基于线性规划模型的城区综合能源规划方法研究

查翔

摘要：随着我国城镇化的快速发展，能源利用形态发生了很大变化.城区内能源需求量巨大与资源环境容量有限之间的矛盾日益突出，传统的能源供应形式将逐渐成为制约城区发展的重要因素。为了解决上述问题，本文梳理了城区能源系统的构成及能源供给、转换、消费的相互关系，提出了以优化能源结构为导向的城区综合能源规划方法，建立了综合衡量节能性和经济性的多目标线性规划问题数学模型。

关键词：综合能源规划;线性规划方法;能源结构优化

1.前言

区域综合能源系统规划是国内外研究热点，是提升能源利用率、优化区域能源运行、降低成本的有效方式[1]。我国已作出2030年温室气体排放将达到顶峰的承诺，国家将实行更严格的能耗总量控制和排污量控制措施，因此，在能耗总量的控制上存在巨大压力，需要采取有效的手段解决城市能源问题。

城区综合能源规划作为建筑节能管理的重要环节，对于从城市层面解决能源问题具有十分重要的意义[2]。编制经过多年的探索，城区综合能源规划取得了一定的成果，其规划意义和规划原则已经被越来越多的专家学者所肯定。但是，在规划编制过程中还有一些亟待解决的实际问题：

（1）.在规划方案制定过程中，一味的追求城区节能减排效益，过多的考虑清洁能源或可再生生能源应用，忽略了这些节能新技术较高的固定成本带来的整体经济效益的下降，这种以节能减排目标为导向的规划方法，导致规划在实施过程中，提出的节能指标过高，往往难以被大众所接受，使得预期的规划方案难以落地。

（2）.将微尺度的区域能源规划思路照搬到城区范围的能源规划中。由于作为规划对象的城区具有地域广、地块数量多、建筑功能复杂、可利用能源形势多样等特点，各地块之间的能源系统相互独立，这就使得城区内的能源系统方案可以有非常多的排列组合，难以采用传统的提出方案-分析方案-确定最优方案的解决途径。

2.能源规划方法现状研究

罗艳玲等[3]建立了基于分布式能源的工业园区综合能源规划模型，以最小化规划期内整个园区系统的总费用最少为目标，确定出园区内能源转换装置的类型和尺寸、各种能源的供应量及 CO2排放量。东南大学电气工程学院王珺[4]等提出一种结合热网的多区域综合能源系统协同规划模型，对多能流与负荷间耦合方式建立整数线性规划模型，并进行案例验证，结果表明为区域进行综合能源规划系统定制化设计，能够实现多区域的综合能源供需配比，提升各类能源的综合利用率，经济性显著提升。

Shimazaki等[5]提出了以燃料费用、设备投资费用和能源传输费用最小化为目标函数的工业园区能源规划线性规划模型，该模型综合考虑了电、蒸汽、冷、热的需求。Dicorato 等[6]综合考虑了分布式能源的热电联产装置，通过建立区域能源规划的线性规划模型，评估分布式发电技术对整体能源系统的贡献量。Mavrotas 等[7]通过对负荷需求侧不确定情况的分析，建立了建筑能源规划的MILP模型，该模型侧重考虑分布式热电联产技术，并将该模型运用到雅典某医院的能源规划中，验证了该模型的可靠性。Song等[8]以工业园区的废热网络为基础，通过建立以总能源费用最少为目标的MILP模型，成功的对南韩丽水国际工业园废热网络进行了规划。

针对能源规划的数学规划方法多用于微观层面的区域能源规划，且多偏重于经济性或节能性单方面的分析，在城区层面上的研究仍处于空白状态，同时，没有同时考虑经济性和节能性对城区能源方案实施的影響。

因此，本文以城区层面的能源供应系统为研究对象，在保障各项负荷需求的前提下，综合考虑城区内能源系统运行费用和CO2排放目标对城区能源供应方案的影响，通过多目标规划法确立目标函数。由于能源系统运行费用和CO2排放量无法直接比较，因而先将两变量进行无量纲化处理，然后找出其内在联系，同时，针对各地区经济发展和节能目标的实际情况，引入权重优化函数的概念，通过设置的权重系数综合考虑城区综合能源规划建设中的经济和环境综合效益均衡问题。

3.城区综合能源规划方法构建

3.1城区能源系统构成

常规专项规划一般是将供热、燃气、电力分开考虑的，而实际上各能源基础设施之间存在很多关联性[3]。例如，对于供热而言，燃气供暖的耗能特性会影响燃气输配系统，热电联产供热的规模对电网有一定的影响，天然气分布式发电会影响到燃气、供热和电力输配系统。

将系统工程方法论应用于城区综合能源规划中，实现供热、燃气、电力等各能源基础设施之间的协调，优化资源配置。借助综合能源规划框图，直观体现城区能源系统的构成及相互关系，如图1所示，涵盖供应侧、能源转换侧、需求侧三个层面。

供应侧包括城区内能量的来源，包括市政电力，市政蒸汽，燃气，太阳能，地热能，江（河）水，污水，风能，生物质能等方面。各种能源的供应量不可能是无限的，因此，需要在规划初期对各种能源的最大供应量做出评估。

转换侧为各种节能技术，包括燃气冷热电三联供，太阳能光伏，太阳能光热，地源热泵，水源热泵，风力发电，生物质能发电等。不同的能源转换形式带来的能源效果是不同的，因此，需要合理选择能源技术，实现能源效率的提升。

需求侧为城区生活所需的能源，包括建筑电负荷，市政照明负荷，供热负荷，制冷负荷，生活热水负荷。负荷的评估应该摒弃原有的指标估算方法，通过基于数据挖掘的城区建筑负荷预测方法开展研究[4]。

3.2城区综合能源规划方法

针对目前城区综合能源规划存在的问题，为保障能源规划方案的实施，本文提出了以优化能源结构为导向的城区综合能源规划方法，即从综合衡量城区内的能源供应情况的角度出发，通过合理预测城区内的需求负荷，比较各种能源利用方式的节能性和经济性，建立以优化能源结构为导向的能源规划策略，从而得到最优条件下城区内各种能源的供应量，构建合理的指标体系，有效的指导各地块能源方案的制定。

4.數学模型的建立

4.1问题描述

城区能量系统优化可以表述为：在城区区内有I个地块，给定城区整体用电、城市照明、热、冷、热水等负荷的需求数据，从可以利用的J种资源出发，对能源供给—转换—消费的全过程进行系统分析和统筹规划。规划的目标是在满足城区各种负荷需求的前提下，整个城区能源系统的综合指标系数最少。假定：①各种能源设备的投资增量费用与能源供给量是线性化的关系，能源设备的运行和维护费用与能源供给量呈线性化关系;②设备的效率都是给定的常量，设备的寿命以 20 年计。

4.2优化数学模型

设定计算周期为1年，以能源总费用和CO2总排放量分别无量纲化后的数值相加作为目标函数。

上述优化模型为多目标优化线性规划问题数学模型，通过求解可得到最佳的各能源供应量组合。

5.结论

本文综合考虑城区内能源系统运行费用和CO2排放目标对城区能源供应方案的影响，建立了综合衡量节能性和经济性的多目标优化线性规划问题数学模型。

（1）.城区层面的能源供应系统是复杂的，需要改变传统的能源规划思维，优先确定最优化的能源供应结构，然后针对不同功能的地块分别进行规划，从而得出最优化的能源供应方案。

（2）.经济性和节能性是能源规划实施的两大制约因素，在规划方法中，需要进行综合考虑，本文提出的多目标优化线性规划问题数学模型，为确定城区的能源结构提供有效的解决方法，为指导城区综合能源规划的编制、保障能源规划方案的落实提供了实施途径。

参考文献

[1]付林，郑忠海，江亿，等.综合能源规划系统国内外研究现状与展望[J].科技创新与应用.2021（2）：99-10.

[2]龙惟定.建筑节能管理的重要环节——城区建筑能源规划[J].暖通空调.2008（03）：31-38.

[3]罗艳玲，鄢烈祥，卢海，等.基于分布式能源的工业园区能源规划[J].化工进展.2013（02）：308-312.

[4]王珺，顾伟，陆帅，等.结合热望模型的多区域综合能源系统协同规划[J].电力系统自动化，2016，40（15）：17-24.

[5]Shimazaki.Model analysis of energy network system in zero emission industrial[J].JSME International Journal，2006，49（1）：84-91.

[6]Dicorato M，Forte G，Trovato M.Environmental-constrained energy planning using energy-efficiency and distributed-generation facilities [J].Renewable Energy，2008，33：1297-1313.

[7]Mavrotas George，Diakoulaki Danae，Florios Kostas，et al.A mathematical programming framework for energy planning in services’sector buildings under uncertainty in load demand：The case of a hospital in Athens[J].Energy Policy，2008，36：2415-29.

[8]Sh C，Sh K，Sg Y，et al.Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park[J].Applied Energy，2010，87（06）： 1978-1988.