田 喆

天津大学环境科学与工程学院

摘要(Abstract)：

综合能源系统实现了电能、热能、天然气等异质能源的深度耦合与协同互补，是新型能源体系建设、提升能源利用效率、推动双碳目标落地的核心载体。不同于传统单一能源系统，电热气多能耦合过程存在大量跨品类能量转换、能级传递与多工况动态交互，不可逆热力学损失显著，系统熵产机理复杂、分布离散、叠加效应突出，传统基于能量守恒的能效评价与优化方法无法精准表征系统不可逆损耗本质，难以支撑多能系统高效运行优化。为揭示多能耦合系统能效损耗的底层热力学机理，厘清异质能源品位匹配规律与熵产抑制路径，本文基于非平衡态热力学理论，系统构建多能耦合系统熵产最小化理论体系。首先阐明熵产最小化原理的理论谱系与核心内涵，界定电热气多能流耦合场景下的熵产来源、分布特征与演化规律；其次剖析能源品位匹配对系统熵产的主导作用，拆解能量转换、传递全环节的不可逆损失成因，揭示多能流耦合熵产的非线性叠加机制；最后创新性提出储能枢纽节点理论，界定储能枢纽的系统架构、核心功能与调控机制，阐明枢纽节点“缓冲-调节-转换”一体化能力对系统熵产空间分布、动态演化的调控机理。研究表明，多能系统总熵产主要源于异质能源品位错配与耦合转换不可逆损耗，多能流交互存在显著的正相关非线性熵产叠加效应；储能枢纽节点可通过能量时空平移、能级自适应匹配、多能流动态解耦，有效平抑系统熵产波动、降低全局不可逆损失、优化熵产空间分布，实现熵产最小化运行目标。本文构建的熵产最小化理论与储能枢纽节点理论，完善了综合能源系统热力学分析与能效优化的理论体系，可为电热气多能耦合系统的结构优化、运行调控、能效提升与低碳运行提供坚实的理论支撑与工程指导。

关键词(KeyWords)：综合能源系统；多能耦合；电热气协同；熵产最小化；不可逆损失；能源品位；储能枢纽节点；能效优化

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