近零能耗建筑低碳能源系統(tǒng)的設(shè)計及其設(shè)備容量優(yōu)化

摘要： 為了使作為建筑碳排放主要來源的建筑能源系統(tǒng)向低碳化發(fā)展，實現(xiàn)“雙碳”目標，以河北省某典型近零能耗建筑為例，設(shè)計近零能耗建筑低碳能源系統(tǒng)，從冷、 熱、 電供應(yīng)的角度建立該系統(tǒng)的運行策略，并分析該系統(tǒng)的設(shè)備工作原理； 以年度總成本、 年度碳排放量和電網(wǎng)交互總電量為單目標設(shè)備容量，建立設(shè)備容量優(yōu)化的單目標和多目標函數(shù)； 綜合考慮該系統(tǒng)的經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性，采用優(yōu)化工具Genopt中的Hooke-Jeeves算法優(yōu)化設(shè)備容量； 分析該系統(tǒng)的建筑負荷和電價的敏感性，并利用Trnsys軟件模擬該系統(tǒng)的運行工況。結(jié)果表明： 該系統(tǒng)設(shè)備容量優(yōu)化的多目標函數(shù)解集無法使3個單目標設(shè)備容量同時最優(yōu)，只能尋求多目標綜合性能最優(yōu)； 該系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備容量方案是太陽能光伏板個數(shù)為81， 太陽能集熱器鋪設(shè)面積為10 m2， 空氣源熱泵的額定功率為2.78 kW， 蓄電池容量為4.1 kW·h， 保溫水箱容積為3 m3； 相較于傳統(tǒng)的近零能耗建筑能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性和獨立性，年度碳減排率達到77.76%，電網(wǎng)交互減少率達到67.23%； 在無蓄電的情況下，該系統(tǒng)的綜合性能指標增大6.63%，綜合性能仍優(yōu)于傳統(tǒng)的近零能耗建筑能源系統(tǒng)的； 相對于下網(wǎng)模式，該系統(tǒng)在上網(wǎng)模式下的電網(wǎng)交互總電量略大； 通過單目標設(shè)備容量優(yōu)化，該系統(tǒng)以年度總成本為優(yōu)化目標時的年度碳排放量在3個單目標設(shè)備容量中達到最大值6 161 kg，以年度碳排放量為優(yōu)化目標時的年度總成本、 電網(wǎng)交互總電量分別達到最大值29 359元、 33 447 kW·h； 相對于電價波動，該系統(tǒng)的建筑負荷對綜合性能指標的影響較大； 該系統(tǒng)在夏季和過渡季電網(wǎng)用電量為0，基本達到自給自足。

關(guān)鍵詞： 近零能耗建筑； 低碳能源系統(tǒng)； 多目標設(shè)備容量優(yōu)化； 可再生能源

文章編號：1671-3559（2025）02-0252-11

中圖分類號： TU83

文獻標志碼： A

Design and Equipment Capacity Optimization of Low Carbon Energy System for Near-zero Energy Buildings

SU Jizhi1， KANG Xi2， XING Lin1， TIAN Huanqing2， BAI Jiahui2， LYU Yanjie3

（1. Economic and Technological Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050000， Hebei， China;

2. Hebei Building Research Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， Hebei， China;

3. China Academy of Building Research， Beijing 100013， China）

Abstract： To make building energy systems， as main sources of building carbon emission， develop to low carbon and achieve the goal of “dual carbon”， taking a typical near-zero energy building in Hebei Province as an example， a kind of low carbon energy system for near-zero energy buildings was designed." Operation strategies of the system were established from the perspective of cold， heat， and electricity supply， and equipment working principle of the system was analyzed. Taking annual total cost， annual carbon emission amount， and total power grid interaction energy as single-objective equipment capacities， single-objective functions and a multi-objective function of equipment capacity optimization were established.Consideringeconomy，environmentalfriendliness，andindependenceofthesystem comprehensively， Hooke-Jeeves algorithm in optimization tool Genopt was used to optimize the equipment capacities. Sensitivity of building load and electricity price of the system was analyzed， and operating conditions of the system were simulated by using Trnsys software. The results show that themulti-objectivefunctionsolutionsetforoptimizingtheequipmentcapacitiesofthesystem cannot make the three single-objective equipment capacities be optimal at the same time， thus only optimal multi-objective comprehensive performance can be sought. The optimal equipment capacity scheme of the system is solar photovoltaic panel number of 81， solar collector laying area of 10 m2， air source heat pump rated power of 2.78 kW， storage battery capacity of 4.1 kW·h， and insulation water tank volume of 3 m3. Compared with the traditional energy system for near-zero energy buildings， the system has good environmental friendliness and independence， with the annual carbon emission reduction rate of 77.76% and the power grid interaction reduction rate of 67.23%. In the case of no power storage， the comprehensive performance index increases by 6.63%， and the comprehensive performance is still better than that of the traditional energy system for near-zero energy buildings. Compared with off-grid mode， the total power grid interaction energy of the system in on-grid mode is slightly larger. Through optimization of single-objective equipment capacities， the annual carbon emission amount of the system with the annual total cost as the optimization objective reaches the maximum of 6 161 kg among the three single-objective equipment capacities. With the annual carbon emission amount as the optimization objective， the annual total cost and the total power grid interaction energy respectively reach the maximum values of 29 359 yuan and 33 447 kW·h. Compared with fluctuation of the electricity price， the building load of the system has a great influence on the comprehensive performance index. The system is essentially self-sufficient with grid electricity consumption of 0 during summer and transition seasons.

Keywords： near-zero energy building; low carbon energy system; multi-objective equipment capacity optimization; renewable energy

我國建筑全過程中碳排放量由2005年的2.23×109 t上升到2020年的5.08×109 t，碳排放量增大2.3倍， 年復(fù)合增長率為5.6%^［1］。在“雙碳”目標的背景下，低碳可持續(xù)發(fā)展已成為建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。建筑能源系統(tǒng)是滿足建筑日常運行、 營造舒適的室內(nèi)環(huán)境和保障用能設(shè)備正常運行的建筑基本組成，同時也是建筑運行階段碳排放的主要來源。近零能耗建筑是能源系統(tǒng)低碳設(shè)計研究的前提，因此近零能耗建筑能源系統(tǒng)的低碳設(shè)計對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對近零能耗建筑能源系統(tǒng)開展了設(shè)計和研究。Sameti等^［2］基于近零能耗住宅建筑，綜合考慮能效和成本優(yōu)化，設(shè)計了太陽能集熱器和光伏組件的數(shù)量，結(jié)果表明，安裝光伏和熱電聯(lián)產(chǎn)可使碳排放量減少5%且成本降低9%。Doubleday等^［3］針對近零能耗區(qū)域設(shè)計集成建筑能源模型和電力系統(tǒng)建模框架，并提出一種新的區(qū)域能耗控制方案，指出建立近零能耗社區(qū)可以考慮不同性能的可再生能源，實現(xiàn)能源共享。劉志堅等^［4］以國內(nèi)某近零能耗社區(qū)為例，提出結(jié)合儲電與儲熱的分布式能源系統(tǒng)，綜合考慮經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性優(yōu)化該系統(tǒng)的設(shè)備容量，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以大幅減少碳排放量和電網(wǎng)交互總電量。Liu等^［5］將光伏技術(shù)、混合動力儲能、 電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）技術(shù)、電動汽車與分布式能源系統(tǒng)（distributed energy system，DES）相結(jié)合，以年凈能源進口量和年成本為目標，采用同時考慮DES最優(yōu)設(shè)備容量和運行策略的兩階段協(xié)同優(yōu)化方法優(yōu)化DES，優(yōu)化后的DES將用于向近零能耗社區(qū)提供能源。

針對近零能耗建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化和運行，研究者從優(yōu)化方法、 優(yōu)化目標、 系統(tǒng)搭建和運行策略等方面展開了探討。王智等^［6］將粒子群優(yōu)化算法與線性規(guī)劃相結(jié)合，采用兩階段優(yōu)化方法計算能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備容量和運行策略，分析蓄能裝置和能源價格對系統(tǒng)經(jīng)濟性能的影響，結(jié)果表明，蓄能裝置可以起到削峰填谷的作用，相對于電價，天然氣價格對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響更大。丁勝等^［7］以遼寧省大連市某小型居民建筑為研究對象，設(shè)計了小型分布式能源系統(tǒng)，以系統(tǒng)年總費用和年二氧化碳、 二氧化氮排放量為目標函數(shù)，以負荷間的能量平衡、 設(shè)備的運行負荷為約束，得到所設(shè)計系統(tǒng)設(shè)備容量的Pareto最優(yōu)解集。Liu等^［8］根據(jù)兩階段協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式，提出該系統(tǒng)的最佳設(shè)備容量和運行優(yōu)化方法，為未來近零能耗社區(qū)的能源供應(yīng)提供了可行方案。徐敏姣等^［9］針對運行成本、 一次能源消耗和碳排放量3個指標優(yōu)化嵌入太陽能空調(diào)的冷熱電三聯(lián)供（combined cooling， heating and power，CCHP）能源系統(tǒng)的設(shè)備容量，結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)可以同時兼顧環(huán)境效益、 運行成本及系統(tǒng)能耗， 整體效益得以提升。劉艷峰等^［10］針對分布式能源系統(tǒng)提出了一種基于動態(tài)運行策略的設(shè)計運行優(yōu)化方法， 結(jié)果表明， 該方法可有效降低分布式能源系統(tǒng)的運行成本。 Sameti等^［11］在最優(yōu)解集中建立凈零能耗社區(qū)的系統(tǒng)模型， 以總年化成本和等效碳排放量為目標優(yōu)化該系統(tǒng)的設(shè)備容量， 結(jié)果表明， 最佳區(qū)域能源系統(tǒng)和儲能具有巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

目前我國正在大力推行實現(xiàn)低碳建筑和零碳建筑的政策，但針對近零能耗建筑能源系統(tǒng)的低碳設(shè)計與設(shè)備容量優(yōu)化研究較少。本文中基于近零能耗建筑能源系統(tǒng)的低碳目標，根據(jù)本地資源和建筑負荷特點，設(shè)計近零能耗建筑低碳能源系統(tǒng)（簡稱低碳能源系統(tǒng)），綜合考慮經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性，采用Hooke-Jeeves算法優(yōu)化低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量，建立低碳能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備容量方案，分析低碳能源系統(tǒng)的建筑負荷和電價的敏感性，并利用Trnsys軟件模擬低碳能源系統(tǒng)的運行工況。

1 低碳能源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 建筑概況

選用寒冷地區(qū)河北省石家莊市某3層民居建筑為例設(shè)計低碳能源系統(tǒng)。建筑面積為213.5 m2，其中總供暖面積為178 m2，除樓梯間、 儲物間外，均采用連續(xù)供暖與制冷，供暖季和制冷季分別為11月7日至次年3月30日和5月19日至8月22日。冬季、 夏季室內(nèi)設(shè)計溫度分別為18、 26 ℃，房間類型包括臥室、 客廳、 廚房、 衛(wèi)生間等。房間每小時換氣次數(shù)取為0.6，室內(nèi)照明功率密度取為7 W/m2，設(shè)備電功率密度取為5 W/m2，室內(nèi)人數(shù)為6。建筑外墻、 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為0.15 W/（m2·K），外窗、 外門傳熱系數(shù)分別為1、 1.2 W/（m2·K）。利用DesT軟件模擬計算建筑全年冷、 熱負荷和每日電負荷，結(jié)果如圖1所示。

1.2 設(shè)計原理

傳統(tǒng)的近零能耗建筑能源系統(tǒng)以滿足建筑自身冷、 熱、 電等方面的能源需求為主。在“雙碳”目標背景下，近零能耗建筑能源系統(tǒng)須從建筑節(jié)能向低碳目標轉(zhuǎn)變，例如： 實現(xiàn)近零能耗建筑能源系統(tǒng)全面電氣化， 具有柔性調(diào)節(jié)能力；建筑須從單純的能源消費者轉(zhuǎn)變?yōu)榧茉瓷a(chǎn)、 消費、調(diào)蓄于一體的能源復(fù)合體^［12］。由此，本文中設(shè)計3種只消耗電能的低碳能源系統(tǒng)：系統(tǒng)1，上網(wǎng)且蓄電的低碳能源系統(tǒng)； 系統(tǒng)2，無蓄電且上網(wǎng)的低碳能源系統(tǒng)； 系統(tǒng)3，下網(wǎng)且蓄電的低碳能源系統(tǒng)。所設(shè)計的低碳能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括太陽能光伏板、 蓄電池、 太陽能集熱器、 空氣源熱泵（簡稱熱泵）和保溫水箱。

1.3 低碳能源系統(tǒng)運行策略

低碳能源系統(tǒng)作為集能源生產(chǎn)、 消費、 調(diào)蓄于一體的能源復(fù)合體，運行策略主要包括： 1）在電能供應(yīng)方面，電負荷首先由可再生能源發(fā)電提供。當(dāng)可再生能源產(chǎn)生的電量大于建筑所需電量時，多余電量優(yōu)先由蓄電池存儲。如果蓄電池達到最大荷電狀態(tài)時發(fā)電量仍有剩余，則將剩余電量輸送至電網(wǎng)。當(dāng)可再生能源發(fā)電量無法滿足需求時，優(yōu)先由蓄電池放電補充電力。如果蓄電池電量仍不足，則從電網(wǎng)購電。2）在冷、熱供應(yīng)方面，熱泵在夏季和冬季分別為建筑供熱和制冷。夏季通過調(diào)節(jié)熱泵的功率和水泵流量，適時滿足冷負荷需求； 冬季依次由熱泵、太陽能集熱器提供熱量。采用溫差控制太陽能集熱器。當(dāng)太陽能集熱器出口處的工質(zhì)溫度高于保溫水箱水溫3 ℃時，開啟循環(huán)泵，太陽能集熱器向建筑供熱；當(dāng)太陽能集熱器出口水溫低于保溫水箱溫度時，關(guān)閉循環(huán)泵，太陽能集熱器停止供熱。為了減少能源的浪費，采用定溫控制熱泵。在冬季，保溫水箱溫度低于下限溫度40 ℃時熱泵開啟，高于上限50 ℃時熱泵關(guān)閉；在夏季，保溫水箱溫度高于15 ℃時熱泵開啟，低于8 ℃時熱泵關(guān)閉，停止蓄冷。

1.4 設(shè)備工作原理

1.4.1 太陽能光伏板

太陽能光伏板的發(fā)電功率P_pv主要受環(huán)境溫度和太陽輻射強度的影響，計算公式^［13］為

P_pv=ταMItηA ，（1）

其中

M=M_beI_be+M_diffI_diff+M_gndI_gndI_be+I_diff+I_gnd ，（2）

η=［1+ηt（T_pv-T_ref）］［1+ηi（It-I_tr）］η_ref ，（3）

式中： τ、 α為正常入射角條件下太陽能光伏板對太陽光的透射率、 吸收率； M為無尺寸入射角修正系數(shù)； It、 I_be、 I_diff、 I_gnd分別為入射在太陽能光伏板表面的太陽輻射總量、 光束輻射量、 散射量、 地面反射輻射量； η為太陽能光伏板的發(fā)電效率； A為太陽能光伏板的表面積，每塊太陽能光伏板的面積為0.86 m2； M_be、 M_diff、 M_gnd分別為光束入射角修正系數(shù)、 散射入射角修正系數(shù)、 地面反射入射角修正系數(shù)； ηt為描述光伏陣列效率隨電池溫度的變化而變化的系數(shù)，取值為-0.061； T_pv為光伏電池溫度； T_ref為測量參考光伏效率條件下的電池溫度； ηi為逆變器將太陽能光伏板輸出的可變直流電壓轉(zhuǎn)化為市電頻率交流電的效率，取值為0.96； I_tr為測量參考光伏效率條件下太陽能光伏板表面的太陽輻射總量； η_ref為參考條件下光伏陣列的總體效率。

1.4.2 太陽能集熱器

太陽能集熱器中水的溫度T的計算公式為

CdTdt=A_scF［Is-U_loss（T-Ta）］-mcp（T-T_in），（4）

式中： C為太陽能集熱器內(nèi)水的熱容； t為水流經(jīng)太陽能集熱器的時間； A_sc為太陽能集熱器的總面積； F為太陽能集熱器的翅片的效率系數(shù)， 取為0.7； Is為太陽能集熱器吸收的太陽輻射總量； U_loss為單位面積太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)，取為3 kJ/（h·m2·K）； Ta為環(huán)境溫度， 即空氣溫度； m為流經(jīng)太陽能集熱器的水的流速； cp為太陽能集熱器內(nèi)水的比熱容，取為4.19 kJ/（kg·K）； T_in為流入太陽能集熱器的水的溫度。

1.4.3 熱泵

熱泵有節(jié)能、穩(wěn)定、噪聲小和易于操作等優(yōu)點。熱泵的制熱量、制冷量與功率、 性能系數(shù)有關(guān)，即

Ph=QaP_com+P_bl+P_con ，（5）

Rh=3.414Ph ，（6）

式中： Ph為熱泵的性能系數(shù)； Qa為熱泵的制熱量或制冷量； P_com、 P_bl、 P_con分別為壓縮機、 鼓風(fēng)機電機、 控制器的功率，三者之和取為671.1 kJ/h； Rh為熱泵的能效比。

1.4.4 蓄電池

光伏發(fā)電受環(huán)境影響，夜間和陰天不能產(chǎn)生電能，因此選用蓄電池存儲和釋放電能，以實現(xiàn)平滑的能源供應(yīng)。蓄電池的充、 放電功率和荷電狀態(tài)計算公式^［4］為

E_ba（t′）=E_ba（t）+P_bac（t）η_bac-P_bad（t）η_badΔt，（7）

S_oc（t）=E_ba（t）E_rc ，（8）

式中： E_ba（t）、 E_ba（t′）分別為充電或放電前、 后t、 t′時刻蓄電池的電量； P_bac（t）、 P_bad（t）分別為t時刻的充、 放電功率； η_bac、 η_bad分別為充、 放電效率； Δt為充電或放電前、 后的時間間隔； S_oc（t）為t時刻的荷電狀態(tài)，上限為0.95； E_rc為蓄電池的額定容量。對于S_oc不小于85%的低充電狀態(tài)，蓄電池的充電效率通常較高，但是對于S_oc大于90%的高充電狀態(tài)，充電效率可以降到低于50%。為了簡化計算，假設(shè)蓄電池的充電效率為90%。

1.4.5 保溫水箱

保溫水箱在冬季儲存熱量，夏天儲存冷量，能量關(guān)系式為

dT_tandt=Q_in-Q_outc_tan ，（9）

式中： T_tan為保溫水箱內(nèi)水的溫度； Q_in、 Q_out為水進、 出保溫水箱交換的熱量或冷量； c_tan為保溫水箱內(nèi)水的比熱容，取為4.19 kJ/（kg·K）。

2 設(shè)備容量優(yōu)化的目標函數(shù)

2.1 目標函數(shù)

以年度總成本、 年度碳排放量和電網(wǎng)交互總電量為衡量低碳能源系統(tǒng)經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性的標準，建立設(shè)備容量優(yōu)化的單目標和多目標函數(shù)。

2.1.1 年度總成本

采用年度總成本S評估低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性能，包括初始投資成本、 運行成本、 設(shè)備維護成本，單位均為元，計算公式^［4］為

S=S_invR+S_op+S_ma"，（10）

其中

R=i0（1+i0）f（1+i0）f-1 ，（11）

S_inv=∑i（cipi） ，（12）

S_ma=ε∑i（cipi） ，（13）

S_op=∑8 760t=1［E_grb（t）C_grb（t）］-∑8 760t=1［E_grs（t）C_grs（t）］，（14）

式中： S_inv為初始投資成本； R為投資回收系數(shù)； S_op為運行成本； S_ma為設(shè)備維護成本； i0為年利率，取為0.1； f為能源設(shè)備使用壽命，取為20 a； ci為低碳能源系統(tǒng)中第i個設(shè)備容量； pi為低碳能源系統(tǒng)中第i個設(shè)備的單位價格； ε為維護成本與初始投資成本的比例系數(shù)； E_grb（t）為t時刻電網(wǎng)購入電量； C_grb（t）為t時刻的購電價格； E_grs（t）為t時刻出售給電網(wǎng)的電量； C_grs（t）為t時刻的電力出售價格。

為了更好地評估低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，采用年值節(jié)約率S_sr表示低碳能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)的近零能耗建筑能源系統(tǒng)（簡稱基準系統(tǒng)）年度總成本的差別，即

S_sr=S_ref-SS_ref ，（15）

式中S_ref為基準系統(tǒng)的年度總成本。

本文中基準系統(tǒng)為夏季獨立式空調(diào)制冷，冬季壁掛式分戶燃氣爐采暖，利用能耗軟件DesT求得基準系統(tǒng)的年度總成本為8 340.5元。

2.1.2 年度碳排放量

環(huán)保性由建筑運行階段年間接碳排放量B衡量，主要由電網(wǎng)購入電量構(gòu)成，即

B=μ∑8 760t=1E_grb（t） ，（16）

式中μ為電力的碳排放系數(shù)，取為968 g/kW。

為了更好地評估低碳能源系統(tǒng)的環(huán)保性，采用年度碳減排率B_rr衡量低碳能源系統(tǒng)與基準系統(tǒng)年度碳排放量的差別，即

B_rr=B_ref-BB_ref"，（17）

式中B_ref為基準系統(tǒng)的年度碳排放量。利用DesT軟件求得B_ref為8 324.8 kg。

2.1.3 電網(wǎng)交互總電量

低碳能源系統(tǒng)與電網(wǎng)之間頻繁的相互作用使低碳能源系統(tǒng)和電網(wǎng)的運行不穩(wěn)定，因此選擇電網(wǎng)交互總電量作為低碳能源系統(tǒng)獨立性和靈活性的指標。該指標由進、 出口電力決定，電網(wǎng)進、 出電量的大規(guī)模增長將使目標價值惡化。電網(wǎng)交互總電量為

G=∑8 760t=1E_grb（t）+∑8 760t=1E_grs（t） 。（18）

為了更好地評估低碳能源系統(tǒng)的獨立性，采用電網(wǎng)交互減少率G_rr表示與基準系統(tǒng)電網(wǎng)交互總電量的差別，即

G_rr=G_ref-GG_ref ，（19）

式中G_ref為基準系統(tǒng)的電網(wǎng)交互總電量。利用DesT軟件求得G_ref為8 600 kW·h。

2.1.4 綜合性能

為了從經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性多方面衡量低碳能源系統(tǒng)的性能，利用低碳能源系統(tǒng)的綜合性能指標I對低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量進行多目標優(yōu)化，計算公式為

I=ω1S_sr+ω2B_rr+ω3G_rr ，（20）

式中ω1、 ω2、 ω3分別為經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性指標的權(quán)重系數(shù)，ω1+ω2+ω3=1。參考文獻［14］中的計算方法，將3個指標按同等地位處理，即經(jīng)濟性指標等于碳排放指標，也等于電網(wǎng)交互總電量指標，ω1、 ω2、 ω3均取為1/3。

2.2 設(shè)備容量

為了改善低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性，解決能源匹配問題，采用優(yōu)化工具Genopt中的Hooke-Jeeves算法優(yōu)化低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量，包括太陽能光伏板個數(shù)X_pv、 太陽能集熱器鋪設(shè)面積A_sc、 熱泵額定功率P_ah、 蓄電池額定容量E_rc、 保溫水箱容積V_st。最大迭代次數(shù)、 種群規(guī)模分別設(shè)置為300、 50。

低碳能源系統(tǒng)的設(shè)備容量取值范圍與初始值如表1所示，太陽能光伏板、 太陽能集熱器、 熱泵、 蓄電池、 保溫水箱單位設(shè)備容量的設(shè)備成本分別為800、 800、 5 400、 2 000、 500元。根據(jù)河北省發(fā)展和改革委員會關(guān)于明確居民峰谷分時電價政策的通知，石家莊市的分時電價如表2所示。

2.3 約束條件

低碳能源系統(tǒng)的電、 熱、 冷平衡公式為

P_pv（t）+E_grb（t）-E_grs（t）+P_bac（t）-P_bad（t）=E（t） ，（21）

Q_sc（t）+Q_ah（t）-Q_outh（t）=Q_inh（t）=Q（t），（22）

Q_ac（t）-Q_outc（t）=P_inc（t）=C（t） ，（23）

式中： P_pv（t）為t時刻太陽能光伏板的發(fā)電功率； Q_sc（t）為來自太陽能集熱器的熱量； Q_ah（t）、 Q_ac（t）分別為t時刻熱泵的制熱量、 制冷量； Q_inh（t）、 Q_outh（t）分別為t時刻保溫水箱的蓄熱、 失熱功率； Q_inc（t）、 Q_outc（t）為t時刻保溫水箱的蓄冷、 失冷功率； E（t）、 C（t）、 Q（t）分別為t時刻建筑的電、 冷、 熱負荷。

3 結(jié)果與分析

3.1 多目標函數(shù)優(yōu)化

圖3所示為低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量優(yōu)化的多目標函數(shù)解集。由圖可知：任意解集都無法使年度總成本、 年度碳排放量和電網(wǎng)交互總電量3個單目標設(shè)備容量同時最優(yōu)。隨著年度總成本的增加，年度碳排放量減小，電網(wǎng)交互總電量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，說明低碳能源系統(tǒng)增加設(shè)備初始投資，可提高可再生能源利用率，從而減小低碳能源系統(tǒng)的年度碳排放量，然而過度增加可再生能源安裝容量導(dǎo)致低碳能源系統(tǒng)無法消納多余的光伏發(fā)電量，剩余電量上網(wǎng)模式則劣化低碳能源系統(tǒng)的獨立性。由此可知，為了權(quán)衡3個單目標設(shè)備容量之間的關(guān)系，宜采用綜合性能指標尋求低碳能源系統(tǒng)的綜合最優(yōu)方案。

采用綜合性能指標優(yōu)化系統(tǒng)1、 2的設(shè)備容量，分析蓄電對低碳能源系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)1、 2的最佳設(shè)備容量及經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性、 綜合性能如表3所示。由表可知： 低碳能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備容量方案是太陽能光伏板個數(shù)為81，太陽能集熱器鋪設(shè)面積為10 m2， 熱泵的額定功率為2.78 kW， 蓄電池容量為4.1 kW·h， 保溫水箱容積為3 m3。系統(tǒng)1、 2的太陽能光伏板最佳安裝個數(shù)分別為81、 9，保溫水箱最佳安裝容積分別為3、 2 m3，表明系統(tǒng)1提高了可再生能源的消納比例，促進了建筑的清潔化和低碳化發(fā)展。從低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性看，相對于系統(tǒng)1，系統(tǒng)2的年度碳排放量、 電網(wǎng)交互總電量分別增加6 132 kg、 6 030 kW·h，年度總成本減少4 965元，表明系統(tǒng)1提高了可再生能源利用率，從而減少建筑年度碳排放量和電網(wǎng)交互總量，年度碳減排率達到77.76%，電網(wǎng)交互減少率達到67.23%，有利于建筑向低碳化發(fā)展，但是太陽能光伏板和蓄電池容量的增加也導(dǎo)致年度總成本增加。相對于基準系統(tǒng)，系統(tǒng)1、 2的綜合性能指標分別增大34.71%、 6.63%，因此低碳能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)備容量方案不論是否考慮蓄電，綜合性能指標均有一定程度的改善。

3.2 上網(wǎng)模式

通過優(yōu)化系統(tǒng)1、3的設(shè)備容量， 分析太陽能光伏板的剩余電量上網(wǎng)模式對低碳能源系統(tǒng)經(jīng)濟、 環(huán)保、獨立性的影響。表4所示為系統(tǒng)1、3的經(jīng)濟、環(huán)保、獨立性和電網(wǎng)購電量、 售電量。 從表中可以看出： 在上網(wǎng)、 下網(wǎng)2種模式下， 低碳能源系統(tǒng)的年度總成本與年度碳排放量的差距較小， 原因是影響低碳能源系統(tǒng)年度碳排放量的主要因素是電網(wǎng)用電量， 即購電量， 不同模式下的購電量分別為1 912、 1 829 kW·h， 二者相差較小。 相對于上網(wǎng)模式， 系統(tǒng)3的電網(wǎng)交互總電量減少839 kW·h。 影響電網(wǎng)交互總電量的主要因素是購電量與售電量總和， 由于系統(tǒng)3并沒有向電網(wǎng)提供電力， 因此電網(wǎng)交互總電量更少。

3.3 單目標設(shè)備容量優(yōu)化

為了更好地衡量年度總成本S、 年度碳排放量B、 電網(wǎng)交互總電量G這3個單目標設(shè)備容量之間的關(guān)系，優(yōu)化低碳能源系統(tǒng)的單目標設(shè)備容量。優(yōu)化后的3個單目標設(shè)備容量分別記為S′、 B′、 G′。單目標設(shè)備容量優(yōu)化后低碳能源系統(tǒng)的最佳設(shè)備容量如表5所示。由表可知： S′時的低碳能源系統(tǒng)最佳設(shè)備容量均小于B′、 G′時的，原因是低碳能源系統(tǒng)主要通過減少設(shè)備初始投資降低年度總成本。B′時的低碳能源系統(tǒng)最佳設(shè)備容量大于S′、 G′時的。 低碳能源系統(tǒng)的年度碳排放量主要受電網(wǎng)用電量的影響， 因此為了實現(xiàn)建筑年度碳排放量最少， 低碳能源系統(tǒng)主要通過提高可再生能源利用率和儲能降低對電網(wǎng)的用電需求。此外，B′時的熱泵額定功率為2.22 kW，小于S′、 G′時的，原因是太陽能集熱器鋪設(shè)面積和保溫水箱容積增大，為低碳能源系統(tǒng)分擔(dān)更多負荷，從而使熱泵額定功率減小。G′時的低碳能源系統(tǒng)蓄電池容量為10.0 kW·h，明顯大于S′、 B′時的，說明低碳能源系統(tǒng)主要通過增加儲電量減少電網(wǎng)用電量。

圖4所示為單目標設(shè)備容量優(yōu)化后低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性。由圖可知： S′時低碳能源系統(tǒng)的年度總成本最小值為8 077元，年度碳排放量最大值為6 161 kg，低碳能源系統(tǒng)通過減小設(shè)備容量降低初始投資成本，從而造成可再生能源利用率降低，由此提高了對電網(wǎng)的用電需求。B′時低碳能源系統(tǒng)的年度碳排放量最小值為0，但是年度總成本、 電網(wǎng)交互總電量分別達到最大值29 359元、 33 447 kW·h，原因是太陽能光伏板、 太陽能集熱器和儲能設(shè)備容量增大， 使建筑所需能量全部為可再生能源， 同時也提高和增加了設(shè)備成本和低碳能源系統(tǒng)的剩余電量。 G′時低碳能源系統(tǒng)的電網(wǎng)交互總電量最小值為1 366 kW·h， 年度總成本和年度碳排放量在3個優(yōu)化后的單目標設(shè)備容量中處于中等， 分別為22 697元、 1 135 kg，原因是低碳能源系統(tǒng)主要通過控制太陽能光伏板和蓄電池容量，使低碳能源系統(tǒng)的供能與建筑用能更匹配，進而減少建筑與電網(wǎng)交互。

3.4 敏感性

建筑負荷和電價是影響低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量的重要因素。通過分析建筑負荷和電價的敏感性，探討低碳能源系統(tǒng)設(shè)計階段經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性隨建筑負荷的變化，結(jié)果如圖5（a）所示。由圖可知： 建筑負荷每增加10%，年度總成本、 電網(wǎng)交互總電量分別增加1.64%、 2.28%。隨著建筑負荷的增加，建筑能耗增大，電網(wǎng)用電量增大，年度碳排放量增大。增加低碳能源系統(tǒng)的太陽能光伏板鋪設(shè)面積，為低碳能源系統(tǒng)提供更多可再生能源，年度碳排放量突然減小。低碳能源系統(tǒng)綜合性能指標隨著建筑負荷的增大而減小，因此在低碳能源系統(tǒng)設(shè)計階段應(yīng)充分考慮建筑負荷的影響。

在低碳能源系統(tǒng)運行階段， 建筑負荷隨著天氣和人為因素的變化而變化， 建筑負荷的波動會影響低碳能源系統(tǒng)的運行。 圖5（b）所示為低碳能源系統(tǒng)運行階段經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性隨建筑負荷的變化。 由圖可知： 當(dāng)建筑負荷增長率在區(qū)間［-50%， 50%］內(nèi)波動時， 建筑負荷每增加10%， 年度總成本、 年度碳排放量分別平均增加0.55%、 6.26%，當(dāng)建筑負荷增長率在區(qū)間［-50%， 0］內(nèi)波動時，白天產(chǎn)生的可再生能源可以滿足建筑能耗，而隨著建筑負荷的增大，低碳能源系統(tǒng)的剩余電量減少，電網(wǎng)交互總電量減少，當(dāng)建筑負荷增大到一定程度時，低碳能源系統(tǒng)不能滿足建筑用能需求，電網(wǎng)用電量增加使得電網(wǎng)交互總電量增大。總體而言，建筑負荷每增大10%，低碳能源系統(tǒng)綜合性能指標減小0.007，建筑負荷的波動對低碳能源系統(tǒng)運行階段綜合性能指標影響較小。

圖6所示為低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、環(huán)保、獨立性隨電價的變化。從圖中可以看出：當(dāng)電價增長率在區(qū)間［-50%， 50%］內(nèi)波動時， 年度碳排放量和電網(wǎng)交互總電量不變。 電價每增加10%， 年度總成本增加0.62%， 低碳能源系統(tǒng)的綜合性能指標減小0.003，由此可見，在低碳能源系統(tǒng)運行階段，電價波動對低碳能源系統(tǒng)綜合性能指標影響較小。

3.5 運行性能

為了更好地探究低碳能源系統(tǒng)的運行特性和能源調(diào)度，模擬低碳能源系統(tǒng)的運行工況。圖7所示為低碳能源系統(tǒng)冬季、過渡季、夏季的逐時電平衡。由圖7（a）可知：冬季太陽能光伏板發(fā)電時間為8時到18時，電網(wǎng)在這段時間的功率大部分取值為0，表明太陽能光伏板結(jié)合蓄電池儲放電基本能滿足建筑在10時到18時的用電需求；在19時，蓄電池放完電后，建筑電耗與電網(wǎng)功率相等，此時建筑所需電量全部由電網(wǎng)提供。由圖7（b）可知，過渡季電網(wǎng)功率全天為0，低碳能源系統(tǒng)運行完全實現(xiàn)自給自足，太陽能光伏板在7時至19時期間發(fā)電，同時滿足建筑電耗，并向蓄電池儲電； 在18時之后，蓄電池開始放電以滿足建筑用電需求。由圖7（c）可知：夏季電網(wǎng)功率全天為0，低碳能源系統(tǒng)運行完全實現(xiàn)自給自足，太陽能光伏板在6時至20時期間發(fā)電，同時滿足建筑電耗，并向蓄電池儲電；當(dāng)太陽能光伏板發(fā)電功率不能滿足建筑用電時，蓄電池開始放電。在20時之后，太陽能光伏板停止工作，建筑電耗全部來自蓄電池放電。

綜上所述，在夏季和過渡季，低碳能源系統(tǒng)均實現(xiàn)自給自足。白天太陽能光伏板發(fā)電和蓄電池儲放電同時進行，晚上蓄電池放電滿足建筑用電需求。在冬季太陽能光伏板發(fā)電量減少，低碳能源系統(tǒng)結(jié)合蓄電池儲放電僅能滿足白天大部分用電需求，而夜間須從電網(wǎng)用電。低碳能源系統(tǒng)在保證一定經(jīng)濟成本的前提下，大幅減少了電網(wǎng)交互總電量、 電網(wǎng)用電量和年度碳排放量。

通過模擬計算，基準系統(tǒng)全年電網(wǎng)用電量為8 946 kW·h， 低碳能源系統(tǒng)全年電網(wǎng)用電量為1 850 kW·h， 年度碳排放量減少6 869 kg。

4 結(jié)論

本文中以河北省某典型近零能耗建筑為例，設(shè)計近零能耗建筑低碳能源系統(tǒng)，采用優(yōu)化工具Genopt中的Hooke-Jeeves算法優(yōu)化低碳能源系統(tǒng)的設(shè)備容量，并分析低碳能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性和運行性能，得出以下主要結(jié)論：

1）通過低碳能源系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)備容量優(yōu)化所建立的低碳能源系統(tǒng)設(shè)備容量方案是太陽能光伏板個數(shù)為81、 太陽能集熱器鋪設(shè)面積為10 m2， 熱泵的額定功率為2.78 kW， 蓄電池容量為4.1 kW·h， 保溫水箱容積為3 m3。

2）相對于基準系統(tǒng)，低碳能源系統(tǒng)有良好的環(huán)保性和獨立性，年度碳減排率達到77.76%，電網(wǎng)交互減少率達到67.23%。相對于系統(tǒng)1，系統(tǒng)2的成本降低而年度碳排放量、 電網(wǎng)交互總電量大幅增加。

3）上網(wǎng)模式對低碳能源系統(tǒng)的綜合性能指標影響很小，上網(wǎng)、 下網(wǎng)模式下年度總成本與年度碳排放量相差較小，但是售電的影響使得上網(wǎng)模式下低碳能源系統(tǒng)的電網(wǎng)交互總電量略大。當(dāng)以年度總成本最低為設(shè)備容量優(yōu)化目標時，年度碳排放量在3個單目標設(shè)備容量中達到最大，為6 161 kg。當(dāng)以年度碳排放量為設(shè)備容量優(yōu)化目標時，年度總成本、 電網(wǎng)交互總電量最大值分別為29 359元、 33 447 kW·h。

4）通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，建筑負荷對低碳能源系統(tǒng)的綜合性能指標影響較大。通過模擬低碳能源系統(tǒng)的運行工況可知，低碳能源系統(tǒng)在夏季和過渡季均達到自給自足。在冬季太陽能光伏板發(fā)電量減少，建筑供暖需求增加，綜合蓄電池儲放電僅能滿足白天用電負荷，而夜間須從電網(wǎng)用電。

綜上，低碳能源系統(tǒng)在保證一定經(jīng)濟成本的前提下，大幅減少了電網(wǎng)交互總電量、 電網(wǎng)用電量、 年度碳排放量，實現(xiàn)了經(jīng)濟、 環(huán)保、 獨立性的綜合效益最優(yōu)，為低碳能源系統(tǒng)設(shè)計提供了參考，對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：王 耘）

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFE0134100）； 河北省科技成果重點推廣計劃項目（22284504Z）

第一作者簡介： 蘇佶智（1989—），男，河北秦皇島人。高級工程師，博士，研究方向為綠色建筑節(jié)能技術(shù)及新型裝配式結(jié)構(gòu)。E-mail：sujizhi1989@163.com。

通信作者簡介： 康熙（1987—），男，河北邢臺人。高級工程師，碩士，研究方向為建筑節(jié)能與綠色建筑。E-mail： 48316109@qq.com。