寒冷地区公共机构建筑多能源系统优化模型研究

（1-深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东深圳 518049；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年来，我国的能耗在不断增长，其中建筑能耗增长尤为迅速[1]，2015年全国建筑能耗占全国能源消费总量的20%，2017年全国建筑能耗占所有能耗的27%以上，而且以每年1%的速度在增加。而在所有的建筑能耗分类中，我国公共机构建筑占比最大，百分比为38%，且其碳排放强度也远远高于全国居住建筑强度水平，是全国强度水平的 2.09倍，可见其巨大的节能减排潜力[2]。公共机构是社会行为和公共道德的示范和标杆，公共机构对自身节能的重视程度影响着社会公众的能源消费观念。在我国，由于能源结构、生产生活习惯等原因，供能系统的源头绝大部分是燃煤锅炉房、热电厂和燃煤产生的污染物[3]，导致严重的环境污染与温室效应[4]。将太阳能[5]、地热能[6]等与传统化石能源相结合，构建公共机构建筑多能源系统，不仅实现各种能源梯级利用，降低建筑能耗与环境污染[7]，还与当地负荷、资源、气候形成良好互动，从而推进公共机构建筑节能和绿色建筑发展[8]。

多能源系统受到越来越多的研究者的关注。董福贵等[9]从经济、能耗、环境3个角度为分布式能源系统构建了综合评价体系。李可伟等[10]在公共机构建筑冷热双供系统中，构建了经济、节能和环境3类指标。与构建评价体系相比，多能源系统设计及优化的研究很多。杨佳霖[11]构建了一种为北方中小城镇供应清洁能源的多能源协调供应系统。该系统的亮点在于使用弃风、弃光的电量驱动污水源热泵，提取污水中较低品味的热量，对市政热网中的水进行预热，在利用传统蒸汽背压机组进一步加热，以实现能量梯级利用。陈中豪等[12]利用层次分析法，将描述社区级综合能源系统的多目标函数进一步转化为单目标函数，保证该系统经济、高效运行和环保性。华煌圣等[13]构建了用能经济性和综合能效性最大的双目标函数，以达到对综合能源系统的优化调度。滕茂丹[14]针对具体项目，发现能源使用费对天然气热泵耦合系统的经济性影响最大，并提出与政府合作，以降低该费用降低的风险。白宏坤等[15]采用碳交易和系统运行费用最低为设计目标，规划满足居民生产生活冷、热和电3种负荷的综合能源系统，以实现高经济性和低碳性。

本文针对寒冷地区公共机构建筑冷、热和电 3种负荷，建立具体的多能源系统，并对该系统中的各项能源设备进行相应的数学建模，采用层次分析法，将该多能源系统多目标问题转化为单目标函数，再基于这个兼顾经济性、环保性和节能性的综合评价指标，提出夏季和冬季两种不同的季节情景下，该建筑多能源系统的运行方案。

1 系统介绍

寒冷地区气候环境为夏天热、冬天冷。因此，在为该地区公共机构建筑构建多能源系统时，需要满足该建筑的冷、热和电 3种负荷。图1所示为典型的多能源系统原理。

图1 典型的多能源系统原理

由图1可知，该多能源系统由三联供系统及电网提供电能，剩余电力将优先供给热泵和电制冷器，再卖给电网。

冷负荷由吸收式制冷机组和电制冷器提供。热负荷由太阳能热水器、三联供系统、燃气锅炉、地源热泵和市政热力提供。

采用Deep软件对北京地区一处1万m2的公共机构建筑进行模拟获得其冷、热和电3种负荷[16]。选取夏季和冬季典型天，冷热电负荷如图2所示。

该公共建筑3种负荷均发生在白天，夏季和冬季白天电负荷比较均匀，最大电负荷为157.66 kW；冬天无冷负荷，而热负荷巨大，最大热负荷为2,096.05 kW；夏天无热负荷，而冷负荷巨大，最大冷负荷为1,501.91 kW。

多能源系统的冷、热和电3种负荷涉及电价的买卖、燃气和供暖价格，能源交易价格如表1所示。多能源系统中涉及到三联供机组、燃气锅炉、热泵、电制冷器、吸收式制冷机组和太阳能热水器等，设备参数如表2所示[17]。对于该多能源系统，其CO2排放量来自天然气燃烧、买电和买热情况，其相关数值如表3所示。

图2 全天冷热电负荷

表1 各种能源交易价格

表2 各能源设备参数

表3 CO2排放量

2 模型建立

2.1 三联供机组

传统的三联供机组包括发电单元、产热单元及制冷单元。三联供机组的输出模型可以表示为[18]：

式中，Qe,pgu(t)为时间Δt内，三联供机组的发电量，kW·h；Ppgu(t)为时间t时的功率输出，kW；Δt为时间间隔，h；LHVNG为天然气的低位发热量，取值 36 MJ/(N·m3)；VNG,pgu(t)为三联供系统燃烧的天然气体积，N·m3；Qh,pgu(t)为时间Δt内的发热量，kW·h；Ph,pgu(t)为三联供机组输出热功率，kW；ηe,pgu为发电效率；ηh,pgu为产热效率；nac为高温烟气进入吸收式制冷机组的比例。

吸收式制冷机组的输出冷量可表示为[19]：

式中，Qac(t)为时间Δt内，该吸收式制冷机组的输出冷量，kW·h；Pac(t)为该机组制冷量，kW；ηac为吸收式制冷机组的制冷效率。

2.2 太阳能集热器

太阳能集热器的输出热量为：

式中，Qst(t)为时间Δt内太阳能集热器的输出热量，kW·h；Pst(t)为太阳能集热器的输出功率，kW；ηst为太阳能集热器的集热效率；A为太阳能集热器的面积，m2；G(t)为当地太阳辐照度，W/m2。

2.3 热泵

热泵的输出热量为：

式中：Qhp(t)是时间Δt内，热泵输出热量，kW·h；Php(t)是热泵输出功率，kW；ηhp为热泵的效率，Php,e(t)为热泵的耗电功率，kW。

2.4 燃气锅炉

燃气锅炉输出的热量可用下式进行计算：

式中，Qgb(t)为时间Δt内，燃气锅炉输出热量，kW·h；Pgb(t)为燃气锅炉的输出功率，kW；ηgb为燃气锅炉的热效率；VNG,gb(t)为燃气锅炉燃烧的天然气体积，N·m3。

2.5 电制冷器

电制冷器输出冷量计算：

式中，Qec(t)为时间Δt内，电制冷器输出冷量，kW·h；Pec(t)是电制冷器制冷量，kW；Pec,e(t)为电制冷器耗电功率，kW；ηec为电制冷器制冷效率。

2.6 约束条件

2.6.1 平衡约束条件

多能源系统需要满足冷热电负荷的实时平衡，负荷平衡约束条件如式(8)～式(10)所示。

电量平衡：

式中，Pe,load(t)为电负荷，kW；Pgrid+(t)为从电网买电功率，kW；Pgrid-(t)为卖电功率，kW。

热量平衡：

式中，Ph,load(t)为热负荷，kW；Ph,net(t)为从热网买热功率，kW。

冷量平衡：

式中，Pc,load(t)为冷负荷，kW。

2.6.2 容量约束

对于各个能源设备而言，能量输出会受到自身容量限制。

式中，Pi(t)为t时刻，设备i的输出功率，kW；Pi,max为设备i的最大输出功率，kW。

2.6.3 运行约束

当能源设备运行时，受到多种运行约束条件的限制，如可再生能源系统需要满足当地资源条件的限制；三联供系统需要满足运行热电比的要求、启动和关闭的负荷要求和部分负荷特性等，限于篇幅此处不再赘述。

3 优化模型

3.1 3E综合评价指标

在综合考虑运行成本y1（经济指标）最小、CO2排放量y2（环境指标）最小、综合能源利用率y3（能效指标）最大基础上，构建多能源系统综合能效（Energy）、经济（Economy）和环境（Environment）的多目标优化模型，即3E综合评价指标z，即：

经济指标y1：

式中，VNG(t)为t时段从气网购入天然气的体积，N·m3；mbe为从电网购电价格，元/(kW·h)；mse为向电网卖电价格，元/(kW·h)；mg为天然气购买价格，元/(N·m3)；mh为从热网买热价格，元/(kW·h)；mi为第i个设备的运行维护价格，元/(kW·h)；Pi(t)为第i个设备t时的输出功率，kW。

环境指标y2：

式中，dg为天然气燃烧的 CO2排放系数，kg/m3；de为电网购电的CO2排放系数，kg/(kW·h)；dh为市政热力供热的CO2排放系数，kg/(kW·h)。

能效指标y3：

式中，ηce为电网供电侧发电效率，0.37；ηct为市政热力供热侧效率，0.8。

对于该优化调度模型，核心求解思路为：先将各个指标采用模糊隶属度函数处理，再采用层次分析法，获得各个优化指标的相对权重，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

3.2 指标模糊化

考虑到运行成本和CO2排放量，数值越小，其评价指标越好。因此，运行成本和CO2排放量采用降半Γ型隶属度函数；对于综合能源利用率，数值越大，评价指标越好，则采用升半Γ型隶属度函数。

式中，χ1(y1)、χ2(y2)和χ3(y3)分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的隶属度函数；y1min、y2min、y3max分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的最优值。

3.3 层次分析法

采用将3E指标综合评价指标z中各个因素进行加权处理，其值可以用来全方位评价特定的多能源系统：

式中，c1、c2和c3分别为运行成本、CO2排放量和综合能源利用率的相对权重。

权重可采用层次分析法获得，一般步骤[20]为：1）以上一级指标为准则，为下一层各指标两两构造比较判断矩阵，采用1～9的标度为其重要性进行赋值；2）采用行和归一法进行各指标相对权重的计算；3）检验该矩阵的一致性。

按照上述步骤，可以获取该多能源系统各指标的相对权重，结果如表4所示。

表4 多能源系统各指标相对权重

由表4可知，一致性比例CR=0，小于0.1。因此上述各指标相对权重满足一致性要求。此时，3E综合评价指标z为：

4 结果和讨论

4.1 优化结果分析

在夏季和冬季两种工况下，针对上述北京地区一处10,000 m2的公共机构建筑多能源系统，采用经济指标最优、环境指标最优、节能指标最优及3E综合评价指标最优作为优化策略，借助 Lingo软件[21]进行优化，优化结果如表5所示。

由表5可知，无论在夏季工况还是冬季工况，运行成本、CO2排放量和综合能源利用率最优时，3E综合评价指标值，均小于多目标最优时的综合评价指标值。为了使各个单项指标达到最优，往往会恶化其他几个指标值，使综合评价指标数值较小。对于多目标最优，虽然各个单项指标不是最优，但兼顾了各个单项指标，使综合评价指标值最优。因此，基于综合评价指标最优的运行方案能够有效兼顾系统运行的经济性、环保性和节能性，满足复杂系统全方位需求。

表5 不同优化策略结果对比

4.2 优化调度分析

基于 3E综合评价指标，分别对夏季工况和冬季工况的多种能源设备进行优化调度，实现综合评价指标最优。

4.2.1 夏季工况优化

夏季工况下，该多能源系统负荷形式为电负荷以及冷负荷。当选用 3E综合评价指标最优作为优化策略时，电功率、冷功率平衡如图3所示。电负荷由三联供系统提供，多余的电能一部分供应电制冷器，另一部分卖给电网。冷负荷由电制冷器和吸收式制冷机组提供。电制冷器始终满负荷运行，不足的冷负荷由吸收式制冷机组提供。

4.2.2 冬季工况优化

冬季工况下，该多能源系统负荷形式为电负荷及热负荷。当选用 3E综合评价指标最优作为优化策略，电功率和热功率平衡如图4所示。对于该多能源系统，三联供发的电以及从电网买的电，一部分满足该系统的电负荷需求，剩余部分用于供应热泵；热负荷由太阳能热水器、热泵以及三联供系统提供，不足的部分由热网供应。

图3 夏季功率平衡

图4 冬季功率平衡

5 结论

本文以北京地区一处公共机构建筑为例，针对其冷、热和电3种负荷和典型具体的多能源系统，对该系统中的各项设备进行相应的数学建模，并在综合考虑能源系统、运行、维护和环境等影响因素基础上，提出综合评价指标用于指导该多能源系统在夏季和冬季情景下的运行，得出如下结论：

1）在夏季工况，分别选用经济指标最优、环境指标最优、节能指标最优和3E综合评价指标最优作为多能源系统案例的优化策略时，其综合评价指标值分别为0.86、0.95、0.72和0.96；

2）在冬季工况，分别选用经济指标最优、环境指标最优、节能指标最优和3E综合评价指标最优作为多能源系统案例的优化策略时，其综合评价指标值分别为0.55、0.89、0.58和0.91；

3）该综合评价指标最优的运行方案，既可满足建筑冷、热和电需求，还有效兼顾系统运行的经济性、环保性和节能性，满足复杂系统全方位的需求，为今后公共机构能源系统方案设计提供指导。