建筑冷負荷對綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化的影響

馬添水， 高巖

(北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院， 北京 100037)

經濟社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，傳統(tǒng)化石能源產生的環(huán)境污染和能源短缺問題日益凸顯，因此開發(fā)新能源、提高可再生能源的利用效率和其消耗占比，已經成為重中之重[1]。為了解決中國當前經濟與環(huán)境、能源的需求與短缺之間的矛盾，必須要通過綜合協(xié)調多種能源系統(tǒng)的利用，并提高其綜合利用效率[2]。近年來，隨著分布式發(fā)電技術的發(fā)展、新型能源交易模式的試點應用，綜合能源系統(tǒng)得到了廣泛的應用和發(fā)展。園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)因其應用較廣、體驗直觀，是綜合能源系統(tǒng)中最具代表性的，園區(qū)除了要給用戶提供基本電力供應和生活生產耗能，為園區(qū)提供供熱、供冷所需還需大量能耗。因此，提升綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化效益，其關鍵在于，保證園區(qū)內用戶的供電、建筑的供熱、供冷等需求后，研究系統(tǒng)內多能源的耦合互補和梯級利用、供儲能設備的運行優(yōu)化調度，來提升園區(qū)供能的可靠性和可持續(xù)性，同時園區(qū)用能提升經濟性[3]。

現(xiàn)有研究多根據(jù)“典型日”分析綜合能源系統(tǒng)的日前優(yōu)化模型[4]，魏文靜[2]基于典型日的負荷需求曲線和光伏出力曲線，給出了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化模型，并修正模型為混合整數(shù)線性模型；于波等[5]考慮可再生能源技術、節(jié)能技術和能源替代技術建立園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化模型；Xu等[6]建立了動態(tài)的天然氣-電力混合系統(tǒng)模型；Awad等[7]建立了一種可依據(jù)可再生能源出力的波動，協(xié)調優(yōu)化熱電聯(lián)供微電網(wǎng)的運行優(yōu)化策略；臧寶志等[8]對多能源耦合的綜合能源系統(tǒng)建立了以經濟性為目標的優(yōu)化模型，主要考慮了綜合能源系統(tǒng)運行的環(huán)保性和可靠性。已有研究成果對園區(qū)的建筑冷熱負荷需求考慮單一，僅考慮典型日的優(yōu)化方案，沒有考慮到建筑冷負荷變化對綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化結果的影響。在空調期內選取太陽能輻射條件近似，但是最大逐時負荷不同的一組算例日，分析綜合能源系統(tǒng)受建筑冷負荷變化，如何影響其運行優(yōu)化方案。

首先，應用EnergyPlus能耗模擬軟件，對園區(qū)的建筑冷負荷進行分析?？紤]空調期電負荷、冷負荷的需求特性和典型設備的模型，以經濟性為目標，建立電能、天然氣、光能多能源耦合的綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化模型，對求解問題調用Cplex求解器進行求解。最后依據(jù)仿真結果，分析相同條件下園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化受建筑冷負荷的影響。

1 園區(qū)建筑能耗模擬及負荷分析

1.1 園區(qū)建筑能耗模擬

園區(qū)內主要建筑為商業(yè)A、商業(yè)B、辦公C三座大樓，應用EnergyPlus模擬軟件，進行負荷模擬計算并分析其數(shù)值模擬結果[9]。

該園區(qū)建筑基本參數(shù)如表1所示。通過 Sketch UP 軟件對園區(qū)內建筑建立幾何模型，以商業(yè)A建筑為例，該建筑的幾何模型如圖1所示。

表1 園區(qū)建筑基本參數(shù)Table 1 Basic building parameters of the park

圖1 商業(yè)建筑A幾何模型Fig.1 Geometric model of commercial building A

1.2 園區(qū)冷負荷分析

使用EnergyPlus負荷模擬軟件[10]對園區(qū)全年的冷熱負荷進行模擬，空調期最大逐時負荷的結果見表2。依據(jù)日最大逐時負荷對空調期(5月15日—9月14日)進行分組頻數(shù)統(tǒng)計，結果見圖2?？照{期逐時冷負荷見圖3。

表2 園區(qū)建筑最大逐時負荷Table 2 Maximum hourly load of buildings in the park

圖2 空調期日最大逐時負荷頻數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of daily maximum hourly load in air conditioning period

圖3 空調期逐時冷負荷Fig.3 Hourly cooling load in air conditioning period

由圖2、圖3可知，日逐時負荷分布范圍較廣且具有較大波動，園區(qū)日最大逐時負荷主要分布在園區(qū)最大負荷的75%～25%。因此，只考慮典型日的能耗進行綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化方案是不全面的，應思考建筑冷負荷對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化的影響。

2 綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型

所選取北京某園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)(combined cooling heating and power，CCHP)、雙工況主機制冷機組、蓄冰系統(tǒng)等設備，系統(tǒng)能量流如圖4所示。工作原理：冷負荷需求由蓄冰系統(tǒng)放冷、聯(lián)產系統(tǒng)利用發(fā)電余熱通過吸收式制冷機組供冷、雙工況主機供冷聯(lián)合提供；電負荷需求由光伏發(fā)電、聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)電聯(lián)合提供，若無法滿足用戶電力需求，則由城市電網(wǎng)補充。運行策略為以熱定電，在滿足園區(qū)建筑冷負荷的前提下，優(yōu)先使用光伏發(fā)電量，同時使用聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)電量，不足電量由電網(wǎng)補充。應用優(yōu)化算法，得到運行期間經濟性最優(yōu)的各類能源供給和儲存設備24點調度計劃方案[9]。

圖4 綜合能源系統(tǒng)能量流圖Fig.4 Energy flow diagram of integrated energy system

2.1 運行優(yōu)化的目標函數(shù)

以運行經濟性最優(yōu)建立綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化模型，運行經濟性最優(yōu)即為系統(tǒng)運行期間的運行成本最小。主要運行成本包括：購入的電費和天然氣費，還需計及通過政策補貼可再生能源發(fā)電的收益。

空調季以經濟性最優(yōu)準則為目標函數(shù)，即

(1)

2.2 運行模式約束

綜合能源系統(tǒng)在空調期，需要在滿足園區(qū)內電負荷和冷負荷需求的條件下，對系統(tǒng)的運行方案進行優(yōu)化。本文系統(tǒng)中供儲能設備主要包括: CCHP、雙工況主機制冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)。

(1)電負荷平衡約束。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(2)冷負荷平衡約束。

(7)

(3)供冷水泵流量約束。

(8)

式(8)中：FLBR-W為聯(lián)產系統(tǒng)冷凍水泵額定流量；FICE-S為蓄冷系統(tǒng)冷凍水泵額定流量；FICE為主機制冷冷凍水泵額定流量。

(4)溴化鋰機組承擔制冷負荷分配約束。

(9)

(5)溴化鋰機組最小、最大運行容量約束。

(10)

(6)雙工況主機承擔制冷負荷分配約束。

(11)

(7)雙工況主機承擔制冰任務分配約束。

(12)

(8)雙工況主機最小、最大運行容量約束。

(13)

(14)

(9)雙工況主機運行模式約束。

(15)

(10)蓄冰槽最大融冰功率約束。

(16)

(17)

(18)

式中：εC-S為蓄冰槽自放冷功率；H為蓄冰槽t時刻蓄冰總容量。

空調期優(yōu)化變量為

(19)

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度算法

針對本文建立的多能源耦合綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型，在MATLAB軟件中利用Yalmip工具箱建模和編程[10]。利用Yalmip能夠求解很多的優(yōu)化模型, 例如正項幾何規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、雙線性矩陣不等式、二階錐規(guī)劃以及多參數(shù)的線性規(guī)劃和二次規(guī)劃等。Yalmip可以使用MATLAB的計算能力,也可以調用MATLAB軟件自帶或者其他同語言編寫的工具箱, 而且還能結合應用多個求解器 (比如Cplex)。無論采用的是否使用MATLAB程序語言編寫，Yalmip都能集成[11]。本文調用Cplex求解器對問題進行求解。

4 算例仿真分析

4.1 算例仿真條件

研究對象為北京市某園區(qū)，其中空調期的能源需求包括供冷、供電，綜合能源系統(tǒng)的電源包括市電、CCPH發(fā)電和光伏發(fā)電，系統(tǒng)中各供儲能設備的基本參數(shù)如表3所示。

表3 供儲能設備基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of energy supply and storage equipment

在負荷分布頻數(shù)的主要區(qū)間中選取日逐時最大負荷分別為70%、50%、30%的3組日期，每組分別選取光伏出力近似且為工作日的1 d，共選擇3個日期作為算例，分析不同負荷條件下對綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化影響。算例日的光伏出力和逐時負荷曲線如圖5所示。

圖5 算例日期的光伏出力和逐時負荷曲線Fig.5 Photovoltaic output and hourly cooling load curve on the calculation examples

4.2 算例仿真結果

以經濟性為目標函數(shù)，計算算例日負荷條件下，綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化方案，結果如圖6所示。

圖6 算例日1～3綜合能源系統(tǒng)運行方案Fig.6 Calculation examples 1～3 operation schemes of integrated energy system

對以上算例的優(yōu)化結果進行驗證，優(yōu)化結果符合運行模式約束。優(yōu)化后的綜合能源系統(tǒng)運行方案，在電價峰段不用電網(wǎng)供電，提高了運行經濟性。

4.3 結果分析

對不同負荷條件下綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化方案具有一定的統(tǒng)一性：①滿足綜合能源系統(tǒng)需提供的冷負荷，總供冷量和該時刻園區(qū)建筑冷負荷相等。②符合經濟性效益，綜合能源系統(tǒng)在電價高峰段和負荷需求量較大的時段使用率較高。③冰蓄冷系統(tǒng)進行蓄冷模式運行，應當兼顧太陽能和聯(lián)產系統(tǒng)的發(fā)電余量，以及峰谷電價差帶來的經濟性效益；保持制冷機組在滿負荷工作狀態(tài)運行，以及制冷機組連續(xù)性工作，避免制冷機組發(fā)生頻繁的啟停情況。④冰蓄冷系統(tǒng)在放冷期間，應避免過早耗盡冷量，導致在冷負荷高峰期間供冷不足；應避免供冷時間結束后，冰槽內仍有余冰，降低冰蓄冷系統(tǒng)的使用效果。

不同負荷條件下的綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化方案具有差異性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)受冷負荷需求不同的影響，各供儲能設備運行模式(負荷率)不同，綜合能源系統(tǒng)儲能和聯(lián)產設備的出力情況如圖7所示。根據(jù)圖7可知，建筑冷負荷對綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化方案的影響如下。

圖7 綜合能源系統(tǒng)儲能和聯(lián)產設備的出力情況Fig.7 Output of energy storage equipment and CCHP of integrated energy system

(1)冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷運行方案受日負荷總量影響，在日負荷較大的情況下冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量大，在谷電價時間段(23:00—7：00)夜間蓄滿冷量，白天在光伏發(fā)電充裕且電價平段(16:00—18:00)可能進行日間蓄冷來滿足晚間峰電價(18:00—21:00)的部分供冷負荷需求；在日負荷較小的情況下冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量小，夜間蓄冷不需要蓄滿冷量且不需要日間蓄冷。

(2)冰蓄冷系統(tǒng)放冷運行方案受不同建筑冷負荷的影響，在冷負荷較大的情況下，放冷在冰槽有剩余冷量的情況下持續(xù)運行，且放冷運行負荷率較大(如日期1大部分時刻，放冷運行負荷率50%以上)；在冷負荷較小的情況下，放冷在多個時間段為綜合能源系統(tǒng)提供了大部分的供冷量(如日期3大部分時刻，放冷量占總冷量80%以上)，放冷運行時其他供能設備負荷率??；同時放冷模式運行方案受日負荷總量的影響，在日負荷較大的情況下冰槽剩余冷量不足，放冷模式在晚間峰電價(18:00—21:00)不能持續(xù)運行(如日期1)，在日負荷較小的情況下可以持續(xù)運行(如日期2、日期3)。

(3)聯(lián)產系統(tǒng)運行方案受不同建筑冷負荷的影響較小，聯(lián)產系統(tǒng)供冷量占總冷量比重的變化趨勢在不同負荷條件下有相似性。其差異在于，聯(lián)產系統(tǒng)供冷比重在冷負荷較小的情況下更高，聯(lián)產系統(tǒng)運行時其他供能設備運行負荷率較?。辉诶湄摵奢^大的情況下，其他供能設備運行負荷率較大。

在日最大逐時負荷頻數(shù)分布的主要區(qū)間內，選取了3個算例日研究建筑冷負荷對綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化的影響，仿真結果表明不同冷負荷條件下的運行優(yōu)化方案有較大差異性，通過對仿真結果的分析得到了冷負荷對運行優(yōu)化影響的規(guī)律。

5 結論

建筑冷負荷是影響園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行的重要因素，首先對園區(qū)進行建筑能耗模擬并分析其冷負荷需求特性，再構建經濟性為目標的綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。通過不同負荷條件算例的仿真分析，可以獲得以下結論。

(1)綜合能源系統(tǒng)以經濟性為目標的運行優(yōu)化方案受建筑冷負荷影響較大，不同負荷條件下的運行優(yōu)化方案有差異。

(2)綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化方案的統(tǒng)一性主要體現(xiàn)在為滿足負荷需求和供儲能設備基本運行策略；差異性主要體現(xiàn)在受不同冷負荷需求影響，各供儲能設備的運行方案有差異。

(3)提出了不同負荷條件下綜合能源系統(tǒng)運行方案的規(guī)律性結論，可以為部分控制策略單一的綜合能源系統(tǒng)提升其運行經濟系提供參考。