寒冷地區公共機構建筑多能源系統優化模型研究

（1-深圳市建筑科學研究院股份有限公司，廣東深圳 518049；2-上海交通大學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，我國公共機構建筑占比最大，百分比為38%，且其碳排放強度也遠遠高于全國居住建筑強度水平，是全國強度水平的 2.09倍，可見其巨大的節能減排潛力[2]。公共機構是社會行為和公共道德的示范和標桿，公共機構對自身節能的重視程度影響著社會公眾的能源消費觀念。在我國，由于能源結構、生產生活習慣等原因，供能系統的源頭絕大部分是燃煤鍋爐房、熱電廠和燃煤產生的污染物[3]，導致嚴重的環境污染與溫室效應[4]。將太陽能[5]、地熱能[6]等與傳統化石能源相結合，構建公共機構建筑多能源系統，不僅實現各種能源梯級利用，降低建筑能耗與環境污染[7]，還與當地負荷、資源、氣候形成良好互動，從而推進公共機構建筑節能和綠色建筑發展[8]。

多能源系統受到越來越多的研究者的關注。董福貴等[9]從經濟、能耗、環境3個角度為分布式能源系統構建了綜合評價體系。李可偉等[10]在公共機構建筑冷熱雙供系統中，構建了經濟、節能和環境3類指標。與構建評價體系相比，多能源系統設計及優化的研究很多。楊佳霖[11]構建了一種為北方中小城鎮供應清潔能源的多能源協調供應系統。該系統的亮點在于使用棄風、棄光的電量驅動污水源熱泵，提取污水中較低品味的熱量，對市政熱網中的水進行預熱，在利用傳統蒸汽背壓機組進一步加熱，以實現能量梯級利用。陳中豪等[12]利用層次分析法，將描述社區級綜合能源系統的多目標函數進一步轉化為單目標函數，保證該系統經濟、高效運行和環保性。華煌圣等[13]構建了用能經濟性和綜合能效性最大的雙目標函數，以達到對綜合能源系統的優化調度。滕茂丹[14]針對具體項目，發現能源使用費對天然氣熱泵耦合系統的經濟性影響最大，并提出與政府合作，以降低該費用降低的風險。白宏坤等[15]采用碳交易和系統運行費用最低為設計目標，規劃滿足居民生產生活冷、熱和電3種負荷的綜合能源系統，以實現高經濟性和低碳性。

本文針對寒冷地區公共機構建筑冷、熱和電 3種負荷，建立具體的多能源系統，并對該系統中的各項能源設備進行相應的數學建模，采用層次分析法，將該多能源系統多目標問題轉化為單目標函數，再基于這個兼顧經濟性、環保性和節能性的綜合評價指標，提出夏季和冬季兩種不同的季節情景下，該建筑多能源系統的運行方案。

1 系統介紹

寒冷地區氣候環境為夏天熱、冬天冷。因此，在為該地區公共機構建筑構建多能源系統時，需要滿足該建筑的冷、熱和電 3種負荷。圖1所示為典型的多能源系統原理。

圖1 典型的多能源系統原理

由圖1可知，該多能源系統由三聯供系統及電網提供電能，剩余電力將優先供給熱泵和電制冷器，再賣給電網。

冷負荷由吸收式制冷機組和電制冷器提供。熱負荷由太陽能熱水器、三聯供系統、燃氣鍋爐、地源熱泵和市政熱力提供。

采用Deep軟件對北京地區一處1萬m2的公共機構建筑進行模擬獲得其冷、熱和電3種負荷[16]。選取夏季和冬季典型天，冷熱電負荷如圖2所示。

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

多能源系統的冷、熱和電3種負荷涉及電價的買賣、燃氣和供暖價格，能源交易價格如表1所示。多能源系統中涉及到三聯供機組、燃氣鍋爐、熱泵、電制冷器、吸收式制冷機組和太陽能熱水器等，設備參數如表2所示[17]。對于該多能源系統，其CO2排放量來自天然氣燃燒、買電和買熱情況，其相關數值如表3所示。

圖2 全天冷熱電負荷

表1 各種能源交易價格

表2 各能源設備參數

表3 CO2排放量

2 模型建立

2.1 三聯供機組

傳統的三聯供機組包括發電單元、產熱單元及制冷單元。三聯供機組的輸出模型可以表示為[18]：

式中，Qe,pgu(t)為時間Δt內，三聯供機組的發電量，kW·h；Ppgu(t)為時間t時的功率輸出，kW；Δt為時間間隔，h；LHVNG為天然氣的低位發熱量，取值 36 MJ/(N·m3)；VNG,pgu(t)為三聯供系統燃燒的天然氣體積，N·m3；Qh,pgu(t)為時間Δt內的發熱量，kW·h；Ph,pgu(t)為三聯供機組輸出熱功率，kW；ηe,pgu為發電效率；ηh,pgu為產熱效率；nac為高溫煙氣進入吸收式制冷機組的比例。

吸收式制冷機組的輸出冷量可表示為[19]：

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

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)為當地太陽輻照度，W/m2。

2.3 熱泵

熱泵的輸出熱量為：

式中：Qhp(t)是時間Δt內，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 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐輸出的熱量可用下式進行計算：

式中，Qgb(t)為時間Δt內，燃氣鍋爐輸出熱量，kW·h；Pgb(t)為燃氣鍋爐的輸出功率，kW；ηgb為燃氣鍋爐的熱效率；VNG,gb(t)為燃氣鍋爐燃燒的天然氣體積，N·m3。

2.5 電制冷器

電制冷器輸出冷量計算：

式中，Qec(t)為時間Δt內，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

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

電量平衡：

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

熱量平衡：

式中，Ph,load(t)為熱負荷，kW；Ph,net(t)為從熱網買熱功率，kW。

冷量平衡：

式中，Pc,load(t)為冷負荷，kW。

2.6.2 容量約束

對于各個能源設備而言，能量輸出會受到自身容量限制。

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

2.6.3 運行約束

當能源設備運行時，受到多種運行約束條件的限制，如可再生能源系統需要滿足當地資源條件的限制；三聯供系統需要滿足運行熱電比的要求、啟動和關閉的負荷要求和部分負荷特性等，限于篇幅此處不再贅述。

3 優化模型

3.1 3E綜合評價指標

在綜合考慮運行成本y1（經濟指標）最小、CO2排放量y2（環境指標）最小、綜合能源利用率y3（能效指標）最大基礎上，構建多能源系統綜合能效（Energy）、經濟（Economy）和環境（Environment）的多目標優化模型，即3E綜合評價指標z，即：

經濟指標y1：

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

環境指標y2：

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

能效指標y3：

式中，ηce為電網供電側發電效率，0.37；ηct為市政熱力供熱側效率，0.8。

對于該優化調度模型，核心求解思路為：先將各個指標采用模糊隸屬度函數處理，再采用層次分析法，獲得各個優化指標的相對權重，將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。

3.2 指標模糊化

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

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

3.3 層次分析法

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

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

權重可采用層次分析法獲得，一般步驟[20]為：1）以上一級指標為準則，為下一層各指標兩兩構造比較判斷矩陣，采用1～9的標度為其重要性進行賦值；2）采用行和歸一法進行各指標相對權重的計算；3）檢驗該矩陣的一致性。

按照上述步驟，可以獲取該多能源系統各指標的相對權重，結果如表4所示。

表4 多能源系統各指標相對權重

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

4 結果和討論

4.1 優化結果分析

在夏季和冬季兩種工況下，針對上述北京地區一處10,000 m2的公共機構建筑多能源系統，采用經濟指標最優、環境指標最優、節能指標最優及3E綜合評價指標最優作為優化策略，借助 Lingo軟件[21]進行優化，優化結果如表5所示。

由表5可知，無論在夏季工況還是冬季工況，運行成本、CO2排放量和綜合能源利用率最優時，3E綜合評價指標值，均小于多目標最優時的綜合評價指標值。為了使各個單項指標達到最優，往往會惡化其他幾個指標值，使綜合評價指標數值較小。對于多目標最優，雖然各個單項指標不是最優，但兼顧了各個單項指標，使綜合評價指標值最優。因此，基于綜合評價指標最優的運行方案能夠有效兼顧系統運行的經濟性、環保性和節能性，滿足復雜系統全方位需求。

表5 不同優化策略結果對比

4.2 優化調度分析

基于 3E綜合評價指標，分別對夏季工況和冬季工況的多種能源設備進行優化調度，實現綜合評價指標最優。

4.2.1 夏季工況優化

夏季工況下，該多能源系統負荷形式為電負荷以及冷負荷。當選用 3E綜合評價指標最優作為優化策略時，電功率、冷功率平衡如圖3所示。電負荷由三聯供系統提供，多余的電能一部分供應電制冷器，另一部分賣給電網。冷負荷由電制冷器和吸收式制冷機組提供。電制冷器始終滿負荷運行，不足的冷負荷由吸收式制冷機組提供。

4.2.2 冬季工況優化

冬季工況下，該多能源系統負荷形式為電負荷及熱負荷。當選用 3E綜合評價指標最優作為優化策略，電功率和熱功率平衡如圖4所示。對于該多能源系統，三聯供發的電以及從電網買的電，一部分滿足該系統的電負荷需求，剩余部分用于供應熱泵；熱負荷由太陽能熱水器、熱泵以及三聯供系統提供，不足的部分由熱網供應。

圖3 夏季功率平衡

圖4 冬季功率平衡

5 結論

本文以北京地區一處公共機構建筑為例，針對其冷、熱和電3種負荷和典型具體的多能源系統，對該系統中的各項設備進行相應的數學建模，并在綜合考慮能源系統、運行、維護和環境等影響因素基礎上，提出綜合評價指標用于指導該多能源系統在夏季和冬季情景下的運行，得出如下結論：

1）在夏季工況，分別選用經濟指標最優、環境指標最優、節能指標最優和3E綜合評價指標最優作為多能源系統案例的優化策略時，其綜合評價指標值分別為0.86、0.95、0.72和0.96；

2）在冬季工況，分別選用經濟指標最優、環境指標最優、節能指標最優和3E綜合評價指標最優作為多能源系統案例的優化策略時，其綜合評價指標值分別為0.55、0.89、0.58和0.91；

3）該綜合評價指標最優的運行方案，既可滿足建筑冷、熱和電需求，還有效兼顧系統運行的經濟性、環保性和節能性，滿足復雜系統全方位的需求，為今后公共機構能源系統方案設計提供指導。