今天分享的是：2025从高效率能源利用走向高品质能源利用——综合能源系统品质提升关键技术及应用-天津大学 王丹
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能源利用进入“品质时代”：从“省得多”到“用得好”，综合能源系统如何破局？
在2025全球能源互联网大会的新型电力系统学术论坛上，天津大学王丹团队带来的研究成果，为全球能源转型提供了新视角——当传统的“高效率”能源利用逐渐触及瓶颈，“高品质”利用正成为破解能源供需矛盾、推动碳中和的关键方向。这一转变不仅关乎能源消耗的“数量”减少，更聚焦于能源“做功能力”的精准释放，重塑着未来能源系统的发展逻辑。
从“数量节能”到“品质节能”：能源利用的认知升级
过去多年，全球能源节能的核心思路集中在“数量”层面：一方面通过增加风电、光伏、地热等可再生能源接入，减少化石能源消耗（即“开源”）；另一方面通过技术手段降低能源传输中的“跑冒滴漏”，减少损失（即“节流”）。这一模式在初期成效显著，但随着实践推进，我国能量“数量”节能的幅度逐年下降，单纯靠“省多少”“发多少”的思路已难以为继。
展开剩余87%问题的关键在于，用能的本质并非“消耗多少能量”，而是“利用能量做多少有用功”——这就是能源“品质”的核心。就像一箱100颗的水果，“数量”是100颗，但只有没腐烂的90颗具备“食用价值”，这90颗的“品质”才真正决定了水果的实际用途。能源亦是如此：热力学第一定律告诉我们能量“数量”守恒，不会凭空消失；但热力学第二定律揭示，能源的“品质”会不断贬值，比如电能若直接用于低效率供暖，其原本能驱动精密设备的高“做功能力”就会被浪费。
这种“品质差异”在实际场景中随处可见。以市政热力管网为例，热源厂输送的热量“数量”足够，但随着传输距离增加，热能的“做功能力”（即“㶲值”，可理解为有效能）会逐步减弱——用户1和用户2获得的热量相同，但实际能用于供暖的有效能却相差明显。天然气管网也存在类似问题，掺氢天然气传输中，即便通过流量调节保证用户获得的能量总量一致，燃气的热值（做功能力）也会随距离衰减。
更关键的是，传统“能效”指标无法反映这种品质差异。数据显示，某能源站能效可达88.4%，但衡量有效能利用的“㶲效率”仅为51.3%；另一场景下，能效降至60.57%，㶲效率反而升至69.29%。这意味着，能源利用的“数量效率”高，不代表其“品质效率”高，甚至可能存在“高能耗换低效用”的隐性浪费。
高㶲综合能源系统：定义“高品质”利用的核心标准
为解决这一问题，王丹团队提出了“高㶲综合能源系统（HE-IES）”的概念，将能源利用目标从“高效、安全、低碳”升级为“高效、安全、低碳、高㶲”，明确了“一低三高”的品质标准：低㶲损（有效能损失少）、高㶲效率（有效能利用率高）、高终端能质系数（用户端获得的有效能品质高）、高有效能利用率（输入能量转化为有效能的比例高）。
这一系统并非凭空构建，而是以“㶲流机理模型”为核心支撑——就像给能源系统装上“有效能追踪器”，实时监测电能、天然气、热能在生产、传输、转换、消费全链条中的品质变化。比如在电力系统中，将电压差与㶲损关联，精准计算线路传输中有效能的流失；在热力系统中，通过温度变化分析单位质量水承载的有效能差异；在天然气系统中，结合热值、能质系数量化燃气的做功能力。
围绕这一核心，三大关键技术构成了高品质利用的“支柱”：
其一，高㶲规划技术，核心是“避免错配”——不让高品位能源（如电能）做低品位工作（如粗放供暖），也不让低品位能源（如余热）承担高要求任务（如工业精密加热）。通过优化能源站布局、管线扩容与新建、设备改造，从源头减少“品质浪费”。例如在北方某示范区规划中，通过新增可再生能源机组、扩展热力管网，系统有效能利用率提升显著，避免了局部区域“高质能闲置、低质能过载”的问题。
其二，高㶲运行与调度技术，聚焦“动态匹配”。结合可再生能源出力的不确定性、用户负荷的波动，通过精准预测、状态感知、智能优化，实时调整能源分配策略。比如当风电实际出力高于预测时，优先将多余电能用于高㶲需求的工业生产，而非低效储热；当出力不足时，通过燃气轮机补能而非削减高价值负荷，确保有效能“用在刀刃上”。
其三，㶲经济学与市场化机制，让“品质”成为可衡量、可交易的商品。由于㶲能统一反映不同能源的“有效能属性”，团队提出基于㶲流追踪的成本分摊方法——比如某条电力支路的㶲损，按各用户实际消耗的有效能比例分摊，而非简单按用电量均摊；同时设计多元化交易模式，允许用户根据自身品质需求，在市场上选择高㶲电能、低热值燃气等不同品类的能源，推动“品质定价”的市场化落地。
从理论到实践：中国能源系统的“品质优化”路径
这些技术并非停留在实验室，而是已在多个场景中验证成效。对近十年中国能源系统的分析显示，当前能源浪费主要集中在三大领域：高品质电能的低质利用（如粗放式电采暖）、热能的不匹配利用（如高温蒸汽用于低温需求）、燃烧过程的不可逆损失（如化石燃料不完全燃烧导致的有效能流失）。基于此，团队建议未来需深化能源梯级利用——比如将电厂余热用于居民供暖，再将供暖回水用于农业灌溉，让不同品质的能源“各尽其用”；同时构建多能互补网络，通过电、热、气协同，减少单一能源依赖导致的品质损耗。
在北方某工业城镇示范区的实践中，“㶲路模型”的应用让能源系统的品质问题一目了然。通过将设备、节点、㶲流路径转化为可视化拓扑图，团队发现：能源站是㶲损的主要环节，其输送高品质能源的能力不足，导致用户端虽获得足够能量，但有效能品质偏低。后续通过能源站内部设备改造，㶲损降低23%，用户端有效能利用率提升18%。
此外，量质协同状态估计技术的应用，解决了传统能源管理系统“只看数量、不看品质”的短板。在该示范区，通过实时监测节点电压、管道流量、介质温度等参数，同时计算对应的㶲流数据，为能源交易、做功安全评估提供了精准数据支撑——比如某条天然气管道的负荷㶲预测误差控制在5%以内，确保了“品质交易”的公平性。
能源品质革命：开启可持续发展新空间
从“数量优先”到“品质优先”，这一转变不仅是技术层面的升级，更是能源利用理念的革新。在全球碳中和目标下，可再生能源装机规模持续扩大，但如何避免“绿电浪费”“绿热低效”，关键就在于提升能源品质。比如风电、光伏发出的电能，若直接用于高㶲需求的电动汽车充电、工业智能制造，其减排价值远高于单纯用于供暖；工业余热若能精准匹配农业、建筑等低㶲需求，可大幅降低化石能源补充量。
王丹团队的研究表明，未来能源系统的竞争，将不再是“谁能发更多电、产更多热”，而是“谁能让每一份能源都发挥最大品质价值”。高㶲综合能源系统的推广，不仅能减少隐性能源浪费，更能为可再生能源消纳、新型电力系统建设提供新路径——当能源利用的“品质效益”被充分释放，全球能源互联网的“清洁、绿色”目标，将迎来更坚实的落地支撑。
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