面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方法

呂成釗

(滕州市規(guī)劃編制研究中心，山東 滕州 277599)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑取代了鋼筋混凝土建筑，具有良好的抗震性能，廣泛應(yīng)用于高層建筑中[1-2]。我國(guó)許多城市已經(jīng)開始實(shí)施高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的試點(diǎn)建設(shè)，進(jìn)行多能源互補(bǔ)集成與優(yōu)化。

綜合能源系統(tǒng)包含的能源較多，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水電等，技術(shù)裝備類型及其相互關(guān)系也較為復(fù)雜，同時(shí)，用戶的能源需求和能源供給對(duì)多能源互補(bǔ)集成的優(yōu)化有很大影響，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，Ming Zeng等通過(guò)對(duì)青海省清潔能源多能源互補(bǔ)集成優(yōu)化的研究，論證了多能源互補(bǔ)優(yōu)化供電比例和運(yùn)行方案，最大限度地發(fā)揮清潔能源的消費(fèi)和輸送能力，為青海綠色能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)[3]。Zhu等提出了一個(gè)大型水電-光伏混合系統(tǒng)長(zhǎng)期互補(bǔ)運(yùn)行的協(xié)調(diào)優(yōu)化框架，建立了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型，同時(shí)優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行安全，即聯(lián)合輸出功率的數(shù)量和質(zhì)量。該模型在時(shí)間尺度上解耦水電和光伏發(fā)電，以保持計(jì)算精度并減少問(wèn)題維數(shù)，但是其尚未涉及建筑領(lǐng)域，多能互補(bǔ)條件模糊[4]。為實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化，田書等[5]等依據(jù)改進(jìn)目標(biāo)差分進(jìn)化方法，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化調(diào)度；叢昊等[6]基于聯(lián)盟博弈，提出相關(guān)多能源集成互補(bǔ)優(yōu)化方法，通過(guò)調(diào)整相關(guān)調(diào)度模式和實(shí)現(xiàn)綜合能源的最大化利用，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化。

綜合以往研究經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)優(yōu)化的對(duì)象較為單一，以往研究存在難以保證綜合能源最大化利用、最佳環(huán)保水平以及最高的經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題，在節(jié)能最大化的前提下，以實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑各種結(jié)構(gòu)下綜合能源互補(bǔ)集成優(yōu)化為目標(biāo)，以基于綜合需求的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型為創(chuàng)新點(diǎn)，通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)化求解高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成，優(yōu)化高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能效果。

1 面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方法

1.1 多能互補(bǔ)集成模型構(gòu)建

多能互補(bǔ)模型即綜合能源互補(bǔ)集成模型。為實(shí)現(xiàn)綜合能源最大化利用、最高的經(jīng)濟(jì)效益，分別對(duì)綜合能源互補(bǔ)集成物理模型建模[7]。

1.1.1 綜合能源最大化利用率優(yōu)化模型

天然氣以及燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備均作為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入[8-10]，為了保證綜合能源利用水平，需要考慮到輸入的能源類型差異，即構(gòu)建能源生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)化物理模型，且為通用型，且在典型能源技術(shù)設(shè)備分析的基礎(chǔ)上完成，模型公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中n——天然氣能源;

j和k——設(shè)備和電能;

ΔT——時(shí)間范圍，且為預(yù)設(shè)，在ΔT的范圍內(nèi)，保證天然氣能源和電能的利用率最大化。

1.1.2 綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型

上節(jié)中生產(chǎn)模型生產(chǎn)的電能、天然氣能的差異值逐漸增大，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)喪失部分熱量，為了實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)效益最大化，需要對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損失和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行建模分析，兩者之間的關(guān)系公式為

(5)

(6)

由于儲(chǔ)能設(shè)備和儲(chǔ)能技術(shù)的不同，能源供應(yīng)商輸出的能源和客戶購(gòu)入的能源數(shù)量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在差異，需要對(duì)能源輸送端和能源終端的能源總量差異進(jìn)行計(jì)算建模。

如果儲(chǔ)能技術(shù)種類用L表示，那么設(shè)備則由L種方式實(shí)行組合，則綜合能源轉(zhuǎn)換模型為

(7)

(8)

(9)

式中m——終端使用能源;

βk,L,i——L可消納的能源占據(jù)k的比例，且m∈{e,h,c}；

除了儲(chǔ)能技術(shù)的差別，輸出端與客戶使用終端的儲(chǔ)能設(shè)備也具有較大功能性差異，在綜合能源需求量較大時(shí)，天然氣、燃?xì)獾染C合能源系統(tǒng)會(huì)在用戶端的儲(chǔ)能設(shè)備中產(chǎn)生消耗，為了降低用戶的購(gòu)電成本，需要計(jì)算綜合能源設(shè)備的能量損失，將多余電量轉(zhuǎn)化為可用能量。

設(shè)綜合儲(chǔ)能模型公式為

(10)

(11)

式中M——綜合能源設(shè)備;

WM,i、WM,i-1——其蓄能量,前者屬于i時(shí)刻，后者屬于i-1時(shí)刻，且M∈{E,H};

E、H——天然氣和燃?xì)?種能源的蓄電設(shè)備;

σM,i——其能量損失率用屬于M;

儲(chǔ)能設(shè)備的凈儲(chǔ)能量ΔWM,i用公式(12)計(jì)算，且屬于i時(shí)刻

(12)

綜合能源互補(bǔ)集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多余電量的上網(wǎng)處理，該部分電量的計(jì)算公式為

(13)

ΔWE,i——凈儲(chǔ)電量，屬于儲(chǔ)能設(shè)備；均屬于i時(shí)刻。

當(dāng)電量越大且綜合能源轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換功率越優(yōu)時(shí)， 直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益越佳，經(jīng)過(guò)多余電量的上網(wǎng)處理后，保證最佳環(huán)保水平。

1.2 基于綜合需求的節(jié)能優(yōu)化模型

綜合能源系統(tǒng)互補(bǔ)集成的實(shí)現(xiàn)，需通過(guò)智能集線器(Smart Energy Hub，SEH)完成，為實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行，依據(jù)多能建模結(jié)果間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建基于綜合需求的雙層優(yōu)化模型，第一層是從能源供給側(cè)出發(fā)，以綜合能源最大化利用率為目的；第二層是從用戶需求側(cè)出發(fā)，以最小化能源購(gòu)買成本為目標(biāo)。通過(guò)能源價(jià)格實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層次之間的關(guān)聯(lián)和互動(dòng)，達(dá)到最終的優(yōu)化目的。

1.2.1 能源供應(yīng)側(cè)優(yōu)化

設(shè)SEH的數(shù)量為N，以滿足第二層用戶需求端的需求為前提，第一層對(duì)電能供應(yīng)商和天然氣供應(yīng)商的能源輸出量目標(biāo)函數(shù)實(shí)行優(yōu)化，在保證兩者之間的供需平衡的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩者的經(jīng)濟(jì)效益最大化。利用上節(jié)得出的綜合能源最大化利用率優(yōu)化模型中的公式(1)～(4)，保證天然氣能源和電能的利用率同時(shí)最大化。為了減少天然氣能源和電能轉(zhuǎn)化過(guò)程的消耗，利用綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型中的公式(5)～(6)表示的能量損失和營(yíng)銷收入關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的整體最大化。由此設(shè)目標(biāo)函數(shù)為

(14)

(1)電能供應(yīng)商

其目標(biāo)函數(shù)和利潤(rùn)分別為利潤(rùn)最大化和能源售出收益和成本之間的差值[11-12]。前者的計(jì)算公式為

(15)

電能價(jià)格用λe,t——成本函數(shù)用ce(·)表示，其表達(dá)式為

ce(x)=anxn+an-1xn-1+…+a0

(16)

式中an、an-1、a0——系數(shù)，屬于多項(xiàng)式。

保證電能的傳輸安全性和電能質(zhì)量，采用直流潮流實(shí)行約束[13-15]，其公式為

(17)

-Plmax≤Pl≤Plmax

(18)

(19)

式中p——節(jié)點(diǎn)，與其連接的節(jié)點(diǎn)用q表示，且q∈L(p);

xpq和Bpq——阻抗和導(dǎo)納，屬于兩者之間的路線l；

θp、De,p和pg,p——相角、負(fù)荷和功率，均屬于p，后者為其發(fā)電系數(shù)，且在輸入情況下；l的傳輸功率和其最大值分別用Pl和Plmax表示。

λe,t作為兩層之間的連接核心，依據(jù)供需平衡關(guān)聯(lián)對(duì)其進(jìn)行求解，其公式為

(20)

(2)天然氣供應(yīng)商

依據(jù)上述理論其目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式為

(21)

式中λg,t——價(jià)格；

cg(·)——成本函數(shù)；依據(jù)供需平衡關(guān)聯(lián)對(duì)λg,t實(shí)行求解，其公式為

(22)

1.2.2 用戶需求側(cè)優(yōu)化

用戶需求側(cè)優(yōu)化的目的是降低用戶購(gòu)電成本，利用綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型中的公式(7)-公式(13)，獲得儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的能量最小目標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)用戶端的經(jīng)濟(jì)效益最大化[16-18]，降低用電高峰期的電能購(gòu)買。

本文的能源系統(tǒng)由兩部分組成，第一層是天然氣經(jīng)過(guò)管道運(yùn)輸，通過(guò)能量連接器與線路傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換；第二層天然氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t的耦合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能、儲(chǔ)電的功能，電能則通過(guò)變壓器進(jìn)行耦合，最后儲(chǔ)存在用戶端的儲(chǔ)能設(shè)備中。實(shí)現(xiàn)第一層與第二層能量分配的是智能集線器。基于此，即滿足用戶需求，也可較大程度降低高峰期的用電負(fù)荷[19-20]。

購(gòu)電成本的最小化為第二層的目標(biāo)函數(shù)，其為

(23)

式中i=1,2,…,N。

結(jié)合SEH輸入和輸出間的關(guān)聯(lián)，將輸入量采用輸出量描述

(24)

式中fw和fs——輸出函數(shù)，分別對(duì)應(yīng)輸入能量和儲(chǔ)存能量；

η——轉(zhuǎn)換函數(shù)，屬于每一個(gè)轉(zhuǎn)換器；

υ——調(diào)度系數(shù)；

Le、Lh、Lg——負(fù)荷，分別對(duì)應(yīng)電力、熱力以及燃?xì)猓?/p>

Ew、Es、Pe、Pg——輸入量；

i——第i個(gè)SEH。

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，對(duì)υ實(shí)行調(diào)整完成，其取值范圍如公式(25)所示

(25)

結(jié)合上述內(nèi)容，得出第二層的最佳模型公式為

(26)

式中i=1,2,…,N。

整合供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)，構(gòu)建的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試結(jié)果

選取某市剛投入使用的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅作為測(cè)試對(duì)象，采用本文方法對(duì)其實(shí)行多能互補(bǔ)集成優(yōu)化，測(cè)試本文方法優(yōu)化效果。

項(xiàng)目總建筑面積46 081.75 m2，由6棟高層住宅組成，其中1～4#樓18層，5～6#樓11層，其中地上建筑面積為35 581.75 m2，基坑深度4.5 m左右，地采暖，粗裝修，外檐巖棉板、聚苯板保溫，屋面SBS卷材防水，地下SBS卷材防水，剪力墻框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2中，采用的一次能源包含太陽(yáng)能、風(fēng)能、天然氣以及電能。全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷的獲取前提是該市典型天氣數(shù)據(jù)以及建筑內(nèi)居住情況、居住需求。

為測(cè)試本文優(yōu)化的性能，收集該高層建筑的綜合能源系統(tǒng)電、氣、熱系統(tǒng)資料，研究綜合能源系統(tǒng)中熱能的能源流情況，分析能源大數(shù)據(jù)中公共信息模型與IEC61970、國(guó)網(wǎng)SG-CIM、大數(shù)據(jù)架構(gòu)模型、其他能源行業(yè)國(guó)際/國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，研究綜合能源系統(tǒng)電、氣、熱能源流情況，隨機(jī)選取8個(gè)SEH，將其編號(hào)為1～8號(hào)，作為實(shí)例分析樣本，相關(guān)測(cè)試參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試設(shè)備及其參數(shù)

基于表1，應(yīng)用電力設(shè)備無(wú)線二次壓降負(fù)荷測(cè)試儀，結(jié)合圖1，測(cè)試其在僅優(yōu)化能源供應(yīng)側(cè)、僅優(yōu)化用戶需求側(cè)、兩者均優(yōu)化三種情況下用戶側(cè)總購(gòu)能成本，以大屏幕真彩色圖形式液晶作為顯示窗口，圖形式菜單操作并配有漢字提示，并將該結(jié)果與沒有優(yōu)化時(shí)實(shí)行對(duì)比，分析優(yōu)化效果，結(jié)果如圖3所示。

依據(jù)圖3測(cè)試結(jié)果可知：僅優(yōu)化能源供應(yīng)側(cè)或者僅優(yōu)化用戶需求側(cè)時(shí)，其購(gòu)能成本與沒有任何優(yōu)化時(shí)相對(duì)比，均發(fā)生不同程度減小，兩者均優(yōu)化后，所需的購(gòu)能成本則大幅度降低，與沒有任何優(yōu)化時(shí)的購(gòu)能成本相比，最高購(gòu)能成本為141.2萬(wàn)元、最少購(gòu)能成本為60.4萬(wàn)元，優(yōu)化效果顯著，可實(shí)現(xiàn)購(gòu)能成本的最小化，因此證明能源供應(yīng)側(cè)和僅用戶需求側(cè)兩者優(yōu)化后的效果更佳。

為進(jìn)一步分析本文優(yōu)化方法的應(yīng)用效果，采用等年值總成本節(jié)約率CSR、負(fù)荷轉(zhuǎn)移率LSR以及可再生能源消納率SCR作為衡量指標(biāo)，測(cè)試本文方法的應(yīng)用性。三者可依次用于衡量本文方法應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)效果、用電高峰期時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移性能、應(yīng)用后儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納水平。三者的計(jì)算公式分別為

(27)

(28)

(29)

φ——時(shí)間段集合，且屬于電量?jī)r(jià)格峰期；

φφV(t)和φab(t)——光伏發(fā)電量，前者屬于發(fā)電總量，后者屬于棄能總量，均在第t個(gè)時(shí)間段內(nèi)。

依據(jù)上述三個(gè)公式，獲取本文方法優(yōu)化后，隨機(jī)抽取7個(gè)典型日，該測(cè)試對(duì)象在該情況下三項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果，如圖4所示。

依據(jù)圖4測(cè)試結(jié)果可知：在不同的典型日中，CSR、LSR和SCR均發(fā)生不同程度的變化，三者的結(jié)果最大值依次為20%左右、70%左右以及80%左右，優(yōu)化效果明顯。

由于能源在使用過(guò)程中，會(huì)發(fā)生不同程度的負(fù)荷，對(duì)能源的使用結(jié)果存在一定影響，因此，測(cè)試本文方法在不同類型負(fù)荷下實(shí)行多能源集成優(yōu)化后，三項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果，如圖5所示。

依據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果可知：在兩種負(fù)荷類型下，本文方法均可保證較高的能源消納率和負(fù)荷轉(zhuǎn)移，并且CSR也呈現(xiàn)不同的降低。直接體現(xiàn)本文方法的可靠性能，在不同負(fù)荷下，依舊可完成多能源的互補(bǔ)集成優(yōu)化。

2.2 算例分析

在上述測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1所示的相關(guān)參數(shù)，分析其使用過(guò)程中的時(shí)間開銷，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)負(fù)荷、購(gòu)能成本等相關(guān)輸出量越來(lái)越多時(shí)，其基本時(shí)間開銷在5.2 s前后，但是文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法的時(shí)間開銷一直高于研究方法，這是因?yàn)檠芯糠椒▽⑾嚓P(guān)變量和狀態(tài)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，使其具有規(guī)律性，優(yōu)化基于綜合需求的雙層優(yōu)化模型的應(yīng)用效果，時(shí)間開銷減少。

2.3 實(shí)際應(yīng)用

為直觀衡量本文方法的應(yīng)用性，將本文方法實(shí)際應(yīng)用于滕州市某實(shí)際綜合能源園區(qū)，該園區(qū)在3個(gè)典型季的冷能和熱能價(jià)格為：非夏季谷時(shí)電價(jià)僅為0.479元/(kWh)，夏季峰時(shí)電價(jià)達(dá)到1.071元/(kWh)，如果本文方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)能源集成優(yōu)化，則經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。測(cè)試本文方法應(yīng)用后，該園區(qū)在連續(xù)6個(gè)月內(nèi)能耗結(jié)果、綜合能源利用程度以及碳排放結(jié)果見表2，并將該結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果作對(duì)比。

依據(jù)表2測(cè)試結(jié)果可知：本文方法應(yīng)用后，該園區(qū)整體能耗、碳排放量均明顯下降，綜合能源利用率則顯著增加，直觀體現(xiàn)了本文方法良好的應(yīng)用性，可實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能目的。

表2 優(yōu)化前后的效果對(duì)比

3 結(jié)論

(1)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能的重要方式，為了提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能，本文提出面向節(jié)能的鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成方法。

(2)研究方法：構(gòu)建高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源經(jīng)濟(jì)效益模型；構(gòu)建基于綜合需求的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型；通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則求解模型最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化。

(3)研究結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文方法能夠完成多能互補(bǔ)集成，具備良好的優(yōu)化效果，可實(shí)現(xiàn)購(gòu)能成本的最小化，經(jīng)濟(jì)效果、用電高峰期時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移性能、應(yīng)用后儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納水平均發(fā)生不同程度的提升，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。