宋宸宇，王承陽，李寶寬

（東北大學冶金學院，遼寧 沈陽 110819）

能源與環(huán)境是人類生活中的一個永恒話題，也是未來綠色家園的重要組成部分。隨著能源消耗增加，環(huán)境保護的重要性不斷加強，人類對多類能源互聯(lián)集成和互補融合的需求日益提高。以可再生能源和天然氣等多種能源耦合為特征的分布式能源網(wǎng)絡(luò)近年已經(jīng)被證明可以應(yīng)用于各個經(jīng)濟領(lǐng)域[1]。在過去10年中，多能流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)使用熱電設(shè)備的不同組合，如熱電聯(lián)產(chǎn)、電動冷水機組、發(fā)動機驅(qū)動冷水機組、燃氣或蒸汽吸收式冷水機組、燃料電池、傳統(tǒng)鍋爐、木材鍋爐、太陽能集熱器等能源轉(zhuǎn)換器[2]，通過可再生能源和不可再生能源的有機耦合，得以在最優(yōu)效率下保證建筑的電、熱負荷[3]。而突破每個能源轉(zhuǎn)換器可能固有的局限性，嘗試多能流結(jié)構(gòu)的多樣性和提高儲能的系統(tǒng)靈活性[4]更是現(xiàn)在亟待解決的重要問題[5]。

新能源技術(shù)和信息技術(shù)的進步可以改變能源利用方式，促進多種一次能源與電能及各類終端能源在由多個能源網(wǎng)絡(luò)組成的復(fù)雜系統(tǒng)中的深度融合，推動社會與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[6-7]。然而，正確且有效的建模和優(yōu)化是一項艱巨的任務(wù)。Pan等人的研究得到了涉及在時間尺度特性下的準穩(wěn)態(tài)多能流分區(qū)域熱電耦合相互作用的內(nèi)在機理[8]。由于這一復(fù)雜性，為實現(xiàn)區(qū)域用戶用電時間和服務(wù)等待時間的最小化，Mohsenian-Rad等人[9]通過對未來時段電價的預(yù)測結(jié)果對家庭園區(qū)內(nèi)的負載進行優(yōu)化調(diào)度，而Singh等人引入Pareto優(yōu)化預(yù)測用以解決能源收入分配和能源效率的優(yōu)化問題[10]。同時，Nguyen等人[11]在動態(tài)電價機制下對多個負載系統(tǒng)進行充放電聯(lián)合調(diào)度以減少用電費用的做法得到了廣泛應(yīng)用，Chae和Clegg等人建立了在單向多能流網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展的考慮余熱回收的綠色工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[12]及綜合電氣-燃氣的柔性評估系統(tǒng)[13]。

但以上研究均沒有考慮除電、熱能之外的其余能源資源的聯(lián)合調(diào)度，或者只考慮了聯(lián)合調(diào)度下現(xiàn)有的園區(qū)主體費用最少而沒有針對未來綠色家園的住宅用能單元冷-熱-水-電-氣耦合系統(tǒng)進行深入分析。針對以上不足，本文提出一種基于多能流系統(tǒng)的未來綠色家園能源網(wǎng)絡(luò)有向圖，并在此基礎(chǔ)上，建立包含可再生能源、儲能、能量回收等多種情景的矩陣方程，突破固有的耦合限制，并通過優(yōu)化仿真論證所使用的建模方法。

1 建模過程

1.1 未來綠色家園模式構(gòu)想

1）生活環(huán)境舒適 以更繁多的能源種類和更多變的應(yīng)用環(huán)境，在滿足人們基本生活需求的同時，注重提升生活質(zhì)量和以人為本的發(fā)展需要。

2）多能互補 未來的綠色家園生活模式中，在統(tǒng)一的能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，根據(jù)各種能源的不同特性實現(xiàn)多種能源整體調(diào)配、互補耦合，并促進清潔能源消納和能效提升，滿足多種能源需求，為用能優(yōu)化提供整體構(gòu)架。

3）自生與消耗平衡 首先，在多能流網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置儲能裝置，以實現(xiàn)平峰填谷，提高自用比例，創(chuàng)造更大的收益。此外，在適應(yīng)全民健身的大背景下，將健身運動中體內(nèi)能量的消耗轉(zhuǎn)化為機械能進而作為發(fā)電的源動力輸入儲能裝置。其次，采用外保溫、裝配式建材裝修、光伏瓦等技術(shù)以及變功率供暖制冷設(shè)備，盡可能實現(xiàn)室內(nèi)舒適環(huán)境的動態(tài)平衡以及建筑自發(fā)自用的“零能耗”。

4）節(jié)能優(yōu)化 智能家居存在環(huán)保意識，提供水、電、氣、熱等能源全方位、全天候、專家型、互動式的服務(wù)，例如通過提前設(shè)定，使系統(tǒng)在夏天陽光強烈的時候，自動關(guān)閉門窗、窗簾，在各類設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)時，自動切斷電源，減少待機耗能，以實現(xiàn)節(jié)能。

1.2 多能流模型的建立基礎(chǔ)

基于未來綠色家庭園區(qū)的用戶生活狀態(tài)，在能源供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)針對不同能源節(jié)點建立了相應(yīng)的調(diào)度條件。在表示一條貫穿始終的有向能流線路時，采用已經(jīng)提出的園區(qū)水模型定義[14]，即源-阱（Source-Sink）定義。其中：“源”包括以光伏發(fā)電[15]和健身器材發(fā)電為主的自產(chǎn)電系統(tǒng)、以中水回用和雨水回收[16]為主的回用水系統(tǒng)的利用和垃圾回收[17]再生能源產(chǎn)生的價值等；而“阱”以家電為載體分為剛性負荷和柔性負荷。為建立保證用戶環(huán)境舒適度基礎(chǔ)的成本最低約束模型，通過需求響應(yīng)使產(chǎn)耗能曲線趨于平穩(wěn)，利用儲能裝置保證平峰填谷，以減小用戶用能高峰期對能源供應(yīng)側(cè)網(wǎng)絡(luò)的沖擊，從而發(fā)揮能源互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度作用。另外，在描述多能流從輸入到輸出的運作過程時引用多能流能源港“能源黑箱”概念[18]，如圖1所示。

在本文所建立的多能流模型中，忽略住宅內(nèi)部設(shè)備的初投資，并假定支路的能量損失僅考慮理想狀態(tài)下的能效，忽略意外因素。同時該模型應(yīng)用范圍應(yīng)具有以下邊界：

1）應(yīng)用主體為城市居民樓房或別墅住宅。

2）用能主體接入城市電-氣-水網(wǎng)，同時接入社區(qū)的中水-雨水回收系統(tǒng)。除此之外不從外界購入任何能源。

3）住宅外部于樓頂設(shè)置光伏板及太陽能換熱器，內(nèi)部設(shè)置生活用水過濾回收裝置、變頻空調(diào)、太陽能熱水器、天然氣壁掛爐、蓄電（水）池以及其他常用家電等。

最后，本文利用MATLAB語言結(jié)合Yalmip工具箱對模型進行優(yōu)化，在最大限度滿足用戶環(huán)境舒適度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)用戶費用最低的目標。

1.3 構(gòu)建能量平衡方程

圖2為典型的節(jié)能型家庭住宅多能流有向圖，由外墻光伏板、太陽能集熱板、雨水回收輸入系統(tǒng)、回用水輸入系統(tǒng)、健身人力發(fā)電裝置、天然氣壁掛爐、蓄電池等組成。輸入端的電力、天然氣、自來水均通過市政管網(wǎng)提供，輸出端則為住宅提供制冷、供熱、家庭用電、熱水等能源。

圖2 節(jié)能型家庭住宅多能流有向圖Fig.2 The directed graph of MES for energy-saving family housing

按照傳統(tǒng)建模方法可得到住宅能量平衡方程組式中各平衡式依次表示電、一般用水、熱、熱水和回收水系統(tǒng)平衡。其中N表示在該支路中的綜合能阻系數(shù)，是設(shè)備能效、支路能阻的綜合指標。

1.4 構(gòu)建矩陣模型

構(gòu)建如下矩陣模型：

其中

式中：關(guān)聯(lián)矩陣Cin、Cout為輸入支路與節(jié)點、輸出支路與節(jié)點的連接狀態(tài)，矩陣的每個元素由0~1變量構(gòu)成；阻抗矩陣N表示每個支路的能流輸入到節(jié)點過程中考慮損耗等的綜合指數(shù)；阻抗耦合矩陣A表示每個確認閉合支路的能流輸入到節(jié)點過程中考慮損耗等的綜合指數(shù)；輸入矩陣P表示流入節(jié)點的所有支路能量的大小，即輸入矩陣的每個行向量代表多能流系統(tǒng)不同支路的輸入功率數(shù)值；輸出矩陣R表示流出節(jié)點的所有支路能量的大小，即輸出矩陣的每個行向量代表多能流系統(tǒng)不同支路的實際負荷；容量矩陣V表示各支路的最大負荷，即通過節(jié)點的支路在運行狀態(tài)下的調(diào)度應(yīng)在一定范圍內(nèi)。

1.5 儲能設(shè)備的約束

在未來綠色家園的構(gòu)成中，光伏設(shè)備發(fā)電、健身器材發(fā)電及用水回收產(chǎn)生的能源具有間歇性和隨機性，采用儲能裝置將自產(chǎn)能量儲存，并根據(jù)輸入情況進行充放，以調(diào)節(jié)家庭多能流網(wǎng)絡(luò)波動[19]。采用文獻[20]中提出的儲電模型：

式中：ηc、ηd為充、放電效率；Pc(t)、Pd(t)為充、放電功率，kW；Qs(t)為t時刻的儲能總量，kW·h；Qmax為儲能設(shè)備的最大容量。

當應(yīng)用于矩陣模型時，將式(4)、式(5)改寫為矩陣形式：

式中：Kc、Kd為單位時間內(nèi)儲電設(shè)備可充/放電的能量占儲能設(shè)備的最大容量Qmax的百分比。

2 優(yōu)化運行

2.1 變量輸入

以圖2所示住宅多能流網(wǎng)絡(luò)為例進行研究。該網(wǎng)絡(luò)包含電、一般用水、熱、熱水和回用水能流，因此，其輸入矩陣為

輸出矩陣為

關(guān)聯(lián)矩陣為

阻抗矩陣為

阻抗耦合矩陣為

矩陣模型可表示為

可見，通過這種建模方法得到的矩陣方程與1.2節(jié)中的平衡方程一致。對于不同的住宅系統(tǒng)，通過輸入支路編號及參數(shù)可以更方便地得出矩陣方程。

2.2 環(huán)境舒適度調(diào)度

根據(jù)ISO 7730規(guī)定的PMV-PPD推薦值，在風速、濕度等條件確定處于舒適狀態(tài)時，室內(nèi)溫度范圍處于25~27 ℃的PMV指標數(shù)值最小，也就是用戶的滿意度最高。PMV指標與溫度之間的關(guān)系為

依據(jù)ISO 7730，PMV的取值處于-0.5~0.5，由式(15)可知，智能家庭園區(qū)舒適的室內(nèi)溫度應(yīng)該在24.8~27.3 ℃[21]。假設(shè)未來綠色家園僅依靠變頻空調(diào)進行調(diào)節(jié)，根據(jù)建筑房屋墻體內(nèi)外溫度及房間的參數(shù)，通過熱量平衡原理[13]可得

式中：C為房間熱容量，kW·h/℃；為時刻的室外溫度；R為建筑房屋的熱阻，℃/kW。

將式(16)離散后可得

式中：Tin(τ)為τ時刻的房屋內(nèi)部溫度；PH(τ)為變頻空調(diào)在τ時刻調(diào)節(jié)溫度的功率，kW。

而房屋內(nèi)的溫度要求和加熱功率均具有上、下限，分別表示為：

式中：Tin,f為用戶感到舒適的室內(nèi)溫度下限，℃；Tin,u為用戶感到舒適的室內(nèi)溫度上限，℃；PH,u為空調(diào)調(diào)節(jié)溫度的功率上限，kW。

2.3 目標函數(shù)

模型優(yōu)化是在實現(xiàn)用戶費用最低的基礎(chǔ)上以最大限度實現(xiàn)用戶用能舒適度為目標：

家庭用電成本為

家庭用天然氣成本為

家庭用自來水成本為

家庭回收水再利用折算成本為

圖3 沈陽市居民分段用水價格Fig.3 The water price map for Beijing residents

通過居民對生活垃圾粗分類后再依靠相關(guān)企業(yè)進行后續(xù)的細分類的方式，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行國民經(jīng)濟效益估算，提出采用家庭—園區(qū)相結(jié)合的垃圾分類模式。據(jù)此建立家庭通過垃圾處理并回收獲得的經(jīng)濟效益函數(shù)

2.4 求解過程

以沈陽市某戶家庭夏季7月某日的用能情況為例。利用MATLAB編程及Yalmip工具箱計算時，將本案例分為4種情況，分別考慮：

Case1：加入建筑外墻光伏發(fā)電、室內(nèi)器械機械發(fā)電及回用水裝置。

Case2：僅加入回用水裝置。

Case3：僅加入外墻光伏發(fā)電及室內(nèi)器械機械發(fā)電。

Contrast：作為對照組，為案例的原始未優(yōu)化環(huán)境。

運算環(huán)境的溫度均按照3.2節(jié)的環(huán)境舒適度調(diào)節(jié)，室內(nèi)、外溫度變化如圖4所示?？刂评淞康淖冾l空調(diào)功率變化如圖5所示。此時環(huán)境舒適度得到了最大滿足。

圖4 室內(nèi)、外溫度變化Fig.4 Changes of the indoor and outdoor temperature

圖5 變頻空調(diào)功率Fig.5 The power curve of the variable frequency air conditioner

運算過程中，電-熱-氣系統(tǒng)的調(diào)度功率如圖6、圖7所示。X軸上、下分別表示系統(tǒng)中能源的需求與供應(yīng)關(guān)系，X軸上、下各部分能量之和守恒。

住宅水系統(tǒng)的供、需情況如圖8—圖9所示，突出部分表示通過回用水系統(tǒng)節(jié)省的水量的比例。

圖6 電-熱-氣調(diào)度功率Fig.6 The E-H-G dispatching power diagram

圖7 加入光伏及機械發(fā)電的電-熱-氣調(diào)度功率Fig.7The E-H-G dispatching power diagram with photovoltaic and mechanical power generation

圖8 住宅供水情況Fig.8 The residential water supply diagram

圖9 住宅用水需求情況Fig.9 The residential water demand diagram

表1 優(yōu)化運行成本 單位：元Tab.1 The optimized operation cost

3 結(jié) 論

1）提出了一種在源-阱定義基礎(chǔ)上用于未來綠色家園的多能流系統(tǒng)有向圖，實現(xiàn)了住宅用能、節(jié)能、儲能、能源回收系統(tǒng)的自動建模。該模型在用于更復(fù)雜的住宅系統(tǒng)時的建模速度將優(yōu)于傳統(tǒng)手工建模方式，且對于節(jié)能型建筑的運行成本及環(huán)境舒適度的優(yōu)化程度明顯。

2）引入建筑光伏發(fā)電及器械機械發(fā)電可以有效緩解由于用電高峰時段造成的不利調(diào)度問題，在優(yōu)化用能主體成本的時候節(jié)約程度最高可達16.13%。將光伏發(fā)電與器械機械發(fā)電的特性結(jié)合，可實現(xiàn)可再生能源的有利互補。

3）引入回用水系統(tǒng)會對整體的優(yōu)化具有一定提升，但由于住宅用能的單一性，該影響的優(yōu)化程度較小。而對于工業(yè)生態(tài)園、商業(yè)園區(qū)等較大主體，引入回用水系統(tǒng)的優(yōu)化程度將會更加明顯。

4）多能流系統(tǒng)的耦合深度對系統(tǒng)整體優(yōu)化具有顯著影響，輸入能源的多樣性對于減小網(wǎng)絡(luò)波動至關(guān)重要。

5）本文提出的節(jié)能住宅的多能流系統(tǒng)模型也可推廣應(yīng)用于針對工業(yè)生態(tài)園、商業(yè)園區(qū)及住宅社區(qū)等耗能時段更為分散的多能流主體，或工廠、車間等要求能源調(diào)度更為準確的多能流主體進行能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源系統(tǒng)運行可靠性評估等。