與建筑一體化的綜合能源系統優化模型研究

李 兵，牛洪海，余 帆,陳 霈，婁清輝

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

綜合能源系統將電、冷、熱、氣等多種能源有機耦合，通過梯級利用，提高能源利用效率。這已成為能源領域的發展趨勢。多種能源相互耦合是綜合能源系統區別于傳統能源系統的重要標志，對系統的運行優化提出了新的挑戰。相關學者開展了大量研究。文獻[1]～文獻[5]考慮系統設備特性、電熱負荷及分布式電源的時序特征等問題，提出了多時間尺度滾動調度策略，建立了日前、日內、實時 3 個時間尺度的調度模型；部分學者進一步考慮熱網慣性，基于傳熱學原理研究熱網能量傳輸模型，建立了含有熱網的綜合能源系統混合整數線性規劃優化模型[6-7],為綜合能源系統的運行優化奠定了基礎。

隨著大型公建節能降耗進程的推進，越來越多的建筑采用多能互補形式構建能源系統。建筑能源消耗主要集中于暖通空調系統，占比高達60%。暖通空調系統的運行與控制模式對系統優化影響很大。但現有研究主要側重于對能源供應系統的優化，綜合考慮用戶能源需求特性和熱網傳輸特性，協同供給側、傳輸側和需求側進行優化的研究非常少。因此，需要在現有研究的基礎上，考慮暖通空調系統源、網、末端運行特性，構建一體化優化模型，從而進一步提高大型公建綜合能源利用率。

1 面向大型建筑的綜合能源系統模型

1.1 綜合能源系統模型

大型公共建筑一般同時存在冷、熱、電負荷需求。典型綜合能源系統如圖1所示。其中：電力主要來自電網；燃氣三聯供機組在發電的同時，通過溴化鋰機組對煙氣回收，并用于供熱與制冷。冬季供熱主要以市政熱源為主，同時配置若干燃氣鍋爐作為補充；供冷系統中三聯供機組、基載機組、雙工況(制冷/)機組并聯合與冰蓄冷裝置串聯運行，實現大溫差供冷。

圖1 典型綜合能源系統框圖

冰蓄冷、三聯供等設備的設置，能在實現電力削峰填谷、提高能源利用率的同時，使系統運行方式復雜多樣。在制冷工況下，系統可能存在基載機組單獨供冷、冰蓄冷單獨供冷、三聯供與冰蓄冷同時供冷等6種運行模式。目前，系統的運行多為基于設備開關的順序控制，采用單一策略，如三聯供機組優先、冰蓄冷融冰優先或比例分配等，未能實現系統性優化。

1.2 設備能耗特性模型

現有優化研究中對于設備能耗模型的處理一般采用兩種方式。一種為取固定值，另一種考慮設備變負荷運行時能效的變化。文獻[8]分析了采用不同模型對優化結果的影響。結果表明,考慮能耗隨負荷變化的方法,具有更好的優化效果。但與發電機組不同，冷、熱負荷不是機組控制系統可直接接收的參數，需要轉換為冷/熱水流量、出水溫度等可控參數。因此，本文在構建供冷、供熱設備能耗模型時，建立能耗與可控參數之間的關系，以便準確反映影響設備性能的關鍵因素。同時，優化結果可下發給控制系統執行。

主要設備模型如下。

①燃氣三聯供機組。

內燃機發電量與燃氣消耗的關系采用二次模型表示：

Gslg=f(Pslg)

(1)

式中：Gslg為三聯機組氣耗量，m3/h；Pslg為三聯供機組發電功率，MW。

溴化鋰機組利用內燃機的排煙余熱制冷，制冷量與發電量之間的關系[9]，采用二次模型表示：

Qslg=f(Pslg)

(2)

式中：Qslg為三聯供機組供熱量，MW。

②雙工況機組。

雙工況機組分為蓄冰工況和制冷工況。在蓄冰工況下，蓄冰量與雙工況機組耗電量采用二次模型表示：

Pxb=f(Qxb)

(3)

式中：Pxb為蓄冰輸入功率，MW；Qxb為蓄冰量，MW。

冰蓄冷機組進行供冷時，其供冷量可表示為：

Qxb=(t1ds_xb_in-t1ds_xb_out)×q1ds_xb×c

(4)

式中：t1ds_xb_in、t1ds_xb_out分別為冰蓄冷機組冷凍水進、出水溫度，℃；q1ds_xb為冰蓄冷機組冷凍水流量，m3/h；c為水的定壓比熱容，kJ/(kgK)。

雙工況機組在制冷工況下，制冷量與耗電量可表示為：

(5)

式中：Psgk為雙工況機組輸入功率；Qsgk為雙工況機組制冷功率；NCOP為雙工況機組的制冷機組能效(coeficient of performance,COP)；t1ds_sgk_in、t1ds_sgk_out分別為雙工況機組冷凍水進、出水溫度，℃；q1ds_sgk為雙工況機組冷凍水流量，m3/h。

制冷機組的實際性能影響因素可分為內部因素和外部因素。內部因素反映的是制冷機組的類型、制造水平、壓縮機的匹配、制冷劑的種類等；外部因素則是指冷凍水溫度和流量、冷卻水溫度和流量等影響蒸發溫度和冷凝溫度的因素。冷卻水一般采用定流量方式運行。從運行優化角度，可以只考慮建立NCOP隨冷凍水流量、出水溫度的多元線性回歸模型：

NCOP=f(t1ds_skg,q1ds_sgk)

(6)

③基載機組。

基載機組制冷量與耗電量可表示為：

(7)

同雙工況機組，基載N′COP可表示為：

(8)

④燃氣鍋爐。

燃氣鍋爐供量與耗氣量采用二次模型表示：

Gg1=f(Qg1)

(9)

式中：Ggl為燃氣鍋爐氣耗量，m3/h；Qgl為鍋爐供熱量，MW。

⑤冷/熱水泵。

在閉式系統中，為減少輸配能耗，冷/熱水系統一般采用變流量方式運行。當管網特性曲線不變且并聯水泵同時變速時，水泵流量、功率與水泵轉速滿足相似工況定律。

2 綜合能源系統優化調度模型

2.1 目標函數

建筑能源系統的優化與系統的運行控制方式密切相關，因此首先需要設定系統的運行控制方式。供熱/供冷系統的運行調節一般分為質調與量調。本文考慮

兩者的優勢，采用分時段變流量調節方式，即供水溫度隨負荷優化調整，冷、熱水流量跟蹤負荷變化。以制冷季為例：以最低運行成本為目標，以1 h為1個調度時段，建立如下目標函數：

(10)

2.2 約束條件

①目前，大部分研究不考慮管網中冷熱量輸送時滯特性特性。建立能量平衡約束如下：

(11)

但與電力不同的是，冷/熱水傳輸速度較為緩慢，入口處的溫度變化緩慢地擴散到出口。因此，一部分熱能將儲存在管道中。另一方面，由于冷/熱水與其周圍環境溫度的差異，流動期間將發生熱損失，需要深入研究冷熱管網的能量傳輸響應特性[10]。

管網能量傳輸模型如圖2所示。

圖2 管網能量傳輸模型

以圖2所示的某段管道為例，其管網能量傳輸模型如下。

(12)

式中：cgd、ρlds分別為管道和冷凍水的比熱容，kJ/(kgK)；ρgd、ρlds分別為管道和冷凍水的密度，kg/m3；αlds、αgd分別為冷凍水與管壁的對流換熱系數及管壁與環境的對流換熱系數，W/(mK)；Fgd1、Fgd2分別為管道的內、外壁截面積，m2；Sgd1、Sgd2分別為管道的內、外壁周長，m；tc為環境溫度，℃；u為冷凍水流速，m3/h。

③此外，為保證機組運行安全，優化模型中還需考慮各機組允許調節負荷及參數上、下限約束。

3 模型仿真

以某大型建筑為例，采用上述模型進行優化，綜合能源系統設備參數如表1所示。

表1 綜合能源系統設備參數

上述優化模型為典型的混合整數非線性規劃問題。其一般采用智能算法，但只能求得相對最優解或陷入局部最優，同時需要消耗大量的計算資源和較長的計算時間。因此，本文借鑒大電網分段線性化火電機組成本函數原理，采用分段線性化模型描述上述設備能耗模型，實現快速求解和在線應用[11]。

某典型負荷下優化調度結果如圖3所示。

圖3 優化調度結果

從圖3可以看出，通過該模型可以對建筑能源系統進行合理優化。其在夜間蓄冷，在日間電價峰、平階段優先使用冰蓄冷與三聯供進行供冷，不足的部分由基載機組進行補充；夜間蓄冷量在日間合理釋放，無需啟動雙工況機組供冷。該模型可對蓄冷量與釋冷量進行合理規劃，同時反映能源價格對優化結果的影響。

由于管網能量傳輸的滯后性，機組實時供冷量與負荷并非完全吻合。與此同時，冷凍水供水溫度也得到了合理優化。在低負荷階段，冷凍水流量相對較小，冷凍水出水溫度提高帶來的水泵增加的功耗小于制冷機組NCOP提高帶來的收益，因此可以提高供水溫度。在高負荷階段，由于有冰蓄冷釋冷，可降低供水溫度，以便降低輸配系統能耗。

4 結論

本文結合建筑能源系統熱網傳輸及負荷需求特性，協同供給側、傳輸側和需求側進行優化，研究了冷熱管網能量傳輸機理及動態響應特性，建立了供冷、供熱機組性能隨可控運行參數的關聯模型。在此基礎上，結合暖通空調系統運行調控特性，設計了與建筑一體化的綜合能源系統優化調度模型，并給出了在線求解方法。該方法可用于指導建筑綜合能源系統的運行，以提高系統能源利用率。