基于線性規(guī)劃模型的城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法研究

查翔

摘要：隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，能源利用形態(tài)發(fā)生了很大變化.城區(qū)內(nèi)能源需求量巨大與資源環(huán)境容量有限之間的矛盾日益突出，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)形式將逐漸成為制約城區(qū)發(fā)展的重要因素。為了解決上述問(wèn)題，本文梳理了城區(qū)能源系統(tǒng)的構(gòu)成及能源供給、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)的相互關(guān)系，提出了以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法，建立了綜合衡量節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的多目標(biāo)線性規(guī)劃問(wèn)題數(shù)學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：綜合能源規(guī)劃;線性規(guī)劃方法;能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.前言

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，是提升能源利用率、優(yōu)化區(qū)域能源運(yùn)行、降低成本的有效方式[1]。我國(guó)已作出2030年溫室氣體排放將達(dá)到頂峰的承諾，國(guó)家將實(shí)行更嚴(yán)格的能耗總量控制和排污量控制措施，因此，在能耗總量的控制上存在巨大壓力，需要采取有效的手段解決城市能源問(wèn)題。

城區(qū)綜合能源規(guī)劃作為建筑節(jié)能管理的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于從城市層面解決能源問(wèn)題具有十分重要的意義[2]。編制經(jīng)過(guò)多年的探索，城區(qū)綜合能源規(guī)劃取得了一定的成果，其規(guī)劃意義和規(guī)劃原則已經(jīng)被越來(lái)越多的專家學(xué)者所肯定。但是，在規(guī)劃編制過(guò)程中還有一些亟待解決的實(shí)際問(wèn)題：

（1）.在規(guī)劃方案制定過(guò)程中，一味的追求城區(qū)節(jié)能減排效益，過(guò)多的考慮清潔能源或可再生生能源應(yīng)用，忽略了這些節(jié)能新技術(shù)較高的固定成本帶來(lái)的整體經(jīng)濟(jì)效益的下降，這種以節(jié)能減排目標(biāo)為導(dǎo)向的規(guī)劃方法，導(dǎo)致規(guī)劃在實(shí)施過(guò)程中，提出的節(jié)能指標(biāo)過(guò)高，往往難以被大眾所接受，使得預(yù)期的規(guī)劃方案難以落地。

（2）.將微尺度的區(qū)域能源規(guī)劃思路照搬到城區(qū)范圍的能源規(guī)劃中。由于作為規(guī)劃對(duì)象的城區(qū)具有地域廣、地塊數(shù)量多、建筑功能復(fù)雜、可利用能源形勢(shì)多樣等特點(diǎn)，各地塊之間的能源系統(tǒng)相互獨(dú)立，這就使得城區(qū)內(nèi)的能源系統(tǒng)方案可以有非常多的排列組合，難以采用傳統(tǒng)的提出方案-分析方案-確定最優(yōu)方案的解決途徑。

2.能源規(guī)劃方法現(xiàn)狀研究

羅艷玲等[3]建立了基于分布式能源的工業(yè)園區(qū)綜合能源規(guī)劃模型，以最小化規(guī)劃期內(nèi)整個(gè)園區(qū)系統(tǒng)的總費(fèi)用最少為目標(biāo)，確定出園區(qū)內(nèi)能源轉(zhuǎn)換裝置的類型和尺寸、各種能源的供應(yīng)量及 CO2排放量。東南大學(xué)電氣工程學(xué)院王珺[4]等提出一種結(jié)合熱網(wǎng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，對(duì)多能流與負(fù)荷間耦合方式建立整數(shù)線性規(guī)劃模型，并進(jìn)行案例驗(yàn)證，結(jié)果表明為區(qū)域進(jìn)行綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)定制化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域的綜合能源供需配比，提升各類能源的綜合利用率，經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

Shimazaki等[5]提出了以燃料費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用和能源傳輸費(fèi)用最小化為目標(biāo)函數(shù)的工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃線性規(guī)劃模型，該模型綜合考慮了電、蒸汽、冷、熱的需求。Dicorato 等[6]綜合考慮了分布式能源的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，通過(guò)建立區(qū)域能源規(guī)劃的線性規(guī)劃模型，評(píng)估分布式發(fā)電技術(shù)對(duì)整體能源系統(tǒng)的貢獻(xiàn)量。Mavrotas 等[7]通過(guò)對(duì)負(fù)荷需求側(cè)不確定情況的分析，建立了建筑能源規(guī)劃的MILP模型，該模型側(cè)重考慮分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，并將該模型運(yùn)用到雅典某醫(yī)院的能源規(guī)劃中，驗(yàn)證了該模型的可靠性。Song等[8]以工業(yè)園區(qū)的廢熱網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立以總能源費(fèi)用最少為目標(biāo)的MILP模型，成功的對(duì)南韓麗水國(guó)際工業(yè)園廢熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了規(guī)劃。

針對(duì)能源規(guī)劃的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法多用于微觀層面的區(qū)域能源規(guī)劃，且多偏重于經(jīng)濟(jì)性或節(jié)能性單方面的分析，在城區(qū)層面上的研究仍處于空白狀態(tài)，同時(shí)，沒(méi)有同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性對(duì)城區(qū)能源方案實(shí)施的影響。

因此，本文以城區(qū)層面的能源供應(yīng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在保障各項(xiàng)負(fù)荷需求的前提下，綜合考慮城區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放目標(biāo)對(duì)城區(qū)能源供應(yīng)方案的影響，通過(guò)多目標(biāo)規(guī)劃法確立目標(biāo)函數(shù)。由于能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放量無(wú)法直接比較，因而先將兩變量進(jìn)行無(wú)量綱化處理，然后找出其內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)，針對(duì)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能目標(biāo)的實(shí)際情況，引入權(quán)重優(yōu)化函數(shù)的概念，通過(guò)設(shè)置的權(quán)重系數(shù)綜合考慮城區(qū)綜合能源規(guī)劃建設(shè)中的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境綜合效益均衡問(wèn)題。

3.城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法構(gòu)建

3.1城區(qū)能源系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)專項(xiàng)規(guī)劃一般是將供熱、燃?xì)?、電力分開(kāi)考慮的，而實(shí)際上各能源基礎(chǔ)設(shè)施之間存在很多關(guān)聯(lián)性[3]。例如，對(duì)于供熱而言，燃?xì)夤┡暮哪芴匦詴?huì)影響燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的規(guī)模對(duì)電網(wǎng)有一定的影響，天然氣分布式發(fā)電會(huì)影響到燃?xì)?、供熱和電力輸配系統(tǒng)。

將系統(tǒng)工程方法論應(yīng)用于城區(qū)綜合能源規(guī)劃中，實(shí)現(xiàn)供熱、燃?xì)狻㈦娏Φ雀髂茉椿A(chǔ)設(shè)施之間的協(xié)調(diào)，優(yōu)化資源配置。借助綜合能源規(guī)劃框圖，直觀體現(xiàn)城區(qū)能源系統(tǒng)的構(gòu)成及相互關(guān)系，如圖1所示，涵蓋供應(yīng)側(cè)、能源轉(zhuǎn)換側(cè)、需求側(cè)三個(gè)層面。

供應(yīng)側(cè)包括城區(qū)內(nèi)能量的來(lái)源，包括市政電力，市政蒸汽，燃?xì)?，太?yáng)能，地?zé)崮?，江（河）水，污水，風(fēng)能，生物質(zhì)能等方面。各種能源的供應(yīng)量不可能是無(wú)限的，因此，需要在規(guī)劃初期對(duì)各種能源的最大供應(yīng)量做出評(píng)估。

轉(zhuǎn)換側(cè)為各種節(jié)能技術(shù)，包括燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，太陽(yáng)能光伏，太陽(yáng)能光熱，地源熱泵，水源熱泵，風(fēng)力發(fā)電，生物質(zhì)能發(fā)電等。不同的能源轉(zhuǎn)換形式帶來(lái)的能源效果是不同的，因此，需要合理選擇能源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源效率的提升。

需求側(cè)為城區(qū)生活所需的能源，包括建筑電負(fù)荷，市政照明負(fù)荷，供熱負(fù)荷，制冷負(fù)荷，生活熱水負(fù)荷。負(fù)荷的評(píng)估應(yīng)該摒棄原有的指標(biāo)估算方法，通過(guò)基于數(shù)據(jù)挖掘的城區(qū)建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)方法開(kāi)展研究[4]。

3.2城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法

針對(duì)目前城區(qū)綜合能源規(guī)劃存在的問(wèn)題，為保障能源規(guī)劃方案的實(shí)施，本文提出了以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法，即從綜合衡量城區(qū)內(nèi)的能源供應(yīng)情況的角度出發(fā)，通過(guò)合理預(yù)測(cè)城區(qū)內(nèi)的需求負(fù)荷，比較各種能源利用方式的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，建立以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的能源規(guī)劃策略，從而得到最優(yōu)條件下城區(qū)內(nèi)各種能源的供應(yīng)量，構(gòu)建合理的指標(biāo)體系，有效的指導(dǎo)各地塊能源方案的制定。

4.數(shù)學(xué)模型的建立

4.1問(wèn)題描述

城區(qū)能量系統(tǒng)優(yōu)化可以表述為：在城區(qū)區(qū)內(nèi)有I個(gè)地塊，給定城區(qū)整體用電、城市照明、熱、冷、熱水等負(fù)荷的需求數(shù)據(jù)，從可以利用的J種資源出發(fā)，對(duì)能源供給—轉(zhuǎn)換—消費(fèi)的全過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌規(guī)劃。規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足城區(qū)各種負(fù)荷需求的前提下，整個(gè)城區(qū)能源系統(tǒng)的綜合指標(biāo)系數(shù)最少。假定：①各種能源設(shè)備的投資增量費(fèi)用與能源供給量是線性化的關(guān)系，能源設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用與能源供給量呈線性化關(guān)系;②設(shè)備的效率都是給定的常量，設(shè)備的壽命以 20 年計(jì)。

4.2優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

設(shè)定計(jì)算周期為1年，以能源總費(fèi)用和CO2總排放量分別無(wú)量綱化后的數(shù)值相加作為目標(biāo)函數(shù)。

上述優(yōu)化模型為多目標(biāo)優(yōu)化線性規(guī)劃問(wèn)題數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解可得到最佳的各能源供應(yīng)量組合。

5.結(jié)論

本文綜合考慮城區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放目標(biāo)對(duì)城區(qū)能源供應(yīng)方案的影響，建立了綜合衡量節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的多目標(biāo)優(yōu)化線性規(guī)劃問(wèn)題數(shù)學(xué)模型。

（1）.城區(qū)層面的能源供應(yīng)系統(tǒng)是復(fù)雜的，需要改變傳統(tǒng)的能源規(guī)劃思維，優(yōu)先確定最優(yōu)化的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)不同功能的地塊分別進(jìn)行規(guī)劃，從而得出最優(yōu)化的能源供應(yīng)方案。

（2）.經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性是能源規(guī)劃實(shí)施的兩大制約因素，在規(guī)劃方法中，需要進(jìn)行綜合考慮，本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化線性規(guī)劃問(wèn)題數(shù)學(xué)模型，為確定城區(qū)的能源結(jié)構(gòu)提供有效的解決方法，為指導(dǎo)城區(qū)綜合能源規(guī)劃的編制、保障能源規(guī)劃方案的落實(shí)提供了實(shí)施途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]付林，鄭忠海，江億，等.綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與展望[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2021（2）：99-10.

[2]龍惟定.建筑節(jié)能管理的重要環(huán)節(jié)——城區(qū)建筑能源規(guī)劃[J].暖通空調(diào).2008（03）：31-38.

[3]羅艷玲，鄢烈祥，盧海，等.基于分布式能源的工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃[J].化工進(jìn)展.2013（02）：308-312.

[4]王珺，顧偉，陸帥，等.結(jié)合熱望模型的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（15）：17-24.

[5]Shimazaki.Model analysis of energy network system in zero emission industrial[J].JSME International Journal，2006，49（1）：84-91.

[6]Dicorato M，F(xiàn)orte G，Trovato M.Environmental-constrained energy planning using energy-efficiency and distributed-generation facilities [J].Renewable Energy，2008，33：1297-1313.

[7]Mavrotas George，Diakoulaki Danae，F(xiàn)lorios Kostas，et al.A mathematical programming framework for energy planning in services’sector buildings under uncertainty in load demand：The case of a hospital in Athens[J].Energy Policy，2008，36：2415-29.

[8]Sh C，Sh K，Sg Y，et al.Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park[J].Applied Energy，2010，87（06）： 1978-1988.