與建筑一體化的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型研究

李 兵，牛洪海，余 帆,陳 霈，婁清輝

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

綜合能源系統(tǒng)將電、冷、熱、氣等多種能源有機(jī)耦合，通過梯級利用，提高能源利用效率。這已成為能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。多種能源相互耦合是綜合能源系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的重要標(biāo)志，對系統(tǒng)的運行優(yōu)化提出了新的挑戰(zhàn)。相關(guān)學(xué)者開展了大量研究。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[5]考慮系統(tǒng)設(shè)備特性、電熱負(fù)荷及分布式電源的時序特征等問題，提出了多時間尺度滾動調(diào)度策略，建立了日前、日內(nèi)、實時 3 個時間尺度的調(diào)度模型；部分學(xué)者進(jìn)一步考慮熱網(wǎng)慣性，基于傳熱學(xué)原理研究熱網(wǎng)能量傳輸模型，建立了含有熱網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化模型[6-7],為綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

隨著大型公建節(jié)能降耗進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的建筑采用多能互補(bǔ)形式構(gòu)建能源系統(tǒng)。建筑能源消耗主要集中于暖通空調(diào)系統(tǒng)，占比高達(dá)60%。暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行與控制模式對系統(tǒng)優(yōu)化影響很大。但現(xiàn)有研究主要側(cè)重于對能源供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化，綜合考慮用戶能源需求特性和熱網(wǎng)傳輸特性，協(xié)同供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行優(yōu)化的研究非常少。因此，需要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，考慮暖通空調(diào)系統(tǒng)源、網(wǎng)、末端運行特性，構(gòu)建一體化優(yōu)化模型，從而進(jìn)一步提高大型公建綜合能源利用率。

1 面向大型建筑的綜合能源系統(tǒng)模型

1.1 綜合能源系統(tǒng)模型

大型公共建筑一般同時存在冷、熱、電負(fù)荷需求。典型綜合能源系統(tǒng)如圖1所示。其中：電力主要來自電網(wǎng)；燃?xì)馊?lián)供機(jī)組在發(fā)電的同時，通過溴化鋰機(jī)組對煙氣回收，并用于供熱與制冷。冬季供熱主要以市政熱源為主，同時配置若干燃?xì)忮仩t作為補(bǔ)充；供冷系統(tǒng)中三聯(lián)供機(jī)組、基載機(jī)組、雙工況(制冷/)機(jī)組并聯(lián)合與冰蓄冷裝置串聯(lián)運行，實現(xiàn)大溫差供冷。

圖1 典型綜合能源系統(tǒng)框圖

冰蓄冷、三聯(lián)供等設(shè)備的設(shè)置，能在實現(xiàn)電力削峰填谷、提高能源利用率的同時，使系統(tǒng)運行方式復(fù)雜多樣。在制冷工況下，系統(tǒng)可能存在基載機(jī)組單獨供冷、冰蓄冷單獨供冷、三聯(lián)供與冰蓄冷同時供冷等6種運行模式。目前，系統(tǒng)的運行多為基于設(shè)備開關(guān)的順序控制，采用單一策略，如三聯(lián)供機(jī)組優(yōu)先、冰蓄冷融冰優(yōu)先或比例分配等，未能實現(xiàn)系統(tǒng)性優(yōu)化。

1.2 設(shè)備能耗特性模型

現(xiàn)有優(yōu)化研究中對于設(shè)備能耗模型的處理一般采用兩種方式。一種為取固定值，另一種考慮設(shè)備變負(fù)荷運行時能效的變化。文獻(xiàn)[8]分析了采用不同模型對優(yōu)化結(jié)果的影響。結(jié)果表明,考慮能耗隨負(fù)荷變化的方法,具有更好的優(yōu)化效果。但與發(fā)電機(jī)組不同，冷、熱負(fù)荷不是機(jī)組控制系統(tǒng)可直接接收的參數(shù)，需要轉(zhuǎn)換為冷/熱水流量、出水溫度等可控參數(shù)。因此，本文在構(gòu)建供冷、供熱設(shè)備能耗模型時，建立能耗與可控參數(shù)之間的關(guān)系，以便準(zhǔn)確反映影響設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。同時，優(yōu)化結(jié)果可下發(fā)給控制系統(tǒng)執(zhí)行。

主要設(shè)備模型如下。

①燃?xì)馊?lián)供機(jī)組。

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量與燃?xì)庀牡年P(guān)系采用二次模型表示：

Gslg=f(Pslg)

(1)

式中：Gslg為三聯(lián)機(jī)組氣耗量，m3/h；Pslg為三聯(lián)供機(jī)組發(fā)電功率，MW。

溴化鋰機(jī)組利用內(nèi)燃機(jī)的排煙余熱制冷，制冷量與發(fā)電量之間的關(guān)系[9]，采用二次模型表示：

Qslg=f(Pslg)

(2)

式中：Qslg為三聯(lián)供機(jī)組供熱量，MW。

②雙工況機(jī)組。

雙工況機(jī)組分為蓄冰工況和制冷工況。在蓄冰工況下，蓄冰量與雙工況機(jī)組耗電量采用二次模型表示：

Pxb=f(Qxb)

(3)

式中：Pxb為蓄冰輸入功率，MW；Qxb為蓄冰量，MW。

冰蓄冷機(jī)組進(jìn)行供冷時，其供冷量可表示為：

Qxb=(t1ds_xb_in-t1ds_xb_out)×q1ds_xb×c

(4)

式中：t1ds_xb_in、t1ds_xb_out分別為冰蓄冷機(jī)組冷凍水進(jìn)、出水溫度，℃；q1ds_xb為冰蓄冷機(jī)組冷凍水流量，m3/h；c為水的定壓比熱容，kJ/(kgK)。

雙工況機(jī)組在制冷工況下，制冷量與耗電量可表示為：

(5)

式中：Psgk為雙工況機(jī)組輸入功率；Qsgk為雙工況機(jī)組制冷功率；NCOP為雙工況機(jī)組的制冷機(jī)組能效(coeficient of performance,COP)；t1ds_sgk_in、t1ds_sgk_out分別為雙工況機(jī)組冷凍水進(jìn)、出水溫度，℃；q1ds_sgk為雙工況機(jī)組冷凍水流量，m3/h。

制冷機(jī)組的實際性能影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素反映的是制冷機(jī)組的類型、制造水平、壓縮機(jī)的匹配、制冷劑的種類等；外部因素則是指冷凍水溫度和流量、冷卻水溫度和流量等影響蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的因素。冷卻水一般采用定流量方式運行。從運行優(yōu)化角度，可以只考慮建立NCOP隨冷凍水流量、出水溫度的多元線性回歸模型：

NCOP=f(t1ds_skg,q1ds_sgk)

(6)

③基載機(jī)組。

基載機(jī)組制冷量與耗電量可表示為：

(7)

同雙工況機(jī)組，基載N′COP可表示為：

(8)

④燃?xì)忮仩t。

燃?xì)忮仩t供量與耗氣量采用二次模型表示：

Gg1=f(Qg1)

(9)

式中：Ggl為燃?xì)忮仩t氣耗量，m3/h；Qgl為鍋爐供熱量，MW。

⑤冷/熱水泵。

在閉式系統(tǒng)中，為減少輸配能耗，冷/熱水系統(tǒng)一般采用變流量方式運行。當(dāng)管網(wǎng)特性曲線不變且并聯(lián)水泵同時變速時，水泵流量、功率與水泵轉(zhuǎn)速滿足相似工況定律。

2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化與系統(tǒng)的運行控制方式密切相關(guān)，因此首先需要設(shè)定系統(tǒng)的運行控制方式。供熱/供冷系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)一般分為質(zhì)調(diào)與量調(diào)。本文考慮

兩者的優(yōu)勢，采用分時段變流量調(diào)節(jié)方式，即供水溫度隨負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整，冷、熱水流量跟蹤負(fù)荷變化。以制冷季為例：以最低運行成本為目標(biāo)，以1 h為1個調(diào)度時段，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

(10)

2.2 約束條件

①目前，大部分研究不考慮管網(wǎng)中冷熱量輸送時滯特性特性。建立能量平衡約束如下：

(11)

但與電力不同的是，冷/熱水傳輸速度較為緩慢，入口處的溫度變化緩慢地擴(kuò)散到出口。因此，一部分熱能將儲存在管道中。另一方面，由于冷/熱水與其周圍環(huán)境溫度的差異，流動期間將發(fā)生熱損失，需要深入研究冷熱管網(wǎng)的能量傳輸響應(yīng)特性[10]。

管網(wǎng)能量傳輸模型如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)能量傳輸模型

以圖2所示的某段管道為例，其管網(wǎng)能量傳輸模型如下。

(12)

式中：cgd、ρlds分別為管道和冷凍水的比熱容，kJ/(kgK)；ρgd、ρlds分別為管道和冷凍水的密度，kg/m3；αlds、αgd分別為冷凍水與管壁的對流換熱系數(shù)及管壁與環(huán)境的對流換熱系數(shù)，W/(mK)；Fgd1、Fgd2分別為管道的內(nèi)、外壁截面積，m2；Sgd1、Sgd2分別為管道的內(nèi)、外壁周長，m；tc為環(huán)境溫度，℃；u為冷凍水流速，m3/h。

③此外，為保證機(jī)組運行安全，優(yōu)化模型中還需考慮各機(jī)組允許調(diào)節(jié)負(fù)荷及參數(shù)上、下限約束。

3 模型仿真

以某大型建筑為例，采用上述模型進(jìn)行優(yōu)化，綜合能源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

上述優(yōu)化模型為典型的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。其一般采用智能算法，但只能求得相對最優(yōu)解或陷入局部最優(yōu)，同時需要消耗大量的計算資源和較長的計算時間。因此，本文借鑒大電網(wǎng)分段線性化火電機(jī)組成本函數(shù)原理，采用分段線性化模型描述上述設(shè)備能耗模型，實現(xiàn)快速求解和在線應(yīng)用[11]。

某典型負(fù)荷下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

從圖3可以看出，通過該模型可以對建筑能源系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化。其在夜間蓄冷，在日間電價峰、平階段優(yōu)先使用冰蓄冷與三聯(lián)供進(jìn)行供冷，不足的部分由基載機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充；夜間蓄冷量在日間合理釋放，無需啟動雙工況機(jī)組供冷。該模型可對蓄冷量與釋冷量進(jìn)行合理規(guī)劃，同時反映能源價格對優(yōu)化結(jié)果的影響。

由于管網(wǎng)能量傳輸?shù)臏笮裕瑱C(jī)組實時供冷量與負(fù)荷并非完全吻合。與此同時，冷凍水供水溫度也得到了合理優(yōu)化。在低負(fù)荷階段，冷凍水流量相對較小，冷凍水出水溫度提高帶來的水泵增加的功耗小于制冷機(jī)組NCOP提高帶來的收益，因此可以提高供水溫度。在高負(fù)荷階段，由于有冰蓄冷釋冷，可降低供水溫度，以便降低輸配系統(tǒng)能耗。

4 結(jié)論

本文結(jié)合建筑能源系統(tǒng)熱網(wǎng)傳輸及負(fù)荷需求特性，協(xié)同供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行優(yōu)化，研究了冷熱管網(wǎng)能量傳輸機(jī)理及動態(tài)響應(yīng)特性，建立了供冷、供熱機(jī)組性能隨可控運行參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合暖通空調(diào)系統(tǒng)運行調(diào)控特性，設(shè)計了與建筑一體化的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并給出了在線求解方法。該方法可用于指導(dǎo)建筑綜合能源系統(tǒng)的運行，以提高系統(tǒng)能源利用率。