面向节能的高层钢结构建筑多能互补集成优化方法

吕成钊

(滕州市规划编制研究中心，山东 滕州 277599)

0 引言

钢结构建筑取代了钢筋混凝土建筑，具有良好的抗震性能，广泛应用于高层建筑中[1-2]。我国许多城市已经开始实施高层钢结构住宅的试点建设，进行多能源互补集成与优化。

综合能源系统包含的能源较多，如风能、太阳能、水电等，技术装备类型及其相互关系也较为复杂，同时，用户的能源需求和能源供给对多能源互补集成的优化有很大影响，国内外相关学者对此进行了大量研究，Ming Zeng等通过对青海省清洁能源多能源互补集成优化的研究，论证了多能源互补优化供电比例和运行方案，最大限度地发挥清洁能源的消费和输送能力，为青海绿色能源的发展做出贡献[3]。Zhu等提出了一个大型水电-光伏混合系统长期互补运行的协调优化框架，建立了一个多目标优化模型，同时优化混合动力系统的经济效益和运行安全，即联合输出功率的数量和质量。该模型在时间尺度上解耦水电和光伏发电，以保持计算精度并减少问题维数，但是其尚未涉及建筑领域，多能互补条件模糊[4]。为实现高层钢结构建筑多能互补集成优化，田书等[5]等依据改进目标差分进化方法，进行节能优化调度；丛昊等[6]基于联盟博弈，提出相关多能源集成互补优化方法，通过调整相关调度模式和实现综合能源的最大化利用，实现其优化。

综合以往研究经验，针对优化的对象较为单一，以往研究存在难以保证综合能源最大化利用、最佳环保水平以及最高的经济效益的问题，在节能最大化的前提下，以实现高层钢结构建筑各种结构下综合能源互补集成优化为目标，以基于综合需求的多能互补集成双层优化模型为创新点，通过启发式规则进化求解高层钢结构建筑多能互补集成，优化高层钢结构建筑节能效果。

1 面向节能的高层钢结构建筑多能互补集成优化方法

1.1 多能互补集成模型构建

多能互补模型即综合能源互补集成模型。为实现综合能源最大化利用、最高的经济效益，分别对综合能源互补集成物理模型建模[7]。

1.1.1 综合能源最大化利用率优化模型

天然气以及燃气发电设备均作为高层钢结构建筑综合能源生产系统的输入[8-10]，为了保证综合能源利用水平，需要考虑到输入的能源类型差异，即构建能源生产系统最优化物理模型，且为通用型，且在典型能源技术设备分析的基础上完成，模型公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中n——天然气能源;

j和k——设备和电能;

ΔT——时间范围，且为预设，在ΔT的范围内，保证天然气能源和电能的利用率最大化。

1.1.2 综合能源经济效益优化模型

上节中生产模型生产的电能、天然气能的差异值逐渐增大，高层钢结构建筑综合能源转换过程中会丧失部分热量，为了实现能源生产者的经济效益最大化，需要对转化过程中的能量损失和经济效益进行建模分析，两者之间的关系公式为

(5)

(6)

由于储能设备和储能技术的不同，能源供应商输出的能源和客户购入的能源数量在转换过程中存在差异，需要对能源输送端和能源终端的能源总量差异进行计算建模。

如果储能技术种类用L表示，那么设备则由L种方式实行组合，则综合能源转换模型为

(7)

(8)

(9)

式中m——终端使用能源;

βk,L,i——L可消纳的能源占据k的比例，且m∈{e,h,c}；

除了储能技术的差别，输出端与客户使用终端的储能设备也具有较大功能性差异，在综合能源需求量较大时，天然气、燃气等综合能源系统会在用户端的储能设备中产生消耗，为了降低用户的购电成本，需要计算综合能源设备的能量损失，将多余电量转化为可用能量。

设综合储能模型公式为

(10)

(11)

式中M——综合能源设备;

WM,i、WM,i-1——其蓄能量,前者属于i时刻，后者属于i-1时刻，且M∈{E,H};

E、H——天然气和燃气2种能源的蓄电设备;

σM,i——其能量损失率用属于M;

储能设备的净储能量ΔWM,i用公式(12)计算，且属于i时刻

(12)

综合能源互补集成系统可实现多余电量的上网处理，该部分电量的计算公式为

(13)

ΔWE,i——净储电量，属于储能设备；均属于i时刻。

当电量越大且综合能源转换模型转换功率越优时， 直接经济效益和间接经济效益越佳，经过多余电量的上网处理后，保证最佳环保水平。

1.2 基于综合需求的节能优化模型

综合能源系统互补集成的实现，需通过智能集线器(Smart Energy Hub，SEH)完成，为实现高层钢结构建筑综合能源系统的最优运行，依据多能建模结果间的关联，构建基于综合需求的双层优化模型，第一层是从能源供给侧出发，以综合能源最大化利用率为目的；第二层是从用户需求侧出发，以最小化能源购买成本为目标。通过能源价格实现两个层次之间的关联和互动，达到最终的优化目的。

1.2.1 能源供应侧优化

设SEH的数量为N，以满足第二层用户需求端的需求为前提，第一层对电能供应商和天然气供应商的能源输出量目标函数实行优化，在保证两者之间的供需平衡的同时，实现两者的经济效益最大化。利用上节得出的综合能源最大化利用率优化模型中的公式(1)～(4)，保证天然气能源和电能的利用率同时最大化。为了减少天然气能源和电能转化过程的消耗，利用综合能源经济效益优化模型中的公式(5)～(6)表示的能量损失和营销收入关系模型，实现经济效益的整体最大化。由此设目标函数为

(14)

(1)电能供应商

其目标函数和利润分别为利润最大化和能源售出收益和成本之间的差值[11-12]。前者的计算公式为

(15)

电能价格用λe,t——成本函数用ce(·)表示，其表达式为

ce(x)=anxn+an-1xn-1+…+a0

(16)

式中an、an-1、a0——系数，属于多项式。

保证电能的传输安全性和电能质量，采用直流潮流实行约束[13-15]，其公式为

(17)

-Plmax≤Pl≤Plmax

(18)

(19)

式中p——节点，与其连接的节点用q表示，且q∈L(p);

xpq和Bpq——阻抗和导纳，属于两者之间的路线l；

θp、De,p和pg,p——相角、负荷和功率，均属于p，后者为其发电系数，且在输入情况下；l的传输功率和其最大值分别用Pl和Plmax表示。

λe,t作为两层之间的连接核心，依据供需平衡关联对其进行求解，其公式为

(20)

(2)天然气供应商

依据上述理论其目标函数计算公式为

(21)

式中λg,t——价格；

cg(·)——成本函数；依据供需平衡关联对λg,t实行求解，其公式为

(22)

1.2.2 用户需求侧优化

用户需求侧优化的目的是降低用户购电成本，利用综合能源经济效益优化模型中的公式(7)-公式(13)，获得储能技术和储能设备产生的能量最小目标模型，实现用户端的经济效益最大化[16-18]，降低用电高峰期的电能购买。

本文的能源系统由两部分组成，第一层是天然气经过管道运输，通过能量连接器与线路传输的电能转换；第二层天然气通过燃气轮机和燃气锅炉的耦合，实现储能、储电的功能，电能则通过变压器进行耦合，最后储存在用户端的储能设备中。实现第一层与第二层能量分配的是智能集线器。基于此，即满足用户需求，也可较大程度降低高峰期的用电负荷[19-20]。

购电成本的最小化为第二层的目标函数，其为

(23)

式中i=1,2,…,N。

结合SEH输入和输出间的关联，将输入量采用输出量描述

(24)

式中fw和fs——输出函数，分别对应输入能量和储存能量；

η——转换函数，属于每一个转换器；

υ——调度系数；

Le、Lh、Lg——负荷，分别对应电力、热力以及燃气；

Ew、Es、Pe、Pg——输入量；

i——第i个SEH。

为实现目标函数的最优解，对υ实行调整完成，其取值范围如公式(25)所示

(25)

结合上述内容，得出第二层的最佳模型公式为

(26)

式中i=1,2,…,N。

整合供应侧和需求侧，构建的多能互补集成双层优化模型如图1所示。

2 实验

2.1 测试结果

选取某市刚投入使用的高层钢结构住宅作为测试对象，采用本文方法对其实行多能互补集成优化，测试本文方法优化效果。

项目总建筑面积46 081.75 m2，由6栋高层住宅组成，其中1～4#楼18层，5～6#楼11层，其中地上建筑面积为35 581.75 m2，基坑深度4.5 m左右，地采暖，粗装修，外檐岩棉板、聚苯板保温，屋面SBS卷材防水，地下SBS卷材防水，剪力墙框架结构，如图2所示。

图2中，采用的一次能源包含太阳能、风能、天然气以及电能。全年逐时冷热负荷的获取前提是该市典型天气数据以及建筑内居住情况、居住需求。

为测试本文优化的性能，收集该高层建筑的综合能源系统电、气、热系统资料，研究综合能源系统中热能的能源流情况，分析能源大数据中公共信息模型与IEC61970、国网SG-CIM、大数据架构模型、其他能源行业国际/国家标准关系，研究综合能源系统电、气、热能源流情况，随机选取8个SEH，将其编号为1～8号，作为实例分析样本，相关测试参数如表1所示。

表1 测试设备及其参数

基于表1，应用电力设备无线二次压降负荷测试仪，结合图1，测试其在仅优化能源供应侧、仅优化用户需求侧、两者均优化三种情况下用户侧总购能成本，以大屏幕真彩色图形式液晶作为显示窗口，图形式菜单操作并配有汉字提示，并将该结果与没有优化时实行对比，分析优化效果，结果如图3所示。

依据图3测试结果可知：仅优化能源供应侧或者仅优化用户需求侧时，其购能成本与没有任何优化时相对比，均发生不同程度减小，两者均优化后，所需的购能成本则大幅度降低，与没有任何优化时的购能成本相比，最高购能成本为141.2万元、最少购能成本为60.4万元，优化效果显著，可实现购能成本的最小化，因此证明能源供应侧和仅用户需求侧两者优化后的效果更佳。

为进一步分析本文优化方法的应用效果，采用等年值总成本节约率CSR、负荷转移率LSR以及可再生能源消纳率SCR作为衡量指标，测试本文方法的应用性。三者可依次用于衡量本文方法应用后的经济效果、用电高峰期时，储能系统的负荷转移性能、应用后储能系统对可再生能源的消纳水平。三者的计算公式分别为

(27)

(28)

(29)

φ——时间段集合，且属于电量价格峰期；

φφV(t)和φab(t)——光伏发电量，前者属于发电总量，后者属于弃能总量，均在第t个时间段内。

依据上述三个公式，获取本文方法优化后，随机抽取7个典型日，该测试对象在该情况下三项指标的结果，如图4所示。

依据图4测试结果可知：在不同的典型日中，CSR、LSR和SCR均发生不同程度的变化，三者的结果最大值依次为20%左右、70%左右以及80%左右，优化效果明显。

由于能源在使用过程中，会发生不同程度的负荷，对能源的使用结果存在一定影响，因此，测试本文方法在不同类型负荷下实行多能源集成优化后，三项指标的结果，如图5所示。

依据图5测试结果可知：在两种负荷类型下，本文方法均可保证较高的能源消纳率和负荷转移，并且CSR也呈现不同的降低。直接体现本文方法的可靠性能，在不同负荷下，依旧可完成多能源的互补集成优化。

2.2 算例分析

在上述测试结果的基础上，根据表1所示的相关参数，分析其使用过程中的时间开销，其统计结果如图6所示。

从图6中可以看出，当负荷、购能成本等相关输出量越来越多时，其基本时间开销在5.2 s前后，但是文献[5]方法和文献[6]方法的时间开销一直高于研究方法，这是因为研究方法将相关变量和状态参数相关联，使其具有规律性，优化基于综合需求的双层优化模型的应用效果，时间开销减少。

2.3 实际应用

为直观衡量本文方法的应用性，将本文方法实际应用于滕州市某实际综合能源园区，该园区在3个典型季的冷能和热能价格为：非夏季谷时电价仅为0.479元/(kWh)，夏季峰时电价达到1.071元/(kWh)，如果本文方法能够较好地实现能源集成优化，则经济效益相当可观。测试本文方法应用后，该园区在连续6个月内能耗结果、综合能源利用程度以及碳排放结果见表2，并将该结果与优化前结果作对比。

依据表2测试结果可知：本文方法应用后，该园区整体能耗、碳排放量均明显下降，综合能源利用率则显著增加，直观体现了本文方法良好的应用性，可实现高层钢结构建筑的节能目的。

表2 优化前后的效果对比

3 结论

(1)多能互补集成优化是实现高层钢结构建筑节能的重要方式，为了提高能源利用率，实现高层钢结构建筑节能，本文提出面向节能的钢结构建筑多能互补集成方法。

(2)研究方法：构建高层钢结构建筑综合能源经济效益模型；构建基于综合需求的多能互补集成双层优化模型；通过启发式规则求解模型最优解，实现面向节能的高层钢结构建筑多能互补集成优化。

(3)研究结果：实验结果证明本文方法能够完成多能互补集成，具备良好的优化效果，可实现购能成本的最小化，经济效果、用电高峰期时，储能系统的负荷转移性能、应用后储能系统对可再生能源的消纳水平均发生不同程度的提升，实现节能的目的。