与建筑一体化的综合能源系统优化模型研究

李 兵，牛洪海，余 帆,陈 霈，娄清辉

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

综合能源系统将电、冷、热、气等多种能源有机耦合，通过梯级利用，提高能源利用效率。这已成为能源领域的发展趋势。多种能源相互耦合是综合能源系统区别于传统能源系统的重要标志，对系统的运行优化提出了新的挑战。相关学者开展了大量研究。文献[1]～文献[5]考虑系统设备特性、电热负荷及分布式电源的时序特征等问题，提出了多时间尺度滚动调度策略，建立了日前、日内、实时 3 个时间尺度的调度模型；部分学者进一步考虑热网惯性，基于传热学原理研究热网能量传输模型，建立了含有热网的综合能源系统混合整数线性规划优化模型[6-7],为综合能源系统的运行优化奠定了基础。

随着大型公建节能降耗进程的推进，越来越多的建筑采用多能互补形式构建能源系统。建筑能源消耗主要集中于暖通空调系统，占比高达60%。暖通空调系统的运行与控制模式对系统优化影响很大。但现有研究主要侧重于对能源供应系统的优化，综合考虑用户能源需求特性和热网传输特性，协同供给侧、传输侧和需求侧进行优化的研究非常少。因此，需要在现有研究的基础上，考虑暖通空调系统源、网、末端运行特性，构建一体化优化模型，从而进一步提高大型公建综合能源利用率。

1 面向大型建筑的综合能源系统模型

1.1 综合能源系统模型

大型公共建筑一般同时存在冷、热、电负荷需求。典型综合能源系统如图1所示。其中：电力主要来自电网；燃气三联供机组在发电的同时，通过溴化锂机组对烟气回收，并用于供热与制冷。冬季供热主要以市政热源为主，同时配置若干燃气锅炉作为补充；供冷系统中三联供机组、基载机组、双工况(制冷/)机组并联合与冰蓄冷装置串联运行，实现大温差供冷。

图1 典型综合能源系统框图

冰蓄冷、三联供等设备的设置，能在实现电力削峰填谷、提高能源利用率的同时，使系统运行方式复杂多样。在制冷工况下，系统可能存在基载机组单独供冷、冰蓄冷单独供冷、三联供与冰蓄冷同时供冷等6种运行模式。目前，系统的运行多为基于设备开关的顺序控制，采用单一策略，如三联供机组优先、冰蓄冷融冰优先或比例分配等，未能实现系统性优化。

1.2 设备能耗特性模型

现有优化研究中对于设备能耗模型的处理一般采用两种方式。一种为取固定值，另一种考虑设备变负荷运行时能效的变化。文献[8]分析了采用不同模型对优化结果的影响。结果表明,考虑能耗随负荷变化的方法,具有更好的优化效果。但与发电机组不同，冷、热负荷不是机组控制系统可直接接收的参数，需要转换为冷/热水流量、出水温度等可控参数。因此，本文在构建供冷、供热设备能耗模型时，建立能耗与可控参数之间的关系，以便准确反映影响设备性能的关键因素。同时，优化结果可下发给控制系统执行。

主要设备模型如下。

①燃气三联供机组。

内燃机发电量与燃气消耗的关系采用二次模型表示：

Gslg=f(Pslg)

(1)

式中：Gslg为三联机组气耗量，m3/h；Pslg为三联供机组发电功率，MW。

溴化锂机组利用内燃机的排烟余热制冷，制冷量与发电量之间的关系[9]，采用二次模型表示：

Qslg=f(Pslg)

(2)

式中：Qslg为三联供机组供热量，MW。

②双工况机组。

双工况机组分为蓄冰工况和制冷工况。在蓄冰工况下，蓄冰量与双工况机组耗电量采用二次模型表示：

Pxb=f(Qxb)

(3)

式中：Pxb为蓄冰输入功率，MW；Qxb为蓄冰量，MW。

冰蓄冷机组进行供冷时，其供冷量可表示为：

Qxb=(t1ds_xb_in-t1ds_xb_out)×q1ds_xb×c

(4)

式中：t1ds_xb_in、t1ds_xb_out分别为冰蓄冷机组冷冻水进、出水温度，℃；q1ds_xb为冰蓄冷机组冷冻水流量，m3/h；c为水的定压比热容，kJ/(kgK)。

双工况机组在制冷工况下，制冷量与耗电量可表示为：

(5)

式中：Psgk为双工况机组输入功率；Qsgk为双工况机组制冷功率；NCOP为双工况机组的制冷机组能效(coeficient of performance,COP)；t1ds_sgk_in、t1ds_sgk_out分别为双工况机组冷冻水进、出水温度，℃；q1ds_sgk为双工况机组冷冻水流量，m3/h。

制冷机组的实际性能影响因素可分为内部因素和外部因素。内部因素反映的是制冷机组的类型、制造水平、压缩机的匹配、制冷剂的种类等；外部因素则是指冷冻水温度和流量、冷却水温度和流量等影响蒸发温度和冷凝温度的因素。冷却水一般采用定流量方式运行。从运行优化角度，可以只考虑建立NCOP随冷冻水流量、出水温度的多元线性回归模型：

NCOP=f(t1ds_skg,q1ds_sgk)

(6)

③基载机组。

基载机组制冷量与耗电量可表示为：

(7)

同双工况机组，基载N′COP可表示为：

(8)

④燃气锅炉。

燃气锅炉供量与耗气量采用二次模型表示：

Gg1=f(Qg1)

(9)

式中：Ggl为燃气锅炉气耗量，m3/h；Qgl为锅炉供热量，MW。

⑤冷/热水泵。

在闭式系统中，为减少输配能耗，冷/热水系统一般采用变流量方式运行。当管网特性曲线不变且并联水泵同时变速时，水泵流量、功率与水泵转速满足相似工况定律。

2 综合能源系统优化调度模型

2.1 目标函数

建筑能源系统的优化与系统的运行控制方式密切相关，因此首先需要设定系统的运行控制方式。供热/供冷系统的运行调节一般分为质调与量调。本文考虑

两者的优势，采用分时段变流量调节方式，即供水温度随负荷优化调整，冷、热水流量跟踪负荷变化。以制冷季为例：以最低运行成本为目标，以1 h为1个调度时段，建立如下目标函数：

(10)

2.2 约束条件

①目前，大部分研究不考虑管网中冷热量输送时滞特性特性。建立能量平衡约束如下：

(11)

但与电力不同的是，冷/热水传输速度较为缓慢，入口处的温度变化缓慢地扩散到出口。因此，一部分热能将储存在管道中。另一方面，由于冷/热水与其周围环境温度的差异，流动期间将发生热损失，需要深入研究冷热管网的能量传输响应特性[10]。

管网能量传输模型如图2所示。

图2 管网能量传输模型

以图2所示的某段管道为例，其管网能量传输模型如下。

(12)

式中：cgd、ρlds分别为管道和冷冻水的比热容，kJ/(kgK)；ρgd、ρlds分别为管道和冷冻水的密度，kg/m3；αlds、αgd分别为冷冻水与管壁的对流换热系数及管壁与环境的对流换热系数，W/(mK)；Fgd1、Fgd2分别为管道的内、外壁截面积，m2；Sgd1、Sgd2分别为管道的内、外壁周长，m；tc为环境温度，℃；u为冷冻水流速，m3/h。

③此外，为保证机组运行安全，优化模型中还需考虑各机组允许调节负荷及参数上、下限约束。

3 模型仿真

以某大型建筑为例，采用上述模型进行优化，综合能源系统设备参数如表1所示。

表1 综合能源系统设备参数

上述优化模型为典型的混合整数非线性规划问题。其一般采用智能算法，但只能求得相对最优解或陷入局部最优，同时需要消耗大量的计算资源和较长的计算时间。因此，本文借鉴大电网分段线性化火电机组成本函数原理，采用分段线性化模型描述上述设备能耗模型，实现快速求解和在线应用[11]。

某典型负荷下优化调度结果如图3所示。

图3 优化调度结果

从图3可以看出，通过该模型可以对建筑能源系统进行合理优化。其在夜间蓄冷，在日间电价峰、平阶段优先使用冰蓄冷与三联供进行供冷，不足的部分由基载机组进行补充；夜间蓄冷量在日间合理释放，无需启动双工况机组供冷。该模型可对蓄冷量与释冷量进行合理规划，同时反映能源价格对优化结果的影响。

由于管网能量传输的滞后性，机组实时供冷量与负荷并非完全吻合。与此同时，冷冻水供水温度也得到了合理优化。在低负荷阶段，冷冻水流量相对较小，冷冻水出水温度提高带来的水泵增加的功耗小于制冷机组NCOP提高带来的收益，因此可以提高供水温度。在高负荷阶段，由于有冰蓄冷释冷，可降低供水温度，以便降低输配系统能耗。

4 结论

本文结合建筑能源系统热网传输及负荷需求特性，协同供给侧、传输侧和需求侧进行优化，研究了冷热管网能量传输机理及动态响应特性，建立了供冷、供热机组性能随可控运行参数的关联模型。在此基础上，结合暖通空调系统运行调控特性，设计了与建筑一体化的综合能源系统优化调度模型，并给出了在线求解方法。该方法可用于指导建筑综合能源系统的运行，以提高系统能源利用率。