工业园区综合能源系统评价及碳排放核算研究综述

崔萍，张来伟，李骥，谢晓娜

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101；

2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100101)

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出，节能减排已成为当今社会能源领域研究的热点问题。

作为聚集着大量用能个体的工业园区，消耗着大量的能源，所需要的能源种类也多种多样[1]。

传统工业园区内，能源利用效率低、温室气体排放量高，普遍存在资源浪费、电能紧缺、环境污染等问题。

对于工业园区综合能源系统评价以及碳排放核算方法的研究有助于园区识别节能减排潜力，促进能源结构转型升级，实现园区低碳发展。

园区综合能源系统(Park Integrated Energy System， PIES)是电、气、冷、热等多个能源系统的耦合，具有负荷利用率高、能源协调互补、节能环保等优势，是适应分布式发展、满足工业园区多元用能需求的新型能源系统[2]。

碳排放核算是识别园区主要碳排放源、评估碳排放水平的核心手段[3]。

PIES评价以及碳排放核算方法的研究有利于指导工业园区综合能源系统规划改造，优化园区能源结构，深入把握工业园区碳排放的特点，评估园区碳排放水平，促进园区低碳可持续发展。

20 世纪70 年代，随着能源问题日益突出，美国在一项法案中明确要求推广天然气冷热电联产联供系统，开始朝着综合能源系统的方向发展[4]。

1998年，欧盟制定了科技框架计划，在第五框架部分提出多种能源形式协同优化[5]。

虽然这一阶段综合能源系统的概念并没有形成统一，但欧洲各国相继促进了多个综合能源系统项目落地，综合能源系统得到快速发展。

2001 年，美国在其综合能源系统发展计划中提出增加清洁能源(冷热电联产， Combined Cooling Heating and Power， CCHP)供应与利用比例的目标[4]。

21 世纪初，日本政府大力推进电力、燃气、供热/供冷等多种能源系统一体化集成发展[6]。2004 年，我国在《国家发展改革委关于分布式能源系统有关问题的报告》中提出，支持天热气冷热电联产系统、风力发电、光伏发电和其他能源等在内的小型分布式能源系统的发展[7]。

PIES 主要是由能源输配系统、能源转换系统、能源存储系统和能源消费系统等多个子系统组成[8]。

系统结构框架如图1所示[9]。

图1 园区综合能源系统构架图

燃气、柴油、电力、热力以及可再生能源通过输配系统传递到能源转换系统，具有不同功能的能源转换设备将这些能源转换为电、热、冷等不同的能量存在形式，满足能源消费系统不同的用能需求。PIES 具备多种能源协同互补、能量－信息流互联互通、源网荷储一体化的特征，将电、气、冷、热多种能源系统灵活集成， 统筹兼顾多能流之间的耦合、互补特性，减弱风能发电、水力发电、光伏发电在时间上不稳定的影响[10]，并运用储能设备大幅提高系统能源供应的可靠性，同时将能量流与信息流有机融合，在信息共享的基础上形成信息物理融合系统(Cyber Physical System，CPS)[11]。

PIES 中的能源生产与能源消费边界不再清晰，对应的功能角色进行了互相融合与替换[10]。

各种能源参与主体对能源供应、能量消费与能量储备的决策拥有极大的自主权，并向综合能源系统协同互动与源网荷储纵向一体化发展。

2.1 国外PIES 评价方法

由于综合能源系统首先是从热电联产系统的基础上发展起来的，因此国外学者对于PIES 评价的研究也是以热电联产系统为起点。

热电联产系统属于综合能源系统中的能源转换部分，是实现能源转换、能源高效利用的重要环节。

2.1.1 热电联产系统

以热电联产(Combined Heat and Power， CHP)为基础的PIES 发展比较迅速。

CHP 作为综合能源系统中核心的能源供应主体，可同时产生电能及热能，实现能源梯级利用[12]。

Havelsky[13]通过数值模拟设计各种热电联产系统，提出了热电联产系统的能量效率方程，将一次能源率和相对一次节能与设计系统的能量参数联系起来，比较了热电联产系统与现代传统的冷热分产系统的能量效率，评估了热电联产系统的节能潜力。

Rosen 等[14]在以热电联产为基础的区域能源系统的能效评估中引入了效率指标，该指标能更有效地分析出整个系统及其单独组件的性能和效率，并且能准确地指出效率低下的位置和原因。

由于电、热和冷3 种能量形式具有不同的性质，很难评估和比较基于热电联产的区域能源系统，而效率指标的引入很好地解决了这个问题。

Fumo 等[15]提出了一种基于一次能源节约管理策略评估热电联产系统的方法，并引入建筑一次能源比(Building Primary Energy Ratio， BPER)指标评价冷热电综合能源系统的能效。

Xu 等[16]从热电联产中电力、燃气、热力系统相互作用和协调的特性出发，建立了考虑多能源系统协调的负荷削减模型，并基于蒙特卡洛模拟提出了可靠性评估方法，进而提出了一种可靠性最优的能源枢纽规划方法，以适应可再生能源的更高普及率。

国外的学者们更多的是通过设置指标来评价系统的性能和效率，并没有运用评价方法对热电联产系统进行评价。

2.1.2 综合能源系统

在多能源发电基础设施对输电基础设施的影响方面，Favre-Perrod 等[17]提出了一种可用于考虑多个能源载体的产生、转换、传输和存储的综合能源系统规划方法，并基于平均方差投资组合理论评估了不同的多能源系统设计方案的成本和风险性。

由于综合能源系统在运行中会存在随机风电波动、能源负荷变化、天然气供应不足以及电网吸收剩余电力能力有限的负面影响，Fu 等[18]为了确保燃气供应和剩余电力吸收的可靠性，提出了基于一阶可靠性方法估计综合能源系统的失效概率，并使用拉丁超立方抽样理论验证了结果。

考虑到综合能源系统对公共电网的潜在负面影响，Wang 等[19]提出了一种基于超平面决策分析策略，解决了综合能源系统的多目标优化运算问题，降低了公共电网的功率损耗和电压幅度偏差。

Tang 等[20]研究了分布式能源系统的共同特点，基于熵权分布的线性加权综合法建立了综合能源系统能效综合评价体系和方法，包括经济指标、能效技术指标和环境指标，并对传统指标进行了筛选，通过实例比较了传统系统、光伏系统和燃气轮机系统在不同评价下的评价结果。

总体而言，国外对于综合能源系统评价方法的研究中，在综合能源系统的性能效率、系统设计成本、能源供应系统的可靠性以及可再生能源的消纳水平等方面均有所涉及，但对于覆盖面全的指标体系和评价方法的研究仍有不足之处。

2.2 国内PIES 评价方法

2.2.1 评价指标

在综合能源系统指标评价体系的研究中，对电、气、冷、热4 个子系统的指标评价都有涉及。

对于电网的评价，吴强等[21]设置了“分布式电源发电量占比”和“分布式电源发容量占比”两个指标评价分布式电源在系统中的作用。

姜江枫等[22]应用“系统电量不足期望值”和“用户平均停电持续时间”指标评估配电系统的可靠性；
陈柏森等[23]设置了“配电网负载率水平”和“系统平均故障停电时间”指标评估配电系统的运行情况；
杨永标等[24]采用“电压合格率”和“电能占终端能源占比”指标评价系统的安全可靠性和低碳环保水平。

对于综合能源系统中天然气的指标评价，利用“天然气系统消纳率”指标评价天然气系统消纳风电的水平[25]，而用“能源转换效率系数”指标反映天然气的利用效率[23]。

“能源转换效率系数”是指全年耗热/冷量、热电联产机组的输出电量与耗能情况的比值，该值越大，园区综合能源系统能耗越低，间接反映了综合能源的利用效率。

对于综合能源系统中冷、热指标的评价，利用“循环水泵能效指标”和“输冷(热)管道能效指标”评估冷热水输配系统的能效水平[26]，以“供热系统可靠性与稳定性”和“空调系统可靠性与稳定性”来反映集中供热供冷系统的运行情况[27]；
用“能质系数”反映能源品位的高低[23]，采用“管网水力平衡度”“系统补水率”“管网热损失率”“系统耗电输热比”指标评价热力系统的运行状况[21]。

关于整个园区的综合能源系统评价指标体系的研究往往是与评价方法一起出现的，通过对综合能源系统建立比较完善的评价指标体系，进而运用相应的评价方法对评价指标进行权重的分析计算，评价系统的优劣。

2.2.2 评价方法

针对综合能源系统评价方法的研究中，层次分析法(Analytic Hierarchy Process， AHP)是目前评价园区综合能源系统最常用的方法之一，其本质是一种分解复杂问题的过程，结合了决策时的基本步骤，即分解、判断、综合。

AHP 将决策分解成目标层、准则层、方案层3 个层次，在一定程度上减少了决策者的主观性，已广泛应用于评价能源系统领域。

蒋菱等[28]基于AHP 构建了能源互联网综合评估方法，以天津某智能电网创新示范区为例，验证了该评估方法的有效性。

杨苹等[26]先后在供应侧、传输网、用户侧和储能系统上构建了园区内能源互联网能效评估指标体系，并采用AHP 对各项数据加权排序，形成了园区内能源互联网的整体能效评估框架。

但是AHP 也具有一定的局限性，当所确定的指标过多时，数据统计量大，就会出现无法准确计算权重值的问题，因此常常采用组合评价方法对综合能源系统进行评价。

运用组合评价方法在进行指标权重计算时具有计算量小、使用方便、适用性广、结果合理可靠等优点，能够准确地评估综合能源系统发展水平。

几种组合评价方法的优点见表1。

表1 不同组合评价方法的优点

董福贵等[29]综合考虑分布式能源系统的经济、能耗、环境因素，基于层次分析法构建了评价指标体系，并引入熵值变量修正层次分析法赋权确定的权重值，主客观结合得出了科学的指标权重。

张世翔等[30]基于AHP 和改进熵权法建立了面向园区微电网的综合能源系统的VIKOR 多准则评价体系，以某园区综合能源系统为例分析了指标权重；
陈柏森等[23]从多能源系统耦合的角度出发，建立了区域综合能源系统的综合评估指标体系，并采用网络分析法－反熵权法确定了各项指标的权重值；
严嘉伦等[31]从能耗、环境和经济等方面研究楼宇式综合能源系统的相关问题，采用绝对层次分析法分析了各个指标的权重，并在此基础上通过变异系数法进行了优化验证；
周欢等[32]为了解决现行评价方法在推动多能耦合、可再生能源利用等方面存在的不足，提出了一种基于绿色经济的综合能源系统价值评价方法，应用模糊综合评价理论和层次分析法，定量分析了企业在系统经济性、运转效率和低碳特性3 个方面对能源的综合利用情况。

在评价不同能源系统方案的优劣性方面，张涛等[33]利用非线性整数规划方法建立了分布式能源系统优化模型，所建立的指标评价矩阵体系考虑了经济、能耗、环境等方面的影响因素，基于熵权法原理给出各个指标的客观权重，并利用专家评价法主客观结合评价系统方案优劣；
白牧可等[34]通过分析综合能源系统整体性能，从能效、成本、品质、环保4 个方面提出了面向用户侧综合能源系统评估方法，并基于时序模拟和序贯蒙特卡洛模拟的方法求解出各指标值，最后以某城市商住混合区综合能源系统为算例评估了几种方案的优劣性。

从能源供需的角度，田立亭等[35]采用加权有向图建立了综合能源系统能效评估方法，经过实例验证了该方法的有效性。

针对不同能源品位之间的差异性，刘洪等[36]提出了基于分析的能质系数法，评价了不同能源消耗对园区的贡献，通过某工业园区验证了该评估方法的可行性。

关于能源互联网下能量流与信息流深度融合的方面，董文杰等[37]分析了能源流动的特点，基于博弈与证据理论建立了综合能源系统评价方法，将其运用到实例中并给出了可靠的评估结果。

基于电能替代设备对综合能源系统建设效果的积极影响，赵璞等[38]在对园区“源－网－荷－储”一体化特性的研究中，提出了采用组合赋权法优化物元可拓模型的综合评价方法，该评估方法适用于多层次、多指标的综合能源系统。

综上所述，国内学者对于综合能源系统评价方法的研究更多地体现在如何构建涉及面广的综合指标评价体系，以及运用相关的指标评价理论建立不同的综合能源系统评价方法，由此来对系统规划改造、系统优化调度、能源供给方式、运行维护方式等方案进行选优。

3.1 工业园区碳排放的特点

工业园区聚集着大量的能源消费活动和经济生产过程，与省级、城市层面相比，其碳排放具有不同的特点。

为了制定科学有效的工业园区碳排放核算方法，把握工业园区碳排放的特点是首要前提。

国家试点低碳工业园区的碳排放具有以下特点[39－40]:

(1) 碳排放核算边界较为明确。

工业园区一般是我国的行政区划，具有明确的地理边界。

一般而言，碳排放主要来自于工业生产，随着产城融合的不断发展，排放范围扩展至居民生活和服务业，但考虑到其排放水平较低，园区碳排放仍然以工业生产企业为主。

(2) 碳排放以能源消耗为主，电力消耗比重增大。

工业园区碳排放源主要包括能源活动排放(电力、热力净输入的间接排放以及工业、建筑、交通运输等化石燃料燃烧所释放的直接排放)、工业生产过程排放和废弃物处理排放。

其中，能源消耗是最主要的碳排放来源，而且随着我国的工业电气化水平逐步提高，电力消耗比重也逐渐增大。

2015—2019 年中国工业能源消费总量与电力消费总量如图2 所示(数据来源于国家统计局网站)。

与2015年相比，2019 年工业能源消费总量增加了8.97%，工业电力消费总量增加了22.01%，电力消费导致的间接碳排放占比逐渐增加。

图2 2015—2019 年中国工业能源与工业电力消费总量

(3) 碳排放核算以二氧化碳为主。

温室气体主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟烃(HFCS)、全氟碳(PFCS)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)、五氟化硫(SF5)、三氟化碳(CF3)、卤化醚[3]。

由于不同工业园区内具有不同的企业生产类型和产业结构，可能包含以上几种或所有的温室气体排放种类，但从其排放总量来看，CO2排放量占绝对优势。

因此，现阶段工业园区碳排放核算以CO2为主。

3.2 工业园区碳排放核算方法研究现状

3.2.1 碳排放核算对象

确定碳排放核算对象的途径一般有两种:(1)选取国际协定或者国家地区标准给出的温室气体种类；
(2) 根据不同工业园区内实际的碳排放种类来确定。

对于核算范围，世界资源研究所和世界可持续发展工商理事会于2011 年底发布的《企业价值链标准》提供了测量企业价值链和产品温室气体排放的核算范围[3]，在工业园区层面具体分为3 个范围:范围1，园区行政区域内所有的直接碳排放；
范围2，园区外购的电力、蒸汽、供暖或制冷等产生的间接碳排放；
范围3，园区内除范围2 之外产生的一切间接排放[41]。

对于工业园区碳排放的来源，可分为排放部门(原料开采、产品生产、建筑建造、能源供应、交通运输、废弃物处置等)和排放过程(化石能源燃烧过程、二次能源使用过程、焚烧处理过程、污水净化过程等)。

在确定工业园区碳排放核算对象时，张雁飞等[42]将园区行政边界作为核算边界，选取能源直接燃烧、外部输入的电力和热力、固体废弃物处理处置、重点行业生产过程作为工业园区核算碳排放来源，主要对CO2、CH4和N2O 这3 种温室气体进行碳核算。

熊鹏等[43]将江西赣州工业园中所消耗的原煤、发电、汽油、煤油、柴油等产生的CO2作为碳排放核算对象；
刘丽荣等[44]将工业园区用地分为工业用地、居住与公共设施用地、道路广场用地、绿地等五大类，分别核算CO2排放和吸收；
靳婧等[40]以宁夏某工业园区为例，仅从能源消费领域对CO2进行了碳排放核算。

3.2.2 碳排放核算方法

目前所研究和实际应用的方法主要有排放清单法、投入产出法、生态网络分析法以及生命周期评价。

排放清单法是根据碳排放核算标准中的计算方法，选取合适的排放因子，收集园区内相关的数据，并进行碳排放清单的编制，完成碳排放量的核算。排放清单法是分析温室气体排放及其减排潜力、实现工业园区低碳发展的基本要求。

Wang 等[45]根据排放清单法，利用世界资源研究所开发的方法计算了苏州工业园区范围1 和范围2 的碳排放量，并在计算总碳排放量时排除了热力和电力生产的排放，将热量和电力消耗产生的排放纳入了工业园区的其他部门。

Liu 等[46]建立了包括能源消耗、工业过程和产品使用以及废物处置在内的工业园区综合温室气体排放清单，以中国典型的国家级生态工业园区北京经济技术开发区为案例进行了研究，并分析了工业发展过程中生态工业园的动态温室气体排放和强度。

Bi 等[47]基于温室气体排放清单法，从工业能源消耗、交通运输、工业过程和废物处理等方面分析了碳排放的特点。

齐静等[48]基于清单分析法对北京某工业园区建立了温室气体排放核算方法，核算了园区内由一次能源消耗、二次能源消耗、工业生产、物质材料与设备投入产生的排放。

魏康霞等[49]参照《IPCC 国家温室气体清单指南》和《省级温室气体清单编制指南(试行)》中的核算方法，核算了南昌某工业园区温室气体排放。

吕斌等[39]基于温室气体核算方法遵循的原则，核算了直接排放以及净调入电力、热力间接排放的CO2。

投入产出法是以整个经济系统为边界，通过编制的投入与产出报表来反映各个部门及产业间关系的经济统计核算方法，可用来追溯由上游生产活动引起的隐含碳排放，一般结合碳排放矩阵和生命周期评价方法计算碳排放[42]。

Dong 等[50]运用分层混合生命周期评价和投入产出法相结合的核算方法，从直接能源消耗碳足迹、工业过程碳足迹、购电和供热碳足迹、材料碳足迹、折旧碳足迹和废物处理碳足迹6 个部分对沈阳经济技术开发区进行生命周期碳足迹分析，但这种分层混合生命周期评价方法的应用需要大量的时间和人力投入。

Matthews 等[51]基于经济投入产出－生命周期评估方法核算了美国某工业部门的碳排放，不仅考虑了直接排放量和外购能源的排放量，还跟踪了整个供应链的总排放量，结果表明供应链间接排放远远高于传统的直接排放。鞠丽萍等[52]基于全生命周期评价和投入产出模型，核算了重庆市各产业部门的能源消费、外购电力以及全生命周期3 个层次的CO2排放，剖析了重点行业的碳排放特点。

代旭虹[53]针对工业园区原料消耗的碳排放，运用投入产出评价法分析了原料的上游碳足迹。

生态网络分析法(Ecological Network Analysis，ENA)是一种基于新陈代谢的通用分析方法，用于研究系统连通性，并量化和鉴定系统中的直接和间接生态流。

一般来说，系统的行为、结构和功能是ENA 的关键因素。

生态工业园可以被看作一个共生网络，其中许多物质流和能量流将不同的部门连接起来，以确保工业生产过程和系统功能的平稳运行。

因此，可以在生态工业园碳排放核算研究中引入ENA，但是关于应用ENA 对工业园区进行碳排放核算的研究少。

Lu 等[54]为了揭示低碳高科技产业园区的碳代谢过程，以北京开发区国际商务园作为案例，基于ENA 方法建立了一个低碳代谢网络，基于碳代谢并结合网络效用分析(Network Utility Analysis， NUA)、网络控制分析(Network Control Analysis， NCA)和全系统指标，分析了各个部分碳代谢对生态工业园的影响程度，研究发现建筑和废物管理是对碳代谢贡献最大的两个部分。

生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)是一种全面的系统分析工具，目前已成为环境管理工具的一个组成部分[55]。

LCA 被定义为产品系统在其整个生命周期内的输入、输出和潜在环境影响的汇编和评估[55]。

一些学者运用LCA 追溯工业园区内产业链上下游环节的温室气体排放。

Diaz 等[56]基于LCA 分析了西班牙西北部的煤炭开采活动产生的直接和间接排放，表明通风空气中的CH4是温室气体排放总量的关键部分(60%～70%)。

刘韵等[57]采用自下而上的全生命周期评估法，评估山西省吕梁市某燃煤电厂的碳足迹，发现锅炉燃煤和煤炭开采是碳排放的主要来源。

总的来说，在不同的范围内每一种核算方法都具有各自的合理性，但也有不足之处。

4 种碳排放核算方法的原理及优劣性对比结果见表2，各方法都是从不同的角度来衡量范围1 ～3 的碳排放[3]，但是在具体应用中，清单分析法难以核算范围3。

在编制投入产出表时，由于数据的不连续性以及统计的不准确性，对投入产出法的结果会产生不利影响。而ENA 也要基于清单分析法和投入产出法的数据基础来构建[3]，依然会受到两种方法的局限性的影响。

生命周期评价最关键的是对数据的清单分析，依托基础数据统计评价环境影响，对能源消耗领域的温室气体排放比较适用。

表2 主要碳排放核算方法对比

准确客观地评价是衡量园区综合能源系统合理性的重要依据，多能耦合、协同互补是园区综合能源系统的优势，但是多能流的输入也使得系统结构变得复杂多样，在对其进行评价时所考虑到的影响因素也多种多样。

针对工业园区综合能源系统的评价提出以下研究方向:

(1) 目前对于综合评价指标体系的研究更多的是从能源供应的角度出发，较少从需求侧多元用能需求的角度考虑。

如当发生冷/热量供应缺乏或过量时，由于能量传递的滞后性，用户侧不能及时察觉，造成经济损失或能源浪费等负面影响，因此要提高园区综合能源系统对需求侧的敏感性以及建立快速反应机制。

(2) 由于园区综合能源系统多能互补的特性，在构建综合评价指标体系时不能将各个能源子系统单独评价，建立更综合更全面的评价指标体系仍是以后的研究方向。

(3) 随着物联网、云计算、大数据等工业互联网技术的进一步发展，园区综合能源系统将更加智能化，如何评价系统的通信能力、感知能力、分布式协同控制能力也成为亟需解决的问题。

(4) 对园区综合能源系统从规划设计、建设、运行管理到废弃处置的全生命周期过程多角度综合评价仍是该领域待进一步研究的重要课题之一。

工业园区种类较多、特点不一，无法保证数据获取的准确性且数据尚未形成统一标准，因而导致工业园区的碳排放核算方法各种各样。

在当前国家“碳达峰、碳中和”的目标下，运用生命周期评价思想核算园区温室气体，针对不同类型的园区制定不同的低碳发展战略，更具有实际意义。

针对工业园区碳排放核算方法的进一步研究可从以下方面开展:

(1) 在国家层面下推动工业园区碳排放核算形成统一的框架，结合其他几种温室气体核算方法，运用全生命周期的思想制定混合式温室气体核算方法，解决核算体系现有的难题。

(2) 开展低碳试点工业园区建设，规划园区低碳发展路径，推广全生命周期温室气体核算方法，结合综合能源系统建设，提高高效背压式热电联产机组的比例，增加光伏发电、风力发电等清洁能源的投入，构建碳排放评估体系，从而实现对工业园区碳减排的有效控制。

(3) 数据获取的难易和数据质量的高低是决定工业园区温室气体核算结果准确性的关键。

因此，需要建立园区能源数据收集系统和碳排放管控在线平台，以实现对园区的管理和实时监控。

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