寒冷地区公共机构建筑多能源系统优化模型研究

2020-01-01

制冷技术 2019年5期

（1-深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东深圳 518049；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年来，我国的能耗在不断增长，其中建筑能耗增长尤为迅速[1]，2015年全国建筑能耗占全国能源消费总量的20%，2017年全国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类中，我国公共机构建筑占比最大，百分比为38%，且其碳排放强度也远远高于全国居住建筑强度水平，是全国强度水平的 2.09倍，可见其巨大的节能减排潜力[2]。公共机构是社会行为和公共道德的示范和标杆，公共机构对自身节能的重视程度影响着社会公众的能源消费观念。在我国，由于能源结构、生产生活习惯等原因，供能系统的源头绝大部分是燃煤锅炉房、热电厂和燃煤产生的污染物[3]，导致严重的环境污染与温室效应[4]。将太阳能[5]、地热能[6]等与传统化石能源相结合，构建公共机构建筑多能源系统，不仅实现各种能源梯级利用，降低建筑能耗与环境污染[7]，还与当地负荷、资源、气候形成良好互动，从而推进公共机构建筑节能和绿色建筑发展[8]。

多能源系统受到越来越多的研究者的关注。董福贵等[9]从经济、能耗、环境3个角度为分布式能源系统构建了综合评价体系。李可伟等[10]在公共机构建筑冷热双供系统中，构建了经济、节能和环境3类指标。与构建评价体系相比，多能源系统设计及优化的研究很多。杨佳霖[11]构建了一种为北方中小城镇供应清洁能源的多能源协调供应系统。该系统的亮点在于使用弃风、弃光的电量驱动污水源热泵，提取污水中较低品味的热量，对市政热网中的水进行预热，在利用传统蒸汽背压机组进一步加热，以实现能量梯级利用。陈中豪等[12]利用层次分析法，将描述社区级综合能源系统的多目标函数进一步转化为单目标函数，保证该系统经济、高效运行和环保性。华煌圣等[13]构建了用能经济性和综合能效性最大的双目标函数，以达到对综合能源系统的优化调度。滕茂丹[14]针对具体项目，发现能源使用费对天然气热泵耦合系统的经济性影响最大，并提出与政府合作，以降低该费用降低的风险。白宏坤等[15]采用碳交易和系统运行费用最低为设计目标，规划满足居民生产生活冷、热和电3种负荷的综合能源系统，以实现高经济性和低碳性。

本文针对寒冷地区公共机构建筑冷、热和电 3种负荷，建立具体的多能源系统，并对该系统中的各项能源设备进行相应的数学建模，采用层次分析法，将该多能源系统多目标问题转化为单目标函数，再基于这个兼顾经济性、环保性和节能性的综合评价指标，提出夏季和冬季两种不同的季节情景下，该建筑多能源系统的运行方案。

1 系统介绍

寒冷地区气候环境为夏天热、冬天冷。因此，在为该地区公共机构建筑构建多能源系统时，需要满足该建筑的冷、热和电 3种负荷。图1所示为典型的多能源系统原理。

图1 典型的多能源系统原理

由图1可知，该多能源系统由三联供系统及电网提供电能，剩余电力将优先供给热泵和电制冷器，再卖给电网。

冷负荷由吸收式制冷机组和电制冷器提供。热负荷由太阳能热水器、三联供系统、燃气锅炉、地源热泵和市政热力提供。

采用Deep软件对北京地区一处1万m2的公共机构建筑进行模拟获得其冷、热和电3种负荷[16]。选取夏季和冬季典型天，冷热电负荷如图2所示。

该公共建筑3种负荷均发生在白天，夏季和冬季白天电负荷比较均匀，最大电负荷为157.66 kW；冬天无冷负荷，而热负荷巨大，最大热负荷为2,096.05 kW；夏天无热负荷，而冷负荷巨大，最大冷负荷为1,501.91 kW。

多能源系统的冷、热和电3种负荷涉及电价的买卖、燃气和供暖价格，能源交易价格如表1所示。多能源系统中涉及到三联供机组、燃气锅炉、热泵、电制冷器、吸收式制冷机组和太阳能热水器等，设备参数如表2所示[17]。对于该多能源系统，其CO2排放量来自天然气燃烧、买电和买热情况，其相关数值如表3所示。

图2 全天冷热电负荷

表1 各种能源交易价格

表2 各能源设备参数

表3 CO2排放量

2 模型建立

2.1 三联供机组

传统的三联供机组包括发电单元、产热单元及制冷单元。三联供机组的输出模型可以表示为[18]：

式中，Qe,pgu(t)为时间Δt内，三联供机组的发电量，kW·h；Ppgu(t)为时间t时的功率输出，kW；Δt为时间间隔，h；LHVNG为天然气的低位发热量，取值 36 MJ/(N·m3)；VNG,pgu(t)为三联供系统燃烧的天然气体积，N·m3；Qh,pgu(t)为时间Δt内的发热量，kW·h；Ph,pgu(t)为三联供机组输出热功率，kW；ηe,pgu为发电效率；ηh,pgu为产热效率；nac为高温烟气进入吸收式制冷机组的比例。

吸收式制冷机组的输出冷量可表示为[19]：

式中，Qac(t)为时间Δt内，该吸收式制冷机组的输出冷量，kW·h；Pac(t)为该机组制冷量，kW；ηac为吸收式制冷机组的制冷效率。

2.2 太阳能集热器

太阳能集热器的输出热量为：

式中，Qst(t)为时间Δt内太阳能集热器的输出热量，kW·h；Pst(t)为太阳能集热器的输出功率，kW；ηst为太阳能集热器的集热效率；A为太阳能集热器的面积，m2；G(t)为当地太阳辐照度，W/m2。

2.3 热泵

热泵的输出热量为：

式中：Qhp(t)是时间Δt内，热泵输出热量，kW·h；Php(t)是热泵输出功率，kW；ηhp为热泵的效率，Php,e(t)为热泵的耗电功率，kW。

2.4 燃气锅炉

燃气锅炉输出的热量可用下式进行计算：

式中，Qgb(t)为时间Δt内，燃气锅炉输出热量，kW·h；Pgb(t)为燃气锅炉的输出功率，kW；ηgb为燃气锅炉的热效率；VNG,gb(t)为燃气锅炉燃烧的天然气体积，N·m3。

2.5 电制冷器

电制冷器输出冷量计算：

式中，Qec(t)为时间Δt内，电制冷器输出冷量，kW·h；Pec(t)是电制冷器制冷量，kW；Pec,e(t)为电制冷器耗电功率，kW；ηec为电制冷器制冷效率。

2.6 约束条件

2.6.1 平衡约束条件

多能源系统需要满足冷热电负荷的实时平衡，负荷平衡约束条件如式(8)～式(10)所示。

电量平衡：

式中，Pe,load(t)为电负荷，kW；Pgrid+(t)为从电网买电功率，kW；Pgrid-(t)为卖电功率，kW。

热量平衡：

式中，Ph,load(t)为热负荷，kW；Ph,net(t)为从热网买热功率，kW。

冷量平衡：

式中，Pc,load(t)为冷负荷，kW。

2.6.2 容量约束

对于各个能源设备而言，能量输出会受到自身容量限制。

式中，Pi(t)为t时刻，设备i的输出功率，kW；Pi,max为设备i的最大输出功率，kW。

2.6.3 运行约束

当能源设备运行时，受到多种运行约束条件的限制，如可再生能源系统需要满足当地资源条件的限制；三联供系统需要满足运行热电比的要求、启动和关闭的负荷要求和部分负荷特性等，限于篇幅此处不再赘述。

3 优化模型

3.1 3E综合评价指标

在综合考虑运行成本y1（经济指标）最小、CO2排放量y2（环境指标）最小、综合能源利用率y3（能效指标）最大基础上，构建多能源系统综合能效（Energy）、经济（Economy）和环境（Environment）的多目标优化模型，即3E综合评价指标z，即：

经济指标y1：

式中，VNG(t)为t时段从气网购入天然气的体积，N·m3；mbe为从电网购电价格，元/(kW·h)；mse为向电网卖电价格，元/(kW·h)；mg为天然气购买价格，元/(N·m3)；mh为从热网买热价格，元/(kW·h)；mi为第i个设备的运行维护价格，元/(kW·h)；Pi(t)为第i个设备t时的输出功率，kW。

环境指标y2：

式中，dg为天然气燃烧的 CO2排放系数，kg/m3；de为电网购电的CO2排放系数，kg/(kW·h)；dh为市政热力供热的CO2排放系数，kg/(kW·h)。

能效指标y3：

式中，ηce为电网供电侧发电效率，0.37；ηct为市政热力供热侧效率，0.8。

对于该优化调度模型，核心求解思路为：先将各个指标采用模糊隶属度函数处理，再采用层次分析法，获得各个优化指标的相对权重，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

3.2 指标模糊化

考虑到运行成本和CO2排放量，数值越小，其评价指标越好。因此，运行成本和CO2排放量采用降半Γ型隶属度函数；对于综合能源利用率，数值越大，评价指标越好，则采用升半Γ型隶属度函数。

式中，χ1(y1)、χ2(y2)和χ3(y3)分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的隶属度函数；y1min、y2min、y3max分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的最优值。

3.3 层次分析法

采用将3E指标综合评价指标z中各个因素进行加权处理，其值可以用来全方位评价特定的多能源系统：

式中，c1、c2和c3分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的相对权重。

权重可采用层次分析法获得，一般步骤[20]为：1）以上一级指标为准则，为下一层各指标两两构造比较判断矩阵，采用1～9的标度为其重要性进行赋值；2）采用行和归一法进行各指标相对权重的计算；3）检验该矩阵的一致性。

按照上述步骤，可以获取该多能源系统各指标的相对权重，结果如表4所示。

表4 多能源系统各指标相对权重

由表4可知，一致性比例CR=0，小于0.1。因此上述各指标相对权重满足一致性要求。此时，3E综合评价指标z为：

4 结果和讨论

4.1 优化结果分析

在夏季和冬季两种工况下，针对上述北京地区一处10,000 m2的公共机构建筑多能源系统，采用经济指标最优、环境指标最优、节能指标最优及3E综合评价指标最优作为优化策略，借助 Lingo软件[21]进行优化，优化结果如表5所示。

由表5可知，无论在夏季工况还是冬季工况，运行成本、CO2排放量和综合能源利用率最优时，3E综合评价指标值，均小于多目标最优时的综合评价指标值。为了使各个单项指标达到最优，往往会恶化其他几个指标值，使综合评价指标数值较小。对于多目标最优，虽然各个单项指标不是最优，但兼顾了各个单项指标，使综合评价指标值最优。因此，基于综合评价指标最优的运行方案能够有效兼顾系统运行的经济性、环保性和节能性，满足复杂系统全方位需求。