不同運(yùn)行策略下的分布式系統(tǒng)多目標(biāo)分析

王子馳 雷炳銀 康利改 張靖 賈娜 孫煒哲

摘要：為尋求能源供給系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)一安全一環(huán)保一節(jié)能的協(xié)調(diào)，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，構(gòu)建了一套分布式冷電聯(lián)供系統(tǒng)，主要包括動(dòng)力子系統(tǒng)、地源熱泵子系統(tǒng)、蓄能子系統(tǒng)。建立了在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)不同設(shè)備的性能模型，在此基礎(chǔ)上，以運(yùn)行費(fèi)用、CO2排放和一次能源消耗為目標(biāo)函數(shù)，分析了電負(fù)荷跟蹤運(yùn)行策略、熱負(fù)荷跟蹤運(yùn)行策略、混合跟蹤運(yùn)行策略和動(dòng)力設(shè)備（PGU）最大效率跟蹤運(yùn)行策略下系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)總性能的變化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電網(wǎng)購(gòu)電的分供系統(tǒng)相比，分布式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性較好，一次能源消耗較低。熱負(fù)荷跟蹤策略的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性最優(yōu)，運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放分別降低了32.7%和45.3%;最大效率跟蹤策略經(jīng)濟(jì)性最差，但由于PGU機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，其一次能源消耗降低最多，為86.7%。不同運(yùn)行策略結(jié)果可為分布式系統(tǒng)的運(yùn)行提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：石油、天然氣能;CCHP;地源熱泵;運(yùn)行策略;系統(tǒng)性能

中圖分類號(hào)：TK01⁺8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.7535/hbkd.2020yxo2009

傳統(tǒng)分供系統(tǒng)所依賴的化石燃料燃燒引起的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。在《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第21次締約方大會(huì)上，中國(guó)計(jì)劃到2030年，溫室氣體排放單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值減少到2005年溫室氣體排放單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的35%～40%，2030年左右CO2排放達(dá)峰并爭(zhēng)取提前達(dá)峰，一次能源消費(fèi)比重中非化石能源達(dá)到20%左右。依托“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，能源互聯(lián)網(wǎng)不斷尋求系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)一安全一環(huán)保一節(jié)能的協(xié)調(diào)，分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP系統(tǒng)）在其智能生態(tài)調(diào)控與綜合優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。

目前，CCHP系統(tǒng)在不同功能類型建筑中，如住宅，包括商場(chǎng)、賓館和醫(yī)院等在內(nèi)的商建和辦公建筑，得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行中，受氣象條件及室內(nèi)熱擾的影響，建筑的冷熱電負(fù)荷需求不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)偏離設(shè)計(jì)工況。因此，進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及調(diào)控時(shí)，需要在多個(gè)影響因素如系統(tǒng)配置、設(shè)備容量?jī)?yōu)化、預(yù)測(cè)技術(shù)以及運(yùn)行策略等之間進(jìn)行權(quán)衡。

運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、能耗和環(huán)境等性能的影響至關(guān)重要。電負(fù)荷跟蹤（FEL）和熱負(fù)荷跟蹤（FTL）運(yùn)行策略是最常用的兩種運(yùn)行策略。FEL運(yùn)行策略指任一時(shí)刻，PGU機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷根據(jù)建筑電負(fù)荷確定。FTL運(yùn)行策略指PGU運(yùn)行狀態(tài)按滿足建筑熱負(fù)荷需求確定。MAGO等、WANG等基于兩種常規(guī)運(yùn)行策略，考慮不同氣候特點(diǎn)和建筑類型分析了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保性能及綜合性能。在此基礎(chǔ)上，MAGO等、SMITH等提出了一種新的運(yùn)行策略——混合跟蹤策略（FHL），以不產(chǎn)生多余的回收熱或多余的電為目標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)熱電比和建筑負(fù)荷熱電比，系統(tǒng)運(yùn)行策略在FEL和FTL之間切換。ZHENG等在系統(tǒng)供能熱電比曲線上獲取距離熱電需求點(diǎn)最近的狀態(tài)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)此策略運(yùn)行的靈活性和適用性優(yōu)于FEL，F(xiàn)TL和FHL運(yùn)行策略。WANG等在FEL基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的運(yùn)行策略，在此策略下，依據(jù)日均電力需求確定PGU的輸出。除針對(duì)運(yùn)行策略研究以外，政策激勵(lì)一直是分布式系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，直接影響能源系統(tǒng)的運(yùn)行與設(shè)計(jì)。相關(guān)激勵(lì)政策目前主要有分時(shí)電價(jià)和碳排放交易等。

緊扣“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”發(fā)展形勢(shì)，本文在典型的分布式系統(tǒng)中，使用地源熱泵系統(tǒng)作為輔助裝置，綜合考慮峰平谷電價(jià)、反向賣電和碳稅懲罰，以天津市某生態(tài)城辦公建筑分布式系統(tǒng)為研究對(duì)象，將運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率、CO2減排率和一次能源消耗節(jié)約率三者綜合為目標(biāo)函數(shù)，分析了夏季某典型日工況下系統(tǒng)供冷、供電結(jié)果及性能的變化。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1模型構(gòu)建

構(gòu)建的分布式供能系統(tǒng)如圖1所示。除PGU機(jī)組、熱回收裝置、溴化鋰制冷機(jī)組、蓄能水箱外，加入地源熱泵機(jī)組輔助，為末端用戶提供冷、熱、電負(fù)荷。其基本原理為天然氣驅(qū)動(dòng)PGU機(jī)組發(fā)電，同時(shí)，煙氣余熱被熱回收裝置回收用于驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組制冷。當(dāng)建筑所需電負(fù)荷小于PGU機(jī)組發(fā)電量時(shí)，多余的發(fā)電量反向賣給電網(wǎng);反之，電網(wǎng)補(bǔ)充不足的電負(fù)荷。當(dāng)回收的熱量大于溴化鋰制冷機(jī)組所需熱量時(shí)，若此時(shí)蓄能水箱未蓄滿，則蓄能直至蓄滿;反之，蓄能水箱補(bǔ)充部分熱量驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組。當(dāng)溴化鋰制冷機(jī)組供冷量小于用戶冷負(fù)荷時(shí)，不足冷量由地源熱泵機(jī)組輔助提供。

1.2運(yùn)行策略

1.2.1電負(fù)荷跟蹤（FEL）運(yùn)行策略

以電負(fù)荷為橫坐標(biāo)、熱負(fù)荷為縱坐標(biāo)，圖2給出了FEL運(yùn)行策略下的3種情景。圖2中，黑色粗曲線表示系統(tǒng)在供能時(shí)的熱電比匹配曲線，Emin，Emax，Qmin和Qmax分別表示系統(tǒng)在最低運(yùn)行負(fù)荷率下的發(fā)電量、額定發(fā)電量、最低負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的熱回收量、額定熱回收量。

2案例分析

選取天津某生態(tài)城辦公建筑為研究對(duì)象，采用清華大學(xué)研制的能耗計(jì)算軟件DesT進(jìn)行負(fù)荷模擬，模擬獲得的建筑冷負(fù)荷和電負(fù)荷如圖5所示。圖6給出了天津市當(dāng)前的階梯電價(jià)。表1給出了所選設(shè)備額定參數(shù)及其他模擬所用參數(shù)。圖7a）給出了所選PGu機(jī)組的電效率和熱效率，圖7b）給出了地源熱泵和溴化鋰制冷機(jī)組的COP。

3結(jié)果和討論

3.1不同運(yùn)行策略下的供電結(jié)果

圖8給出了不同運(yùn)行策略下的供電結(jié)果。從圖8中可以看出，23：00-7：00間的夜間時(shí)段，建筑用戶電負(fù)荷很低且小于PGU機(jī)組的額定發(fā)電量的25%，冷負(fù)荷為零。因此，除PGU最大效率運(yùn)行策略（Max-eft）外，其他運(yùn)行策略下PGU機(jī)組均不工作，建筑電負(fù)荷全部由電網(wǎng)滿足;Max-eff策略下PGU機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，且運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)大于建筑用戶所需負(fù)荷，此時(shí)，多余電量反向賣給電網(wǎng)。

7：00-23：00間的白天時(shí)段，F(xiàn)EL運(yùn)行策略下，建筑用戶電負(fù)荷處于PGU機(jī)組最低運(yùn)行功率與額定負(fù)荷之間，所需電負(fù)荷全部由PGU機(jī)組發(fā)電量提供，若溴化鋰制冷機(jī)組制冷量不滿足要求而啟動(dòng)地源熱泵時(shí)，地源熱泵用電全部由電網(wǎng)滿足，從電網(wǎng)買電量共計(jì)13506kW·h，占系統(tǒng)總用電量（包括建筑用戶所需電負(fù)荷和地源熱泵機(jī)組等設(shè)備用電）的50.1%。若以FTL運(yùn)行策略運(yùn)行時(shí)，在熱電比較大的白天，冷負(fù)荷較大，驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組所需熱量較多，PGU機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。此時(shí)由于12：00和18：00-20：00時(shí)間段建筑電負(fù)荷較小，發(fā)電量大于建筑所需電量，多余電量反向賣給電網(wǎng)，電網(wǎng)回購(gòu)電量共計(jì)1130.26kW·h，約占PGU機(jī)組總發(fā)電量的6%;電負(fù)荷、冷負(fù)荷其他時(shí)間均較高，發(fā)電量不能滿足要求，由電網(wǎng)補(bǔ)充不足電量。此策略下，從電網(wǎng)買電共計(jì)8998kW·h，占總用電量的33.7%。

若分布式供能系統(tǒng)采用FHL策略運(yùn)行，當(dāng)末端負(fù)荷的電熱比較小時(shí)，如白天12：00和17：00，為避免產(chǎn)生多余電量，系統(tǒng)以FEL策略運(yùn)行。反之，以FTL運(yùn)行策略運(yùn)行。18：00-7：00，電負(fù)荷低于PGU機(jī)組最小運(yùn)行負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的發(fā)電量，PGU機(jī)組不運(yùn)行。FHL策略下，系統(tǒng)買電量共計(jì)14229kW·h，占系統(tǒng)總用電量的52.9%，PGU機(jī)組運(yùn)行時(shí)間共計(jì)10h。若采用Max-eff運(yùn)行策略，PGU機(jī)組不間斷運(yùn)行。此策略下，發(fā)電量共計(jì)21442kW·h，從電網(wǎng)買電共計(jì)13782kW·h，占系統(tǒng)總用電量的53.8%;反向賣電量共計(jì)9593.4kW·h。若考慮用反向賣給電網(wǎng)的電量抵消從電網(wǎng)買入的電量，買電量將減少至4188.6kW·h。4種運(yùn)行策略下發(fā)電量、用電量及發(fā)電占比如表2所示。

3.2不同策略運(yùn)行下的供冷結(jié)果

不同策略下溴化鋰制冷機(jī)組供冷量、地源熱泵機(jī)組供冷量如圖9所示。從圖9可以看出，與供電結(jié)果類似，若PGU機(jī)組運(yùn)行，建筑用戶所需冷負(fù)荷優(yōu)先由溴化鋰制冷機(jī)組滿足，若溴化鋰制冷機(jī)組制冷量不能滿足要求，地源熱泵開啟以提供剩余部分冷量。以FEL策略運(yùn)行時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組運(yùn)行了10h，提供的冷量共計(jì)20634kW，占建筑用戶所需冷負(fù)荷的49.6%。以FTL策略運(yùn)行時(shí)，由于PGU機(jī)組按滿足溴化鋰制冷所需驅(qū)動(dòng)熱量調(diào)節(jié)，溴化鋰制冷機(jī)組較FEL策略多運(yùn)行3h，供冷量比FEL策略多7966kW，提高了19.2%。以FHL策略運(yùn)行時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組工作時(shí)間與FEL相同，供冷量較FEL策略稍有降低，為20461kW。以Max-eff策略運(yùn)行時(shí)，PGU機(jī)組不間斷運(yùn)行，因此，只要建筑用戶所需冷負(fù)荷不為零，溴化鋰制冷機(jī)組均工作，供冷量共計(jì)29164kW，占建筑冷負(fù)荷的70.1%。除溴化鋰制冷機(jī)組供冷外，若冷負(fù)荷仍不能滿足要求，開啟地源熱泵機(jī)組輔助供能。

3.3不同運(yùn)行策略的性能分析

圖10a）-c）分別給出了不同運(yùn)行策略運(yùn)行時(shí)分供系統(tǒng)和分布式供能系統(tǒng)的逐時(shí)運(yùn)行費(fèi)用、逐時(shí)CO2排放和逐時(shí)一次能源消耗，圖10d）給出了不同運(yùn)行策略運(yùn)行時(shí)，與分供系統(tǒng)相比運(yùn)行費(fèi)用、CO2排放和一次能源消耗降低的比例。從圖10可以看出，無(wú)論采用哪種策略，分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用、CO2排放和一次能源消耗較分供系統(tǒng)均有不同程度的降低，可見采用分布式供能系統(tǒng)后，系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保。

同時(shí)，從圖10-a）

c）可以看出，F(xiàn)HL和FEL策略的運(yùn)行費(fèi)用、CO2排放和一次能源消耗大致相同。23：00-7：00間的夜間時(shí)段，與其他3種策略相比，Max-eft運(yùn)行策略經(jīng)濟(jì)性較差，但由于設(shè)置了反向賣電，CO2排放較低，一次能源消耗較小，甚至為負(fù)值。中午12：00及晚上17：00-20：00，建筑所需電負(fù)荷少、冷負(fù)荷較高時(shí)，F(xiàn)TL運(yùn)行策略經(jīng)濟(jì)性較好、CO2排放量和一次能源消耗最少。其余時(shí)間段內(nèi)，在FEL，F(xiàn)TL和FHL運(yùn)行策略下，PGU機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率相差很小，運(yùn)行費(fèi)用基本相同，分供系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最高，Max-eft策略在運(yùn)行費(fèi)用次之;CO2排放和一次能源消耗變化與運(yùn)行費(fèi)用變化趨勢(shì)基本相同。另外，還可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TL和Max-eft策略在部分時(shí)間段內(nèi)CO2排放和一次能源消耗值小于零，主要是因?yàn)榉聪蛸u給電網(wǎng)的電和從電網(wǎng)買的電來(lái)源不同，度電排放的CO2和一次能源消耗不同，反向賣給電網(wǎng)的電排放的CO2和一次能源消耗均小于從電網(wǎng)買的電排放的COz和一次能源消耗，致使當(dāng)反向賣電量較大時(shí)，可抵消一部分CO2排放與一次能源消耗，因此，其值可能為負(fù)值。

從圖10d）可以看出，F(xiàn)TL策略的日均運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率、CO2減排率最優(yōu)，與分供系統(tǒng)相比，其運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放分別降低了32.7%和和45.25%;Max-eft策略由于PGU機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，即使運(yùn)行反向賣電，其經(jīng)濟(jì)性雖然最差，但仍低于分供系統(tǒng)。對(duì)一次能源的消耗，Max-eft策略最低，較分供系統(tǒng)降低了86.7%，其次為FTL策略，為74.4%。不同運(yùn)行策略下日均統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

4結(jié)論

本文構(gòu)建了一套耦合地源熱泵機(jī)組的分布式供能系統(tǒng)，對(duì)比給出了4種運(yùn)行策略下各設(shè)備的供電、供冷結(jié)果及系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、CO2排放量和一次能源消耗的變化。結(jié)果表明，PGU機(jī)組運(yùn)行時(shí)間除Max-eft策略不間斷運(yùn)行外，F(xiàn)TL策略下PGU機(jī)組運(yùn)行13h，F(xiàn)EL和FHL策略下PGU機(jī)組運(yùn)行10h。FTL運(yùn)行策略下PGU機(jī)組發(fā)電量共計(jì)18812.5kW·h，溴化鋰制冷機(jī)組供冷量共計(jì)28600kW，發(fā)電占總用電量的70%，溴化鋰制冷占建筑所需冷負(fù)荷的68.8%，與FEL策略相比制冷量提高了19.2%。與分供系統(tǒng)相比，F(xiàn)TL策略有很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性;Max-eft經(jīng)濟(jì)性最差，但一次能耗降低最多。

本文是在負(fù)荷特性和設(shè)備特性已知的前提下，對(duì)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行的運(yùn)行策略對(duì)比分析研究，實(shí)際運(yùn)行中，由于天氣等室外氣象條件或人員在室率等室內(nèi)熱擾的變化、冷負(fù)荷的形成在不同傳輸環(huán)節(jié)下具有一定的滯后性，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行決策失誤。因此，有必要針對(duì)建筑負(fù)荷特性及隨動(dòng)規(guī)律，建立精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型，開展不同設(shè)備組合形式下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化匹配。