崔夢然，郭健翔，李聞卓，田雪沁，王娜，孫晉飛

(1.青島理工大學(xué) 山東省余熱利用與節(jié)能裝備技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266033；2.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

天然氣冷熱電三聯(lián)供可以顯著提高一次能源利用率，實現(xiàn)清潔能源的梯級利用、削峰填谷和減少污染物排放，已成為當(dāng)今國內(nèi)外能源發(fā)展的一大熱點[1-3]。截至2020年，美國計劃一半的新建商用建筑或辦公樓通過冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)供能[4]。在歐洲，多國出臺相關(guān)政策支持燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的發(fā)展[5]。國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)天然氣利用的意見》一文中指出，要大力推廣天然氣分布式能源的應(yīng)用和發(fā)展。實際應(yīng)用中，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)存在著冷熱電供需負(fù)荷不匹配的問題，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差，成為可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。要使燃?xì)馊?lián)供與其他能源耦合協(xié)同供能成為有效途徑，對多能耦合系統(tǒng)而言，提出合理的優(yōu)化方法對系統(tǒng)配置、運行模式進(jìn)行優(yōu)化，對減少投資、降低能耗和運行費用至關(guān)重要。

E.Cardona等[6]建立了熱泵耦合燃?xì)廨啓C(jī)的三聯(lián)供系統(tǒng)，通過比較電價和產(chǎn)生單位電能所需的燃料價格決定運行模式及系統(tǒng)配置；嚴(yán)曉生等[7]建立了以年總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，混合整數(shù)非線性優(yōu)化配置的模型，對耦合太陽能光熱的CCHP系統(tǒng)中原動機(jī)容量和集熱器面積進(jìn)行了優(yōu)化；趙鐵軍等[8]構(gòu)建了一種光伏+電采暖系統(tǒng)，以光伏和蓄熱體全壽命周期投資運營成本最小為目標(biāo)建立了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法進(jìn)行求解，對光伏板面積和蓄熱體容量進(jìn)行了優(yōu)化配置。上述研究多以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，主要考慮了系統(tǒng)的運行成本和初期投資。近年來，隨著國家對節(jié)能環(huán)保的重視，經(jīng)濟(jì)性不再是衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的唯一因素。在第七十五屆聯(lián)合國大會上，習(xí)總書記提出我國將力爭在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實現(xiàn)碳中和，因此構(gòu)建系統(tǒng)時考慮減少碳排放量勢在必行，在系統(tǒng)優(yōu)化時應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響和能源消耗量。目前，將多目標(biāo)優(yōu)化問題通過加權(quán)求和轉(zhuǎn)化成單一目標(biāo)優(yōu)化模型是解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的重要方法。李夢靜[9]，周王斌[10]，魏大鈞[11]構(gòu)建了多能耦和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，將耦合系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率、經(jīng)濟(jì)節(jié)約率、污染物減排率加權(quán)求和得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并對系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化，但加權(quán)系數(shù)選取主觀性較強(qiáng)，影響了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，上述研究沒有反映負(fù)荷、設(shè)備性能動態(tài)變化的影響，而實際運行中負(fù)荷需求、設(shè)備運行性能隨氣象條件逐時變化，這些都直接影響設(shè)備配置和運行模式的優(yōu)化結(jié)果。

針對以上問題，本文提出一種基于瞬態(tài)模擬的多能耦合系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法。在TRNSYS平臺上建立燃?xì)廨啓C(jī)耦合地源熱泵冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的瞬態(tài)模擬計算模型，在滿足供需動態(tài)平衡的模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，同時提出一種避免加權(quán)系數(shù)選取的主觀性影響優(yōu)化結(jié)果的方法，建立以費用年值節(jié)約率、一次能源節(jié)約率、污染物排放影子成本節(jié)約率的加權(quán)和最大為目標(biāo)函數(shù)的非線性優(yōu)化模型，采用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對耦合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化變量約束條件和設(shè)備選型樣本將變量離散為n組數(shù)據(jù)，優(yōu)化過程中取不同加權(quán)系數(shù)，每次優(yōu)化結(jié)果為n組數(shù)據(jù)中的一組，則出現(xiàn)次數(shù)最多的某組數(shù)據(jù)代表在多次考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能和環(huán)保不同權(quán)重時，該配置下系統(tǒng)性能仍優(yōu)于其他配置，則定義該配置為系統(tǒng)的最優(yōu)配置。結(jié)合北京某醫(yī)院實際應(yīng)用案例，探究耦合系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)容量和地源熱泵容量的最佳配置比。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

構(gòu)建一種天然氣冷熱電聯(lián)供耦合土壤源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包含燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組、煙氣/熱水換熱器、熱泵等設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)通過連續(xù)流動的氣體工質(zhì)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)做功發(fā)電，燃燒時排出高溫的余熱煙氣在夏季驅(qū)動溴化鋰機(jī)組制冷，在冬季向建筑供暖[12]。土壤源熱泵利用淺層地?zé)崮苎a充夏季供冷及冬季供熱的不足。燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量首先供聯(lián)供系統(tǒng)使用，余電上網(wǎng)。燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine coupled soil source heat pump CCHP system

為充分考慮氣象參數(shù)對系統(tǒng)的影響，同時保證系統(tǒng)的逐時能量輸出，滿足建筑的冷熱負(fù)荷需求，構(gòu)建耦合系統(tǒng)的瞬態(tài)計算模型，采用TRNSYS軟件模擬耦合系統(tǒng)在全年內(nèi)的運行情況。耦合系統(tǒng)瞬時計算模型如圖2所示。圖2中，P為水泵，M為合流器，D為分流器。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源CCHP系統(tǒng)TRNSYS模型圖Fig.2 TRNSYS model diagram of gas turbine coupled soil source CCHP system

根據(jù)各能源設(shè)備的建造成本和能量等級等因素，構(gòu)建多能耦合系統(tǒng)運行策略，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行方式Fig.3 Operation mode of system

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型

1.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

任意時刻燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量和煙氣余熱量與輸入燃料熱量之間的關(guān)系式為

(1)

(2)

根據(jù)某典型品牌的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)據(jù)，擬合得到燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量與室外空氣溫度和煙氣余量之間的關(guān)系為

1.2.2 吸收式溴化鋰機(jī)組

吸收式溴化鋰制冷機(jī)消耗熱能提供冷能，任意時刻消耗的熱能與產(chǎn)生的冷能關(guān)系可表示為

(4)

1.2.3 土壤源熱泵機(jī)組

土壤源熱泵機(jī)組在任意時刻消耗電能與產(chǎn)生的冷量/熱量的關(guān)系表示為

(5)

(6)

2 系統(tǒng)優(yōu)化模型

多能耦合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備較多，不同的設(shè)備配置會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響，因此要對系統(tǒng)內(nèi)的配置進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化方法

為了使優(yōu)化后的系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保方面與傳統(tǒng)系統(tǒng)形式相比均具有明顯優(yōu)勢，本文選取傳統(tǒng)分供系統(tǒng)(燃?xì)忮仩t供暖，電制冷機(jī)組制冷)作為基準(zhǔn)系統(tǒng)，以耦合系統(tǒng)的費用年值節(jié)約率M1、一次能源節(jié)約率M2和環(huán)境污染物影子成本節(jié)約率M3加權(quán)求和得到的F為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，選擇優(yōu)化變量為燃?xì)廨啓C(jī)容量和熱泵容量。其中目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)F的表達(dá)式為

F=αM1+βM2+γM3，

(7)

式中，α，β，γ為加權(quán)系數(shù)，且α+β+γ=1，≤0≤α，β，γ≤1，取不同的加權(quán)系數(shù)，可以得到不同的優(yōu)化結(jié)果。為探究加權(quán)系數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響，在取不同加權(quán)系數(shù)的情況下,對多能耦合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的配置進(jìn)行優(yōu)化，具體見如表1所示。

表1 加權(quán)系數(shù)取值表Tab.1 Table of weighting coefficients

2.1.1M1計算方法

M1計算式如下。

ATC=CC+Cf+Cm，

(8)

(9)

(10)

Cm=μ×P，

(11)

(12)

式中：ATC為系統(tǒng)的費用年值，元；CC為系統(tǒng)各項設(shè)備投資折算年值，元；Cf為系統(tǒng)年運行費用，元；Cm為系統(tǒng)年維修費用，元；P為設(shè)備總投資，元；i為貸款年利率，取0.065；n為系統(tǒng)運行年限，取20年；cgas為天然氣單價，元/m3；Vgas為系統(tǒng)的天然氣消耗量，m3；Cel，sell為上網(wǎng)電價，元 /kW·h；Cel，buy為購電價格，元/kWh；μ為比例系數(shù)，一般取0.03；ACTx為燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)ATC；ACT0為基準(zhǔn)系統(tǒng)的ATC。

2.1.2M2計算方法

M2計算式如下。

(13)

(14)

式中：PEC為一次能源消耗量，kJ；ηgrid為電廠平均供電效率，取0.92；ηe為電網(wǎng)輸電效率，取0.35；PECx為燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)的PEC；PEC0為基準(zhǔn)系統(tǒng)的PEC。

2.1.3M3計算方法

M3計算式如下。

PSC=TC×CDE+TN×NOE，

(15)

(16)

CDE及NOE的計算方法參考文獻(xiàn)[13-16]。

式中：PSC為環(huán)境污染物影子成本，元；TC為二氧化碳排放影子成本，元/t，取20.83[13]；CDE為系統(tǒng)CO2排放量，t；TN為氮氧化物排放影子成本，元/t，取8 006.84[13]；NOE為系統(tǒng)NOX排放量，t；PSCx為燃?xì)廨啓C(jī)耦合土壤源熱泵CCHP系統(tǒng)的PSC；PSC0為基準(zhǔn)系統(tǒng)的PSC。

表2 NOX排放因子[14]Tab.2 NOXemission factor

2.2 約束條件

2.2.1 功率平衡約束

為避免產(chǎn)生資源浪費，系統(tǒng)逐時的冷、熱量輸出應(yīng)與逐時需求相等，即

(17)

式中，ηHX,smoke為煙氣/熱水換熱器的效率。

2.2.2 設(shè)備出力約束

設(shè)備出力約束條件為

(18)

2.3 優(yōu)化算法

為保證系統(tǒng)的優(yōu)化過程準(zhǔn)確高效，選擇hooke-jeeves優(yōu)化算法，這是一種搜索模式法，該方法無需計算目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，即可完成尋找一組參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)趨于極小[17-18]。

本文選擇熱泵容量和燃?xì)廨啓C(jī)容量為優(yōu)化變量，優(yōu)化變量的集合設(shè)為

系統(tǒng)優(yōu)化流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化流程Fig.4 System optimization process

3 算例分析

3.1 建筑概況

某血液病專科醫(yī)院位于北京市海淀區(qū)清河街道，總建筑面積75 337 m2，其中冷熱供應(yīng)總面積約64 000 m2。為準(zhǔn)確獲得該區(qū)域動態(tài)負(fù)荷需求，本文選用DeST模擬建筑的逐時冷熱負(fù)荷，得到全年8 760 h的逐時冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)報表,見圖5。

圖5 醫(yī)院全年逐時冷熱負(fù)荷曲線Fig.5 Hourly cold and heat load curves of the hospital throughout the year

由模擬結(jié)果可知，該醫(yī)院的逐時熱負(fù)荷峰值為4 916 kW,逐時冷負(fù)荷峰值為7 975 kW。統(tǒng)計得到建筑全年累計熱負(fù)荷為30 592 GJ，全年累積冷負(fù)荷為30 827 GJ。

3.2 計算條件

(1)天然氣價格[19]。發(fā)電用天然氣價格為2.39元/m3，制暖供冷用氣價格為2.49元/m3。

(2)電價。根據(jù)最新政策，北京地區(qū)非居民用電的分時電價表如表3所示。

表3 分時電價表Tab.3 Time share tariff

天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價為0.65元/kWh[20]。

(3)設(shè)備參考價格。設(shè)備價格是影響系統(tǒng)投資的重要因素，進(jìn)而影響系統(tǒng)的費用年值。對本文涉及到的設(shè)備，查得某典型品牌設(shè)備的單位熱量價格如表4所示，其他工程中可根據(jù)實際情況定價。

表4 設(shè)備價格表Tab.4 Equipment price list

3.3 系統(tǒng)瞬態(tài)模擬及優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上文中變量間的約束關(guān)系，同時考慮到系統(tǒng)的負(fù)荷情況，按照燃?xì)廨啓C(jī)可承擔(dān)最大熱負(fù)荷的100%，90%，…，0，將變量離散為表5中的11組配置。

表5 耦合系統(tǒng)配置表Tab.5 Configuration table of the coupling system

由模擬結(jié)果計算系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如圖6所示。

圖6 不同配置下系統(tǒng)各項參數(shù)變化曲線Fig.6 Change curves of system parameters under different configuration

由圖6可以看出，系統(tǒng)的費用年值、一次能源消耗量和污染物排放量均隨著燃?xì)廨啓C(jī)容量的減小而先減少后增大。以F為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如圖7所示，系統(tǒng)配置的優(yōu)化結(jié)果隨加權(quán)系數(shù)取值的不同而有所不同。加權(quán)系統(tǒng)設(shè)置下，配置10為最優(yōu)配置出現(xiàn)的次數(shù)最多，說明系統(tǒng)在此配置下性能最優(yōu)，因此燃?xì)廨啓C(jī)571 kW、土壤源熱泵7 161 kW為耦合系統(tǒng)的最佳配置。在該配置下，全年冷熱負(fù)荷承擔(dān)情況如圖8～10所示。

圖7 不同配置下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)變化曲線Fig.7 Change curves of optimization objective function under different configuration

圖8 全年累積冷熱負(fù)荷分配情況Fig.8 Distribution of cumulative cold and heat load throughout the year

圖9 各設(shè)備逐時制熱量曲線Fig.9 Hourly heating capacity curves of each equipment

圖10 各設(shè)備逐時制冷量曲線Fig.10 Hourly cooling capacity curves of each equipment

全年的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量和土壤源熱泵消耗電量如圖11～12所示。

圖11 逐時發(fā)電量與耗電量曲線Fig.11 Hourly power generation and power consumption curves

由模擬結(jié)果可以看出，在該配置下，燃?xì)廨啓C(jī)大都滿負(fù)荷運行，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)承擔(dān)了大多數(shù)的建筑負(fù)荷，燃?xì)廨啓C(jī)余熱承擔(dān)的熱負(fù)荷約占總熱負(fù)荷的93.7%，溴化鋰機(jī)組的制冷量約占總冷負(fù)荷的75.6%，剩余的冷熱負(fù)荷均由土壤源熱泵承擔(dān)。從發(fā)電量的統(tǒng)計結(jié)果看，總發(fā)電量多于土壤源熱泵的耗電量，逐時發(fā)電量也均大于土壤源熱泵逐時耗電量。由于冬季運行時間較夏季長，因此冬季累積發(fā)電量多于夏季工況。

圖12 累積電量統(tǒng)計結(jié)果Fig.12 Cumulative power statistical results

3.4 對比分析

為了更直觀地表現(xiàn)出該系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在同一建筑冷熱負(fù)荷情況下，將優(yōu)化得到的系統(tǒng)與單一土壤源熱泵和傳統(tǒng)分供式系統(tǒng)進(jìn)行比較，分別計算M1，M2和M3，計算的相關(guān)數(shù)據(jù)如表6和圖13所示。

表6 各系統(tǒng)費用年值、一次能源消耗量、污染物排放量統(tǒng)計表Tab.6 Statistical table of annual cost,primary energy consumption and pollutant discharge of each system

由表6和圖13可以看出，耦合系統(tǒng)除費用年值比分供系統(tǒng)略高之外，其在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境方面都具有突出優(yōu)勢，其中環(huán)境效益尤為顯著，相對于分供系統(tǒng)和單獨的土壤源熱泵系統(tǒng)，污染物影子成本節(jié)約率分別高達(dá)57.2%和50.1%，一次能源節(jié)約率分別為43.5%和12.1%，從費用年值節(jié)約率來看，耦合系統(tǒng)比單獨土壤源熱泵系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)，年值節(jié)約率為12.4%，但比分供系統(tǒng)成本高、節(jié)約率為3.8%。

圖13 耦合系統(tǒng)與基準(zhǔn)系統(tǒng)各項指標(biāo)對比圖Fig.13 Comparison chart of the coupling system and benchmark system indexes

4 結(jié) 論

(1)針對多能耦合系統(tǒng)，提出一種基于TRNSYS瞬態(tài)模擬的建模方法，在全年供能周期內(nèi)逐時進(jìn)行供需動態(tài)平衡計算，在此基礎(chǔ)上建立綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、一次能源消耗量的多目標(biāo)優(yōu)化模型，同時提出一種避免加權(quán)系數(shù)選取主觀性影響優(yōu)化結(jié)果的方法，既反映了供能系統(tǒng)和負(fù)荷需求的動態(tài)匹配，又客觀符合多目標(biāo)優(yōu)化原則，對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化和評價具有一定參考價值。

(2)通過模擬和優(yōu)化，結(jié)果表明：燃?xì)廨啓C(jī)功率571 kW、土壤源熱泵功率7 161 kW為該系統(tǒng)的最佳配置；對比單一的土壤源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)除在費用年值上比分供系統(tǒng)略高以外，在其余方面均具有明顯優(yōu)勢，其中一次能源節(jié)約率分別為12.1%和43.5%，環(huán)境污染物影子成本節(jié)約率分別為50.1%和57.2%，相比于單一土壤源熱泵系統(tǒng)，費用年值節(jié)約率為12.4%。