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      面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方法

      2022-11-08 10:40:26呂成釗
      節(jié)能技術(shù) 2022年4期
      關(guān)鍵詞:最大化電能儲(chǔ)能

      呂成釗

      (滕州市規(guī)劃編制研究中心,山東 滕州 277599)

      0 引言

      鋼結(jié)構(gòu)建筑取代了鋼筋混凝土建筑,具有良好的抗震性能,廣泛應(yīng)用于高層建筑中[1-2]。我國(guó)許多城市已經(jīng)開始實(shí)施高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的試點(diǎn)建設(shè),進(jìn)行多能源互補(bǔ)集成與優(yōu)化。

      綜合能源系統(tǒng)包含的能源較多,如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水電等,技術(shù)裝備類型及其相互關(guān)系也較為復(fù)雜,同時(shí),用戶的能源需求和能源供給對(duì)多能源互補(bǔ)集成的優(yōu)化有很大影響,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究,Ming Zeng等通過(guò)對(duì)青海省清潔能源多能源互補(bǔ)集成優(yōu)化的研究,論證了多能源互補(bǔ)優(yōu)化供電比例和運(yùn)行方案,最大限度地發(fā)揮清潔能源的消費(fèi)和輸送能力,為青海綠色能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)[3]。Zhu等提出了一個(gè)大型水電-光伏混合系統(tǒng)長(zhǎng)期互補(bǔ)運(yùn)行的協(xié)調(diào)優(yōu)化框架,建立了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型,同時(shí)優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行安全,即聯(lián)合輸出功率的數(shù)量和質(zhì)量。該模型在時(shí)間尺度上解耦水電和光伏發(fā)電,以保持計(jì)算精度并減少問(wèn)題維數(shù),但是其尚未涉及建筑領(lǐng)域,多能互補(bǔ)條件模糊[4]。為實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化,田書等[5]等依據(jù)改進(jìn)目標(biāo)差分進(jìn)化方法,進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化調(diào)度;叢昊等[6]基于聯(lián)盟博弈,提出相關(guān)多能源集成互補(bǔ)優(yōu)化方法,通過(guò)調(diào)整相關(guān)調(diào)度模式和實(shí)現(xiàn)綜合能源的最大化利用,實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化。

      綜合以往研究經(jīng)驗(yàn),針對(duì)優(yōu)化的對(duì)象較為單一,以往研究存在難以保證綜合能源最大化利用、最佳環(huán)保水平以及最高的經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題,在節(jié)能最大化的前提下,以實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑各種結(jié)構(gòu)下綜合能源互補(bǔ)集成優(yōu)化為目標(biāo),以基于綜合需求的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型為創(chuàng)新點(diǎn),通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)化求解高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成,優(yōu)化高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能效果。

      1 面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方法

      1.1 多能互補(bǔ)集成模型構(gòu)建

      多能互補(bǔ)模型即綜合能源互補(bǔ)集成模型。為實(shí)現(xiàn)綜合能源最大化利用、最高的經(jīng)濟(jì)效益,分別對(duì)綜合能源互補(bǔ)集成物理模型建模[7]。

      1.1.1 綜合能源最大化利用率優(yōu)化模型

      天然氣以及燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備均作為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入[8-10],為了保證綜合能源利用水平,需要考慮到輸入的能源類型差異,即構(gòu)建能源生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)化物理模型,且為通用型,且在典型能源技術(shù)設(shè)備分析的基礎(chǔ)上完成,模型公式為

      (1)

      (2)

      (3)

      (4)

      式中n——天然氣能源;

      j和k——設(shè)備和電能;

      ΔT——時(shí)間范圍,且為預(yù)設(shè),在ΔT的范圍內(nèi),保證天然氣能源和電能的利用率最大化。

      1.1.2 綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型

      上節(jié)中生產(chǎn)模型生產(chǎn)的電能、天然氣能的差異值逐漸增大,高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)喪失部分熱量,為了實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)效益最大化,需要對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損失和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行建模分析,兩者之間的關(guān)系公式為

      (5)

      (6)

      由于儲(chǔ)能設(shè)備和儲(chǔ)能技術(shù)的不同,能源供應(yīng)商輸出的能源和客戶購(gòu)入的能源數(shù)量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在差異,需要對(duì)能源輸送端和能源終端的能源總量差異進(jìn)行計(jì)算建模。

      如果儲(chǔ)能技術(shù)種類用L表示,那么設(shè)備則由L種方式實(shí)行組合,則綜合能源轉(zhuǎn)換模型為

      (7)

      (8)

      (9)

      式中m——終端使用能源;

      βk,L,i——L可消納的能源占據(jù)k的比例,且m∈{e,h,c};

      除了儲(chǔ)能技術(shù)的差別,輸出端與客戶使用終端的儲(chǔ)能設(shè)備也具有較大功能性差異,在綜合能源需求量較大時(shí),天然氣、燃?xì)獾染C合能源系統(tǒng)會(huì)在用戶端的儲(chǔ)能設(shè)備中產(chǎn)生消耗,為了降低用戶的購(gòu)電成本,需要計(jì)算綜合能源設(shè)備的能量損失,將多余電量轉(zhuǎn)化為可用能量。

      設(shè)綜合儲(chǔ)能模型公式為

      (10)

      (11)

      式中M——綜合能源設(shè)備;

      WM,i、WM,i-1——其蓄能量,前者屬于i時(shí)刻,后者屬于i-1時(shí)刻,且M∈{E,H};

      E、H——天然氣和燃?xì)?種能源的蓄電設(shè)備;

      σM,i——其能量損失率用屬于M;

      儲(chǔ)能設(shè)備的凈儲(chǔ)能量ΔWM,i用公式(12)計(jì)算,且屬于i時(shí)刻

      (12)

      綜合能源互補(bǔ)集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多余電量的上網(wǎng)處理,該部分電量的計(jì)算公式為

      (13)

      ΔWE,i——凈儲(chǔ)電量,屬于儲(chǔ)能設(shè)備;均屬于i時(shí)刻。

      當(dāng)電量越大且綜合能源轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換功率越優(yōu)時(shí), 直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益越佳,經(jīng)過(guò)多余電量的上網(wǎng)處理后,保證最佳環(huán)保水平。

      1.2 基于綜合需求的節(jié)能優(yōu)化模型

      綜合能源系統(tǒng)互補(bǔ)集成的實(shí)現(xiàn),需通過(guò)智能集線器(Smart Energy Hub,SEH)完成,為實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行,依據(jù)多能建模結(jié)果間的關(guān)聯(lián),構(gòu)建基于綜合需求的雙層優(yōu)化模型,第一層是從能源供給側(cè)出發(fā),以綜合能源最大化利用率為目的;第二層是從用戶需求側(cè)出發(fā),以最小化能源購(gòu)買成本為目標(biāo)。通過(guò)能源價(jià)格實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層次之間的關(guān)聯(lián)和互動(dòng),達(dá)到最終的優(yōu)化目的。

      1.2.1 能源供應(yīng)側(cè)優(yōu)化

      設(shè)SEH的數(shù)量為N,以滿足第二層用戶需求端的需求為前提,第一層對(duì)電能供應(yīng)商和天然氣供應(yīng)商的能源輸出量目標(biāo)函數(shù)實(shí)行優(yōu)化,在保證兩者之間的供需平衡的同時(shí),實(shí)現(xiàn)兩者的經(jīng)濟(jì)效益最大化。利用上節(jié)得出的綜合能源最大化利用率優(yōu)化模型中的公式(1)~(4),保證天然氣能源和電能的利用率同時(shí)最大化。為了減少天然氣能源和電能轉(zhuǎn)化過(guò)程的消耗,利用綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型中的公式(5)~(6)表示的能量損失和營(yíng)銷收入關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的整體最大化。由此設(shè)目標(biāo)函數(shù)為

      (14)

      (1)電能供應(yīng)商

      其目標(biāo)函數(shù)和利潤(rùn)分別為利潤(rùn)最大化和能源售出收益和成本之間的差值[11-12]。前者的計(jì)算公式為

      (15)

      電能價(jià)格用λe,t——成本函數(shù)用ce(·)表示,其表達(dá)式為

      ce(x)=anxn+an-1xn-1+…+a0

      (16)

      式中an、an-1、a0——系數(shù),屬于多項(xiàng)式。

      保證電能的傳輸安全性和電能質(zhì)量,采用直流潮流實(shí)行約束[13-15],其公式為

      (17)

      -Plmax≤Pl≤Plmax

      (18)

      (19)

      式中p——節(jié)點(diǎn),與其連接的節(jié)點(diǎn)用q表示,且q∈L(p);

      xpq和Bpq——阻抗和導(dǎo)納,屬于兩者之間的路線l;

      θp、De,p和pg,p——相角、負(fù)荷和功率,均屬于p,后者為其發(fā)電系數(shù),且在輸入情況下;l的傳輸功率和其最大值分別用Pl和Plmax表示。

      λe,t作為兩層之間的連接核心,依據(jù)供需平衡關(guān)聯(lián)對(duì)其進(jìn)行求解,其公式為

      (20)

      (2)天然氣供應(yīng)商

      依據(jù)上述理論其目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式為

      (21)

      式中λg,t——價(jià)格;

      cg(·)——成本函數(shù);依據(jù)供需平衡關(guān)聯(lián)對(duì)λg,t實(shí)行求解,其公式為

      (22)

      1.2.2 用戶需求側(cè)優(yōu)化

      用戶需求側(cè)優(yōu)化的目的是降低用戶購(gòu)電成本,利用綜合能源經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型中的公式(7)-公式(13),獲得儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的能量最小目標(biāo)模型,實(shí)現(xiàn)用戶端的經(jīng)濟(jì)效益最大化[16-18],降低用電高峰期的電能購(gòu)買。

      本文的能源系統(tǒng)由兩部分組成,第一層是天然氣經(jīng)過(guò)管道運(yùn)輸,通過(guò)能量連接器與線路傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換;第二層天然氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t的耦合,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能、儲(chǔ)電的功能,電能則通過(guò)變壓器進(jìn)行耦合,最后儲(chǔ)存在用戶端的儲(chǔ)能設(shè)備中。實(shí)現(xiàn)第一層與第二層能量分配的是智能集線器。基于此,即滿足用戶需求,也可較大程度降低高峰期的用電負(fù)荷[19-20]。

      購(gòu)電成本的最小化為第二層的目標(biāo)函數(shù),其為

      (23)

      式中i=1,2,…,N。

      結(jié)合SEH輸入和輸出間的關(guān)聯(lián),將輸入量采用輸出量描述

      (24)

      式中fw和fs——輸出函數(shù),分別對(duì)應(yīng)輸入能量和儲(chǔ)存能量;

      η——轉(zhuǎn)換函數(shù),屬于每一個(gè)轉(zhuǎn)換器;

      υ——調(diào)度系數(shù);

      Le、Lh、Lg——負(fù)荷,分別對(duì)應(yīng)電力、熱力以及燃?xì)猓?/p>

      Ew、Es、Pe、Pg——輸入量;

      i——第i個(gè)SEH。

      為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解,對(duì)υ實(shí)行調(diào)整完成,其取值范圍如公式(25)所示

      (25)

      結(jié)合上述內(nèi)容,得出第二層的最佳模型公式為

      (26)

      式中i=1,2,…,N。

      整合供應(yīng)側(cè)和需求側(cè),構(gòu)建的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型如圖1所示。

      2 實(shí)驗(yàn)

      2.1 測(cè)試結(jié)果

      選取某市剛投入使用的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅作為測(cè)試對(duì)象,采用本文方法對(duì)其實(shí)行多能互補(bǔ)集成優(yōu)化,測(cè)試本文方法優(yōu)化效果。

      項(xiàng)目總建筑面積46 081.75 m2,由6棟高層住宅組成,其中1~4#樓18層,5~6#樓11層,其中地上建筑面積為35 581.75 m2,基坑深度4.5 m左右,地采暖,粗裝修,外檐巖棉板、聚苯板保溫,屋面SBS卷材防水,地下SBS卷材防水,剪力墻框架結(jié)構(gòu),如圖2所示。

      圖2中,采用的一次能源包含太陽(yáng)能、風(fēng)能、天然氣以及電能。全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷的獲取前提是該市典型天氣數(shù)據(jù)以及建筑內(nèi)居住情況、居住需求。

      為測(cè)試本文優(yōu)化的性能,收集該高層建筑的綜合能源系統(tǒng)電、氣、熱系統(tǒng)資料,研究綜合能源系統(tǒng)中熱能的能源流情況,分析能源大數(shù)據(jù)中公共信息模型與IEC61970、國(guó)網(wǎng)SG-CIM、大數(shù)據(jù)架構(gòu)模型、其他能源行業(yè)國(guó)際/國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系,研究綜合能源系統(tǒng)電、氣、熱能源流情況,隨機(jī)選取8個(gè)SEH,將其編號(hào)為1~8號(hào),作為實(shí)例分析樣本,相關(guān)測(cè)試參數(shù)如表1所示。

      表1 測(cè)試設(shè)備及其參數(shù)

      基于表1,應(yīng)用電力設(shè)備無(wú)線二次壓降負(fù)荷測(cè)試儀,結(jié)合圖1,測(cè)試其在僅優(yōu)化能源供應(yīng)側(cè)、僅優(yōu)化用戶需求側(cè)、兩者均優(yōu)化三種情況下用戶側(cè)總購(gòu)能成本,以大屏幕真彩色圖形式液晶作為顯示窗口,圖形式菜單操作并配有漢字提示,并將該結(jié)果與沒有優(yōu)化時(shí)實(shí)行對(duì)比,分析優(yōu)化效果,結(jié)果如圖3所示。

      依據(jù)圖3測(cè)試結(jié)果可知:僅優(yōu)化能源供應(yīng)側(cè)或者僅優(yōu)化用戶需求側(cè)時(shí),其購(gòu)能成本與沒有任何優(yōu)化時(shí)相對(duì)比,均發(fā)生不同程度減小,兩者均優(yōu)化后,所需的購(gòu)能成本則大幅度降低,與沒有任何優(yōu)化時(shí)的購(gòu)能成本相比,最高購(gòu)能成本為141.2萬(wàn)元、最少購(gòu)能成本為60.4萬(wàn)元,優(yōu)化效果顯著,可實(shí)現(xiàn)購(gòu)能成本的最小化,因此證明能源供應(yīng)側(cè)和僅用戶需求側(cè)兩者優(yōu)化后的效果更佳。

      為進(jìn)一步分析本文優(yōu)化方法的應(yīng)用效果,采用等年值總成本節(jié)約率CSR、負(fù)荷轉(zhuǎn)移率LSR以及可再生能源消納率SCR作為衡量指標(biāo),測(cè)試本文方法的應(yīng)用性。三者可依次用于衡量本文方法應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)效果、用電高峰期時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移性能、應(yīng)用后儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納水平。三者的計(jì)算公式分別為

      (27)

      (28)

      (29)

      φ——時(shí)間段集合,且屬于電量?jī)r(jià)格峰期;

      φφV(t)和φab(t)——光伏發(fā)電量,前者屬于發(fā)電總量,后者屬于棄能總量,均在第t個(gè)時(shí)間段內(nèi)。

      依據(jù)上述三個(gè)公式,獲取本文方法優(yōu)化后,隨機(jī)抽取7個(gè)典型日,該測(cè)試對(duì)象在該情況下三項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果,如圖4所示。

      依據(jù)圖4測(cè)試結(jié)果可知:在不同的典型日中,CSR、LSR和SCR均發(fā)生不同程度的變化,三者的結(jié)果最大值依次為20%左右、70%左右以及80%左右,優(yōu)化效果明顯。

      由于能源在使用過(guò)程中,會(huì)發(fā)生不同程度的負(fù)荷,對(duì)能源的使用結(jié)果存在一定影響,因此,測(cè)試本文方法在不同類型負(fù)荷下實(shí)行多能源集成優(yōu)化后,三項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果,如圖5所示。

      依據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果可知:在兩種負(fù)荷類型下,本文方法均可保證較高的能源消納率和負(fù)荷轉(zhuǎn)移,并且CSR也呈現(xiàn)不同的降低。直接體現(xiàn)本文方法的可靠性能,在不同負(fù)荷下,依舊可完成多能源的互補(bǔ)集成優(yōu)化。

      2.2 算例分析

      在上述測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)表1所示的相關(guān)參數(shù),分析其使用過(guò)程中的時(shí)間開銷,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

      從圖6中可以看出,當(dāng)負(fù)荷、購(gòu)能成本等相關(guān)輸出量越來(lái)越多時(shí),其基本時(shí)間開銷在5.2 s前后,但是文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法的時(shí)間開銷一直高于研究方法,這是因?yàn)檠芯糠椒▽⑾嚓P(guān)變量和狀態(tài)參數(shù)相關(guān)聯(lián),使其具有規(guī)律性,優(yōu)化基于綜合需求的雙層優(yōu)化模型的應(yīng)用效果,時(shí)間開銷減少。

      2.3 實(shí)際應(yīng)用

      為直觀衡量本文方法的應(yīng)用性,將本文方法實(shí)際應(yīng)用于滕州市某實(shí)際綜合能源園區(qū),該園區(qū)在3個(gè)典型季的冷能和熱能價(jià)格為:非夏季谷時(shí)電價(jià)僅為0.479元/(kWh),夏季峰時(shí)電價(jià)達(dá)到1.071元/(kWh),如果本文方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)能源集成優(yōu)化,則經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。測(cè)試本文方法應(yīng)用后,該園區(qū)在連續(xù)6個(gè)月內(nèi)能耗結(jié)果、綜合能源利用程度以及碳排放結(jié)果見表2,并將該結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果作對(duì)比。

      依據(jù)表2測(cè)試結(jié)果可知:本文方法應(yīng)用后,該園區(qū)整體能耗、碳排放量均明顯下降,綜合能源利用率則顯著增加,直觀體現(xiàn)了本文方法良好的應(yīng)用性,可實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能目的。

      表2 優(yōu)化前后的效果對(duì)比

      3 結(jié)論

      (1)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能的重要方式,為了提高能源利用率,實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能,本文提出面向節(jié)能的鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成方法。

      (2)研究方法:構(gòu)建高層鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合能源經(jīng)濟(jì)效益模型;構(gòu)建基于綜合需求的多能互補(bǔ)集成雙層優(yōu)化模型;通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則求解模型最優(yōu)解,實(shí)現(xiàn)面向節(jié)能的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑多能互補(bǔ)集成優(yōu)化。

      (3)研究結(jié)果:實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文方法能夠完成多能互補(bǔ)集成,具備良好的優(yōu)化效果,可實(shí)現(xiàn)購(gòu)能成本的最小化,經(jīng)濟(jì)效果、用電高峰期時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移性能、應(yīng)用后儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納水平均發(fā)生不同程度的提升,實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

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