陶光躍 鐘文琪 陳 曦 周冠文

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

城市熱電廠作為城市能源系統(tǒng)的供電主體，存在供能形式單一、能源利用率低等缺點，而城市的快速發(fā)展也帶來了更大規(guī)模更為多樣的能源需求[1].同時在碳中和的大背景下，碳排放[2]成為能源系統(tǒng)規(guī)劃運行中需要考慮的關(guān)鍵問題.綜合能源系統(tǒng)[3]對能源轉(zhuǎn)換、分配、存儲與消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)和優(yōu)化[4-5]，能有效提升能源利用效率，減少化石能源的消耗.基于城市熱電廠的綜合能源系統(tǒng)不僅可以將城市熱電廠位于城中發(fā)展受限的劣勢轉(zhuǎn)化為能源供給中心的優(yōu)勢，還能滿足城市快速發(fā)展帶來的多能源需求.

目前，學(xué)者們已經(jīng)在不同類型綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計方面取得了一定成果.圍繞城市熱電廠，呂凱文[6]在燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了含燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和儲熱的多能互補城市供熱系統(tǒng)；呂泉等[7]、郝俊紅等[8]針對北方采暖地區(qū)的棄風(fēng)現(xiàn)狀，建立了含熱電、火電、風(fēng)電和儲能的大型電熱綜合能源系統(tǒng)，并對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備容量和運行策略進行了優(yōu)化.但是，對以城市熱電廠為核心的綜合能源系統(tǒng)研究仍是以北方供電供熱為主，未考慮冬冷夏熱地區(qū)集中供冷的需求.許寧等[9]對熱電廠集中供冷的可行性和經(jīng)濟效益展開了理論分析，但是未進行相關(guān)的應(yīng)用研究.對考慮集中供冷的綜合能源系統(tǒng)研究大多聚焦于小區(qū)域范圍建筑群.Ma等[10]、鄭國太等[11]依據(jù)單棟建筑物的用能需求，提出了一種以光伏、地?zé)岬瓤稍偕茉蠢脼橹鞯木C合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方案；Wu等[12]、Mu等[13]考慮設(shè)備運行特性建立了社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)；針對新建園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計更是目前綜合能源系統(tǒng)研究的重點，周燦煌等[14]提出了一種面向園區(qū)微網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化配置方法；Li等[15]、Yin等[16]、Chen等[17]對新建園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備配置及運行優(yōu)化也展開了一系列研究.隨著對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)研究的不斷深入以及相關(guān)技術(shù)的成熟，一些園區(qū)綜合能源項目也正式落地運行，如北辰商務(wù)中心辦公大樓綜合能源系統(tǒng)示范工程、江蘇同里綜合能源服務(wù)中心工程等[18].但是，部分綜合能源項目在實際運行時存在經(jīng)濟效益明顯而碳減排成效低的問題，這與規(guī)劃設(shè)計階段的設(shè)備配置息息相關(guān)，一些綜合能源系統(tǒng)在設(shè)計階段僅以系統(tǒng)經(jīng)濟性[19-20]為優(yōu)化目標(biāo)，未充分考慮系統(tǒng)的碳減排效應(yīng).

基于以上研究并考慮供需關(guān)系及區(qū)域資源，本文提出了4種規(guī)劃方案，建立考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行特性的綜合能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以包含碳稅的年總費用為優(yōu)化目標(biāo)，利用Gurobi求解器對考慮全年逐時冷熱負荷特性的優(yōu)化模型進行尋優(yōu)求解；其次從綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性和碳排放量2個方面評估4種規(guī)劃方案的優(yōu)劣，得到相對較優(yōu)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案；最后對4種方案在不同碳稅價格下的設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果展開敏感性分析.本文所構(gòu)建的基于城市燃煤熱電廠的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，對城市電廠的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供一定的參考價值.

1 供需關(guān)系分析

所選城市位于安徽省東北部，屬于典型的冬冷夏熱區(qū)域.當(dāng)?shù)卣畯膶嶋H出發(fā)決議通過了《供熱規(guī)劃》，要求分3期實現(xiàn)城區(qū)1 200萬m2建筑集中供熱.隨著城市的快速發(fā)展，部分建筑的冷負荷也將納入集中供能的范圍.城市全年逐日平均溫度變化如圖1所示，依據(jù)該地區(qū)的天氣溫度變化并結(jié)合實際情況，該地區(qū)的集中供暖天數(shù)設(shè)定為100 d，集中供冷天數(shù)設(shè)定為90 d.綜合考慮室外溫度、建筑類型、作息時間等因素[21]，并結(jié)合實際的運行數(shù)據(jù)對該地區(qū)冷熱負荷進行粗略的預(yù)測，假設(shè)其中集中供冷的建筑占總商業(yè)、辦公建筑的30%，預(yù)測結(jié)果顯示全年熱負荷峰值約為669.85 MW，冷負荷峰值約為151.4 MW，圖2展示了冬夏典型日內(nèi)需求側(cè)各負荷的特性曲線.

圖1 全年逐日平均溫度變化曲線

圖2 冬夏典型日負荷特性曲線

熱電廠現(xiàn)有2臺350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，最大供暖負荷約為286 MW，最大工業(yè)蒸汽負荷約為430 MW.綜上所述，現(xiàn)有能源系統(tǒng)無法滿足夏季供冷以及冬季供暖需求，需要對能源系統(tǒng)進行重新規(guī)劃.依據(jù)廠區(qū)條件分析[22]，能源系統(tǒng)可選擇的設(shè)備包括燃氣鍋爐、吸收式熱泵、地源熱泵、電制冷機組和適量儲能裝置.結(jié)合供需關(guān)系，擬定以下4種設(shè)備配置方案：① 熱電聯(lián)產(chǎn)機組 + 燃氣鍋爐 + 電制冷機組；② 熱電聯(lián)產(chǎn)機組 + 燃氣鍋爐 + 電制冷機組 + 吸收式熱泵；③ 熱電聯(lián)產(chǎn)機組 + 燃氣鍋爐 + 電制冷機組 + 吸收式熱泵 + 地源熱泵；④ 熱電聯(lián)產(chǎn)機組 + 燃氣鍋爐 + 電制冷機組 + 吸收式熱泵 + 地源熱泵 + 儲能.

上述方案中，方案1為參考系統(tǒng)，從傳統(tǒng)冷熱分供角度出發(fā)，在現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)機組基礎(chǔ)上增加燃氣鍋爐設(shè)備補足熱負荷缺口，采用大型電壓縮制冷機組滿足夏季新增的冷負荷需求.方案2充分考慮熱電廠的余熱利用，增加了吸收式熱泵.方案3在余熱利用基礎(chǔ)上，增加地源熱泵等可再生能源設(shè)備，減少化石燃料的消耗.方案4進一步考慮儲能裝置在綜合能源系統(tǒng)運行中削峰填谷、平移負荷的作用.其中方案4的能流結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3 含儲能的綜合能源系統(tǒng)能流示意圖

2 設(shè)備能量轉(zhuǎn)換模型

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)機組模型

處理熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電負荷和能耗等多參數(shù)非線性關(guān)系通常有2種方法：① 采用多項式擬合[7]的方式，將熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電負荷與運行能耗之間的關(guān)系表示為冪次函數(shù)形式；② 基于大量的工況數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)中的回歸算法對運行能耗展開預(yù)測.由于該廠的熱電聯(lián)產(chǎn)機組為雙抽凝汽式機組，其熱電負荷關(guān)系更加復(fù)雜，能耗模型非線性程度更高，對于多項式擬合來說誤差較大，而機器學(xué)習(xí)在表示非線性映射方面具有準(zhǔn)確性高、性能好的優(yōu)勢，因此本文將采用機器學(xué)習(xí)中的回歸算法建立熱電聯(lián)產(chǎn)機組能耗數(shù)學(xué)模型.

首先，從該電廠全年運行數(shù)據(jù)中篩選出純凝發(fā)電工況、采暖工況、工業(yè)抽汽工況和工業(yè)采暖雙抽工況下的熱電負荷和機組運行能耗數(shù)據(jù)集.為了提高模型的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)選取的合理范圍如下：電負荷變化區(qū)間99.02 ～ 367.24 MW、采暖抽汽熱負荷變化區(qū)間0 ～ 183.06 MW、工業(yè)抽汽熱負荷變化區(qū)間0 ～ 215.41 MW，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理并剔除壞值點后得到共計4 136組數(shù)據(jù).模型訓(xùn)練時為防止模型過度擬合及保證模型的可靠性，在回歸訓(xùn)練中采用交叉驗證的方法將數(shù)據(jù)集劃分為10份并驗證每一份的準(zhǔn)確性.

以熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電負荷、采暖抽汽熱負荷和工業(yè)抽汽熱負荷為模型的輸入值，機組的運行能耗為輸出值，利用線性回歸、支持向量回歸、高斯過程回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等4種常用回歸算法對篩選數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，并以平均絕對誤差MAE、均方根誤差RMSE和決定系數(shù)R2三個指標(biāo)對不同算法展開比較，訓(xùn)練結(jié)果如表1所示.

評估指標(biāo)中的MAE和RMSE實質(zhì)上都是預(yù)測值與真實值之間的誤差，故數(shù)值越小，表示訓(xùn)練模型性能越好；R2表示自變量不變時，因變量的變化程度，通常介于0～1之間，越接近1，說明回歸擬合效果越好.從表1中R2的值可知，4種回歸算法均能很好表示熱電負荷與汽輪機運行能耗之間的強相關(guān)關(guān)系，得到的回歸模型對預(yù)測結(jié)果的可解釋程度均超過90%.比較4種回歸模型的MAE、RMSE指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)高斯回歸過程得到的訓(xùn)練模型2種誤差均最小，支持向量回歸得到的訓(xùn)練模型誤差最大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與線性回歸算法得到的訓(xùn)練模型2種誤差數(shù)值相差較小，在指標(biāo)MAE上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型略低于線性回歸模型，而在指標(biāo)RMSE上卻相反.綜上，在4種機器學(xué)習(xí)回歸算法中，通過高斯過程回歸得到的訓(xùn)練模型在各方面均最優(yōu)，能較精確表示熱電負荷與運行能耗之間的關(guān)系.

表1 不同回歸算法模型訓(xùn)練結(jié)果

2.2 燃氣鍋爐模型

燃氣鍋爐的輸出功率與自身的運行特性和負荷率有關(guān)，其制熱表達式如下：

Qh,GB=f(ηGB,VGB,qg)

(1)

式中，Qh,GB表示燃氣鍋爐的輸出熱功率，kW；ηGB表示燃氣鍋爐的制熱效率；VGB表示燃氣鍋爐的天然氣消耗量，m3；qg表示天然氣熱值，kJ/m3.其中，燃氣鍋爐的效率ηGB與負載率εGB有關(guān)，文獻[23]將其表示為如下二次表達式形式：

(2)

式中，a0、a1、a2為擬合系數(shù).

2.3 熱泵模型

熱泵兼具供暖和供冷功能，其輸出功率主要與能效比相關(guān)，能量轉(zhuǎn)換表達式如下：

(3)

式中，Qh,HP、Qc,HP分別為冬季制熱和夏季制冷時熱泵的輸出功率，kW；QE為熱泵消耗的較高品質(zhì)能量，kW；ηh,HP表示熱泵制熱能效比；ηc,HP表示制冷能效比.熱泵模型的各項參數(shù)見表2.

表2 各類熱泵的經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)[24]

熱泵類型狀態(tài)效率投資成本/(元·kW-1)維護成本/(10-4元·kW-1·h-1)吸收式熱泵制熱1.71 5004.70制冷1.21 5006.70地源熱泵制熱3.53 0002.50制冷4.23 0001.90

2.4 儲熱/冷裝置模型

儲能系統(tǒng)可分為儲電、儲熱、儲冷3種類型.其中儲冷、儲熱設(shè)備價格低廉，安全性高，可大規(guī)模布置，在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運行中發(fā)揮著重要作用.根據(jù)儲能設(shè)備的運行狀態(tài)可將儲能設(shè)備分為蓄能和放能2種情況，數(shù)學(xué)模型表示如下：

蓄能階段

(4)

放能階段

(5)

儲能裝置在運行過程中受到蓄存量、蓄放功率等約束，同時為減小長期存儲帶來的能量損失，假定調(diào)度周期內(nèi)初始、終止時刻的蓄存量相等[25]，即

(6)

表3 儲能裝置的經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)[14]

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化及評估方法

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段，除了考慮綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性，還將重點考慮能源系統(tǒng)的二氧化碳排放量，提高綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境效益.全年經(jīng)濟性的直觀表現(xiàn)為年總成本Fatc，包括綜合能源系統(tǒng)設(shè)備初始投資折舊成本fin(x)、綜合能源系統(tǒng)運行的設(shè)備維護費用fop(x)，以及設(shè)備運行能源消耗成本fmc(x).其函數(shù)表達式如下：

Fatc=fin(x)+fop(x)+fmc(x)

(7)

對新增能源設(shè)備初始投資成本采用投資回收系數(shù)法將成本均攤到運行壽命內(nèi)的每一年，其中設(shè)備的投資回收系數(shù)r可用下式表示：

(8)

式中，m表示折現(xiàn)率；n表示設(shè)備使用年限.

二氧化碳排放主要來自化石燃料的燃燒，包括煤、石油、天然氣，在綜合能源系統(tǒng)中，二氧化碳排放量FCO2可用下式表示：

(9)

式中，L為設(shè)備種類總數(shù)；T為設(shè)備全年運行時長，h；ψx為不同能源設(shè)備單位出力二氧化碳排放量，kg/(kW·h)；Cx為不同能源設(shè)備在不同時段的出力，kW·h.

為更好地將系統(tǒng)二氧化碳排放量體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中，此處引入碳稅的概念，即每排放單位質(zhì)量的二氧化碳氣體征收相應(yīng)價格的碳排放稅，用符號κ表示，元/kg.

因此總的目標(biāo)函數(shù)可表示為

minF=Fatc+κFCO2

(10)

3.2 約束條件

綜合能源系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計階段和運行階段受各方面因素限制，在優(yōu)化過程中這些限制以約束表達式的形式體現(xiàn)，本節(jié)只對一些基本約束予以討論.

3.2.1 負荷供需平衡約束

對于任意時刻，供給側(cè)負荷出力和需求側(cè)負荷之間的關(guān)系有

(11)

3.2.2 設(shè)備性能約束

能源生產(chǎn)設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備均受到設(shè)備的最大功率和最小功率約束，即

minC≤Cx≤maxCx∈{1,2,…,L}

(12)

式中，C表示設(shè)備的輸出功率，kW.

除此之外，各能源設(shè)備還受到爬坡能力約束，即單位時間內(nèi)出力變化大小約束，即

CD≤Ct+1-Ct≤CU

(13)

式中，CD、CU分別表示設(shè)備的向上爬坡最大功率和向下爬坡最大功率，kW；Ct、Ct+1分別表示t時刻和t+1時刻設(shè)備的輸出功率，kW.

3.3 求解方法

本文建立的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型求解規(guī)模大、非線性強、復(fù)雜度高，需采用新一代的Gurobi求解器，它綜合了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法和啟發(fā)式算法的優(yōu)點，可以快速求解混合整數(shù)線性、非線性、非凸、二階錐等復(fù)雜規(guī)劃模型，得到確定的較優(yōu)解.Gurobi求解器的優(yōu)化原理如下：

① 建立設(shè)備能量轉(zhuǎn)換模型以及包含目標(biāo)函數(shù)、決策變量、約束條件等方程的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，利用啟發(fā)式算法得到優(yōu)化問題的可行解，并將此可行解的目標(biāo)函數(shù)值作為優(yōu)化目標(biāo)的上界F1.

② 將優(yōu)化模型中的整型變量{ 0 , 1 }線性化轉(zhuǎn)換成連續(xù)變量[ 0 , 1 ]，由此進行松弛后的優(yōu)化模型將轉(zhuǎn)換成線性規(guī)劃問題，得到的目標(biāo)函數(shù)值也一定小于等于原問題的最優(yōu)解，因此將該值作為求解問題的下界F0.

③ 將每一個整型變量進行分支，并添加相應(yīng)的整型約束條件，直至求得滿足原問題的可行解，并計算此可行解的目標(biāo)函數(shù)值F′.

④ 比較F′與F1的大小，若F′≤F1，則更新優(yōu)化問題的上界為F′，并繼續(xù)進行下一步；若F′>F1，則回到分支求解階段繼續(xù)尋找最優(yōu)可行解.

⑤ 將目標(biāo)函數(shù)值的下界F0與更新后的目標(biāo)函數(shù)值上界F′做相對差計算，用G表示，G=(F′-F0)/F0，若G小于設(shè)定值0.01%，則輸出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值和相應(yīng)的可行解；若不滿足條件，則繼續(xù)進行分支求解，直至滿足輸出條件.

3.4 評估方法

對于綜合能源系統(tǒng)的評估問題，目前的評估工作大多針對獨立的能源系統(tǒng)，評估指標(biāo)的細化導(dǎo)致評估內(nèi)容缺乏完整性.本研究從綜合能源系統(tǒng)整體運行的角度出發(fā)，依據(jù)系統(tǒng)全年逐時冷熱負荷需求，將考慮初始投資成本和全年運維成本的總成本及年二氧化碳排放量作為評估指標(biāo)，比較4種規(guī)劃設(shè)計方案的相對優(yōu)劣.

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 基本參數(shù)

參考文獻[25-26]，假設(shè)系統(tǒng)中新增設(shè)備的生命周期均為20 a，折現(xiàn)率取值為0.08，燃煤折合標(biāo)煤價格為850元/t，天然氣的價格為3.0元/m3，碳稅價格為0.3元/kg.

4.2 優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合第2節(jié)的能量耦合與轉(zhuǎn)換模型和第3節(jié)的優(yōu)化模型，利用Matlab調(diào)用Gurobi求解器，對全年冷熱負荷進行逐時優(yōu)化計算，最后將得到的數(shù)據(jù)進行處理便可得到該場景下綜合能源系統(tǒng)設(shè)備最優(yōu)容量配置.

根據(jù)各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型可知，儲能裝置與其他設(shè)備有很大的不同，其最大儲放功率受到額定容量的約束，因此在優(yōu)化過程中需要首先確定儲能裝置的容量才能更為準(zhǔn)確地表示儲能裝置的工作過程，從而達到各設(shè)備容量優(yōu)化求解的目的.圖4所示為優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)值隨儲能裝置容量的變化過程.

圖4 方案4目標(biāo)函數(shù)值隨儲能容量增長的變化曲線

隨著儲能容量的增大，目標(biāo)函數(shù)值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最優(yōu)容量出現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)值最小處.究其原因，儲能裝置相對其他能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)換裝置具有初始投資成本低的優(yōu)勢，在實際運行過程中可通過平移負荷降低能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)備的容量，特別是用于調(diào)峰的燃氣鍋爐；另一方面，增加儲能裝置還可以減少綜合能源系統(tǒng)的運行成本.但是當(dāng)儲能容量達到某一值后，設(shè)備初始投資成本和碳排放費用開始增加，并且超過運行成本的減少量，目標(biāo)函數(shù)值開始增大.因此，存在一個最優(yōu)的儲能裝置容量使綜合能源系統(tǒng)全年運行的目標(biāo)函數(shù)值最小.

分別建立4種方案的全年逐時優(yōu)化模型，以包含碳稅的年總費用最低為優(yōu)化目標(biāo)，對各方案新增設(shè)備的容量進行優(yōu)化求解，得到4種方案的設(shè)備容量如表4所示.

從表4設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果來看，從方案1到方案4燃氣鍋爐的容量配置不斷下降；除方案1外，其他3種方案吸收式熱泵始終保持最大可配置容量不變，且均未單獨配置電制冷機組；方案4在方案3的基礎(chǔ)上僅添加了儲能裝置，燃氣鍋爐的容量降低63.4 MW，相對減少約47.43%.由此說明，在該場景下綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備配置中，吸收式熱泵具有最高優(yōu)先級；相對于僅具有供冷功能的電制冷機組來說，冷熱兩用的吸收式熱泵和地源熱泵的經(jīng)濟性更高；增加儲能裝置可減少能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)備的容量配置.

表4 設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果 MW

設(shè)備名稱方案1方案2方案3方案4燃氣鍋爐316.29182.07133.6670.26電制冷機組151.4000吸收式熱泵311311311地源熱泵48.4250.07儲能裝置/(MW·h)210

在各方案設(shè)備容量優(yōu)化過程中，需要綜合考慮設(shè)備的初始投資成本、運維成本以及碳排放費用.例如，燃氣鍋爐的單位投資成本最低，但是其燃料價格較高且能效相對較低，導(dǎo)致運維成本極高，因此在不斷添加其他類型能源設(shè)備時，燃氣鍋爐的容量配置不斷下降.經(jīng)計算，當(dāng)碳稅價格為0.3元/kg，燃氣鍋爐、吸收式熱泵、地源熱泵等設(shè)備供熱時包含碳稅的單位供熱成本分別為105.07、37.91和41.73 元/GJ；吸收式熱泵、地源熱泵和電制冷機組等設(shè)備供冷時包含碳稅的單位供冷成本分別為53.71、34.47、40.81 元/GJ.當(dāng)冬季供暖時，吸收式熱泵的單位供熱成本最低；而夏季供冷時，地源熱泵的單位供冷成本最低.綜合來看，吸收式熱泵有相對較低的初始投資成本和運維成本，具有較高的經(jīng)濟性，同時吸收式熱泵對驅(qū)動熱源的品質(zhì)要求相對較低且能夠充分利用熱電廠余熱，因此在設(shè)備容量配置中有一定的優(yōu)勢.對于幾種供冷設(shè)備來說，電制冷機組的初始投資成本最低，單位供冷成本居中，但是方案2、方案3、方案4中該設(shè)備的容量優(yōu)化結(jié)果為0.這是因為在該場景中冬季供暖熱負荷高于夏季供冷負荷，而且夏季冷負荷主要集中在白天，全年熱負荷需求總時長遠遠超過冷負荷需求時長，吸收式熱泵和地源熱泵由于可以冷熱兼供全年運行時間長、利用率高，因此綜合經(jīng)濟性能高于僅可以供冷的電制冷機組.在綜合能源系統(tǒng)中配備儲能裝置可以有效降低調(diào)峰燃氣鍋爐的容量，減少能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)備的容量配置，提高綜合能源系統(tǒng)的整體性能，并且在實際運行過程中儲能裝置還可以起到平抑負荷波動的作用，如圖5冬季某日熱負荷逐時調(diào)度結(jié)果中的10：00—17：00 所示.

圖5 冬季某日熱負荷逐時優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

在實際運行過程中還會面臨需求側(cè)突增或快速切出等擾動情況，現(xiàn)對4種方案在需求側(cè)擾動條件下的動態(tài)響應(yīng)能力做出如下分析.綜合能源系統(tǒng)設(shè)備中主要考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機組和燃氣鍋爐的爬坡功率約束及儲能裝置的輸出功率約束，對于吸收式熱泵、地源熱泵、電制冷機組而言，在實際安裝中通常是由多臺小容量設(shè)備并聯(lián)組成，其負荷調(diào)節(jié)更加便捷，當(dāng)處于小功率運行時可快速切出，因此熱電聯(lián)產(chǎn)機組和燃氣鍋爐的輸出功率占比越低，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力相對越強.方案1的熱負荷全部由熱電聯(lián)產(chǎn)機組和燃氣鍋爐提供，其動態(tài)響應(yīng)能力在4種設(shè)備配置方案中最低.對于方案2、方案3和方案4，吸收式熱泵容量相等，因此需要比較其他設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)能力.方案3相對于方案2增加了地源熱泵，燃氣鍋爐有所下降，地源熱泵的動態(tài)響應(yīng)能力高于燃氣鍋爐，因此方案3相對于方案2的動態(tài)響應(yīng)能力有所提高；方案4相對于方案3增加了儲能裝置，地源熱泵容量變化較小，燃氣鍋爐容量大幅下降，若從快速響應(yīng)能力方面考慮，儲能裝置的響應(yīng)能力高于燃氣鍋爐，但是儲能裝置受到最大輸出功率的限制，因此若以小時為尺度考慮系統(tǒng)的響應(yīng)能力，方案3優(yōu)于方案4.

4種方案經(jīng)設(shè)備容量優(yōu)化后計算得到綜合能源系統(tǒng)全年供熱供冷的各項運行數(shù)據(jù)如圖6所示.從圖6各方案的全年運行數(shù)據(jù)可以看出，從方案1到方案4，在不斷增添吸收式熱泵、地源熱泵、儲能設(shè)備的情況下，初始投資年化成本不斷增加，而運維成本不斷降低，年二氧化碳排放量不斷下降，但是變化幅度有所減小.圖6中年總成本為初始投資年化成本與運維成本之和，可以看到方案2的年總成本最低為15 489萬元.相對于方案2，方案3增加了新能源設(shè)備地源熱泵，由于初始投資成本較高，年總成本增加了386萬元，相對提高2.49%，而年二氧化碳排放量減少了2.33萬t，相對降低7.6%，由此可見增加新能源設(shè)備后綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性有所下降，但是碳減排能力顯著提高.相較于方案3，方案4增加儲能裝置后，綜合能源系統(tǒng)的年總成本和年二氧化碳排放量均有所下降，因此儲能裝置可在一定程度上提高能源系統(tǒng)的綜合性能.在全年總成本上，方案4的年總成本相較于冷熱分供方案1降低3 038.46萬元，同時年二氧化碳排放量減少10.74萬t.

圖6 各方案年運行結(jié)果

4.3 碳稅價格的敏感性分析

關(guān)于碳稅的價格，不同國家之間差異較大，Ren等[27]總結(jié)了部分國家的碳稅價格，通常在1.2元/kg以下，歐洲國家的碳稅價格普遍較高，其中瑞典碳稅價格接近1.2元/kg，而位于亞洲的日本碳稅價格僅為0.12元/kg.目前，國內(nèi)學(xué)者[11]的研究過程中碳稅定價約為0.3元/kg.在綜合能源系統(tǒng)的設(shè)計階段，碳稅價格會通過影響各設(shè)備的配置進而影響系統(tǒng)全年運行經(jīng)濟性及二氧化碳排放量.為更為清晰地認識碳稅價格對綜合能源系統(tǒng)設(shè)備容量配置及運行結(jié)果的影響，對碳稅價格在0 ～ 1.2元/kg范圍內(nèi)變化進行分析，結(jié)果如圖7和圖8所示.

(a) 全年總成本變化曲線

(a) 方案3設(shè)備容量變化曲線

由圖7可以看出，在全年運行結(jié)果中，圖7(a)所示的全年總成本和圖7(b)所示的全年二氧化碳排放量的變化趨勢恰好相反，這是因為在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化中，年總成本所代表的系統(tǒng)經(jīng)濟性和年二氧化碳排放量所代表的系統(tǒng)環(huán)保性能是2個相互矛盾的目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)中碳稅價格的變化正是調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟性和環(huán)保性所占比重的關(guān)鍵參數(shù)，因此兩者隨碳稅價格的變化呈相反趨勢.在碳稅價格不斷變化的過程中，4種方案在年總成本和年二氧化碳排放量方面的優(yōu)劣也發(fā)生了一些變化.在年總成本方面，方案4在碳稅價格處于0 ～ 0.2元/kg和1.0 ～ 1.2元/kg區(qū)間內(nèi)較優(yōu)，而在0.2 ～ 1.0元/kg范圍內(nèi)方案2的年總成本最低；在二氧化碳排放方面，碳稅價格低于0.3元/kg時，方案3的碳排放量最少，碳稅價格處于0.3 ～ 1.0元/kg時，方案3和方案4的碳排放量很接近，方案4稍優(yōu)，當(dāng)碳稅價格高于1.0元/kg時，方案1因年二氧化碳排放量迅速下降成為碳排放最低的設(shè)計方案.

總的來看，4種設(shè)計方案中，方案3和方案4對碳稅價格的敏感性較高，隨著碳稅價格的增長，年總成本不斷增加，年二氧化碳排放量不斷減少，但是變化趨勢逐漸放緩；方案1和方案2在碳稅價格處于0 ～ 1.0元/kg范圍內(nèi)的變化很小或不發(fā)生變化；當(dāng)碳稅價格高于1.0元/kg時，4種設(shè)計方案均出現(xiàn)不同程度的波動，究其原因當(dāng)碳稅價格高于1.0元/kg時，燃氣鍋爐生產(chǎn)單位熱負荷所花費的費用(包含碳稅)開始低于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組生產(chǎn)單位熱負荷產(chǎn)生的費用，因此在考慮碳稅的全年逐時冷熱負荷優(yōu)化中，燃氣鍋爐與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行出力分配也發(fā)生了較大的變化.以圖9所示的方案3冬季供暖期間部分時段逐時設(shè)備出力可以較明顯地看到，碳稅價格從1.0元/kg增長至1.1元/kg時，吸收式熱泵和地源熱泵的出力保持不變，燃氣鍋爐的熱負荷出力顯著提高，在滿足供需平衡的前提下，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱負荷出力有所下降.

(a) 碳稅價格1.0元/kg

圖8所示為方案3和方案4設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果隨碳稅價格增長的變化曲線.從圖中可以看出，在碳稅價格持續(xù)增長過程中，燃氣鍋爐的容量不斷降低而地源熱泵的容量不斷增加.從不同設(shè)備的各項成本去考慮，地源熱泵單位容量的初始投資成本遠遠高于燃氣鍋爐，約為后者的15倍，但是其運維成本低于燃氣鍋爐，計算結(jié)果顯示約為燃氣鍋爐的1/4；二氧化碳排放方面根據(jù)天然氣及標(biāo)煤的碳排放系數(shù)和熱值并結(jié)合設(shè)備效率計算得到生產(chǎn)單位熱負荷燃氣鍋爐的折算值為0.19 kg/(kW·h)，地源熱泵的折算值為0.24 kg/(kW·h).當(dāng)碳稅價格較低時，影響全年運行經(jīng)濟性的主要是運維成本和初始投資成本，其中初始投資成本的影響更大，此時燃氣鍋爐的容量配置較高.但是隨著碳稅價格的增長，碳排放費用迅速增加，降低了運維成本和初始投資成本在全年總費用中的占比，同時地源熱泵在夏季高效制冷的優(yōu)勢不斷凸顯，因此地源熱泵的容量不斷增加.在碳稅價格變化時，受燃氣鍋爐和地源熱泵容量配置的影響，儲能裝置容量呈現(xiàn)先減小再增長最后不斷下降的過程.當(dāng)碳稅價格處于0 ～ 0.4元/kg范圍內(nèi)時，燃氣鍋爐的容量變化較小，但是地源熱泵的容量增長迅速，導(dǎo)致儲能裝置容量的下降，在0.4 ～ 0.7元/kg范圍內(nèi)，變化趨勢剛好相反.在0.7 ～ 1.1元/kg范圍內(nèi)，燃氣鍋爐的容量始終為零，但是碳稅價格的增長會削弱地源熱泵初始投資成本高的影響，地源熱泵容量有所增加，儲能裝置容量有所降低.

由以上分析可知，地源熱泵的配置可有效降低綜合能源系統(tǒng)的碳排放，但是高昂的投資成本會使系統(tǒng)的經(jīng)濟性有所下降；碳稅價格的增長會削弱設(shè)備初始投資的影響，因此地源熱泵的容量也會不斷增大，燃氣鍋爐的容量不斷下降，但是這種變化趨勢會逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定.方案4中，當(dāng)碳稅價格高于0.6元/kg時，儲能裝置完全取代燃氣鍋爐，燃氣鍋爐的容量降為零；但是當(dāng)碳稅價格增長至1.2元/kg時，碳排放費用占據(jù)主導(dǎo)地位，燃氣鍋爐較低的碳排放優(yōu)勢又逐漸凸顯.

5 結(jié)論

1) 用回歸算法處理熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電負荷與能耗之間的非線性關(guān)系具有較好的效果，其中高斯回歸得到的訓(xùn)練模型準(zhǔn)確性最高.

2) 在碳稅價格為0.3元/kg的情況下，增加吸收式熱泵、地源熱泵、儲能裝置都可以有效降低綜合能源系統(tǒng)的碳排放量；在4種設(shè)計方案中，僅增添吸收式熱泵和燃氣鍋爐的方案2全年經(jīng)濟性最優(yōu)，包含燃氣鍋爐、吸收式熱泵、地源熱泵和儲能裝置的方案4年二氧化碳排放量最低.

3) 包含燃氣鍋爐和地源熱泵的方案3和方案4對碳稅價格的敏感性較高，隨著碳稅價格的增長，燃氣鍋爐的容量不斷降低，地源熱泵的容量不斷增加，同時綜合能源系統(tǒng)的年總成本不斷增加，年二氧化碳排放量不斷降低，但是這種趨勢會逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定.

4) 與分供系統(tǒng)相比，本文得到的最優(yōu)綜合能源系統(tǒng)設(shè)計方案的年總成本可降低3 038.46萬元，年二氧化碳排放量可減少10.74萬t.