分布式能源系统生命周期环境影响评价

谢伟伟, 邵雪奎

(1.中南大学 能源科学与工程学院,湖南 长沙 410083；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司,湖南 长沙 410083)

1 引言

随着全球人口和经济发展规模的急剧增长，能源问题已成为人类日益关注的焦点,而传统能源资源的有限性以及对环境产生的负面影响，促使人类开始探索可再生的、环保低碳的新能源类型。从规划、设计、生产、运行、使用、维修保养、回收再处置的全生命周期角度分析可再生能源，能让我们进一步了解可再生能源全寿命周期过程的环保节能效益。分布式能源系统(Distributed energy system，DES)具有能源利用效率高、传输损耗小、清洁低碳等优点，然而，如何实现系统中各设备之间的最佳耦合，同时从全生命周期角度来看分布式能源系统的环保性、经济性、社会效益究竟如何，有待深入研究。

近年来，生命周期评价方法被广泛应用于可再生能源的研究。Cameron Smith等[1]比较了柴油、PV、风能混合微电网对泰国高吉格岛的环境影响，评价的影响类别包括酸化潜力、全球升温潜能值、人类毒性潜力和非生物资源耗竭潜力，结果表明，微电网系统在三种电气化方案中全球变暖和非生物资源消耗潜力最低。Sonia Longo等[2]对在不同欧洲气候下使用太阳能加热冷却系统和传统的吸附式冷水机组系统进行了分析比较，结果表明，在10年的使用寿命内，传统系统所有的性能都优于可再生系统，然而，如果实现了较长的寿命(15年或20年)，太阳能系统几乎所有气候条件下都表现出环境优势。Solano-Olivares K等[3]基于生命周期评价对太阳能吸收空调系统和商业空调系统进行环境影响的评估。安鹏等[4]基于生命周期评价对风力发电、光伏发电及燃煤发电的环境负荷进行了分析。雷舒尧等[5]在生命周期的视角下对不同的太阳能热水系统的环境影响和能源效益进行了分析。崔元龙等[6]对冷、热、电三联供系统进行生命周期成本评估，并对其进行了详细的技术经济评估。王豆豆等[7]以西安咸阳国际机场货运中心空调工程为案例，以生命周期方法进行能源消耗项目剖析，建立了新的能源利用层次评价模型，通过空调工程各种资源消耗值和环境影响潜值案例分析，明确了利用全生命周期影响评价量化剖析耗能项目的方法。胡玉坤等[8]基于生命周期评价理论，建立了地源热泵空调系统生命周期内各阶段碳排放核算模型，结合工程案例，用温度频率法(BIN)核算地源热泵空调系统生命周期各个阶段碳排放量，数据显示运行阶段碳排放量占绝大部分。用当量满负荷运行法计算运行阶段各设备碳排放情况，数据显示采用变频技术将减少生命周期碳排放。姜文秀等[9]基于生命周期评价理论，建立了集中式空调系统生命周期各阶段及总的二氧化碳排放量核算模型，提出了以集中式空调系统每年单位制冷量的二氧化碳排放量作为不同类型集中式空调系统生命周期碳排放量对比指标的方法。

上述研究大多是对部分可再生能源进行生命周期评价，而分布式能源系统包括多种可再生能源，因此很有必要对分布式能源系统环境影响进行评价。本文基于生命周期评价对分布式能源系统和传统能源系统的灰霾污染物及温室气体的排放进行了定量分析与比较，探究了分布式能源系统的环境效益。

2 研究目标与范围

分布式能源系统是相对于传统的集中式供能的能源系统而言的，传统的集中式供能系统采用的是大容量设备、集中生产，通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给大范围内的诸多用户；而分布式能源系统则是直接面向用户，按用户的需求的量生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。如今的第三代分布式能源系统有三大要素：一是去中心化，二是多能源，三是集成应用终端节能资源和可再生能源[10]。在多能源与可再生能源方面《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》政策的提出使得分布式能源系统更多地与可再生能源系统综合起来。在减少环境污染越来越被重视的大背景下，分布式能源系统对于环境的定量影响显得尤其重要，因此很有必要对分布式能源系统进行全生命周期环境评价影响。

本文以游泳池分布式能源系统及常规能源系统(Conventional energy systems，CES)为研究案例，通过对其建设阶段、运行阶段、回收阶段实际数据的清单分析，来评估DES与CES的全生命周期环境影响。

2.1 研究对象

根据国家发改委和财政部的统一部署，长沙市承担了《新能源与可再生能源利用服务平台及监管体系建设项目》主要任务，新能源与可再生能源综合利用示范推广中心是该建设项目成果主要的展示平台之一。该平台综合考虑新能源与可再生能源技术、产品现状，利用太阳能、地热能、风能等对中南大学主校区游泳池进行综合利用示范工程改造，将露天游泳池改造为室内游泳馆，一年四季可对外开放，满足人们对水上健身活动与教学的需求。该平台是分布式能源系统的典型代表，一次能源以天然气为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源；二次能源以电力为主，其他能源供应系统为辅，实现以直接满足泳池需求的能源梯级利用，并通过其他能源供应系统提供支持和补充。本研究主要是对该分布式能源系统进行全生命周期评价。

图1 工程项目效果图及实物图

2.2 目标与范围及系统边界

本文的研究案例中分布式能源系统以及常规能源系统的边界定义如下图所示，在分布式能源系统中，太阳能集热器以及燃气锅炉主要是负责热水负荷的负荷，都由燃气锅炉输出，冷负荷由常规制冷机输出，电负荷由电网购电而得。

图2 分布式能源系统边界

图3 常规能源系统边界

2.3 系统负荷分析

本系统案例为长沙市某室内游泳馆，游泳馆面积1 143.20 m2，层数一层，建筑高度6.61 m，水体长度东西向为30 m， 南北向为15 m，平均池水深度为1.2 m，长沙地区属于典型的夏热冬冷地区，根据中国气象数据网发布的我国各城市气象数据可知，长沙水平面上的太阳辐照量为3 984.01 MJ/m2，与纬度相同表面太阳辐照量为4 048.90 MJ/m2，年平均温度为17.1 ℃。水平面上年平均日太阳辐照量为10.628 MJ/m2，与纬度相同表面日太阳辐照量为11.061 MJ/ m2，年总日照时数为1 636 h，太阳能保证率为≤40%。游泳馆的使用时间按12 h计算，考虑10:00～22:00对外开放，夜间的负荷也考虑在内，通过SketchUp对系统进行建模，再利用EnergyPlus算出系统的全年冷负荷、热负荷、热水负荷、电负荷分别如图4～图7所示。

图4 全年冷负荷

图5 全年热负荷

图6 全年热水负荷

图7 全年电负荷

3 清单分析

3.1 建设阶段

本系统生命周期过程可分为建设阶段、使用阶段、回收阶段，考虑到设备的使用年限为20年，对分布式能源系统和常规能源系统进行生命周期评价，维护结构的材料在两个系统中均未考虑。建设阶段的主要材料清单都是在实际工程项目中搜集整理的，准确度和精度都很高，本项目研究的游泳池分布式能源系统主要包括24块共48 m2的光伏板、164块共328 m2的平板集热器、两台风力发电机、地源热泵机组、燃气锅炉、集热水箱、组合式空调机组、空气源热泵机组、板式换热器以及若干水泵和管道。而常规能源系统的主要设备包括燃气锅炉、集热水箱、制冷机组、换热器以及若干水泵和管道。前文已经述及了生命周期软件和数据库，由于GaBi软件的数据库更新程度很高，而且应用范围也很广，因此本研究采用GaBi软件对分布式能源系统进行清单分析，中南大学能源科学与工程学院已经获得了GaBi软件的使用权。表1为在GaBi软件中对应的建设阶段清单分析。

表1 建设阶段输入/输出清单

原材料数据的搜集主要来自于建筑施工方的现场统计、设备商的售后咨询以及专家咨询。建设阶段的水、电根据实际施工消耗量统计咨询而来，分布式能源系统的柴油消耗量是地源热泵系统柴油机打孔消耗量以及设备材料的运输消耗量，常规能源系统由于没有地源热泵系统柴油消耗量均来自设备材料的运输消耗量，其余数据均来自GaBi软件自带数据库。

3.2 使用阶段

使用阶段根据已定的运行策略我们将全年负荷数据和运行方式利用Matlab编程计算得出两个系统使用阶段一年的能耗如表2所示。分布式能源系统由于拥有光伏发电和风力发电以及集热器等可再生能源，因此消耗的电和燃气明显比常规能源系统少。输出的排放物主要是燃气的直接排放，而电力的排放则为间接排放，GaBi软件数据库自带电力排放的量，因此使用阶段不需要计算电力的间接排放。

表2 使用阶段输入/输出清单

3.3 回收阶段

回收阶段主要考虑将金属物回收，而其他废物则填埋。表3为回收阶段的输入输出清单。

表3 回收阶段输入/输出清单

4 生命周期环境影响结果与讨论

本文对游泳池分布式能源系统以及常规能源系统进行全生命周期环境影响评价，重点对比温室气体以及灰霾污染物的排放，并将DES系统二氧化碳排放做重点分析，了解建筑系统各阶段主要二氧化碳排放的材料。

4.1 灰霾污染物排放

灰霾又称大气棕色云、大气灰霾，中国气象局的《地面气象观测规范》中，灰霾被这样定义："大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km的空气普遍混浊现象。霾使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色。"本文统计的灰霾污染物排放主要包含两部分，直接排放的细颗粒物PM2.5和会导致形成二次气溶胶的NH3、NOx和SO2三种一次气态污染物[11]。灰霾污染物的致灰霾能力用PM2.5当量(PM2.5equivalent，PM2.5-eq)表示，以SO2为例，向大气中排放1 kg SO2，相当于直接向大气中排放了0.133 kg PM2.5。PM2.5当量可以用公式(1)计算：

ρPM2.5-eq=∑∑ei,jFj

(1)

式中：i为生命周期阶段；j为排放物质；e为物质的排放量；F为排放物质的细颗粒物当量因子，参见表4[12]。

表4 排放物质的细颗粒物 ρPM2.5当量因子

表5为GaBi软件计算后的灰霾污染物的直接排放清单，通过公式(1)计算得出灰霾污染物的当量排放清单，如表6所示。从表6以及图8可以看出DES的灰霾污染物的排放比CES少一个数量级，这主要是由于DES充分利用了光伏、太阳能、风力发电以及地热能等可再生能源系统，相比于CES而言DES的年消耗的电量及燃气都远远小于CES，从表2也可以看出DES的燃气年消耗量仅为CES燃气年消耗量的约53.7%。DES与CES灰霾污染物的排放几乎全部来自于使用阶段，分别约占到了整个系统阶段的99.98%、99.99%，因此使用阶段的有效控制是减少灰霾污染物排放的关键。

表5 分布式能源系统与常规能源系统各部分生命周期PM2.5直接排放清单(g/GJ)

表6 分布式能源系统与常规能源系统各部分生命周期PM2.5当量排放清单(g PM2.5-eq/GJ)

4.2 温室气体排放

温室气体指的是大气中能吸收地面反射的长波辐射，并重新发射辐射的一些气体。它们的作用是使地球表面变得更暖，类似于温室截留太阳辐射，并加热温室内空气的作用。这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为"温室效应"。二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)等是地球大气中主要的温室气体。温室效应的能力可以用全球变暖潜值(Global Warming Potential，GWP)，以CO2当量(CO2equivalent，CO2-eq)表示，如今常用的是GWP(100)，其含义为在未来100年内，各种温室气体导致的温室效应对应于同等效应时的CO2的质量。本文采用以基于100年的温室气体温室效应特征化因子为计算基准，如表7所示[13]。CO2当量可以用公式(2)计算：

表7 温室气体的温室效应特征化因子(100年)

ρCO2-eq=∑i∑jei, jCFj

(2)

式中：CF为温室效应特征化因子。

通过对GaBi软件输出的数据进行整理分析得到了如表8所示的温室气体排放清单，通过公式(2)的计算得到了表9所示的三个阶段温室气体当量排放清单，温室气体的排放在DES与CES的使用阶段分别约占96.76%、98.59%。

表8 温室气体直接排放清单(kg/GJ)

表9 温室气体当量排放清单(kg CO2-eq/GJ)

图8～10显示了DES各个阶段二氧化碳的排放情况，从图中可以看出建设阶段的CO2排放主要来自PVC、电、柴油、304不锈钢，分别约占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，而使用阶段中燃气的直排与电力间接排放分别约占58.7%、34.2%。使用阶段90%以上的排放来自于电力和燃气的排放，回收阶段金属的回收能有效地降低CO2的排放。

图8 建设阶段二氧化碳排放

DES与CES的温室气体排放和灰霾污染物的排放均主要来自于使用阶段。若想有效地控制气体污染物的排放必须减少使用阶段天然气以及电力的利用。通过DES与CES的气体排放分析能很清楚地知道，可再生能源在分布式能源系统中的充分利用能够很明显地减少温室气体以及灰霾污染物的排放。

图9 使用阶段二氧化碳排放

图10 回收阶段二氧化碳排放

5 结论

(1)计算出DES与CES在全生命周期过程中的能耗清单，相比于CES，充分利用可再生能源的DES电力年消耗量减少了约15.5%，燃气年消耗量减少了约46.3%。

(2)DES与CES灰霾污染物的排放主要来自使用阶段，分别约占99.98%、99.99%；而温室气体的排放在使用阶段分别约占96.76%、98.59%，有效地控制气体污染物的排放应该在使用阶段减少电力和燃气的消耗。

(3)DES在建设阶段的排放中PVC、电、柴油、304不锈钢分别约占28.3%、16.1%、10.7%、13.2%，使用阶段中燃气与电力分别约占58.7%、34.2%，回收阶段金属的回收能有效地降低二氧化碳的排放。