查翔

摘要：隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，能源利用形態(tài)發(fā)生了很大變化.城區(qū)內(nèi)能源需求量巨大與資源環(huán)境容量有限之間的矛盾日益突出，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)形式將逐漸成為制約城區(qū)發(fā)展的重要因素。為了解決上述問題，本文梳理了城區(qū)能源系統(tǒng)的構(gòu)成及能源供給、轉(zhuǎn)換、消費的相互關(guān)系，提出了以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法，建立了綜合衡量節(jié)能性和經(jīng)濟性的多目標線性規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：綜合能源規(guī)劃;線性規(guī)劃方法;能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.前言

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃是國內(nèi)外研究熱點，是提升能源利用率、優(yōu)化區(qū)域能源運行、降低成本的有效方式[1]。我國已作出2030年溫室氣體排放將達到頂峰的承諾，國家將實行更嚴格的能耗總量控制和排污量控制措施，因此，在能耗總量的控制上存在巨大壓力，需要采取有效的手段解決城市能源問題。

城區(qū)綜合能源規(guī)劃作為建筑節(jié)能管理的重要環(huán)節(jié)，對于從城市層面解決能源問題具有十分重要的意義[2]。編制經(jīng)過多年的探索，城區(qū)綜合能源規(guī)劃取得了一定的成果，其規(guī)劃意義和規(guī)劃原則已經(jīng)被越來越多的專家學(xué)者所肯定。但是，在規(guī)劃編制過程中還有一些亟待解決的實際問題：

（1）.在規(guī)劃方案制定過程中，一味的追求城區(qū)節(jié)能減排效益，過多的考慮清潔能源或可再生生能源應(yīng)用，忽略了這些節(jié)能新技術(shù)較高的固定成本帶來的整體經(jīng)濟效益的下降，這種以節(jié)能減排目標為導(dǎo)向的規(guī)劃方法，導(dǎo)致規(guī)劃在實施過程中，提出的節(jié)能指標過高，往往難以被大眾所接受，使得預(yù)期的規(guī)劃方案難以落地。

（2）.將微尺度的區(qū)域能源規(guī)劃思路照搬到城區(qū)范圍的能源規(guī)劃中。由于作為規(guī)劃對象的城區(qū)具有地域廣、地塊數(shù)量多、建筑功能復(fù)雜、可利用能源形勢多樣等特點，各地塊之間的能源系統(tǒng)相互獨立，這就使得城區(qū)內(nèi)的能源系統(tǒng)方案可以有非常多的排列組合，難以采用傳統(tǒng)的提出方案-分析方案-確定最優(yōu)方案的解決途徑。

2.能源規(guī)劃方法現(xiàn)狀研究

羅艷玲等[3]建立了基于分布式能源的工業(yè)園區(qū)綜合能源規(guī)劃模型，以最小化規(guī)劃期內(nèi)整個園區(qū)系統(tǒng)的總費用最少為目標，確定出園區(qū)內(nèi)能源轉(zhuǎn)換裝置的類型和尺寸、各種能源的供應(yīng)量及 CO2排放量。東南大學(xué)電氣工程學(xué)院王珺[4]等提出一種結(jié)合熱網(wǎng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，對多能流與負荷間耦合方式建立整數(shù)線性規(guī)劃模型，并進行案例驗證，結(jié)果表明為區(qū)域進行綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)定制化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域的綜合能源供需配比，提升各類能源的綜合利用率，經(jīng)濟性顯著提升。

Shimazaki等[5]提出了以燃料費用、設(shè)備投資費用和能源傳輸費用最小化為目標函數(shù)的工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃線性規(guī)劃模型，該模型綜合考慮了電、蒸汽、冷、熱的需求。Dicorato 等[6]綜合考慮了分布式能源的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，通過建立區(qū)域能源規(guī)劃的線性規(guī)劃模型，評估分布式發(fā)電技術(shù)對整體能源系統(tǒng)的貢獻量。Mavrotas 等[7]通過對負荷需求側(cè)不確定情況的分析，建立了建筑能源規(guī)劃的MILP模型，該模型側(cè)重考慮分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，并將該模型運用到雅典某醫(yī)院的能源規(guī)劃中，驗證了該模型的可靠性。Song等[8]以工業(yè)園區(qū)的廢熱網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過建立以總能源費用最少為目標的MILP模型，成功的對南韓麗水國際工業(yè)園廢熱網(wǎng)絡(luò)進行了規(guī)劃。

針對能源規(guī)劃的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法多用于微觀層面的區(qū)域能源規(guī)劃，且多偏重于經(jīng)濟性或節(jié)能性單方面的分析，在城區(qū)層面上的研究仍處于空白狀態(tài)，同時，沒有同時考慮經(jīng)濟性和節(jié)能性對城區(qū)能源方案實施的影響。

因此，本文以城區(qū)層面的能源供應(yīng)系統(tǒng)為研究對象，在保障各項負荷需求的前提下，綜合考慮城區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)運行費用和CO2排放目標對城區(qū)能源供應(yīng)方案的影響，通過多目標規(guī)劃法確立目標函數(shù)。由于能源系統(tǒng)運行費用和CO2排放量無法直接比較，因而先將兩變量進行無量綱化處理，然后找出其內(nèi)在聯(lián)系，同時，針對各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能目標的實際情況，引入權(quán)重優(yōu)化函數(shù)的概念，通過設(shè)置的權(quán)重系數(shù)綜合考慮城區(qū)綜合能源規(guī)劃建設(shè)中的經(jīng)濟和環(huán)境綜合效益均衡問題。

3.城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法構(gòu)建

3.1城區(qū)能源系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)專項規(guī)劃一般是將供熱、燃氣、電力分開考慮的，而實際上各能源基礎(chǔ)設(shè)施之間存在很多關(guān)聯(lián)性[3]。例如，對于供熱而言，燃氣供暖的耗能特性會影響燃氣輸配系統(tǒng)，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的規(guī)模對電網(wǎng)有一定的影響，天然氣分布式發(fā)電會影響到燃氣、供熱和電力輸配系統(tǒng)。

將系統(tǒng)工程方法論應(yīng)用于城區(qū)綜合能源規(guī)劃中，實現(xiàn)供熱、燃氣、電力等各能源基礎(chǔ)設(shè)施之間的協(xié)調(diào)，優(yōu)化資源配置。借助綜合能源規(guī)劃框圖，直觀體現(xiàn)城區(qū)能源系統(tǒng)的構(gòu)成及相互關(guān)系，如圖1所示，涵蓋供應(yīng)側(cè)、能源轉(zhuǎn)換側(cè)、需求側(cè)三個層面。

供應(yīng)側(cè)包括城區(qū)內(nèi)能量的來源，包括市政電力，市政蒸汽，燃氣，太陽能，地熱能，江（河）水，污水，風(fēng)能，生物質(zhì)能等方面。各種能源的供應(yīng)量不可能是無限的，因此，需要在規(guī)劃初期對各種能源的最大供應(yīng)量做出評估。

轉(zhuǎn)換側(cè)為各種節(jié)能技術(shù)，包括燃氣冷熱電三聯(lián)供，太陽能光伏，太陽能光熱，地源熱泵，水源熱泵，風(fēng)力發(fā)電，生物質(zhì)能發(fā)電等。不同的能源轉(zhuǎn)換形式帶來的能源效果是不同的，因此，需要合理選擇能源技術(shù)，實現(xiàn)能源效率的提升。

需求側(cè)為城區(qū)生活所需的能源，包括建筑電負荷，市政照明負荷，供熱負荷，制冷負荷，生活熱水負荷。負荷的評估應(yīng)該摒棄原有的指標估算方法，通過基于數(shù)據(jù)挖掘的城區(qū)建筑負荷預(yù)測方法開展研究[4]。

3.2城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法

針對目前城區(qū)綜合能源規(guī)劃存在的問題，為保障能源規(guī)劃方案的實施，本文提出了以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的城區(qū)綜合能源規(guī)劃方法，即從綜合衡量城區(qū)內(nèi)的能源供應(yīng)情況的角度出發(fā)，通過合理預(yù)測城區(qū)內(nèi)的需求負荷，比較各種能源利用方式的節(jié)能性和經(jīng)濟性，建立以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的能源規(guī)劃策略，從而得到最優(yōu)條件下城區(qū)內(nèi)各種能源的供應(yīng)量，構(gòu)建合理的指標體系，有效的指導(dǎo)各地塊能源方案的制定。

4.數(shù)學(xué)模型的建立

4.1問題描述

城區(qū)能量系統(tǒng)優(yōu)化可以表述為：在城區(qū)區(qū)內(nèi)有I個地塊，給定城區(qū)整體用電、城市照明、熱、冷、熱水等負荷的需求數(shù)據(jù)，從可以利用的J種資源出發(fā)，對能源供給—轉(zhuǎn)換—消費的全過程進行系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌規(guī)劃。規(guī)劃的目標是在滿足城區(qū)各種負荷需求的前提下，整個城區(qū)能源系統(tǒng)的綜合指標系數(shù)最少。假定：①各種能源設(shè)備的投資增量費用與能源供給量是線性化的關(guān)系，能源設(shè)備的運行和維護費用與能源供給量呈線性化關(guān)系;②設(shè)備的效率都是給定的常量，設(shè)備的壽命以 20 年計。

4.2優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

設(shè)定計算周期為1年，以能源總費用和CO2總排放量分別無量綱化后的數(shù)值相加作為目標函數(shù)。

上述優(yōu)化模型為多目標優(yōu)化線性規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型，通過求解可得到最佳的各能源供應(yīng)量組合。

5.結(jié)論

本文綜合考慮城區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)運行費用和CO2排放目標對城區(qū)能源供應(yīng)方案的影響，建立了綜合衡量節(jié)能性和經(jīng)濟性的多目標優(yōu)化線性規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型。

（1）.城區(qū)層面的能源供應(yīng)系統(tǒng)是復(fù)雜的，需要改變傳統(tǒng)的能源規(guī)劃思維，優(yōu)先確定最優(yōu)化的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，然后針對不同功能的地塊分別進行規(guī)劃，從而得出最優(yōu)化的能源供應(yīng)方案。

（2）.經(jīng)濟性和節(jié)能性是能源規(guī)劃實施的兩大制約因素，在規(guī)劃方法中，需要進行綜合考慮，本文提出的多目標優(yōu)化線性規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型，為確定城區(qū)的能源結(jié)構(gòu)提供有效的解決方法，為指導(dǎo)城區(qū)綜合能源規(guī)劃的編制、保障能源規(guī)劃方案的落實提供了實施途徑。

參考文獻

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