考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性的低碳養(yǎng)殖場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度方法

陳晚晴，陳柯任，施鵬佳，靳小龍，王慧媛

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350012；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

雙碳目標(biāo)下，我國(guó)能源體系正處于綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系、著力提高各環(huán)節(jié)能源利用效率是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑[1]。我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題突出，其中規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞污是重要的污染源，但是養(yǎng)殖糞污作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可再生能源資源未獲得充分開(kāi)發(fā)和利用[2]。與此同時(shí)，規(guī)?；B(yǎng)殖會(huì)消耗大量的電力和熱力能源（比如我國(guó)北方冬季的養(yǎng)殖場(chǎng)供熱需求較大），導(dǎo)致用能成本居高不下，進(jìn)一步產(chǎn)生額外污染及碳排放。低碳養(yǎng)殖指在可持續(xù)發(fā)展的理念指導(dǎo)下，通過(guò)多種手段，盡可能地減少畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中的高碳能源消耗、減少溫室氣體排放、減少污染的科學(xué)養(yǎng)殖模式[3]。低碳養(yǎng)殖不僅可以保證規(guī)?；B(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，還可以降低養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響，助力我國(guó)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）可實(shí)現(xiàn)不同能源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而提高能源的利用效率，可為低碳養(yǎng)殖場(chǎng)提供高效低碳的能源解決方案[4]。關(guān)于IES的優(yōu)化運(yùn)行和電/氣/熱協(xié)調(diào)互動(dòng)已有大量研究。文獻(xiàn)[5]基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power，CHP）熱電比可調(diào)特性，提出一種IES雙層優(yōu)化模型，該模型減少了用能成本的同時(shí)提高了用能效率；文獻(xiàn)[6]基于配電系統(tǒng)重構(gòu)能力，研究了拓?fù)渲貥?gòu)在降低IES運(yùn)行成本、提高供電能力方面的潛力；文獻(xiàn)[7]提出了一種利用獨(dú)立的儲(chǔ)熱單元來(lái)提升區(qū)域IES靈活性的最優(yōu)調(diào)度模型；文獻(xiàn)[8-9]探索了建筑蓄熱特性所帶來(lái)的靈活性，并將這一靈活性應(yīng)用到綜合能源微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度中；文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步探索了建筑熱需求響應(yīng)潛力，提出了考慮IES運(yùn)營(yíng)商和建筑的差異化利益訴求的主從博弈模型，所得的優(yōu)化調(diào)度方案可以同時(shí)最大化二者利益；為了滿(mǎn)足IES中多個(gè)主體的差異化利益訴求，文獻(xiàn)[11]提出了IES的分布式優(yōu)化調(diào)度方法，且分別測(cè)試了通信正常和通信失效情況下，分布式優(yōu)化調(diào)度方法的有效性。

然而，上述研究多關(guān)注城市級(jí)IES的優(yōu)化調(diào)度，針對(duì)低碳養(yǎng)殖場(chǎng)IES的優(yōu)化調(diào)度的研究較少，特別是針對(duì)我國(guó)北方冬季具有大量供熱需求的養(yǎng)殖場(chǎng)IES的優(yōu)化調(diào)度研究更少。采用IES為養(yǎng)殖場(chǎng)提供能源方案可通過(guò)電、氣、冷、熱等多種供用能系統(tǒng)在養(yǎng)殖場(chǎng)的生產(chǎn)和消費(fèi)等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)能源的梯級(jí)利用，有效提高了能源綜合利用效率；同時(shí)，養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜舍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在蓄熱特性，在傳遞熱量時(shí)具有一定的延時(shí)，使得養(yǎng)殖場(chǎng)熱負(fù)荷存在一定的靈活性調(diào)節(jié)潛力。將這一靈活性融入養(yǎng)殖場(chǎng)IES的優(yōu)化調(diào)度中，可進(jìn)一步降低養(yǎng)殖場(chǎng)的運(yùn)行成本，支撐系統(tǒng)低碳運(yùn)行。為此，本文針對(duì)我國(guó)北方冬季場(chǎng)景下的養(yǎng)殖場(chǎng)，構(gòu)建了養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)態(tài)模型，可在保證牲畜溫度舒適度的前提下，動(dòng)態(tài)調(diào)整流經(jīng)牲畜舍內(nèi)散熱器的水流量，為系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度提供靈活性調(diào)節(jié)資源；在此基礎(chǔ)上，提出了考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的養(yǎng)殖場(chǎng)IES的優(yōu)化調(diào)度方法，可最大限度利用養(yǎng)殖場(chǎng)中的沼氣資源進(jìn)行電能和熱能的供給，降低養(yǎng)殖場(chǎng)IES的運(yùn)行成本及碳排放。

1 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，我國(guó)北方冬季場(chǎng)景下的一個(gè)典型的低碳養(yǎng)殖場(chǎng)IES主要包括3個(gè)部分：養(yǎng)殖場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換中心、綜合能源配送網(wǎng)絡(luò)以及養(yǎng)殖場(chǎng)多能負(fù)荷。養(yǎng)殖場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換中心主要包括變壓器、CHP、熱泵以及沼氣處理單元。能量轉(zhuǎn)換中心從上級(jí)購(gòu)買(mǎi)的電力一部分通過(guò)變壓器滿(mǎn)足部分電負(fù)荷，另一部分供應(yīng)給熱泵產(chǎn)生熱能滿(mǎn)足部分熱負(fù)荷，還有一部分供應(yīng)沼氣處理單元用于沼氣生產(chǎn)。沼氣處理單元產(chǎn)生的沼氣供應(yīng)給CHP機(jī)組，在產(chǎn)生電能的同時(shí)產(chǎn)生熱能，滿(mǎn)足部分熱負(fù)荷和電負(fù)荷。能量轉(zhuǎn)換中心生產(chǎn)的電能和熱能通過(guò)綜合能源配送網(wǎng)絡(luò)輸送至養(yǎng)殖場(chǎng)的牲畜舍，以滿(mǎn)足牲畜的電熱負(fù)荷需求。其中，電負(fù)荷主要包括牲畜舍內(nèi)的照明、飼料處理、糞便處理及供水所需的電負(fù)荷；熱負(fù)荷主要包括滿(mǎn)足牲畜溫度舒適度所需的采暖負(fù)荷。此外，本文假設(shè)牲畜舍配備屋頂光伏設(shè)備，光伏發(fā)電優(yōu)先滿(mǎn)足養(yǎng)殖場(chǎng)的電負(fù)荷。本文所提的低碳養(yǎng)殖場(chǎng)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅針對(duì)含有CHP的養(yǎng)殖場(chǎng)。含有其他能源設(shè)備的低碳養(yǎng)殖場(chǎng)也可以依據(jù)類(lèi)似方法進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖1 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)IES示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated energy systems in a low-carbon farm

1.2 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)綜合能源系統(tǒng)模型

1.2.1 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)能量生產(chǎn)及轉(zhuǎn)換單元建模

1）沼氣處理單元。如圖2所示，養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣處理單元主要由發(fā)酵池、固液分離單元和沼液沼渣處理單元構(gòu)成[12]。首先，牲畜糞便經(jīng)過(guò)收集轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)酵池，通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣及沼液沼渣；隨后，沼液沼渣經(jīng)過(guò)固液分離單元和沼液沼渣處理單元形成符合環(huán)境排放要求的沼液沼渣以及肥料基質(zhì)。沼氣處理過(guò)程主要消耗的能源為電力，主要產(chǎn)出為沼氣。沼氣處理過(guò)程伴隨的電力消耗可表示為

圖2 沼氣處理單元Fig.2 Biogas treatment unit

2）其它能量轉(zhuǎn)換單元。本文假設(shè)CHP具有固定的氣轉(zhuǎn)電/熱的效率[8]，其電、熱功率輸出如下式：

式中：ηe為CHP的氣轉(zhuǎn)電效率；ηh為CHP的氣轉(zhuǎn)熱效率。

熱泵熱功率輸出如下式所示：

考慮到CHP和熱泵設(shè)備有一定的容量，養(yǎng)殖場(chǎng)從上級(jí)配電網(wǎng)購(gòu)電功率以及沼氣處理單元輸入到CHP的燃?xì)夤β市杩紤]相應(yīng)的約束，如下式：

1.2.2 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)配電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

本文基于Distflow模型對(duì)配電網(wǎng)建模[10]。如圖3所示，節(jié)點(diǎn)i是發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)i+1是接收端；Pi+jQi是節(jié)點(diǎn)i的復(fù)功率；是節(jié)點(diǎn)i+1所帶負(fù)荷的復(fù)功率；rf+jxf是從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)i+1線(xiàn)路的復(fù)阻抗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的潮流如下表示：

圖3 配電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of electric distribution system

式中：Vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓。

為了使配電網(wǎng)正常工作，沿線(xiàn)的電壓應(yīng)在一定范圍之內(nèi)[13]，即

式中：ε為電壓變化幅度。

為提高求解效率，將配電網(wǎng)潮流約束中的平方項(xiàng)進(jìn)行線(xiàn)性化處理。式（8）～式（10）的配電網(wǎng)潮流約束可以通過(guò)兩個(gè)假設(shè)來(lái)線(xiàn)性化處理[10]：非線(xiàn)性項(xiàng)表示網(wǎng)損，在實(shí)際中要遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)有功、無(wú)功功率，因此可以忽略；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓變化在很小范圍內(nèi)，V0為節(jié)點(diǎn)額定電壓，可假設(shè)（V0-V）i2≈0，從而使。線(xiàn)性化的潮流約束如下所示：

1.2.3 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)熱網(wǎng)建模

如圖4所示，低碳養(yǎng)殖場(chǎng)供熱系統(tǒng)由熱源、供水網(wǎng)絡(luò)、回水網(wǎng)絡(luò)以及牲畜舍的散熱器組成。其中，熱源包括熱泵和CHP；供水和回水網(wǎng)絡(luò)由區(qū)域熱網(wǎng)的二次側(cè)供、回水網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。供熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)模式一般分為質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)。質(zhì)調(diào)節(jié)是指保持熱網(wǎng)中水流量恒定而只調(diào)節(jié)供水溫度的調(diào)節(jié)模式，一般都在熱源處集中調(diào)節(jié)。量調(diào)節(jié)是指保持熱網(wǎng)中供水溫度恒定而只調(diào)節(jié)水流量的調(diào)節(jié)模式，其適用范圍可以是在熱源處集中調(diào)節(jié)，也可以在用戶(hù)的散熱器處局部調(diào)節(jié)。本文研究的養(yǎng)殖場(chǎng)要根據(jù)不同牲畜對(duì)舍內(nèi)溫度的不同需求（如保育仔豬要求的舒適室內(nèi)溫度往往高于生長(zhǎng)豬要求的舒適室內(nèi)溫度），動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流經(jīng)舍內(nèi)散熱器的水流量，從而在保證牲畜溫度舒適度的前提下，最大限度地節(jié)省供熱成本。因此，在牲畜舍散熱器處的局部量調(diào)節(jié)模式更適合本文提出的場(chǎng)景。此外，相較于一次熱網(wǎng)，低碳養(yǎng)殖場(chǎng)中的二次熱網(wǎng)規(guī)模小且距離短，可以忽略管網(wǎng)中的熱損耗[14]，因此只需考慮二次熱網(wǎng)水力模型。

圖4 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)供熱系統(tǒng)Fig.4 Heating distribution network in the low-carbon farm

對(duì)于供熱網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的流量等于流出節(jié)點(diǎn)的流量[15]，如下式所示：

式中：AHDN為熱網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣；mpipe，mnode分別為各個(gè)管道流量和節(jié)點(diǎn)流量矩陣。

為了防止管道振動(dòng)，管道中熱水的流量需要控制在一定范圍內(nèi)，即

水流沿管道摩擦產(chǎn)生管道壓降，壓降與水流量的平方成正比[16]，如下式：

其中

式中：pn,t為節(jié)點(diǎn)n在t時(shí)刻的壓力；Kl，Ll，dl分別為管道l的摩擦系數(shù)、長(zhǎng)度和內(nèi)壁管徑；ρ為水的密度；Nnode為節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

為了熱網(wǎng)的正常運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)壓力也需要約束在一定的范圍內(nèi)，如下式：

式中：pmax，pmin分別為節(jié)點(diǎn)壓力上、下限值。

本文選擇采用分段線(xiàn)性化的方法將式（17）進(jìn)行線(xiàn)性化處理。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的分段線(xiàn)性化的近似理論，如果能夠把變量分成足夠多的段，則可以使用分段的線(xiàn)性函數(shù)來(lái)近似非線(xiàn)性模型。線(xiàn)性化處理示意圖如圖5所示。

圖5 熱網(wǎng)分段線(xiàn)性化示意圖Fig.5 Approximation principle of piecewise linearization

式（17）的非線(xiàn)性項(xiàng)是t時(shí)刻的管道l的流量，可以將其劃分為Q段（圖5中q∈Q）在橫坐標(biāo)上表示出來(lái)，相應(yīng)的坐標(biāo)和斜率如下式：

通過(guò)將圖5的曲線(xiàn)進(jìn)行分段處理，以一組線(xiàn)性方程代替原始的非線(xiàn)性模型，如下式：

其中

至此，熱網(wǎng)的非線(xiàn)性約束轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性約束，從而方便IES的優(yōu)化求解。

1.2.4 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜舍數(shù)學(xué)模型

1）牲畜舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于牲畜舍的墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料存在蓄熱特性，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)在傳遞熱量時(shí)存在一定的時(shí)間延遲，進(jìn)而影響舍內(nèi)空氣溫度的變化[18]。本文采用熱阻-熱容（resistance-capacitance，RC）網(wǎng)絡(luò)模型[19-20]來(lái)對(duì)牲畜舍的這一熱動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而對(duì)牲畜舍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱特性加以利用，進(jìn)一步降低牲畜采暖能耗。

以一個(gè)豬舍為例，圖6描述了該豬舍的RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。RC網(wǎng)絡(luò)模型包括墻體節(jié)點(diǎn)和室內(nèi)空氣節(jié)點(diǎn)，熱阻和熱容。節(jié)點(diǎn)各自通過(guò)熱阻相互連接，并經(jīng)過(guò)熱容接地。如圖6所示，以豬舍制熱區(qū)域的室內(nèi)空氣溫度為參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)該節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1，溫度為，與制熱區(qū)域相鄰的其他區(qū)域的空氣節(jié)點(diǎn)（分別為節(jié)點(diǎn)2，3，4，5），溫度分別為T(mén)2，T3，T4，T5；豬舍四面墻體的熱容、熱阻分別為；四面墻體溫度分別為。假設(shè)該制熱區(qū)域內(nèi)溫度分布均勻，空氣的總質(zhì)量不變，則該豬舍的墻體熱動(dòng)態(tài)模型和室內(nèi)熱動(dòng)態(tài)模型可以分別描述[19-20]為

圖6 豬舍熱動(dòng)態(tài)RC網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 RC model of the heating zone of the piggery

式中：r1，2，r1，3，r1，4，r1，5在該面墻體接受陽(yáng)光照射時(shí)取 1，否則取 0；α1，2，α1，3，α1，4，α1，5和分別為四面墻體的吸熱率和表面積；為豬舍的室內(nèi)空氣等效熱容；為豬舍內(nèi)的散熱器散熱量；為豬舍內(nèi)牲畜活動(dòng)及代謝所產(chǎn)生的內(nèi)得熱；Awin為豬舍和節(jié)點(diǎn)5之間墻體上的窗戶(hù)面積；為透過(guò)窗得到的室外光照強(qiáng)度；Rwin為窗戶(hù)的熱阻；τwin為窗戶(hù)透光率。

2）牲畜舍散熱器數(shù)學(xué)模型。牲畜舍內(nèi)的散熱器上安裝有智能調(diào)節(jié)閥和控制器，養(yǎng)殖場(chǎng)可以根據(jù)不同牲畜對(duì)舍內(nèi)溫度的不同需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開(kāi)合度，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)舍內(nèi)散熱器的水流量。根據(jù)流體傳熱方程[21]，第i個(gè)牲畜舍的散熱器在t時(shí)刻消耗的熱功率可以表示為

式中：cp為水的比熱容；為t時(shí)刻舍內(nèi)散熱器中的水流速；Ts，Tr分別為供熱網(wǎng)絡(luò)中的供水和回水溫度。

由于養(yǎng)殖場(chǎng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)散熱器流量改變熱負(fù)荷，熱量調(diào)節(jié)采用局部量調(diào)節(jié)模式，因此，假設(shè)每個(gè)牲畜舍的供水溫度是恒定的[22]。為了達(dá)到節(jié)能的目的，需要一定的控制策略將散熱器的回水溫度變化保持在很小的范圍內(nèi)。因此，假定散熱器的回水溫度恒定且已知[14]。

2 低碳養(yǎng)殖場(chǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法

1）目標(biāo)函數(shù)。本文考慮的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為養(yǎng)殖場(chǎng)運(yùn)行成本最低，如下式所示：

2）約束條件。優(yōu)化調(diào)度約束條件包括養(yǎng)殖場(chǎng)IES中“源-網(wǎng)-荷”各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行約束?！霸础卑B(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)能量生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換單元的運(yùn)行約束，如沼氣處理單元運(yùn)行約束（式（1））、CHP和熱泵運(yùn)行約束（式（2）～式（7））?！熬W(wǎng)”包括配電網(wǎng)運(yùn)行約束（式（11）～式（14））、配熱系統(tǒng)運(yùn)行約束（式（15）、式（16）、式（18）～式（23））。“荷”包括以豬舍為例的牲畜舍約束（式（24）～式（26））。

此外，養(yǎng)殖場(chǎng)IES需要保證電功率平衡和熱功率平衡，如下式：

其中

本文基于Matlab-Yalmip平臺(tái)，通過(guò)CPLEX求解器對(duì)上述線(xiàn)性規(guī)劃模型進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 算例描述

采用圖7所示的養(yǎng)殖場(chǎng)IES算例對(duì)本文所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。其中，配電網(wǎng)基于IEEE 33算例，系統(tǒng)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[23]；熱網(wǎng)采用11節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[10]。如圖7所示，豬舍共有6組，每組包含20間單獨(dú)豬舍，每間豬舍飼養(yǎng)50頭豬。1～4組豬舍飼養(yǎng)生長(zhǎng)豬，5～6組豬舍飼養(yǎng)保育仔豬。每間豬舍長(zhǎng)8 m、寬8 m、高2 m。豬舍的建筑熱參數(shù)為[24]：，Rwin=0.02 K/W，Cr=2.5e+5 J/K，，Awin=4 m2。6組豬舍分別接入配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)20，7，9，14，30和7，同時(shí)接入熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)4，5，8，7，9和11。本文假設(shè)每組豬舍都配備同等容量的屋頂光伏設(shè)備，每組豬舍對(duì)應(yīng)的屋頂光伏的出力數(shù)據(jù)如圖8所示。本文設(shè)定生長(zhǎng)豬的室內(nèi)溫度舒適度區(qū)間為[20℃，22℃]，而保育仔豬的室內(nèi)溫度舒適度區(qū)間為[22℃，25℃]。其他相關(guān)參數(shù)為：ηe=0.3，ηh=0.4，ηhp=4，ηb=0.1，ε=0.05。

圖7 養(yǎng)殖場(chǎng)IES算例結(jié)構(gòu)Fig.7 Schematic diagram of the integrated energy systems in the low-carbon and ecological farms

圖8 光伏出力Fig.8 PV output

本文選取我國(guó)北方冬季某一典型日，室外溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖9所示[24]，電價(jià)如圖10所示[24]。

圖9 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室外溫度Fig.9 Solar radiations and outdoor temperature

圖10 電價(jià)Fig.10 Electricity price

假設(shè)沼氣處理單元的沼氣生產(chǎn)量為50 m3/h[25]，沼氣熱值取15.56 MJ/m3，折合為功率是216.1 kW。單間豬舍的電負(fù)荷及室內(nèi)得熱如圖11所示。

圖11 每間豬舍的電負(fù)荷和室內(nèi)得熱Fig.11 Electricity load and internal heat gains

3.2 結(jié)果分析

養(yǎng)殖場(chǎng)電能購(gòu)買(mǎi)量和沼氣的使用量如圖12所示。可以看出，養(yǎng)殖場(chǎng)在光伏出力時(shí)期減少電能購(gòu)買(mǎi)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的全部消納，養(yǎng)殖場(chǎng)以沼氣處理單元的最大沼氣生產(chǎn)功率（216.1 kW）優(yōu)先使用沼氣進(jìn)行綜合能源供給，不足的部分通過(guò)向外部電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿(mǎn)足。這是由于沼氣是通過(guò)養(yǎng)殖糞污處理得到，優(yōu)先使用沼氣可最大限度降低養(yǎng)殖場(chǎng)的能源花費(fèi)。

圖12 養(yǎng)殖場(chǎng)電能購(gòu)買(mǎi)量和沼氣的使用量Fig.12 Optimal electricity purchase and biogas consumption

養(yǎng)殖場(chǎng)IES的能源優(yōu)化調(diào)度方案如圖13所示?？梢钥吹剑珻HP最大限度利用沼氣生產(chǎn)電能和熱能，因此其全天保持恒定的電能和熱能功率輸出。屋頂光伏出力被全部消納，進(jìn)一步降低了購(gòu)電成本。在CHP產(chǎn)出熱能不能滿(mǎn)足養(yǎng)殖場(chǎng)熱負(fù)荷的時(shí)候，養(yǎng)殖場(chǎng)調(diào)度熱泵，通過(guò)消耗電能來(lái)產(chǎn)生熱能。

圖13 養(yǎng)殖場(chǎng)IES的能源優(yōu)化調(diào)度方案Fig.13 Optimal energy schedules of IES in the farm

兩種類(lèi)型豬舍的室內(nèi)溫度及散熱器流量如圖14所示?；谪i舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性，養(yǎng)殖場(chǎng)可分別在生長(zhǎng)豬舍和保育仔豬舍的舍內(nèi)溫度舒適度區(qū)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)調(diào)整豬舍內(nèi)散熱器的水流量，從而節(jié)省豬舍的供熱成本，降低養(yǎng)殖場(chǎng)的運(yùn)行成本。

圖14 豬舍舍內(nèi)溫度及散熱器流量（以1間豬舍為例）Fig.14 Indoor temperatures and the water flow rates of the radiator in the piggery（taking one piggery as an example）

為了驗(yàn)證沼氣利用對(duì)低碳養(yǎng)殖場(chǎng)的好處，本文對(duì)比了不使用沼氣場(chǎng)景下的養(yǎng)殖場(chǎng)運(yùn)行成本，如表1所示?？梢钥吹?，通過(guò)沼氣利用，養(yǎng)殖場(chǎng)可以降低約12.1%的運(yùn)行成本，同時(shí)減少向外部電網(wǎng)購(gòu)電約13%，從而進(jìn)一步降低對(duì)外部電網(wǎng)的依賴(lài)。因此，通過(guò)對(duì)沼氣的有效利用可在解決養(yǎng)殖場(chǎng)糞污污染的同時(shí)，降低養(yǎng)殖場(chǎng)的用能成本，且進(jìn)一步降低對(duì)外部電網(wǎng)的依賴(lài)，從而減緩潛在的農(nóng)村電網(wǎng)備用容量的建設(shè)。

表1 對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparative results

為了進(jìn)一步驗(yàn)證養(yǎng)殖場(chǎng)熱負(fù)荷靈活性的利用價(jià)值，本文設(shè)置了如下兩個(gè)對(duì)比場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：考慮豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性以及由此帶來(lái)的熱負(fù)荷的靈活性，即本文的方案。該場(chǎng)景下，豬舍內(nèi)散熱器的水流量可在保證舍內(nèi)溫度舒適度的前提下動(dòng)態(tài)調(diào)整；

場(chǎng)景2：不考慮豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性以及由此帶來(lái)的熱負(fù)荷的靈活性。該場(chǎng)景下，豬舍內(nèi)散熱器的水流量不可以調(diào)整。假設(shè)生長(zhǎng)豬舍散熱器流量設(shè)定為0.03 kg/s，而保育仔豬舍散熱器流量設(shè)定為0.035 kg/s。

兩種場(chǎng)景下兩種類(lèi)型豬舍室內(nèi)溫度如圖15所示。與場(chǎng)景1不同，場(chǎng)景2由于不對(duì)散熱器的水流量做調(diào)節(jié)，因此舍內(nèi)溫度只是跟隨外界環(huán)境（即室外溫度和光照強(qiáng)度）的變化而變化，而不會(huì)發(fā)生劇烈變化。

圖15 豬舍舍內(nèi)溫度（以1間豬舍為例）Fig.15 Indoor temperatures（taking one piggery as an example）

兩種場(chǎng)景下養(yǎng)殖場(chǎng)的熱負(fù)荷和運(yùn)行成本對(duì)比結(jié)果如表2所示?？梢钥吹?，由于場(chǎng)景2不對(duì)散熱器的水流量做調(diào)節(jié)，無(wú)法利用熱負(fù)荷的靈活性，使得其熱負(fù)荷總量和運(yùn)行成本均高于場(chǎng)景1。此外，場(chǎng)景2的豬舍散熱器流量由人為設(shè)定，而非通過(guò)優(yōu)化調(diào)度來(lái)決定。因此可能會(huì)造成豬舍內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低，無(wú)法保證舍內(nèi)溫度舒適度，且有可能造成熱能的浪費(fèi)。

表2 兩種場(chǎng)景的對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparative results in two scenarios

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)北方冬季具有大量供熱需求的低碳養(yǎng)殖場(chǎng)構(gòu)建了其IES模型，并提出了養(yǎng)殖場(chǎng)IES的優(yōu)化調(diào)度方法，所得結(jié)論如下：

1）IES可以有效利用養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣資源和屋頂光伏設(shè)備進(jìn)行綜合能源供給，一方面可解決養(yǎng)殖場(chǎng)糞污污染，且降低養(yǎng)殖場(chǎng)的用能成本；另一方面可以減少養(yǎng)殖場(chǎng)向外部電網(wǎng)的購(gòu)電量，從而進(jìn)一步降低對(duì)外部電網(wǎng)的依賴(lài)，減緩潛在的農(nóng)村電網(wǎng)備用容量的建設(shè)；

2）豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性使得養(yǎng)殖場(chǎng)的熱負(fù)荷具有一定的靈活性。養(yǎng)殖場(chǎng)可在保證舍內(nèi)溫度舒適度的前提下，動(dòng)態(tài)調(diào)整流經(jīng)豬舍內(nèi)散熱器的水流量，從而降低養(yǎng)殖場(chǎng)供熱成本；

3）與傳統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜舍供熱方式不同（人為設(shè)定舍內(nèi)散熱器的流量），本文通過(guò)優(yōu)化的方法確定舍內(nèi)散熱器的流量，不僅能保證舍內(nèi)溫度舒適度，還能有效避免熱能的浪費(fèi)，符合養(yǎng)殖場(chǎng)的低碳目標(biāo)發(fā)展需求。