2.4設(shè)備容量選擇

當(dāng)原動(dòng)機(jī)及供熱、供冷設(shè)備的類型確定后，需要合理選擇設(shè)備的容量，以最大化設(shè)備容量的利用率，這需要考慮到多個(gè)影響因素，包括：用戶的冷熱電負(fù)荷需求、選用的原動(dòng)機(jī)特性、一年中電價(jià)與能源價(jià)格的波動(dòng)等等，處理該問題可使用最大矩形面積法。這種方法源于數(shù)學(xué)中計(jì)算積分的方法，即將所研究的函數(shù)值作為矩形的高度來計(jì)算一系列矩形的面積。在綜合能源系統(tǒng)的初步規(guī)劃階段，在已知時(shí)間-負(fù)載曲線為前提的條件下，可以使用最大矩形面積法來估計(jì)設(shè)備的容量以及運(yùn)行的時(shí)間。Sanaye等[14]使用最大矩形法(MRM)估算了不同場(chǎng)景下綜合能源系統(tǒng)的燃機(jī)容量。鄭衛(wèi)東[6]在已知日常運(yùn)行負(fù)荷的前提下，使用最大矩形法得到了不同運(yùn)行策略下原動(dòng)機(jī)的容量配置。鄒丹等[15]以蘇州某CBD區(qū)域建筑為例，根據(jù)相同類型的建筑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得了建筑冷熱電8760 h逐時(shí)負(fù)荷曲線，使用最大面積法確定三聯(lián)供系統(tǒng)的最佳容量。分析結(jié)果表明使用最大面積法確定的設(shè)備容量具有較好的一次能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。

2.5運(yùn)行策略

綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行策略將直接影響系統(tǒng)的性能。Kavvadias等[16]總結(jié)了幾種最常用的運(yùn)行策略：

1)以熱定電：系統(tǒng)首先滿足用戶的熱需求，發(fā)出的電提供給用戶，如果電量不足或剩余，則從電網(wǎng)補(bǔ)充或上網(wǎng)售電

2)以電定熱：系統(tǒng)首先保證滿足用戶的電需求，所發(fā)出的熱量提供給用戶以滿足熱需求，如果熱量不足，則采用鍋爐補(bǔ)燃，如果熱量過剩則廢棄或采用一個(gè)蓄熱罐儲(chǔ)存。

3)持續(xù)運(yùn)行：系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，不考慮能源需求的變化，這種運(yùn)行策略適用于原動(dòng)機(jī)不能夠靈活調(diào)節(jié)功率的情況，如果系統(tǒng)所生產(chǎn)的能源能滿足覆蓋用戶的需求，則余電長(zhǎng)期上網(wǎng)，反之，則長(zhǎng)期從電網(wǎng)購(gòu)電。

4)調(diào)峰運(yùn)行：系統(tǒng)僅在負(fù)荷高峰期間運(yùn)行，以降低用能高峰期間從電網(wǎng)購(gòu)得的電能。

康書碩等[17]從熱電輸出和燃料消耗量方面比較了以燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī)的聯(lián)供系統(tǒng)“以熱定電”和“以電定熱”兩種常用運(yùn)行模式下的性能差異。該研究通過Aspen Plus軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的計(jì)算，研究結(jié)果表明當(dāng)實(shí)際熱電輸出等于終端的熱電需求時(shí)，其最佳熱電比HPR為1.75;當(dāng)1HPR1.75,“以熱定電”為最佳的運(yùn)行方式;1.75HPR2.5時(shí)，“以電定熱”為最佳的系統(tǒng)運(yùn)行方式。

3、綜合能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)

對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評(píng)價(jià)是進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的重要依據(jù)，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)研究主要從熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性以及綜合評(píng)價(jià)這4個(gè)方面進(jìn)行[18]。

4、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化

在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)以后，須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化能夠顯著提升設(shè)備利用效率、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境效益。優(yōu)化變量通常包括原動(dòng)機(jī)的類型、容量，系統(tǒng)的運(yùn)行策略等。

通常從運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)采集得到的數(shù)據(jù)一般更準(zhǔn)確、真實(shí)，基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化也更為可靠，但獲得實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)需要花費(fèi)大量的時(shí)間并需要高昂的運(yùn)行費(fèi)用作為支撐，并且只能對(duì)具體的某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。使用瞬態(tài)仿真方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，效率高，費(fèi)用低，系統(tǒng)運(yùn)行條件(包括原動(dòng)機(jī)類型、容量、當(dāng)?shù)貧夂虻?更改簡(jiǎn)便，因此目前大部分現(xiàn)有研究均采用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)多能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。常用的優(yōu)化算法有混合整數(shù)線性規(guī)劃法、混合整數(shù)非線性規(guī)劃法、隨機(jī)優(yōu)化法、遺傳算法等。

4.1設(shè)備容量?jī)?yōu)化

MRM方法在確定綜合能源系統(tǒng)時(shí)簡(jiǎn)單便捷，但只考慮了用戶的負(fù)荷需求，并沒有考慮到設(shè)備成本、運(yùn)行費(fèi)用等因素，因此需要對(duì)多能聯(lián)供系統(tǒng)作進(jìn)一步優(yōu)化。

鄭衛(wèi)東[6]使用基于MRM的遺傳算法優(yōu)化方法對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化變量為原動(dòng)機(jī)容量、電制冷比系數(shù)、太陽能發(fā)電面積占比。流程如圖2所示。

優(yōu)化結(jié)果表明，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的全年綜合指標(biāo)相比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)有了顯著提高。高峻[32]以聯(lián)供系統(tǒng)凈年值最大作為優(yōu)化目標(biāo)，建立聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化模型，對(duì)分別配置兩種額定發(fā)電功率的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，確定設(shè)備的最優(yōu)容量。何桂雄等[33]應(yīng)用解析法，結(jié)合各負(fù)荷區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，得到不同容量匹配方案下設(shè)備年等效滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)及相應(yīng)收益，通過比較凈現(xiàn)值確定燃?xì)馊?lián)供和熱泵設(shè)備的最優(yōu)容量匹配方案，并結(jié)合案例進(jìn)行了驗(yàn)證。黃子碩等[34]提出了計(jì)算系統(tǒng)綜合能效的量綱表達(dá)式以辨析各影響因素與綜合能效間的關(guān)系，并展示了如何通過綜合能效分析確定系統(tǒng)配置方案。衛(wèi)志農(nóng)等[35]以投資及運(yùn)行成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)，引入了條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值作為風(fēng)險(xiǎn)亮度的指標(biāo)，建立了基于投資理論中考慮到風(fēng)險(xiǎn)量度的虛擬電廠容量?jī)?yōu)化配置模型，研究了風(fēng)險(xiǎn)偏好、環(huán)境成本自然資源及負(fù)荷對(duì)虛擬電廠容量配置的影響。該文獻(xiàn)還以美國(guó)德州某地區(qū)的風(fēng)、光、電價(jià)及負(fù)荷數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，為投資商在規(guī)劃建設(shè)時(shí)解決多能源容量配置問題提供了依據(jù)。

4.2運(yùn)行策略優(yōu)化

王成山[36]按電、煙氣、蒸汽、水和空氣5種能量傳遞形式進(jìn)行分類，采用集中母線的方式搭建基本框架，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行建模，建立了冷熱電聯(lián)供系微網(wǎng)系統(tǒng)日前動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行方式和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。任洪波等[37]對(duì)基于光伏電池、燃料電池和蓄電池的住宅能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用混合整數(shù)線性規(guī)劃理論構(gòu)建運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。模型以年運(yùn)行費(fèi)用最小化作為目標(biāo)函數(shù)，以能源供需平衡和設(shè)備容量為約束條件，使用LINGO進(jìn)行建模求解得到年運(yùn)行費(fèi)用最小的運(yùn)行策略。孫可[38]對(duì)針對(duì)工廠綜合能源系統(tǒng)提出一種考慮冰蓄冷空調(diào)多種工作模式的多能協(xié)同優(yōu)化模型，以綜合日運(yùn)行費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型，根據(jù)工廠設(shè)備工作模式的不同，提供更加準(zhǔn)確的優(yōu)化策略。錢虹[39]建立了一個(gè)在調(diào)度周期內(nèi)完成功能設(shè)備出力組合的優(yōu)化運(yùn)行策略的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)為調(diào)度周期內(nèi)供能機(jī)組總出力與各時(shí)段負(fù)荷需求差值，通過matlab編程對(duì)混合整數(shù)規(guī)劃進(jìn)行求解，算法為遺傳算法，從而獲得調(diào)度周期內(nèi)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

4.3設(shè)備容量與運(yùn)行策略協(xié)同優(yōu)化

張杰[40]以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)典型三聯(lián)供系統(tǒng)建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃計(jì)算模型，并使用LINGO軟件用分支界定法結(jié)合順序線性規(guī)劃得到不同地區(qū)不同建筑最優(yōu)的系統(tǒng)配置和運(yùn)行策略。林怡[41]對(duì)微型燃機(jī)和地下水源熱泵組成的復(fù)合供能系統(tǒng)，以年總費(fèi)用和天然氣年節(jié)能率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、以熱定電和節(jié)能最優(yōu)3種運(yùn)行策略下的優(yōu)化配置和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了研究。趙峰[42]設(shè)計(jì)了一種三級(jí)協(xié)同整體優(yōu)化方法，第一級(jí)以年一次能源利用率最高為目標(biāo)求解最優(yōu)設(shè)備選型問題，第二級(jí)以二氧化碳排放最少為目標(biāo)求解最優(yōu)設(shè)備容量問題;第三級(jí)以年運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，求解最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)問題。荊有印等[43]基于生命周期法，以傳統(tǒng)系統(tǒng)為參照對(duì)象，建立了能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備容量和運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化。研究還以北京市某綜合辦公樓為例，分析了不同目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)配置方案和運(yùn)行策略。劉星月等[44]設(shè)計(jì)了一種能夠綜合利用太陽能光伏光熱且同時(shí)能滿足冷熱電需要的聯(lián)供系統(tǒng)，使用判斷矩陣法將能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)三個(gè)指標(biāo)綜合成一個(gè)綜合評(píng)估指標(biāo)，就以熱定電和以電定熱兩種運(yùn)行方式下各制定了三種運(yùn)行控制策略，分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行容量配置和控制策略的優(yōu)化。

曾飛[45]建立了以燃?xì)廨啓C(jī)容量為優(yōu)化變量，多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略模型，利用南方地區(qū)某賓館日逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行算例分析，采用模式搜索算法求解得到基于負(fù)荷特征的系統(tǒng)最優(yōu)容量配置及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行策略。

微網(wǎng)優(yōu)化方面，巴林[10]給出了燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)光伏、燃料電池以及蓄能裝置的數(shù)學(xué)模型，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置與優(yōu)化運(yùn)行研究。研究運(yùn)用粒子群算法求解，得到三種運(yùn)行方案下系統(tǒng)的配置結(jié)果。王銳[46]對(duì)含多種可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)應(yīng)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃理論建立經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型，提出一種基于隨機(jī)模擬技術(shù)的粒子群優(yōu)化算法求解模型。根據(jù)不同的原動(dòng)機(jī)配置對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。

以上研究基本涵蓋了各種結(jié)構(gòu)的綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃及優(yōu)化問題，多數(shù)研究還結(jié)合案例驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。

5、結(jié)論與展望

多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)由于具備經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，然而由于技術(shù)障礙、政策限制等原因，在我國(guó)尚處于萌芽階段。隨著技術(shù)進(jìn)步及國(guó)家鼓勵(lì)性政策的密集落地，多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)將迎來巨大的發(fā)展空間。

本文從負(fù)荷預(yù)測(cè)、系統(tǒng)配置、設(shè)備種類及容量、運(yùn)行策略、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)優(yōu)化的角度梳理了已有的綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。總體而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究并獲得了豐富的成果。但國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的綜合能源項(xiàng)目數(shù)量較少，且落地的項(xiàng)目由于各種原因沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的供能目標(biāo)，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)為已有研究提供補(bǔ)充與支撐，也缺乏一致的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來比較系統(tǒng)的優(yōu)劣，這對(duì)綜合能源系統(tǒng)的推廣構(gòu)成了阻礙。隨著綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的開展，亟待一套完整、客觀的評(píng)價(jià)體系為綜合能源項(xiàng)目的規(guī)劃與評(píng)價(jià)提供參考。