,为最高品位的能源,将其他种类的能源换算为等效的电能,使得不同种类的能源相互联系起来。
优选地,步骤S2中,从能源转化环节对能源利用效率进行分析,包括分析纯电输出Eout,e、热能输出Eout,h、冷能输出Eout,c、电制热设备供给的热量所占总供热量的比例λh和电制冷设备供给的冷能所占总供冷量的比例λc,具体的:
纯电输出Eout,e:
Eout,e=Ee+Ec+Eh=Ee+Ek
式中,Ee、Eh和、Ec分别为纯电负荷、热网驱动水泵消耗的电能和冷网驱动水泵消耗的电能,即Ek=Eh+Ec;
热能输出Eout,h:
Eout,h=Ch[EhηCOP,h+GCHPηCHP,h(1-λCHP)+GBηB]
式中,Ch为热负荷的能质系数、ηCOP,h为电制热效率、GCHP为热电联产设备消耗燃料量、ηCHP,h为热电联产设备产热的效率、λCHP为热电联产设备产热供给吸收式制冷机的比例、GB为燃气锅炉消耗燃料量、ηB为燃气锅炉制热效率;
冷能输出Eout,c:
Eout,c=Cc(GCHPηCHP,hλCHPηCOP,c+EcηCOP,e)
式中,Cc为冷负荷的能质系数;ηCOP,c、ηCOP,e分别为吸收式制冷机制冷效率、电制冷机制冷效率;
电制热设备供给的热量所占总供热量的比例λh为:
电制冷设备供给的冷能所占总供冷量的比例λc为:
优选地,步骤S2中,从能源传输环节对能源利用效率进行分析,得到电能传输设备的输出Etr,e、热能传输环节的输出Etr,h和冷能传输环节输出Etr,c,具体的:
电能传输设备的输出Etr,e为:
Etr,e=Eeηt,e
式中,ηt,e为电能的平均传输效率;
热能传输环节的输出Etr,h为:
Etr,h=Eout,hηt,h(1-δtr,h)
式中,ηt,h为热能平均传输效率,δtr,h为用户侧制热量占总能源转换环节制热量的比例;
冷能传输环节输出Etr,c为:
Etr,c=Eout,cηt,c(1-δtr,c)
式中,ηt,c为冷能平均传输效率,δtr,c为用户侧制冷量占总能源转换环节制冷量的比例。
优选地,步骤S2中,从能源存储环节对能源利用效率进行分析,具体为:
能源存储环节的效率ηs为:
ηs=(Seηs,e+ChShηs,h+CcScηs,c)(Se+ChSh+CcSc)-1
式中,Se为储电设备总容量,ηs,e为储电效率,Sh为储热设备总容量,ηs,h为储热效率,Sc为储冷设备总容量,ηs,c为储冷效率。
优选地,步骤S2中,从能源需求环节对能源利用效率进行分析,具体的:
纯电需求Le为:
热量需求Lh为:
冷量需求Lc为:
优选地,步骤S3中,综合能源系统能源利用效率为:
式中,Gin为天然气的消耗量,Ce,G为天然气的能质系数,Ein为电能消耗量;
结合能源流动过程的能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节和能源需求环节的分析结果,对综合能源系统的能源利用效率进行变形,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式为:
式中,λc/e和λh/e分别为冷与电结构参数和热与电结构参数;
QE为综合能源系统消耗的不可再生能源总量与能源传输环节纯电输入的比值,表达式为;
式中,λF为燃气锅炉与热电联产设备消耗的燃气量的比值;σe为外购电一次能源消耗量折算系数。
T为电、热和冷传输系统的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值,表达式为;
S为电/热/冷蓄能设备充放过程中的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值;
S=[Se(1-ηs,e)+ChSh(1-ηs,h)+CcSc(1-ηs,c)](QEEe)-1
冷与电结构参数λc/e为:
热与电结构参数λh/e为:
本发明还公开了一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析系统,包括:
模型构建模块,用于分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
各环节能源利用效率分析模块,用于基于能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
能源利用效率分析表达式建立模块,用于基于分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;
分析模块,用于采用综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
本申请所达到的有益效果:
本发明考虑综合能源系统的能源供应、能源转化、能源传输、能源存储和能源需求环节,分析电/热/冷能量在综合能源系统中的流动,进而得出综合能源系统能源利用效率,避免了从单一环节分析综合能源系统带来的无法较为完全反映能效高低的问题,能够对综合能源系统能效实现较为完整的分析,为综合能源系统电/热/冷多种能源的优化配置运行,提高综合能源系统的长期稳定、经济、高效运行提供分析基础。
附图说明
图1是本发明一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法的流程图;
图2是本发明实施例中综合能源系统的能量流动模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示,本发明的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,具体包以下步骤:
S1:分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
具体实施时,为了考虑模型的通用性,本发明将综合能源系统的能量流动分为能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节,具体的:
(1.1)能源供应环节:
综合能源系统的能源来源主要包括电能,分布式光伏与风力发电,天然气,以及热能与冷能供应;
(1.2)能源转化环节:
综合能源系统中各种形式的能源可以相互转化,电能通过电产热设备和电制冷设备转化为热能和冷能,热能通过吸收式制冷机转化为冷能;
(1.3)能源传输环节:
电、热、冷能分别通过电能传输设备、热能传输设备和冷能传输设备连接能源供应与转化环节,将能量输送给存储设备和负荷;
(1.4)能源存储环节:
对综合能源系统中的各种能源进行存储;
(1.5)能源需求环节:
综合能源系统中的电、热、冷负荷消耗综合能源系统中的各种能源,为能量流的最终路径。
实施例中,综合能源系统的能量流动模型结构如图2所示。
S2:基于步骤S1的能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
步骤S2中,根据步骤S1综合能源系统的能量流动模型,从能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节对能源利用效率进行分析,具体的:
(2.1)能源供应环节
能源不仅要从“数量”的概念上考虑,即能源能级的高低与做功能力的大小,还要从质量上考虑,定义不同种类能源的能质系数C:
式中,Wpow为能源中可以转化为功的部分;Wtotal为能源的总能量。
电能的能质系数为1,为最高品位的能源,可将其他种类的能源换算为等效的电能,使得不同种类的能源相互联系起来。
进一步的,取夏季参考温度为302.2K,由此可计算出天然气的能质系数为0.634,煤的能质系数为0.476。
(2.2)能源转化环节
纯电输出主要包含三部分,分别是纯电负荷Ee,热网驱动水泵消耗的电能Eh和冷网驱动水泵消耗的电能Ec,即Ek=Ec+Eh:
Eout,e=Ee+Ec+Eh=Ee+Ek
热能输出其主要来源于电制热,效率为ηCOP,h,燃气锅炉制热,效率为ηB,以及热电联产设备产热的部分,效率为ηCHP,h:
Eout,h=Ch[EhηCOP,h+GCHPηCHP,h(1-λCHP)+GBηB]
式中,Ch为热负荷的能质系数,λCHP为热电联产设备产热供给吸收式制冷机的比例,GB为燃气锅炉消耗燃料量。
冷能输出主要来源包含吸收式制冷机制冷,其效率为ηCOP,c,以及电制冷机制冷,其效率为ηCOP,e,冷能输出的表达式为:
Eout,c=Cc(GCHPηCHP,hλCHPηCOP,c+EcηCOP,e)
式中,Cc为冷负荷的能质系数;GCHP为热电联产设备消耗燃料量。
电制热设备供给的热量所占总供热量的比例为:
电制冷设备供给的冷能所占总供冷量的比例为:
(2.3)能源传输环节
能源传输环节的研究对象是电/热/冷多个能源系统的传输损耗,电能在线路传输和变压器升降压的过程中总会存在能量的损耗。
电能传输设备的输出Etr,e为:
Etr,e=Eeηt,e
式中,ηt,e为电能的平均传输效率。
热能传输环节可分为热力传输和水力传输两部分。
水利传输的热能由于通过热水管道传输时,会受到管道的阻力,需要通过水泵增加水压维持水流动正常的压力需求,水泵消耗的电能表达式为:
Ek=Eh+Ec
热力传输的热能在传输过程中会存在一定的损耗,热能传输环节的输出Etr,h为:
Etr,h=Eout,hηt,h(1-δtr,h)
式中,ηt,h为热能平均传输效率,δtr,h为用户侧制热量占总能源转换环节制热量的比例。
冷能传输环节同样在传输过程中存在损耗,冷能传输环节输出Etr,c为:
Etr,c=Eout,cηt,c(1-δtr,c)
式中,ηt,c为冷能平均传输效率,δtr,c为用户侧制冷量占总能源转换环节制冷量的比例。
(2.4)能源存储环节
能源存储环节可以实现综合能源系统可再生能源的充分消纳与降低系统运行成本。
能源存储环节的效率可表示为:
ηs=(Seηs,e+ChShηs,h+CcScηs,c)(Se+ChSh+CcSc)-1
式中,Se为储电设备总容量,ηs,e为储电效率,Sh为储热设备总容量,ηs,h为储热效率,Sc为储冷设备总容量,ηs,c为储冷效率。
(2.5):能源需求环节
纯电需求Le可表示为:
热量需求Lh可表示为:
冷量需求Lc可表示为:
S3:基于步骤S2的分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式。
S2中能源流动的各个环节的效率,也是描述综合能源系统能效的一部分,S3中得出的综合能源系统效率的表达式是在S2分析的基础上得到的,在描述综合能源系统的能效时,也可以计算出各个环节的效率,进行具体分析。
具体的,综合能源系统的能源利用效率ηIES表示为电/热/冷需求量与不可再生能源输入量的比值:
式中,Gin为天然气的消耗量,Ce,G为天然气的能质系数,Ein为电能消耗量。
结合能源流动过程的供应、转化、传输、存储和需求环节,对综合能源系统的能源利用效率进行变形,得到:
式中,QE为综合能源系统消耗的不可再生能源总量与能源传输环节纯电输入的比值,表达式为;
式中,λF为燃气锅炉与热电联产设备消耗的燃气量的比值;σe为外购电一次能源消耗量折算系数。
T为电、热和冷传输系统的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值,表达式为;
S为电/热/冷蓄能设备充放过程中的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值;
S=[Se(1-ηs,e)+ChSh(1-ηs,h)+CcSc(1-ηs,c)](QEEe)-1
冷与电结构参数为:
热与电结构参数为:
S4:采用步骤S3的综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
进一步的,具体实施时,首先,分析综合能源系统的组成部分,采集各组成部分的装机容量与设备效率;其次采集综合能源系统夏季和冬季典型工作日的电/热/冷负荷数据以及可再生能源出力数据,计算能量流动过程中各种能量的流动通道的功率值;然后,从能量流动各个环节的效率,分析能量在各个环节的利用情况;最后,根据综合能源系统能源利用效率的表达式,计算综合能源系统的能效。
本发明的考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析系统,包括:
模型构建模块,用于分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
各环节能源利用效率分析模块,用于基于能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
能源利用效率分析表达式建立模块,用于基于分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;
分析模块,用于采用综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
本发明考虑综合能源系统的能源供应、能源转化、能源传输、能源存储和能源需求环节,分析电/热/冷能量在综合能源系统中的流动,进而得出综合能源系统能源利用效率,避免了从单一环节分析综合能源系统带来的无法较为完全反映能效高低的问题,能够对综合能源系统能效实现较为完整的分析,为综合能源系统电/热/冷多种能源的优化配置运行,提高综合能源系统的长期稳定、经济、高效运行提供分析基础。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述,但是本领域技术人员应该理解,以上实施示例仅为本发明的优选实施方案,详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神,而并非对本发明保护范围的限制,相反,任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
所述方法包括以下步骤:
S1:分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
S2:基于步骤S1的能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
S3:基于步骤S2的分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;
S4:采用步骤S3的综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
2.根据权利要求1所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S1中,将综合能源系统的能量流动分为能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节,得到综合能源系统的能量流动模型。
3.根据权利要求2所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
所述能源供应环节:包括电能、分布式光伏、风力发电、天然气、热能与冷能;
所述能源转化环节:通过电产热设备和电制冷设备将电能转化为热能和冷能,通过吸收式制冷机将热能转化为冷能;
所述能源传输环节:分别通过电能传输设备、热能传输设备和冷能传输设备将电、热、冷能连接能源供应与能源转化环节,将电、热、冷能输送给存储设备和负荷;
所述能源存储环节:对综合能源系统中的各种能源进行存储;
所述能源需求环节:包括综合能源系统中的电、热、冷负荷,为能量流的最终路径。
4.根据权利要求2所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S2中,根据步骤S1综合能源系统的能量流动模型,从能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节以及能源需求环节5个环节对能源利用效率进行分析。
6.根据权利要求5所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
电能的能质系数为1,为最高品位的能源,将其他种类的能源换算为等效的电能,使得不同种类的能源相互联系起来。
7.根据权利要求5所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S2中,从能源转化环节对能源利用效率进行分析,包括分析纯电输出Eout,e、热能输出Eout,h、冷能输出Eout,c、电制热设备供给的热量所占总供热量的比例λh和电制冷设备供给的冷能所占总供冷量的比例λc,具体的:
纯电输出Eout,e:
Eout,e=Ee+Ec+Eh=Ee+Ek
式中,Ee、Eh和、Ec分别为纯电负荷、热网驱动水泵消耗的电能和冷网驱动水泵消耗的电能,即Ek=Eh+Ec;
热能输出Eout,h:
Eout,h=Ch[EhηCOP,h+GCHPηCHP,h(1-λCHP)+GBηB]
式中,Ch为热负荷的能质系数、ηCOP,h为电制热效率、GCHP为热电联产设备消耗燃料量、ηCHP,h为热电联产设备产热的效率、λCHP为热电联产设备产热供给吸收式制冷机的比例、GB为燃气锅炉消耗燃料量、ηB为燃气锅炉制热效率;
冷能输出Eout,c:
Eout,c=Cc(GCHPηCHP,hλCHPηCOP,c+EcηCOP,e)
式中,Cc为冷负荷的能质系数;ηCOP,c、ηCOP,e分别为吸收式制冷机制冷效率、电制冷机制冷效率;
电制热设备供给的热量所占总供热量的比例λh为:
电制冷设备供给的冷能所占总供冷量的比例λc为:
8.根据权利要求7所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S2中,从能源传输环节对能源利用效率进行分析,得到电能传输设备的输出Etr,e、热能传输环节的输出Etr,h和冷能传输环节输出Etr,c,具体的:
电能传输设备的输出Etr,e为:
Etr,e=Eeηt,e
式中,ηt,e为电能的平均传输效率;
热能传输环节的输出Etr,h为:
Etr,h=Eout,hηt,h(1-δtr,h)
式中,ηt,h为热能平均传输效率,δtr,h为用户侧制热量占总能源转换环节制热量的比例;
冷能传输环节输出Etr,c为:
Etr,c=Eout,cηt,c(1-δtr,c)
式中,ηt,c为冷能平均传输效率,δtr,c为用户侧制冷量占总能源转换环节制冷量的比例。
9.根据权利要求8所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S2中,从能源存储环节对能源利用效率进行分析,具体为:
能源存储环节的效率ηs为:
ηs=(Seηs,e+ChShηs,h+CcScηs,c)(Se+ChSh+CcSc)-1
式中,Se为储电设备总容量,ηs,e为储电效率,Sh为储热设备总容量,ηs,h为储热效率,Sc为储冷设备总容量,ηs,c为储冷效率。
11.根据权利要求10所述的一种考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法,其特征在于:
步骤S3中,综合能源系统能源利用效率为:
式中,Gin为天然气的消耗量,Ce,G为天然气的能质系数,Ein为电能消耗量;
结合能源流动过程的能源供应环节、能源转化环节、能源传输环节、能源存储环节和能源需求环节的分析结果,对综合能源系统的能源利用效率进行变形,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式为:
式中,λc/e和λh/e分别为冷与电结构参数和热与电结构参数;
QE为综合能源系统消耗的不可再生能源总量与能源传输环节纯电输入的比值;
T为电、热和冷传输系统的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值;
S为电、热和冷蓄能设备充放过程中的能量损失与能源传输环节纯电输入的比值;
冷与电结构参数λc/e为:
热与电结构参数λh/e为:
13.一种运行权利要求1-12任意一项所述的考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析方法的考虑能量流动环节的综合能源系统能效分析系统,其特征在于:
所述系统包括:
模型构建模块,用于分析综合能源系统的电、热和冷能量流动路径,划分综合能源系统的能量流动环节,建立综合能源系统的能量耦合与流动通道,得到综合能源系统的能量流动模型;
各环节能源利用效率分析模块,用于基于能量流动模型,分别从综合能源系统的能量流动各环节,分析综合能源系统的能源利用效率;
能源利用效率分析表达式建立模块,用于基于分析结果,得到综合能源系统能源利用效率分析计算表达式;
分析模块,用于采用综合能源系统能源利用效率分析计算表达式分析综合能源系统能效。
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CN111724045A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-29 | 天津大学 | 基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法 |
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刘晓鸥: "区域综合能源系统的能效定义及其相关性分析", 《电力系统自动化》, 25 April 2020 (2020-04-25), pages 10 * |
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