（1-深圳市建筑科學研究院股份有限公司，廣東深圳 518049；2-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年來，我國的能耗在不斷增長，其中建筑能耗增長尤為迅速[1]，2015年全國建筑能耗占全國能源消費總量的20%，2017年全國建筑能耗占所有能耗的27%以上，而且以每年1%的速度在增加。而在所有的建筑能耗分類中，我國公共機構建筑占比最大，百分比為38%，且其碳排放強度也遠遠高于全國居住建筑強度水平，是全國強度水平的 2.09倍，可見其巨大的節(jié)能減排潛力[2]。公共機構是社會行為和公共道德的示范和標桿，公共機構對自身節(jié)能的重視程度影響著社會公眾的能源消費觀念。在我國，由于能源結構、生產(chǎn)生活習慣等原因，供能系統(tǒng)的源頭絕大部分是燃煤鍋爐房、熱電廠和燃煤產(chǎn)生的污染物[3]，導致嚴重的環(huán)境污染與溫室效應[4]。將太陽能[5]、地熱能[6]等與傳統(tǒng)化石能源相結合，構建公共機構建筑多能源系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)各種能源梯級利用，降低建筑能耗與環(huán)境污染[7]，還與當?shù)刎摵?、資源、氣候形成良好互動，從而推進公共機構建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展[8]。

多能源系統(tǒng)受到越來越多的研究者的關注。董福貴等[9]從經(jīng)濟、能耗、環(huán)境3個角度為分布式能源系統(tǒng)構建了綜合評價體系。李可偉等[10]在公共機構建筑冷熱雙供系統(tǒng)中，構建了經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)境3類指標。與構建評價體系相比，多能源系統(tǒng)設計及優(yōu)化的研究很多。楊佳霖[11]構建了一種為北方中小城鎮(zhèn)供應清潔能源的多能源協(xié)調(diào)供應系統(tǒng)。該系統(tǒng)的亮點在于使用棄風、棄光的電量驅(qū)動污水源熱泵，提取污水中較低品味的熱量，對市政熱網(wǎng)中的水進行預熱，在利用傳統(tǒng)蒸汽背壓機組進一步加熱，以實現(xiàn)能量梯級利用。陳中豪等[12]利用層次分析法，將描述社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的多目標函數(shù)進一步轉化為單目標函數(shù)，保證該系統(tǒng)經(jīng)濟、高效運行和環(huán)保性。華煌圣等[13]構建了用能經(jīng)濟性和綜合能效性最大的雙目標函數(shù)，以達到對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。滕茂丹[14]針對具體項目，發(fā)現(xiàn)能源使用費對天然氣熱泵耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響最大，并提出與政府合作，以降低該費用降低的風險。白宏坤等[15]采用碳交易和系統(tǒng)運行費用最低為設計目標，規(guī)劃滿足居民生產(chǎn)生活冷、熱和電3種負荷的綜合能源系統(tǒng)，以實現(xiàn)高經(jīng)濟性和低碳性。

本文針對寒冷地區(qū)公共機構建筑冷、熱和電 3種負荷，建立具體的多能源系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)中的各項能源設備進行相應的數(shù)學建模，采用層次分析法，將該多能源系統(tǒng)多目標問題轉化為單目標函數(shù)，再基于這個兼顧經(jīng)濟性、環(huán)保性和節(jié)能性的綜合評價指標，提出夏季和冬季兩種不同的季節(jié)情景下，該建筑多能源系統(tǒng)的運行方案。

1 系統(tǒng)介紹

寒冷地區(qū)氣候環(huán)境為夏天熱、冬天冷。因此，在為該地區(qū)公共機構建筑構建多能源系統(tǒng)時，需要滿足該建筑的冷、熱和電 3種負荷。圖1所示為典型的多能源系統(tǒng)原理。

圖1 典型的多能源系統(tǒng)原理

由圖1可知，該多能源系統(tǒng)由三聯(lián)供系統(tǒng)及電網(wǎng)提供電能，剩余電力將優(yōu)先供給熱泵和電制冷器，再賣給電網(wǎng)。

冷負荷由吸收式制冷機組和電制冷器提供。熱負荷由太陽能熱水器、三聯(lián)供系統(tǒng)、燃氣鍋爐、地源熱泵和市政熱力提供。

采用Deep軟件對北京地區(qū)一處1萬m2的公共機構建筑進行模擬獲得其冷、熱和電3種負荷[16]。選取夏季和冬季典型天，冷熱電負荷如圖2所示。

該公共建筑3種負荷均發(fā)生在白天，夏季和冬季白天電負荷比較均勻，最大電負荷為157.66 kW；冬天無冷負荷，而熱負荷巨大，最大熱負荷為2,096.05 kW；夏天無熱負荷，而冷負荷巨大，最大冷負荷為1,501.91 kW。

多能源系統(tǒng)的冷、熱和電3種負荷涉及電價的買賣、燃氣和供暖價格，能源交易價格如表1所示。多能源系統(tǒng)中涉及到三聯(lián)供機組、燃氣鍋爐、熱泵、電制冷器、吸收式制冷機組和太陽能熱水器等，設備參數(shù)如表2所示[17]。對于該多能源系統(tǒng)，其CO2排放量來自天然氣燃燒、買電和買熱情況，其相關數(shù)值如表3所示。

圖2 全天冷熱電負荷

表1 各種能源交易價格

表2 各能源設備參數(shù)

表3 CO2排放量

2 模型建立

2.1 三聯(lián)供機組

傳統(tǒng)的三聯(lián)供機組包括發(fā)電單元、產(chǎn)熱單元及制冷單元。三聯(lián)供機組的輸出模型可以表示為[18]：

式中，Qe,pgu(t)為時間Δt內(nèi)，三聯(lián)供機組的發(fā)電量，kW·h；Ppgu(t)為時間t時的功率輸出，kW；Δt為時間間隔，h；LHVNG為天然氣的低位發(fā)熱量，取值 36 MJ/(N·m3)；VNG,pgu(t)為三聯(lián)供系統(tǒng)燃燒的天然氣體積，N·m3；Qh,pgu(t)為時間Δt內(nèi)的發(fā)熱量，kW·h；Ph,pgu(t)為三聯(lián)供機組輸出熱功率，kW；ηe,pgu為發(fā)電效率；ηh,pgu為產(chǎn)熱效率；nac為高溫煙氣進入吸收式制冷機組的比例。

吸收式制冷機組的輸出冷量可表示為[19]：

式中，Qac(t)為時間Δt內(nèi)，該吸收式制冷機組的輸出冷量，kW·h；Pac(t)為該機組制冷量，kW；ηac為吸收式制冷機組的制冷效率。

2.2 太陽能集熱器

太陽能集熱器的輸出熱量為：

式中，Qst(t)為時間Δt內(nèi)太陽能集熱器的輸出熱量，kW·h；Pst(t)為太陽能集熱器的輸出功率，kW；ηst為太陽能集熱器的集熱效率；A為太陽能集熱器的面積，m2；G(t)為當?shù)靥栞椪斩?，W/m2。

2.3 熱泵

熱泵的輸出熱量為：

式中：Qhp(t)是時間Δt內(nèi)，熱泵輸出熱量，kW·h；Php(t)是熱泵輸出功率，kW；ηhp為熱泵的效率，Php,e(t)為熱泵的耗電功率，kW。

2.4 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐輸出的熱量可用下式進行計算：

式中，Qgb(t)為時間Δt內(nèi)，燃氣鍋爐輸出熱量，kW·h；Pgb(t)為燃氣鍋爐的輸出功率，kW；ηgb為燃氣鍋爐的熱效率；VNG,gb(t)為燃氣鍋爐燃燒的天然氣體積，N·m3。

2.5 電制冷器

電制冷器輸出冷量計算：

式中，Qec(t)為時間Δt內(nèi)，電制冷器輸出冷量，kW·h；Pec(t)是電制冷器制冷量，kW；Pec,e(t)為電制冷器耗電功率，kW；ηec為電制冷器制冷效率。

2.6 約束條件

2.6.1 平衡約束條件

多能源系統(tǒng)需要滿足冷熱電負荷的實時平衡，負荷平衡約束條件如式(8)～式(10)所示。

電量平衡：

式中，Pe,load(t)為電負荷，kW；Pgrid+(t)為從電網(wǎng)買電功率，kW；Pgrid-(t)為賣電功率，kW。

熱量平衡：

式中，Ph,load(t)為熱負荷，kW；Ph,net(t)為從熱網(wǎng)買熱功率，kW。

冷量平衡：

式中，Pc,load(t)為冷負荷，kW。

2.6.2 容量約束

對于各個能源設備而言，能量輸出會受到自身容量限制。

式中，Pi(t)為t時刻，設備i的輸出功率，kW；Pi,max為設備i的最大輸出功率，kW。

2.6.3 運行約束

當能源設備運行時，受到多種運行約束條件的限制，如可再生能源系統(tǒng)需要滿足當?shù)刭Y源條件的限制；三聯(lián)供系統(tǒng)需要滿足運行熱電比的要求、啟動和關閉的負荷要求和部分負荷特性等，限于篇幅此處不再贅述。

3 優(yōu)化模型

3.1 3E綜合評價指標

在綜合考慮運行成本y1（經(jīng)濟指標）最小、CO2排放量y2（環(huán)境指標）最小、綜合能源利用率y3（能效指標）最大基礎上，構建多能源系統(tǒng)綜合能效（Energy）、經(jīng)濟（Economy）和環(huán)境（Environment）的多目標優(yōu)化模型，即3E綜合評價指標z，即：

經(jīng)濟指標y1：

式中，VNG(t)為t時段從氣網(wǎng)購入天然氣的體積，N·m3；mbe為從電網(wǎng)購電價格，元/(kW·h)；mse為向電網(wǎng)賣電價格，元/(kW·h)；mg為天然氣購買價格，元/(N·m3)；mh為從熱網(wǎng)買熱價格，元/(kW·h)；mi為第i個設備的運行維護價格，元/(kW·h)；Pi(t)為第i個設備t時的輸出功率，kW。

環(huán)境指標y2：

式中，dg為天然氣燃燒的 CO2排放系數(shù)，kg/m3；de為電網(wǎng)購電的CO2排放系數(shù)，kg/(kW·h)；dh為市政熱力供熱的CO2排放系數(shù)，kg/(kW·h)。

能效指標y3：

式中，ηce為電網(wǎng)供電側發(fā)電效率，0.37；ηct為市政熱力供熱側效率，0.8。

對于該優(yōu)化調(diào)度模型，核心求解思路為：先將各個指標采用模糊隸屬度函數(shù)處理，再采用層次分析法，獲得各個優(yōu)化指標的相對權重，將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題。

3.2 指標模糊化

考慮到運行成本和CO2排放量，數(shù)值越小，其評價指標越好。因此，運行成本和CO2排放量采用降半Γ型隸屬度函數(shù)；對于綜合能源利用率，數(shù)值越大，評價指標越好，則采用升半Γ型隸屬度函數(shù)。

式中，χ1(y1)、χ2(y2)和χ3(y3)分別為運行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的隸屬度函數(shù)；y1min、y2min、y3max分別為運行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的最優(yōu)值。

3.3 層次分析法

采用將3E指標綜合評價指標z中各個因素進行加權處理，其值可以用來全方位評價特定的多能源系統(tǒng)：

式中，c1、c2和c3分別為運行成本、CO2排放量和綜合能源利用率的相對權重。

權重可采用層次分析法獲得，一般步驟[20]為：1）以上一級指標為準則，為下一層各指標兩兩構造比較判斷矩陣，采用1～9的標度為其重要性進行賦值；2）采用行和歸一法進行各指標相對權重的計算；3）檢驗該矩陣的一致性。

按照上述步驟，可以獲取該多能源系統(tǒng)各指標的相對權重，結果如表4所示。

表4 多能源系統(tǒng)各指標相對權重

由表4可知，一致性比例CR=0，小于0.1。因此上述各指標相對權重滿足一致性要求。此時，3E綜合評價指標z為：

4 結果和討論

4.1 優(yōu)化結果分析

在夏季和冬季兩種工況下，針對上述北京地區(qū)一處10,000 m2的公共機構建筑多能源系統(tǒng)，采用經(jīng)濟指標最優(yōu)、環(huán)境指標最優(yōu)、節(jié)能指標最優(yōu)及3E綜合評價指標最優(yōu)作為優(yōu)化策略，借助 Lingo軟件[21]進行優(yōu)化，優(yōu)化結果如表5所示。

由表5可知，無論在夏季工況還是冬季工況，運行成本、CO2排放量和綜合能源利用率最優(yōu)時，3E綜合評價指標值，均小于多目標最優(yōu)時的綜合評價指標值。為了使各個單項指標達到最優(yōu)，往往會惡化其他幾個指標值，使綜合評價指標數(shù)值較小。對于多目標最優(yōu)，雖然各個單項指標不是最優(yōu)，但兼顧了各個單項指標，使綜合評價指標值最優(yōu)。因此，基于綜合評價指標最優(yōu)的運行方案能夠有效兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、環(huán)保性和節(jié)能性，滿足復雜系統(tǒng)全方位需求。

表5 不同優(yōu)化策略結果對比

4.2 優(yōu)化調(diào)度分析

基于 3E綜合評價指標，分別對夏季工況和冬季工況的多種能源設備進行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)綜合評價指標最優(yōu)。

4.2.1 夏季工況優(yōu)化

夏季工況下，該多能源系統(tǒng)負荷形式為電負荷以及冷負荷。當選用 3E綜合評價指標最優(yōu)作為優(yōu)化策略時，電功率、冷功率平衡如圖3所示。電負荷由三聯(lián)供系統(tǒng)提供，多余的電能一部分供應電制冷器，另一部分賣給電網(wǎng)。冷負荷由電制冷器和吸收式制冷機組提供。電制冷器始終滿負荷運行，不足的冷負荷由吸收式制冷機組提供。

4.2.2 冬季工況優(yōu)化

冬季工況下，該多能源系統(tǒng)負荷形式為電負荷及熱負荷。當選用 3E綜合評價指標最優(yōu)作為優(yōu)化策略，電功率和熱功率平衡如圖4所示。對于該多能源系統(tǒng)，三聯(lián)供發(fā)的電以及從電網(wǎng)買的電，一部分滿足該系統(tǒng)的電負荷需求，剩余部分用于供應熱泵；熱負荷由太陽能熱水器、熱泵以及三聯(lián)供系統(tǒng)提供，不足的部分由熱網(wǎng)供應。

圖3 夏季功率平衡

圖4 冬季功率平衡

5 結論

本文以北京地區(qū)一處公共機構建筑為例，針對其冷、熱和電3種負荷和典型具體的多能源系統(tǒng)，對該系統(tǒng)中的各項設備進行相應的數(shù)學建模，并在綜合考慮能源系統(tǒng)、運行、維護和環(huán)境等影響因素基礎上，提出綜合評價指標用于指導該多能源系統(tǒng)在夏季和冬季情景下的運行，得出如下結論：

1）在夏季工況，分別選用經(jīng)濟指標最優(yōu)、環(huán)境指標最優(yōu)、節(jié)能指標最優(yōu)和3E綜合評價指標最優(yōu)作為多能源系統(tǒng)案例的優(yōu)化策略時，其綜合評價指標值分別為0.86、0.95、0.72和0.96；

2）在冬季工況，分別選用經(jīng)濟指標最優(yōu)、環(huán)境指標最優(yōu)、節(jié)能指標最優(yōu)和3E綜合評價指標最優(yōu)作為多能源系統(tǒng)案例的優(yōu)化策略時，其綜合評價指標值分別為0.55、0.89、0.58和0.91；

3）該綜合評價指標最優(yōu)的運行方案，既可滿足建筑冷、熱和電需求，還有效兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、環(huán)保性和節(jié)能性，滿足復雜系統(tǒng)全方位的需求，為今后公共機構能源系統(tǒng)方案設計提供指導。