基于虛擬儲能模型的樓宇冷熱電耦合系統經濟調度策略

朱超群，陳輝，，殷俊平，張曉明，周磊

（1.國網蘇州供電公司，江蘇 蘇州215000；2.國網（蘇州）城市能源研究院，江蘇 蘇州215000）

0 引言

綜合能源系統包含多種分布式能源，各能源相互補充，能有效提高能源的利用率，在經濟、環保等方面具有顯著優勢。冷熱電聯供系統（combined cooling heating and power，CCHP）作為綜合能源系統的重要補充，具有靈活可靠、高效清潔等優點，現已得到重視和廣泛的發展［1］。聯供系統能夠梯級利用能源，向系統內的用戶提供電能、熱能以及冷能，實現能源利用效率最大化，同時天然氣較傳統電煤的排污更低［2］，但是聯供系統靈活性差，各能量輸出比例一般不能變化［3］。地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是利用地下相對穩定的土壤溫度，通過媒介質來獲取土壤內冷（熱）能量的一種新型裝置，能量轉換效率高且運營成本低［4］。將2者結合后，地源熱泵可以彌補冷熱電三聯供系統制冷或制熱的不足，使得多能源設備的調度策略更加優化，從而提高冷熱電聯供-地源熱泵耦合系統的靈活性、經濟性和可靠性［5—6］。

文獻［7］考慮到傳統冷熱電三聯供系統的不足，結合冷熱電三聯供和地源熱泵建立了一種綜合能源系統的優化模型，以北京某建筑為例提出了一種優化運行策略并進行了運行能耗分析。文獻［8］提出了一種由發電單元、吸收式制冷機、儲水箱和地源熱泵組成的冷熱電聯供系統，并采用3種負荷跟蹤策略來比較分析其成本、碳排放量和一次能源消耗量。具有圍護性結構的建筑，其室內溫度的變化速率相對較慢，具有一定的蓄熱特性，可以等效為儲能設備。而人體對溫度的感知存在一個舒適度范圍，溫度在小范圍內波動時并不會讓人體感到不適。因此，在負荷低谷時打開空調，利用建筑的蓄熱特性提前制冷（熱）；在負荷高峰時，可以在人體舒適溫度范圍內調整制冷（供暖）溫度，在降低負荷需求時同時釋放儲能［9］。

本文的創新點如下：①在建立冷熱電聯供-地源熱泵耦合系統的基礎上進一步考慮了虛擬儲能，實現了技術的優勢互補，提升了能源利用效率，降低了運行成本；②根據建筑熱性能和設備能效比建立熱平衡方程，根據人體舒適度范圍對可變化溫度加以約束，從而建立起虛擬儲能模型。

1 虛擬儲能充放能模型

人體對于溫度變化的感知速度滯后于溫度變化速度，在一定的溫度變化范圍內人體不會感到不適，該溫度范圍稱為人體舒適度范圍。利用建筑的的蓄熱能力和人體的溫度舒適度范圍，建筑可以在用電高峰期降低制熱（冷）功率，也可以在用電低峰期提前制熱（冷），從而實現削峰填谷。建筑的這種類似于儲能系統的充放電特性稱為虛擬儲能。

（1）人體舒適度范圍

通常將室內溫度與用戶舒適感之間的匹配關系稱為舒適度，其變化特征如圖1所示。

由圖1可知：室內溫度越接近最佳溫度，溫度變化程度越小，人體舒適度越高，反之則越低。對于室內供熱、供冷溫度的變化，人體可接受溫度區間和可接受溫度變化區間如式（1）和式（2）［10］

圖1 人體舒適度變化曲線Fig.1 Variation curve of human comfort

（2）建筑熱性能

以冬季供熱為例，建筑熱性能可以用一階等效熱參數模型來模擬該過程。建筑內部無熱量產生的主要影響因素有：制熱（冷）設備的熱（冷）功率出力、人體和設備的自發熱以及由于室內外溫差造成的熱（冷）耗散。為簡化計算，忽略人體、設備等自發熱因素，根據能量守恒得到熱平衡方程為

式中：C、ρ、V分別為建筑內空氣比熱容、密度以及該建筑的容量，具體數值可通過實際工程參數測算得到；kwall和kwin分別為外墻和外窗傳熱系數；Swall和Swin分別為外墻和外窗面積；為室內溫度實際值，℃；Tout(t)為室外溫度，℃；QHpro(t)為該建筑單位時間內的供熱量，kW；QHload(t)為該建筑t時刻的熱負荷，數值上與單位時間的供熱量相等，kW。將該微分方程進行差分化處理，形成由差分方程表示的熱平衡方程（5），從而簡化非線性方程

（3）設備能效比

制冷（熱）設備消耗功率并不能百分百轉化為制冷（熱）量，因此引入系數η表征設備的能效比。

根據人體舒適度、建筑熱性能、設備能效比3個因素的影響，構建建筑虛擬儲能系統模型。當室內溫度在人體舒適度區間發生變化時，建筑的實際供冷（熱）量隨之變化，可等效為建筑的虛擬儲能特性；室內溫度設定最佳值與實際值的偏差帶來的熱量偏差，可等效為虛擬儲能系統的充放能功率。

以冬季供熱為例，建筑的熱虛擬儲能出力為

式中：Qsim(t)為熱虛擬儲能出力，kW；為建筑室內供暖設定值，℃。

室內溫度變化速率帶來的熱量變化速率可等效為虛擬儲能系統的充放能速率。根據室內溫度變化速率的上、下限可以得到熱虛擬儲能出力的約束

當室內溫度低于室內最佳設定溫度時，虛擬儲能出力值大于0，熱虛擬儲能在該時段等效釋放熱能；當室內溫度高于室內最佳設定溫度時，虛擬儲能出力值小于0，熱虛擬儲能工作，在該時段等效儲存熱能。

以上建筑冬季供熱虛擬儲能模型同樣適用于建筑夏季供冷場景，不同之處僅在于當室內溫度高于室內最佳溫度時，虛擬儲能系統在該時段等效釋放冷能；當室內溫度低于室內最佳設定溫度時，虛擬儲能系統工作，在該時段等效存儲冷能。

2 耦合系統優化模型

2.1 耦合系統運行方式

文中研究的耦合系統主要設備為燃氣輪機及其余熱鍋爐、吸收式冷水機組、熱交換器、地源熱泵、蓄電池和儲能裝置；負荷包括電負荷（生產生活用電和系統自耗電）與冷熱負荷（生產生活冷熱需求）。耦合系統供能示意圖如圖2所示。

圖2 耦合系統供能示意圖Fig.2 Energy supply diagram of coupling system

在耦合系統中，燃氣輪機燃燒天然氣做功，輸出電能供給用戶和系統內部設備，當電能不足時向電網購電。余熱鍋爐會吸收燃氣輪機發電后排出的高溫煙氣，經吸收式冷水機組和熱交換器進行制冷和供暖，燃氣鍋爐則直接通過燃燒天然氣供給熱負荷。地源熱泵系統由燃氣輪機發出的電和購自電網的電進行驅動，滿足用戶的冷熱負荷需求。小容量的蓄電池和儲熱裝置對系統的能量起到削峰填谷的作用，能夠分時段利用能量從而提高經濟性。

2.2 考慮虛擬儲能的耦合系統優化模型

2.2.1 目標函數

由上文可知虛擬儲能參與熱平衡方程，對熱負荷需求產生影響，從而改變各設備的出力情況，因此虛擬儲能對目標函數存在間接影響。

模型在滿足舒適度和負荷需求的基礎上最小化系統的日運行成本，該成本包括了發電的燃氣成本、系統向電網的購電成本和設備的維護成本

式中：Fp為年運行成本；Fgas為燃氣成本；Felc為購電成本；Fmit為設備維護成本

式中：Cgas為天然氣費用；Vgas為所購天然氣體積；選擇一天24 h為一個周期；Δt為單位時間間隔，取1 h；hpur(t)為t時刻電網的分時電價；Ppur(t)為t時刻購電功率；hsol(t)為t時刻售電電價；Psol(t)為t時刻售電功率；hi,dev為設備i單位發電功率的運行維護費用；Pi(t)為設備i在t時刻的輸出功率；I為設備總數。

2.2.2 約束條件

對于含虛擬儲能的優化模型，首先需要考慮虛擬儲能對建筑負荷調控約束，同時還有能源供需平衡約束以及各類能源設備運行約束。

（1）虛擬儲能調控約束

虛擬儲能調控下的溫度必須在人體舒適度范圍內。同時，其溫度的變化速率也必須在人體舒適溫度變化區間之內。變化速率太快或太慢都將給人體帶來不適感，即滿足式（1）和式（2）所示約束。而室內溫度變化速率決定了虛擬儲能出力，因此對于虛擬儲能出力存在以下約束

（2）電/熱供需平衡約束

電能平衡約束條件為

式中：Pi,gen(t)為燃氣輪機發電功率；Pi,dis(t)為蓄電池放電功率；Pload(t)為系統內用戶電負荷總需求；Pi,cha(t)為蓄電池的充電功率。

熱能平衡約束條件為

式中：Qi,bol(t)為燃氣鍋爐供熱功率；Qi,hrsg(t)為余熱鍋爐供熱功率；Qi,dis(t)為儲熱裝置的放熱功率；Qi,hpum(t)為地源熱泵供熱功率；Qhsim(t)為虛擬儲能供熱功率；QHload(t)為系統中用戶熱負荷總需求；Qi,cha(t)為儲熱裝置的儲熱功率。

（3）設備運行約束

蓄電池運行約束

儲熱裝置運行約束

燃氣輪機、燃氣鍋爐和地源熱泵上、下限約束不詳細述及，給出蓄電池和儲熱裝置的約束條件。上述約束均為線性約束，文中采用混合整數線性規劃的方法來解決耦合系統優化調度問題，使用Matlab軟件求解該問題。

3 算例分析

3.1 基礎數據

文中選取南方某市2類樓宇建筑為例，進行考慮虛擬儲能影響的冬季供暖日的經濟性優化仿真，表1給出了樓宇設備參數。由于虛擬儲能與峰谷電價和空調開放時間有關系，因此將仿真聚焦于2類最常見的樓宇類型，分別稱之為I類建筑和II類建筑，I類建筑在白天開放，空調工作時間一般在8:00—22:00之間；II類建筑24 h開放，空調工作時間為24 h。表2給出了2類建筑的建筑參數表。2類建筑的容積均為10 000 m3，冬季最佳室溫設定為22℃，可接受溫度區間為18~24℃。圖3給出了該市冬季某日室外溫度變化曲線。實時交易電價和天然氣價格參考文獻［11］，如表3所示。

表1 樓宇設備參數Table 1 Device parameters of the building

表2 建筑參數表Table 2 Building parameters

圖3 該市冬季某日室外溫度Fig.3 Outdoor temperature of the city on a certain winter day

表3 實時交易電價和天然氣價格Table 3 Real time transaction electricity price and natural gas price

3.2 含虛擬儲能的調度策略分析

3.2.1 基于I類樓宇的經濟調度結果

將實際算例的基本數據代入優化模型中進行求解，得到耦合系統在供暖日的各個設備出力情況和電、熱負荷的負荷曲線，以下分別對電負荷和熱負荷進行優化調度分析。

（1）熱負荷特性

對于I類建筑，其白天工作時間需要供暖。白天電價比氣價貴，為了節約成本傾向于使用天然氣，因此樓宇主要由冷熱電三聯供系統供熱。在該時間段內還可以通過適當調節供暖設備的功率來實現虛擬儲能系統的充放電，調節功率的同時要保證室溫在人體舒適度范圍內。虛擬儲能的應用可以進一步降低運行成本。18:00工作人員下班后不再需要供暖，I類樓宇的供暖設備在夜間幾乎不運行，加上夜間降溫，因此建筑室內溫度大幅度降低，在樓宇白天開放前可以利用地源熱泵系統在電價谷時段供熱，進行虛擬儲能系統的充電，累積熱負荷造成了熱負荷峰值點的出現。圖4給出了I類樓宇的熱負荷情況。

圖4 基于I類樓宇耦合系統的熱負荷情況Fig.4 Thermal load based on class I building of coupling system

（2）電負荷調度分析

如圖5所示，在0:00—7:00時段，僅有少量電力負荷，此時燃氣輪機出力較少，主要向處于谷時電價的電網購電來進行供電，多余電量給蓄電池充電；在5:00—6:00時段，由于地源熱泵啟動，電負荷增加，系統向電網購電量增加；在7:00之后由于工作人員開始上班，電負荷迅速上升至高峰，保持穩定并持續至工作結束，該時間段主要由燃氣輪機承擔發電任務，呈現出與電力負荷變化的同步性特征，同時蓄電池放電，不足電量向電網購得作為補充。電價峰時段和平時段的燃氣輪機并非處于滿發狀態，因為需要考慮到燃氣輪機的電熱能并行出力的狀態。在17:00—19:00下班時段，電負荷逐漸減少，由于晚上部分辦公人員在加班，仍有小幅度電負荷。

圖5 基于I類樓宇耦合系統的電負荷情況Fig.5 Electrical load based on class I building of coupling system

3.2.2 基于II類樓宇的調度結果

（1）熱負荷特性

II類樓宇供熱工作日的熱負荷變化不同于I類樓宇。II類樓宇24 h營業，所以全天均有熱負荷需求，夜間為熱谷時段，供熱功率較小，主要由地源熱泵系統進行供熱。由于谷時段電價低于天然氣價格，因此在電價谷時段結束之前利用地源熱泵系統提前為樓宇蓄熱，相當于給虛擬儲能系統充電。由圖6可知，在0:00—4:00時熱負荷需求小，由地源熱泵進行供熱；5:00—7:00時段由于餐廳的供熱需求，熱負荷增加較多，同時又需要為樓宇提前存儲熱量，所以地源熱泵的出力大幅增加；在7:00—18:00，熱負荷需求穩定，采用燃氣輪機為主，燃氣鍋爐為輔的供熱策略來向樓宇提供熱能，通過調整燃氣輪機的功率來實現虛擬儲能充放電；18:00以后，室外氣溫降低，熱負荷不斷增加并于22:00達到峰值，此時設備出力最大。

圖6 基于II類樓宇耦合系統的熱負荷情況Fig.6 Thermal load based on class II building of coupling system

（2）電負荷調度分析

II類樓宇的電負荷變化情況與I類樓宇類似，如圖7所示，8:00—22:00是用電高峰時段，此時主要由燃氣輪機進行供電，在其他時間段，II類樓宇仍要滿足動力及部分區域照明，電負荷維持在一定的水平，約為峰值負荷的50%~60%。2類辦公建筑的蓄電池裝置均處于低儲高發的工作狀態，即在電價谷時充電至存儲能量上限，在電價平時和峰時釋放儲能，以此來降低運行成本。

圖7 基于II類樓宇耦合系統的電負荷情況Fig.7 Electrical load based on class II building of coupling system

3.3 虛擬儲能影響下的經濟性分析

II類樓宇的室內溫度和供暖設備溫度的變化曲線如圖8（a）所示，其等效反應了熱負荷的變化情況，可以看到在考慮虛擬儲能的影響后，負荷需求轉移，使得負荷曲線與能源供應曲線更加匹配。由于熱虛擬儲能的調度不需要任何額外的成本，僅需要滿足室內舒適度約束，使得圍護建筑熱虛擬儲能具有良好的經濟效益。在無虛擬儲能的情況下，系統日總運行費用為6 785.35元，有虛擬儲能的情況下日總運行費用為6 544.90元。當忽略建筑熱虛擬儲能的作用，僅考慮耦合系統中各設備協調配合供能的優化方案時，燃氣采購費用相比于購電費用和設備維護費用有較大幅度的增加，這反映了熱虛擬儲能調度對于降低熱負荷總需求的積極作用。因此利用耦合系統中各個能源設備的協調出力與熱虛擬儲能的有效調控，可明顯降低建筑中滿足電、熱、冷各負荷的運行成本，實現耦合系統的經濟優化運行。II類樓宇溫度與熱負荷的變化如圖8（b）所示，在計及虛擬儲能的影響后，可以看到其對熱負荷的削減作用，在無虛擬儲能的情況下其日總運行費用為12 568.90元，有虛擬儲能的情況下日總運行費用為12 257元。

2類建筑在不計及虛擬儲能時，中央空調的控制策略基本是使其持續運行且保持恒溫，但是計及虛擬儲能后因為中央空調需要啟停和調溫，所以需要考慮這種控制策略對設備的損耗。根據計價軟件可以得到2類建筑設備初投資分別為1 378 930元和1 989 400元。采用年成本比較法作為2類情況的比較準則，表4展示了2類建筑的具體費用。

圖8 Ⅱ類樓宇有無虛擬儲能下的溫度及熱負荷情況Fig.8 temperature and thermal loads with and without VES based on classⅡbuilding

表4 不同建筑類型的具體費用Table 4 Operating costs of different building types

4 結束語

文中提出了一種含虛擬儲能的冷熱電三聯供-地源熱泵耦合系統的優化模型，將日運行費用最小作為優化目標，以冬季場景為例對該系統進行優化調度策略的分析，并且驗證了虛擬儲能的應用確實能夠減少系統的運行成本。

（1）冷熱電三聯供系統與地源熱泵系統的耦合實現了系統間能量的流動與利用，提高了能源的利用效率，并且具有時間解耦特性。由于冷熱電三聯供系統使用燃氣輪機發電，地源熱泵從電網中取電，因此可以利用耦合系統實現電網的削峰填谷，在電網用電高峰期使用三聯供系統供熱（冷），電網用電低谷時使用地源熱泵系統供熱（冷），一方面可以減輕電網負擔，另一方面也可以利用電費和天然氣費的價格差減少系統的運行費用。

（2）將虛擬儲能理論應用于冷熱電三聯供-地源熱泵耦合系統，由于樓宇可以儲存一定的熱量，因此可以在保證溫度在人體舒適溫度范圍內的前提下，在用電低谷期提前打開供暖（冷）設備或者在用電高峰期降低供暖（冷）設備的功率，不僅能夠減輕電網運行壓力，還可以節省用電成本。