王子銘,孫 亮,孫立國(guó),原瑞彤
(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.華能九臺(tái)電廠,吉林 長(zhǎng)春 130500)
冷熱電三聯(lián)供(CCHP)技術(shù)是一種建立在能源梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上,把制冷、供熱(采暖和生活用水)、發(fā)電等設(shè)備構(gòu)成一體化的聯(lián)產(chǎn)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),采用動(dòng)力裝置先由燃?xì)獍l(fā)電,再由發(fā)電后的余熱向建筑物供熱或作為空調(diào)制冷的動(dòng)力獲得冷量.CCHP機(jī)組形式靈活,適用范圍廣,具有高能源利用率和高環(huán)保性,是國(guó)際能源技術(shù)的前沿性成果.目前,一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[1]通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)含有冷熱電聯(lián)供的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)解耦其熱電運(yùn)行約束,充分發(fā)揮區(qū)域綜合能源系統(tǒng)依附能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),提高能源利用率.文獻(xiàn)[2]根據(jù)不同時(shí)間尺度的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)平衡方程相結(jié)合的方法提出多元儲(chǔ)能技術(shù),分別針對(duì)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行時(shí)的不同問(wèn)題提出多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合優(yōu)化調(diào)度策略.文獻(xiàn)[3]建立了以冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為核心的微能源網(wǎng),考慮微能源網(wǎng)與用戶間的非合作博弈,提出了微能源網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化策略;文獻(xiàn)[4]采用離散熱平衡微分方程對(duì)微能源網(wǎng)系統(tǒng)建模,提出一種基于CCHP系統(tǒng)和儲(chǔ)能的聯(lián)合調(diào)度方法,充分利用微網(wǎng)的儲(chǔ)能協(xié)調(diào)CCHP系統(tǒng)調(diào)度.文獻(xiàn)[5]基于能源集線器結(jié)構(gòu)建立孤島微能源網(wǎng)模型,通過(guò)引入柔性多負(fù)荷需求響應(yīng)提高了孤島型微網(wǎng)的靈活性并降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本.文獻(xiàn)[6]考慮風(fēng)電出力和冷熱電負(fù)荷不確定性對(duì)微網(wǎng)的影響,建立分層魯棒隨機(jī)調(diào)度模型來(lái)處理風(fēng)電和負(fù)荷不確定.文獻(xiàn)[7]從供需兩側(cè)構(gòu)建靈活性供需平衡,建立一種以能量允許波動(dòng)率為基礎(chǔ)的冷熱電系統(tǒng)整體靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo).
對(duì)于相變儲(chǔ)能及熱阻模型在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用也取得了一定的進(jìn)展.文獻(xiàn)[8]將相變材料用于建筑墻體中進(jìn)行儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷,可以代替空調(diào)滿足室內(nèi)溫度需求,為長(zhǎng)時(shí)間尺度下新能源消納和削峰填谷提供一種新思路.文獻(xiàn)[9]將熱電聯(lián)供機(jī)組與光熱電站結(jié)合來(lái)提高能量產(chǎn)出效率,利用建筑相變墻體的儲(chǔ)能能力提高了孤島型綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性.文獻(xiàn)[10]對(duì)建筑熱能流進(jìn)行建模和分析,構(gòu)建了分布式沼氣-風(fēng)能-太陽(yáng)能可再生能源的微能網(wǎng)模型.考慮微能源網(wǎng)系統(tǒng)的不確定性,提出了兩階段協(xié)調(diào)調(diào)度模型.
本文將空氣源熱泵和建筑相變儲(chǔ)能墻體與CCHP型微網(wǎng)結(jié)合,可以平衡冷、熱、電源的出力比例,松弛CCHP系統(tǒng)自身的熱電比約束,提高系統(tǒng)的靈活性.建立一個(gè)包含光伏、風(fēng)機(jī)、CCHP系統(tǒng)、空氣源熱泵、相變儲(chǔ)能墻體的新微能源網(wǎng)優(yōu)化模型,以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)并考慮人體熱舒適度的因素進(jìn)行實(shí)際算例分析,得到各個(gè)單元的最優(yōu)出力及系統(tǒng)最低總運(yùn)行成本,并與只含普通建筑墻體的CCHP型微網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建立模型的合理性.
微能源網(wǎng)內(nèi)部各單元模型如圖1所示.在電能方面,電源包括建筑屋頂?shù)娘L(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電、CCHP系統(tǒng)供電及向電網(wǎng)購(gòu)電,可直接滿足區(qū)域內(nèi)用戶的電負(fù)荷需求,多余的電能可以向電網(wǎng)出售,或通過(guò)空氣源熱泵轉(zhuǎn)化冷/熱能儲(chǔ)存在相變墻體中.在熱能方面,熱能主要由CCHP系統(tǒng)燃?xì)忮仩t的余熱、空氣源熱泵轉(zhuǎn)化的熱能及相變儲(chǔ)能釋放的熱量滿足.在冷能方面,主要包括由機(jī)組余熱作為制冷動(dòng)力提供的冷量及相變儲(chǔ)能釋放的冷量.通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)多種能源進(jìn)行整體調(diào)度,在消納可再生能源的同時(shí)滿足電、熱、冷的實(shí)時(shí)供給.
圖1 微能源網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(1)燃?xì)廨啓C(jī).燃?xì)廨啓C(jī)為CCHP系統(tǒng)的核心動(dòng)力設(shè)備,可持續(xù)、不間歇的供熱、供電.本文采用文獻(xiàn)[11]的燃?xì)廨啓C(jī)模型,其發(fā)電功率、發(fā)電量和余熱量為
PGT(t)=Pgas(t)ηGT,
(1)
QGT(t)=FGT(t)LNGηGT,
(2)
HGT(t)=PGT(t)γGT,
(3)
公式中:PGT(t)、ηGT(t)分別為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率和發(fā)電效率;Pgas(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)消耗的燃?xì)夤β剩籕GT(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)輸出的電量;FGT(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)消耗的燃?xì)饬?;LNG為天然氣低熱值,取9.7 kWh/m3;HGT(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)回收的余熱功率;γGT為燃?xì)廨啓C(jī)熱電比.
(2)余熱鍋爐.余熱鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的余熱將鍋爐中的水加熱來(lái)供給熱負(fù)荷或吸收式制冷機(jī),其數(shù)學(xué)模型為
PWH(t)=Pin(t)ηWH,
(4)
公式中:PWH(t)為t時(shí)段余熱鍋爐的輸出功率;Pin(t)為t時(shí)段余熱鍋爐的輸入功率;ηWH(t)為余熱鍋爐的效率.
(3)換熱裝置.
QHX(t)=PGT(t)γGTηWHηhηHX,
(5)
公式中:QHX(t)為t時(shí)段換熱裝置輸出的熱功率;ηh為回收余熱用于制熱的比例;ηHX為換熱裝置的效率.
(4)吸收式制冷機(jī).選用溴化鋰作為制冷劑,經(jīng)過(guò)一系列物理變化,將輸入的熱能轉(zhuǎn)化為冷能.其數(shù)學(xué)模型為
QAC(t)=PGT(t)γGTηWHηcCOP,
(6)
公式中:QAC(t)為t時(shí)段制冷機(jī)的輸出功率;ηc為回收余熱用于制冷的比例;COP為制冷機(jī)的能效比.
(5)空氣源熱泵.空氣源熱泵是一種高效能源轉(zhuǎn)換裝置,利用室外空氣作為高位熱源使熱量從低溫制冷劑流向高位熱源,其電熱轉(zhuǎn)換關(guān)系為
QahC(t)=CahCPH(t),
(7)
QahH(t)=CahHPH(t),
(8)
公式中:QahC(t)、QahH(t)分別為t時(shí)段空氣源熱泵輸出的冷量和熱量;CahC、CahH分別為熱泵制冷和制熱系數(shù);PH(t)為t時(shí)段熱泵消耗的電功率.
相變儲(chǔ)能是指通過(guò)利用相變材料的物態(tài)變化過(guò)程來(lái)吸收和釋放熱量從而達(dá)到控制環(huán)境溫度和儲(chǔ)能的效果.目前相變儲(chǔ)能在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,例如:可解決供需雙方在時(shí)間、空間和強(qiáng)度上不匹配的問(wèn)題.應(yīng)用于電力系統(tǒng)中亦可配合電網(wǎng)削峰填谷.因此將相變材料引入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,利用相變材料的吸放熱達(dá)到建筑調(diào)溫、余熱儲(chǔ)存、輔助蓄熱和太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存等作用.本文選用一種癸酸與月桂酸混合的復(fù)合相變材料.
為了分析建筑冷熱功率流動(dòng)與溫度之間的關(guān)系,對(duì)相變儲(chǔ)能建筑進(jìn)行熱力網(wǎng)絡(luò)建模與分析.采用文獻(xiàn)[12]的熱阻模型,將等效熱容熱阻模型以電路的形式表示,如圖2所示.
圖3 北墻外熱容節(jié)點(diǎn)
圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)表示每個(gè)單元的溫度,下標(biāo)a、PCM、pw、pa、r、o、i、1、2、3、4、5、6、7分別代表室外、相變材料、相變墻、相變墻空氣、室內(nèi)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、南窗、南墻、東門、屋頂、東墻、北墻、地板.模型中各節(jié)點(diǎn)間的熱阻可通過(guò)計(jì)算得到
(9)
公式中:hin和hout分別為室內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù),W/m2;N為墻體數(shù)量;wx為墻體厚度,m;μx為墻體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃).
等效模型中的熱容可表示為(以圖3所示北墻外熱容節(jié)點(diǎn)為例)
(10)
公式中:F為修正系數(shù).
建立建筑等效熱阻模型各節(jié)點(diǎn)間的熱平衡方程式,以相變墻內(nèi)相變材料為例(夏季制冷工況下),相變材料的焓增量
(11)
將上式展開(kāi)可得
(12)
其余各節(jié)點(diǎn)熱平衡方程式建立方式與公式(11)類似,其方程式為一系列線性和非線性方程組,類似于電力系統(tǒng)中的潮流計(jì)算,可以采用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行求解.熱阻模型可以類比為電路模型,熱流量Q比作電路中的電流,每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的溫度比作電壓,進(jìn)而根據(jù)電路中歐姆定律可得到室內(nèi)溫度與能量流動(dòng)的精準(zhǔn)關(guān)系,與后文人體舒適度約束相結(jié)合.
含建筑相變儲(chǔ)能的CCHP型微網(wǎng)在并網(wǎng)條件下,由風(fēng)機(jī)、光伏、CCHP系統(tǒng)滿足電負(fù)荷需求,多余的電能及在電價(jià)低時(shí)段向電網(wǎng)購(gòu)電通過(guò)空氣源熱泵或溴化鋰制冷機(jī)組轉(zhuǎn)化為熱能或冷能儲(chǔ)存在相變墻體中,滿足室內(nèi)的熱負(fù)荷及冷負(fù)荷需求.本文以CCHP微網(wǎng)系統(tǒng)總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù).
(13)
公式中:F為系統(tǒng)總運(yùn)行成本;N為一天的時(shí)段數(shù);C3(t)為電能交互成本;C4(t)為制冷制熱收益.
(1)機(jī)組燃料購(gòu)置成本
(14)
公式中:CCH4為天然氣單價(jià);PMT(t)、ηMT為燃?xì)廨啓C(jī)輸出的電功率和發(fā)電效率.
(2)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用
(15)
公式中:N1、N2為可控機(jī)組和可再生能源機(jī)組個(gè)數(shù);kCU、kRU為可控機(jī)組和可再生能源機(jī)組單位維護(hù)費(fèi)用.
(3)電能交互成本為
C3(t)=Crb(t)max{PEX(t),0}+Crs(t)max{-PEX(t),0},
(16)
公式中:PEX(t)為t時(shí)段電網(wǎng)的交互功率,其中正值代表向電網(wǎng)售電,負(fù)值代表向電網(wǎng)購(gòu)電;Crb(t)和Crs(t)為購(gòu)電電價(jià)和售電電價(jià).
(4)制冷制熱收益
C4(t)=CcoQco(t)+CheQhe(t),
(17)
公式中:Qco(t)和Qhe(t)為t時(shí)段冷負(fù)荷和熱負(fù)荷;Cco(t)和Che(t)為售冷和售熱單價(jià).
(1)功率平衡約束為
PPV(t)+PWT(t)+PEX(t)+PGT(t)=PH(t)+PE-load(t),
(18)
QAC(t)+QahC(t)+QHS(t)=Qco(t),
(19)
QHX(t)+QahH(t)+QHS(t)=Qhe(t),
(20)
公式中:PPV(t)、PWT(t)分別為t時(shí)段光伏、風(fēng)機(jī)出力;PE-load(t)為t時(shí)段電負(fù)荷;QHS(t)為相變儲(chǔ)能釋放的冷功率或熱功率.
(2)微網(wǎng)與電網(wǎng)購(gòu)售電功率約束為
0≤PEX(t)≤Upur(t)Ppur,max,
(21)
0≤PEX(t)≤Usell(t)Psell,max,
(22)
Upur(t)+Usell(t)≤1,
(23)
公式中:Ppur,max、Psell,max分別為向電網(wǎng)購(gòu)售電的最大功率.
(3)空氣源熱泵功率約束為
(24)
(4)相變儲(chǔ)能約束為
(25)
HPCM(0)=HPCM(T)
.
(26)
在完成一個(gè)調(diào)度周期后,相變儲(chǔ)能系統(tǒng)要恢復(fù)到初始的儲(chǔ)能狀態(tài).
(5)室內(nèi)熱舒適度約束
熱舒適度是指在標(biāo)準(zhǔn)散熱量和散濕量下人體本身的熱感覺(jué),不僅僅簡(jiǎn)單反映人對(duì)溫度高低的感覺(jué),還包括濕度、空氣潔凈度及個(gè)人生活習(xí)慣和衣著情況等的主觀因素考慮.Fanger提出最佳熱舒適度應(yīng)包含以下三個(gè)方面:人體處于熱平衡狀態(tài)、皮膚表面溫度符合舒適水平,人體有最佳的新陳代謝率.根據(jù)以上三個(gè)條件,F(xiàn)anger提出人體舒適度模型(PMV模型),人體感覺(jué)與PMV指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.
表1 PMV指標(biāo)對(duì)應(yīng)的冷熱感標(biāo)尺
我國(guó)一般規(guī)定舒適度范圍為 -1≤IPMV≤1,本文為獲得更滿意的舒適度,將舒適度范圍定為-0.5≤IPMV≤0.5,IPMV采用文獻(xiàn)[13]的計(jì)算公式,如公式(27)、公式(28)和公式(29)所示.
IPMV=2.43-3.76NHB,
(27)
(28)
將公式(27)帶入到公式(26)得
(29)
公式中:NHB為熱平衡數(shù);Tsk為皮膚平均溫度;Icl為服裝基本熱阻;M0為新陳代謝率;Ia/fcl為空氣層熱阻與服裝面積系數(shù)的比值;Ts、Tm分別為室內(nèi)溫度和墻體等熱物質(zhì)表面溫度,可由上文等效熱阻模型的熱平衡方程求出.
本文以并網(wǎng)條件下某微網(wǎng)為研究對(duì)象,網(wǎng)內(nèi)包括風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電、CCHP系統(tǒng)、空氣源熱泵及置于建筑墻體內(nèi)的相變儲(chǔ)能裝置.具體各設(shè)備等參數(shù)來(lái)源文獻(xiàn)[5].選取夏季某一典型日的負(fù)荷需求和分布式發(fā)電功率進(jìn)行算例分析,其中優(yōu)化調(diào)度為24 h,時(shí)間間隔為1 h.為驗(yàn)證本文建立模型的合理性,設(shè)置方案一:采用普通墻體以及電儲(chǔ)能的模型;方案二:采用本文建立的相變墻體模型,空氣源熱泵參與制冷并考慮舒適度約束;方案三:采用文獻(xiàn)[14]的簡(jiǎn)化熱阻模型并考慮舒適度,與方案2 對(duì)比.本文建立的微能源網(wǎng)模型經(jīng)轉(zhuǎn)換后屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題,采用商業(yè)求解器Cplex工具箱Yalmip進(jìn)行求解.
(1)采用普通墻體以及電儲(chǔ)能的模型
方案一夏季典型日微網(wǎng)電、冷功率調(diào)度結(jié)果如圖4、圖5所示.在采用普通墻體以及電儲(chǔ)能的模型時(shí),系統(tǒng)采用傳統(tǒng)“以冷定電”模式,首要滿足冷負(fù)荷的要求,若出現(xiàn)冷負(fù)荷供應(yīng)不足的情況,通過(guò)向電網(wǎng)購(gòu)電制冷來(lái)補(bǔ)足.在此模式下,受CCHP系統(tǒng)自身熱電比的約束,電功率需要時(shí)刻跟隨冷功率的改變,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的調(diào)節(jié),不能主動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行.此運(yùn)行模式下的系統(tǒng)成本比較高.
圖4 方案一電功率調(diào)度結(jié)果 圖5 方案一冷功率調(diào)度結(jié)果
(2)采用本文建立的相變墻體模型,空氣源熱泵參與制冷并考慮舒適度約束
方案二含空氣源熱泵、相變墻體的夏季典型日微網(wǎng)電、冷功率調(diào)度結(jié)果如圖6、圖7所示.建筑內(nèi)冷負(fù)荷由相變儲(chǔ)能墻體、CCHP系統(tǒng)和電制冷共同滿足.電負(fù)荷及其他設(shè)備耗電由CCHP系統(tǒng)、分布式電源、電儲(chǔ)能出力及電網(wǎng)購(gòu)電共同供應(yīng).從圖中可以看出在1:00-6:00時(shí)段,購(gòu)/售電價(jià)處于低谷階段,電、冷負(fù)荷需求較少,CCHP系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本高于購(gòu)電成本.此時(shí)段向電網(wǎng)大量購(gòu)電一部分滿足電負(fù)荷,一部分通過(guò)電制冷設(shè)備制冷滿足冷負(fù)荷,另一部分通過(guò)空氣源熱泵轉(zhuǎn)化為冷能儲(chǔ)存在相變墻體中并在9:00時(shí)墻體儲(chǔ)能達(dá)到額定峰值.在7:00-10:00、15:00-17:00和20:00-22:00時(shí)段,購(gòu)/售電價(jià)處于適中階段.微網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電費(fèi)用高于售電價(jià)格但低于購(gòu)電價(jià)格,因此調(diào)用微網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電和光伏發(fā)電來(lái)滿足電負(fù)荷需求,其余少量部分由電網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)足.從7:00開(kāi)始一部分冷負(fù)荷由相變墻體釋放冷量來(lái)滿足,不足部分由CCHP系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)足.在10:00-15:00和18:00-21:00購(gòu)售電價(jià)格高峰時(shí)段,售電價(jià)格高于分布式電源發(fā)電費(fèi)用,分布式電源主要用來(lái)向電網(wǎng)售電增加收益;在此時(shí)段相變儲(chǔ)能墻體處于釋放冷量最大值以滿足人體舒適度約束的要求.
圖6 方案二電功率調(diào)度結(jié)果 圖7 方案二冷功率調(diào)度結(jié)果
三種方案下微能源網(wǎng)成本及收益如表2所示.兩種方案的總運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比可得,方案二比方案一CCHP系統(tǒng)燃料費(fèi)用降低29.8%,系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用降低16.4%.方案三較方案二CCHP系統(tǒng)燃料費(fèi)用增加8.3%,系統(tǒng)總費(fèi)用增加7.8%.
表2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比
圖8 PMV對(duì)比
經(jīng)對(duì)比可知,考慮簡(jiǎn)化熱負(fù)荷模型較方案一燃料成本及總費(fèi)用均有所降低,但與方案二相比,本文所建立含空氣源熱泵和建筑相變儲(chǔ)能的熱網(wǎng)絡(luò)模型在經(jīng)濟(jì)效益方面具有更佳效果;通過(guò)圖8可知:本文建立的熱網(wǎng)絡(luò)模型相對(duì)于方案三而言,在本文設(shè)定的人體舒適度約束下,PMV計(jì)算結(jié)果更接近約束范圍的上下限,因此其溫度設(shè)定值相對(duì)更接近室外溫度,節(jié)能效果更好.
本文通過(guò)對(duì)冷熱電聯(lián)供機(jī)組和建筑相變儲(chǔ)能熱平衡進(jìn)行建模和分析,構(gòu)建了基于相變儲(chǔ)能熱阻模型的CCHP型微能網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,并采用混合整數(shù)線性規(guī)劃法求解模型.通過(guò)算例分析,驗(yàn)證了模型的正確性和有效性,并得到如下結(jié)論:
本文所構(gòu)建的基于相變儲(chǔ)能熱阻模型的CCHP型微能源網(wǎng)模型一定程度解決了冷熱電聯(lián)供傳統(tǒng)“以冷定電”模式造成的電功率無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題,松弛自身熱電比,減少了系統(tǒng)運(yùn)行總成本,增加系統(tǒng)的靈活性.
采用性能溫和穩(wěn)定的建筑相變墻體可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、大尺度儲(chǔ)能,可以有效調(diào)節(jié)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的峰谷差.解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式的某些缺陷并在滿足人體舒適度的約束下具有更好的節(jié)能效果,在功能上可以取代空調(diào)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”.