建筑冷负荷对综合能源系统运行优化的影响

2022-11-04马添水高岩

科学技术与工程 2022年27期

马添水，高岩

(北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100037)

经济社会的发展伴随着能源消耗的增加，传统化石能源产生的环境污染和能源短缺问题日益凸显，因此开发新能源、提高可再生能源的利用效率和其消耗占比，已经成为重中之重[1]。为了解决中国当前经济与环境、能源的需求与短缺之间的矛盾，必须要通过综合协调多种能源系统的利用，并提高其综合利用效率[2]。近年来，随着分布式发电技术的发展、新型能源交易模式的试点应用，综合能源系统得到了广泛的应用和发展。园区型综合能源系统因其应用较广、体验直观，是综合能源系统中最具代表性的，园区除了要给用户提供基本电力供应和生活生产耗能，为园区提供供热、供冷所需还需大量能耗。因此，提升综合能源系统的运行优化效益，其关键在于，保证园区内用户的供电、建筑的供热、供冷等需求后，研究系统内多能源的耦合互补和梯级利用、供储能设备的运行优化调度，来提升园区供能的可靠性和可持续性，同时园区用能提升经济性[3]。

现有研究多根据“典型日”分析综合能源系统的日前优化模型[4]，魏文静[2]基于典型日的负荷需求曲线和光伏出力曲线，给出了园区综合能源系统的运行优化模型，并修正模型为混合整数线性模型；于波等[5]考虑可再生能源技术、节能技术和能源替代技术建立园区综合能源系统的运行优化模型；Xu等[6]建立了动态的天然气-电力混合系统模型；Awad等[7]建立了一种可依据可再生能源出力的波动，协调优化热电联供微电网的运行优化策略；臧宝志等[8]对多能源耦合的综合能源系统建立了以经济性为目标的优化模型，主要考虑了综合能源系统运行的环保性和可靠性。已有研究成果对园区的建筑冷热负荷需求考虑单一，仅考虑典型日的优化方案，没有考虑到建筑冷负荷变化对综合能源系统运行优化结果的影响。在空调期内选取太阳能辐射条件近似，但是最大逐时负荷不同的一组算例日，分析综合能源系统受建筑冷负荷变化，如何影响其运行优化方案。

首先，应用EnergyPlus能耗模拟软件，对园区的建筑冷负荷进行分析。考虑空调期电负荷、冷负荷的需求特性和典型设备的模型，以经济性为目标，建立电能、天然气、光能多能源耦合的综合能源系统的运行优化模型，对求解问题调用Cplex求解器进行求解。最后依据仿真结果，分析相同条件下园区综合能源系统运行优化受建筑冷负荷的影响。

1 园区建筑能耗模拟及负荷分析

1.1 园区建筑能耗模拟

园区内主要建筑为商业A、商业B、办公C三座大楼，应用EnergyPlus模拟软件，进行负荷模拟计算并分析其数值模拟结果[9]。

该园区建筑基本参数如表1所示。通过 Sketch UP 软件对园区内建筑建立几何模型，以商业A建筑为例，该建筑的几何模型如图1所示。

表1 园区建筑基本参数Table 1 Basic building parameters of the park

图1 商业建筑A几何模型Fig.1 Geometric model of commercial building A

1.2 园区冷负荷分析

使用EnergyPlus负荷模拟软件[10]对园区全年的冷热负荷进行模拟，空调期最大逐时负荷的结果见表2。依据日最大逐时负荷对空调期(5月15日—9月14日)进行分组频数统计，结果见图2。空调期逐时冷负荷见图3。

表2 园区建筑最大逐时负荷Table 2 Maximum hourly load of buildings in the park

图2 空调期日最大逐时负荷频数分布Fig.2 Frequency distribution of daily maximum hourly load in air conditioning period

图3 空调期逐时冷负荷Fig.3 Hourly cooling load in air conditioning period

由图2、图3可知，日逐时负荷分布范围较广且具有较大波动，园区日最大逐时负荷主要分布在园区最大负荷的75%～25%。因此，只考虑典型日的能耗进行综合能源系统运行优化方案是不全面的，应思考建筑冷负荷对园区综合能源系统运行优化的影响。

2 综合能源系统运行优化模型

所选取北京某园区的综合能源系统主要包括光伏发电系统、冷热电联产系统(combined cooling heating and power，CCHP)、双工况主机制冷机组、蓄冰系统等设备，系统能量流如图4所示。工作原理：冷负荷需求由蓄冰系统放冷、联产系统利用发电余热通过吸收式制冷机组供冷、双工况主机供冷联合提供；电负荷需求由光伏发电、联产系统发电联合提供，若无法满足用户电力需求，则由城市电网补充。运行策略为以热定电，在满足园区建筑冷负荷的前提下，优先使用光伏发电量，同时使用联产系统发电量，不足电量由电网补充。应用优化算法，得到运行期间经济性最优的各类能源供给和储存设备24点调度计划方案[9]。

图4 综合能源系统能量流图Fig.4 Energy flow diagram of integrated energy system

2.1 运行优化的目标函数

以运行经济性最优建立综合能源系统的运行优化模型，运行经济性最优即为系统运行期间的运行成本最小。主要运行成本包括：购入的电费和天然气费，还需计及通过政策补贴可再生能源发电的收益。

空调季以经济性最优准则为目标函数，即

(1)

2.2 运行模式约束

综合能源系统在空调期，需要在满足园区内电负荷和冷负荷需求的条件下，对系统的运行方案进行优化。本文系统中供储能设备主要包括: CCHP、双工况主机制冷系统、冰蓄冷系统。

(1)电负荷平衡约束。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(2)冷负荷平衡约束。

(7)

(3)供冷水泵流量约束。

(8)

式(8)中：FLBR-W为联产系统冷冻水泵额定流量；FICE-S为蓄冷系统冷冻水泵额定流量；FICE为主机制冷冷冻水泵额定流量。

(4)溴化锂机组承担制冷负荷分配约束。

(9)

(5)溴化锂机组最小、最大运行容量约束。

(10)

(6)双工况主机承担制冷负荷分配约束。

(11)

(7)双工况主机承担制冰任务分配约束。

(12)

(8)双工况主机最小、最大运行容量约束。

(13)

(14)

(9)双工况主机运行模式约束。

(15)

(10)蓄冰槽最大融冰功率约束。

(16)

(17)

(18)

式中：εC-S为蓄冰槽自放冷功率；H为蓄冰槽t时刻蓄冰总容量。

空调期优化变量为

(19)

3 综合能源系统优化调度算法

针对本文建立的多能源耦合综合能源系统的优化模型，在MATLAB软件中利用Yalmip工具箱建模和编程[10]。利用Yalmip能够求解很多的优化模型, 例如正项几何规划、混合整数规划、双线性矩阵不等式、二阶锥规划以及多参数的线性规划和二次规划等。Yalmip可以使用MATLAB的计算能力,也可以调用MATLAB软件自带或者其他同语言编写的工具箱, 而且还能结合应用多个求解器 (比如Cplex)。无论采用的是否使用MATLAB程序语言编写，Yalmip都能集成[11]。本文调用Cplex求解器对问题进行求解。

4 算例仿真分析

4.1 算例仿真条件

研究对象为北京市某园区，其中空调期的能源需求包括供冷、供电，综合能源系统的电源包括市电、CCPH发电和光伏发电，系统中各供储能设备的基本参数如表3所示。

表3 供储能设备基本参数Table 3 Basic parameters of energy supply and storage equipment

在负荷分布频数的主要区间中选取日逐时最大负荷分别为70%、50%、30%的3组日期，每组分别选取光伏出力近似且为工作日的1 d，共选择3个日期作为算例，分析不同负荷条件下对综合能源系统运行优化影响。算例日的光伏出力和逐时负荷曲线如图5所示。

图5 算例日期的光伏出力和逐时负荷曲线Fig.5 Photovoltaic output and hourly cooling load curve on the calculation examples

4.2 算例仿真结果

以经济性为目标函数，计算算例日负荷条件下，综合能源系统的运行优化方案，结果如图6所示。

图6 算例日1～3综合能源系统运行方案Fig.6 Calculation examples 1～3 operation schemes of integrated energy system

对以上算例的优化结果进行验证，优化结果符合运行模式约束。优化后的综合能源系统运行方案，在电价峰段不用电网供电，提高了运行经济性。

4.3 结果分析

对不同负荷条件下综合能源系统的运行优化方案具有一定的统一性：①满足综合能源系统需提供的冷负荷，总供冷量和该时刻园区建筑冷负荷相等。②符合经济性效益，综合能源系统在电价高峰段和负荷需求量较大的时段使用率较高。③冰蓄冷系统进行蓄冷模式运行，应当兼顾太阳能和联产系统的发电余量，以及峰谷电价差带来的经济性效益；保持制冷机组在满负荷工作状态运行，以及制冷机组连续性工作，避免制冷机组发生频繁的启停情况。④冰蓄冷系统在放冷期间，应避免过早耗尽冷量，导致在冷负荷高峰期间供冷不足；应避免供冷时间结束后，冰槽内仍有余冰，降低冰蓄冷系统的使用效果。

不同负荷条件下的综合能源系统运行优化方案具有差异性，主要表现在系统受冷负荷需求不同的影响，各供储能设备运行模式(负荷率)不同，综合能源系统储能和联产设备的出力情况如图7所示。根据图7可知，建筑冷负荷对综合能源系统运行优化方案的影响如下。

图7 综合能源系统储能和联产设备的出力情况Fig.7 Output of energy storage equipment and CCHP of integrated energy system

(1)冰蓄冷系统蓄冷运行方案受日负荷总量影响，在日负荷较大的情况下冰蓄冷系统蓄冷量大，在谷电价时间段(23:00—7：00)夜间蓄满冷量，白天在光伏发电充裕且电价平段(16:00—18:00)可能进行日间蓄冷来满足晚间峰电价(18:00—21:00)的部分供冷负荷需求；在日负荷较小的情况下冰蓄冷系统蓄冷量小，夜间蓄冷不需要蓄满冷量且不需要日间蓄冷。

(2)冰蓄冷系统放冷运行方案受不同建筑冷负荷的影响，在冷负荷较大的情况下，放冷在冰槽有剩余冷量的情况下持续运行，且放冷运行负荷率较大(如日期1大部分时刻，放冷运行负荷率50%以上)；在冷负荷较小的情况下，放冷在多个时间段为综合能源系统提供了大部分的供冷量(如日期3大部分时刻，放冷量占总冷量80%以上)，放冷运行时其他供能设备负荷率小；同时放冷模式运行方案受日负荷总量的影响，在日负荷较大的情况下冰槽剩余冷量不足，放冷模式在晚间峰电价(18:00—21:00)不能持续运行(如日期1)，在日负荷较小的情况下可以持续运行(如日期2、日期3)。

(3)联产系统运行方案受不同建筑冷负荷的影响较小，联产系统供冷量占总冷量比重的变化趋势在不同负荷条件下有相似性。其差异在于，联产系统供冷比重在冷负荷较小的情况下更高，联产系统运行时其他供能设备运行负荷率较小；在冷负荷较大的情况下，其他供能设备运行负荷率较大。

在日最大逐时负荷频数分布的主要区间内，选取了3个算例日研究建筑冷负荷对综合能源系统运行优化的影响，仿真结果表明不同冷负荷条件下的运行优化方案有较大差异性，通过对仿真结果的分析得到了冷负荷对运行优化影响的规律。