寒冷地區(qū)公共機(jī)構(gòu)建筑多能源系統(tǒng)優(yōu)化模型研究

（1-深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東深圳 518049；2-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年來，我國的能耗在不斷增長，其中建筑能耗增長尤為迅速[1]，2015年全國建筑能耗占全國能源消費(fèi)總量的20%，2017年全國建筑能耗占所有能耗的27%以上，而且以每年1%的速度在增加。而在所有的建筑能耗分類中，我國公共機(jī)構(gòu)建筑占比最大，百分比為38%，且其碳排放強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國居住建筑強(qiáng)度水平，是全國強(qiáng)度水平的 2.09倍，可見其巨大的節(jié)能減排潛力[2]。公共機(jī)構(gòu)是社會行為和公共道德的示范和標(biāo)桿，公共機(jī)構(gòu)對自身節(jié)能的重視程度影響著社會公眾的能源消費(fèi)觀念。在我國，由于能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)生活習(xí)慣等原因，供能系統(tǒng)的源頭絕大部分是燃煤鍋爐房、熱電廠和燃煤產(chǎn)生的污染物[3]，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染與溫室效應(yīng)[4]。將太陽能[5]、地?zé)崮躘6]等與傳統(tǒng)化石能源相結(jié)合，構(gòu)建公共機(jī)構(gòu)建筑多能源系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)各種能源梯級利用，降低建筑能耗與環(huán)境污染[7]，還與當(dāng)?shù)刎?fù)荷、資源、氣候形成良好互動，從而推進(jìn)公共機(jī)構(gòu)建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展[8]。

多能源系統(tǒng)受到越來越多的研究者的關(guān)注。董福貴等[9]從經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)境3個角度為分布式能源系統(tǒng)構(gòu)建了綜合評價體系。李可偉等[10]在公共機(jī)構(gòu)建筑冷熱雙供系統(tǒng)中，構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)境3類指標(biāo)。與構(gòu)建評價體系相比，多能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的研究很多。楊佳霖[11]構(gòu)建了一種為北方中小城鎮(zhèn)供應(yīng)清潔能源的多能源協(xié)調(diào)供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的亮點(diǎn)在于使用棄風(fēng)、棄光的電量驅(qū)動污水源熱泵，提取污水中較低品味的熱量，對市政熱網(wǎng)中的水進(jìn)行預(yù)熱，在利用傳統(tǒng)蒸汽背壓機(jī)組進(jìn)一步加熱，以實(shí)現(xiàn)能量梯級利用。陳中豪等[12]利用層次分析法，將描述社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，保證該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行和環(huán)保性。華煌圣等[13]構(gòu)建了用能經(jīng)濟(jì)性和綜合能效性最大的雙目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。滕茂丹[14]針對具體項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)能源使用費(fèi)對天然氣熱泵耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響最大，并提出與政府合作，以降低該費(fèi)用降低的風(fēng)險(xiǎn)。白宏坤等[15]采用碳交易和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低為設(shè)計(jì)目標(biāo)，規(guī)劃滿足居民生產(chǎn)生活冷、熱和電3種負(fù)荷的綜合能源系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

本文針對寒冷地區(qū)公共機(jī)構(gòu)建筑冷、熱和電 3種負(fù)荷，建立具體的多能源系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)中的各項(xiàng)能源設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，采用層次分析法，將該多能源系統(tǒng)多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，再基于這個兼顧經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性的綜合評價指標(biāo)，提出夏季和冬季兩種不同的季節(jié)情景下，該建筑多能源系統(tǒng)的運(yùn)行方案。

1 系統(tǒng)介紹

寒冷地區(qū)氣候環(huán)境為夏天熱、冬天冷。因此，在為該地區(qū)公共機(jī)構(gòu)建筑構(gòu)建多能源系統(tǒng)時，需要滿足該建筑的冷、熱和電 3種負(fù)荷。圖1所示為典型的多能源系統(tǒng)原理。

圖1 典型的多能源系統(tǒng)原理

由圖1可知，該多能源系統(tǒng)由三聯(lián)供系統(tǒng)及電網(wǎng)提供電能，剩余電力將優(yōu)先供給熱泵和電制冷器，再賣給電網(wǎng)。

冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)組和電制冷器提供。熱負(fù)荷由太陽能熱水器、三聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t、地源熱泵和市政熱力提供。

采用Deep軟件對北京地區(qū)一處1萬m2的公共機(jī)構(gòu)建筑進(jìn)行模擬獲得其冷、熱和電3種負(fù)荷[16]。選取夏季和冬季典型天，冷熱電負(fù)荷如圖2所示。

該公共建筑3種負(fù)荷均發(fā)生在白天，夏季和冬季白天電負(fù)荷比較均勻，最大電負(fù)荷為157.66 kW；冬天無冷負(fù)荷，而熱負(fù)荷巨大，最大熱負(fù)荷為2,096.05 kW；夏天無熱負(fù)荷，而冷負(fù)荷巨大，最大冷負(fù)荷為1,501.91 kW。

多能源系統(tǒng)的冷、熱和電3種負(fù)荷涉及電價的買賣、燃?xì)夂凸┡瘍r格，能源交易價格如表1所示。多能源系統(tǒng)中涉及到三聯(lián)供機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱泵、電制冷器、吸收式制冷機(jī)組和太陽能熱水器等，設(shè)備參數(shù)如表2所示[17]。對于該多能源系統(tǒng)，其CO2排放量來自天然氣燃燒、買電和買熱情況，其相關(guān)數(shù)值如表3所示。

圖2 全天冷熱電負(fù)荷

表1 各種能源交易價格

表2 各能源設(shè)備參數(shù)

表3 CO2排放量

2 模型建立

2.1 三聯(lián)供機(jī)組

傳統(tǒng)的三聯(lián)供機(jī)組包括發(fā)電單元、產(chǎn)熱單元及制冷單元。三聯(lián)供機(jī)組的輸出模型可以表示為[18]：

式中，Qe,pgu(t)為時間Δt內(nèi)，三聯(lián)供機(jī)組的發(fā)電量，kW·h；Ppgu(t)為時間t時的功率輸出，kW；Δt為時間間隔，h；LHVNG為天然氣的低位發(fā)熱量，取值 36 MJ/(N·m3)；VNG,pgu(t)為三聯(lián)供系統(tǒng)燃燒的天然氣體積，N·m3；Qh,pgu(t)為時間Δt內(nèi)的發(fā)熱量，kW·h；Ph,pgu(t)為三聯(lián)供機(jī)組輸出熱功率，kW；ηe,pgu為發(fā)電效率；ηh,pgu為產(chǎn)熱效率；nac為高溫?zé)煔膺M(jìn)入吸收式制冷機(jī)組的比例。

吸收式制冷機(jī)組的輸出冷量可表示為[19]：

式中，Qac(t)為時間Δt內(nèi)，該吸收式制冷機(jī)組的輸出冷量，kW·h；Pac(t)為該機(jī)組制冷量，kW；ηac為吸收式制冷機(jī)組的制冷效率。

2.2 太陽能集熱器

太陽能集熱器的輸出熱量為：

式中，Qst(t)為時間Δt內(nèi)太陽能集熱器的輸出熱量，kW·h；Pst(t)為太陽能集熱器的輸出功率，kW；ηst為太陽能集熱器的集熱效率；A為太陽能集熱器的面積，m2；G(t)為當(dāng)?shù)靥栞椪斩?，W/m2。

2.3 熱泵

熱泵的輸出熱量為：

式中：Qhp(t)是時間Δt內(nèi)，熱泵輸出熱量，kW·h；Php(t)是熱泵輸出功率，kW；ηhp為熱泵的效率，Php,e(t)為熱泵的耗電功率，kW。

2.4 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t輸出的熱量可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Qgb(t)為時間Δt內(nèi)，燃?xì)忮仩t輸出熱量，kW·h；Pgb(t)為燃?xì)忮仩t的輸出功率，kW；ηgb為燃?xì)忮仩t的熱效率；VNG,gb(t)為燃?xì)忮仩t燃燒的天然氣體積，N·m3。

2.5 電制冷器

電制冷器輸出冷量計(jì)算：

式中，Qec(t)為時間Δt內(nèi)，電制冷器輸出冷量，kW·h；Pec(t)是電制冷器制冷量，kW；Pec,e(t)為電制冷器耗電功率，kW；ηec為電制冷器制冷效率。

2.6 約束條件

2.6.1 平衡約束條件

多能源系統(tǒng)需要滿足冷熱電負(fù)荷的實(shí)時平衡，負(fù)荷平衡約束條件如式(8)～式(10)所示。

電量平衡：

式中，Pe,load(t)為電負(fù)荷，kW；Pgrid+(t)為從電網(wǎng)買電功率，kW；Pgrid-(t)為賣電功率，kW。

熱量平衡：

式中，Ph,load(t)為熱負(fù)荷，kW；Ph,net(t)為從熱網(wǎng)買熱功率，kW。

冷量平衡：

式中，Pc,load(t)為冷負(fù)荷，kW。

2.6.2 容量約束

對于各個能源設(shè)備而言，能量輸出會受到自身容量限制。

式中，Pi(t)為t時刻，設(shè)備i的輸出功率，kW；Pi,max為設(shè)備i的最大輸出功率，kW。

2.6.3 運(yùn)行約束

當(dāng)能源設(shè)備運(yùn)行時，受到多種運(yùn)行約束條件的限制，如可再生能源系統(tǒng)需要滿足當(dāng)?shù)刭Y源條件的限制；三聯(lián)供系統(tǒng)需要滿足運(yùn)行熱電比的要求、啟動和關(guān)閉的負(fù)荷要求和部分負(fù)荷特性等，限于篇幅此處不再贅述。

3 優(yōu)化模型

3.1 3E綜合評價指標(biāo)

在綜合考慮運(yùn)行成本y1（經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）最小、CO2排放量y2（環(huán)境指標(biāo)）最小、綜合能源利用率y3（能效指標(biāo)）最大基礎(chǔ)上，構(gòu)建多能源系統(tǒng)綜合能效（Energy）、經(jīng)濟(jì)（Economy）和環(huán)境（Environment）的多目標(biāo)優(yōu)化模型，即3E綜合評價指標(biāo)z，即：

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)y1：

式中，VNG(t)為t時段從氣網(wǎng)購入天然氣的體積，N·m3；mbe為從電網(wǎng)購電價格，元/(kW·h)；mse為向電網(wǎng)賣電價格，元/(kW·h)；mg為天然氣購買價格，元/(N·m3)；mh為從熱網(wǎng)買熱價格，元/(kW·h)；mi為第i個設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)價格，元/(kW·h)；Pi(t)為第i個設(shè)備t時的輸出功率，kW。

環(huán)境指標(biāo)y2：

式中，dg為天然氣燃燒的 CO2排放系數(shù)，kg/m3；de為電網(wǎng)購電的CO2排放系數(shù)，kg/(kW·h)；dh為市政熱力供熱的CO2排放系數(shù)，kg/(kW·h)。

能效指標(biāo)y3：

式中，ηce為電網(wǎng)供電側(cè)發(fā)電效率，0.37；ηct為市政熱力供熱側(cè)效率，0.8。

對于該優(yōu)化調(diào)度模型，核心求解思路為：先將各個指標(biāo)采用模糊隸屬度函數(shù)處理，再采用層次分析法，獲得各個優(yōu)化指標(biāo)的相對權(quán)重，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。

3.2 指標(biāo)模糊化

考慮到運(yùn)行成本和CO2排放量，數(shù)值越小，其評價指標(biāo)越好。因此，運(yùn)行成本和CO2排放量采用降半Γ型隸屬度函數(shù)；對于綜合能源利用率，數(shù)值越大，評價指標(biāo)越好，則采用升半Γ型隸屬度函數(shù)。

式中，χ1(y1)、χ2(y2)和χ3(y3)分別為運(yùn)行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的隸屬度函數(shù)；y1min、y2min、y3max分別為運(yùn)行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的最優(yōu)值。

3.3 層次分析法

采用將3E指標(biāo)綜合評價指標(biāo)z中各個因素進(jìn)行加權(quán)處理，其值可以用來全方位評價特定的多能源系統(tǒng)：

式中，c1、c2和c3分別為運(yùn)行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的相對權(quán)重。

權(quán)重可采用層次分析法獲得，一般步驟[20]為：1）以上一級指標(biāo)為準(zhǔn)則，為下一層各指標(biāo)兩兩構(gòu)造比較判斷矩陣，采用1～9的標(biāo)度為其重要性進(jìn)行賦值；2）采用行和歸一法進(jìn)行各指標(biāo)相對權(quán)重的計(jì)算；3）檢驗(yàn)該矩陣的一致性。

按照上述步驟，可以獲取該多能源系統(tǒng)各指標(biāo)的相對權(quán)重，結(jié)果如表4所示。

表4 多能源系統(tǒng)各指標(biāo)相對權(quán)重

由表4可知，一致性比例CR=0，小于0.1。因此上述各指標(biāo)相對權(quán)重滿足一致性要求。此時，3E綜合評價指標(biāo)z為：

4 結(jié)果和討論

4.1 優(yōu)化結(jié)果分析

在夏季和冬季兩種工況下，針對上述北京地區(qū)一處10,000 m2的公共機(jī)構(gòu)建筑多能源系統(tǒng)，采用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)、環(huán)境指標(biāo)最優(yōu)、節(jié)能指標(biāo)最優(yōu)及3E綜合評價指標(biāo)最優(yōu)作為優(yōu)化策略，借助 Lingo軟件[21]進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

由表5可知，無論在夏季工況還是冬季工況，運(yùn)行成本、CO2排放量和綜合能源利用率最優(yōu)時，3E綜合評價指標(biāo)值，均小于多目標(biāo)最優(yōu)時的綜合評價指標(biāo)值。為了使各個單項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，往往會惡化其他幾個指標(biāo)值，使綜合評價指標(biāo)數(shù)值較小。對于多目標(biāo)最優(yōu)，雖然各個單項(xiàng)指標(biāo)不是最優(yōu)，但兼顧了各個單項(xiàng)指標(biāo)，使綜合評價指標(biāo)值最優(yōu)。因此，基于綜合評價指標(biāo)最優(yōu)的運(yùn)行方案能夠有效兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性，滿足復(fù)雜系統(tǒng)全方位需求。

表5 不同優(yōu)化策略結(jié)果對比

4.2 優(yōu)化調(diào)度分析

基于 3E綜合評價指標(biāo)，分別對夏季工況和冬季工況的多種能源設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)綜合評價指標(biāo)最優(yōu)。

4.2.1 夏季工況優(yōu)化

夏季工況下，該多能源系統(tǒng)負(fù)荷形式為電負(fù)荷以及冷負(fù)荷。當(dāng)選用 3E綜合評價指標(biāo)最優(yōu)作為優(yōu)化策略時，電功率、冷功率平衡如圖3所示。電負(fù)荷由三聯(lián)供系統(tǒng)提供，多余的電能一部分供應(yīng)電制冷器，另一部分賣給電網(wǎng)。冷負(fù)荷由電制冷器和吸收式制冷機(jī)組提供。電制冷器始終滿負(fù)荷運(yùn)行，不足的冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)組提供。

4.2.2 冬季工況優(yōu)化

冬季工況下，該多能源系統(tǒng)負(fù)荷形式為電負(fù)荷及熱負(fù)荷。當(dāng)選用 3E綜合評價指標(biāo)最優(yōu)作為優(yōu)化策略，電功率和熱功率平衡如圖4所示。對于該多能源系統(tǒng)，三聯(lián)供發(fā)的電以及從電網(wǎng)買的電，一部分滿足該系統(tǒng)的電負(fù)荷需求，剩余部分用于供應(yīng)熱泵；熱負(fù)荷由太陽能熱水器、熱泵以及三聯(lián)供系統(tǒng)提供，不足的部分由熱網(wǎng)供應(yīng)。

圖3 夏季功率平衡

圖4 冬季功率平衡

5 結(jié)論

本文以北京地區(qū)一處公共機(jī)構(gòu)建筑為例，針對其冷、熱和電3種負(fù)荷和典型具體的多能源系統(tǒng)，對該系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并在綜合考慮能源系統(tǒng)、運(yùn)行、維護(hù)和環(huán)境等影響因素基礎(chǔ)上，提出綜合評價指標(biāo)用于指導(dǎo)該多能源系統(tǒng)在夏季和冬季情景下的運(yùn)行，得出如下結(jié)論：

1）在夏季工況，分別選用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)、環(huán)境指標(biāo)最優(yōu)、節(jié)能指標(biāo)最優(yōu)和3E綜合評價指標(biāo)最優(yōu)作為多能源系統(tǒng)案例的優(yōu)化策略時，其綜合評價指標(biāo)值分別為0.86、0.95、0.72和0.96；

2）在冬季工況，分別選用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)、環(huán)境指標(biāo)最優(yōu)、節(jié)能指標(biāo)最優(yōu)和3E綜合評價指標(biāo)最優(yōu)作為多能源系統(tǒng)案例的優(yōu)化策略時，其綜合評價指標(biāo)值分別為0.55、0.89、0.58和0.91；

3）該綜合評價指標(biāo)最優(yōu)的運(yùn)行方案，既可滿足建筑冷、熱和電需求，還有效兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性，滿足復(fù)雜系統(tǒng)全方位的需求，為今后公共機(jī)構(gòu)能源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。