李曉恩，李澤鵬，周 川，吳 鵬，王 雪

(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

社會(huì)不斷發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了能源短缺、環(huán)境污染等一系列棘手的問(wèn)題，而日益增加的能源需求也對(duì)能源利用的合理性帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。綜合能源系統(tǒng)(IES)能夠協(xié)同規(guī)劃多種能源，實(shí)現(xiàn)能量的耦合互補(bǔ)與能源的高效利用，因此被國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注[1，2]。

IES系統(tǒng)中設(shè)備容量的合理規(guī)劃是系統(tǒng)高效平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障，然而多種能源形式的耦合使得系統(tǒng)的規(guī)劃及優(yōu)化調(diào)度更加復(fù)雜[3，4]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)不同功能區(qū)的負(fù)荷特性，提出了考慮多功能區(qū)差異性的IES系統(tǒng)規(guī)劃模型，顯著提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。文獻(xiàn)[6]在所建立的規(guī)劃模型中考慮了配電線路和燃?xì)夤艿赖挠绊懸蛩?，以?jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)區(qū)域IES系統(tǒng)進(jìn)行了多階段規(guī)劃。文獻(xiàn)[7]考慮了聯(lián)絡(luò)線峰谷差對(duì)IES系統(tǒng)的影響，建立了IES系統(tǒng)優(yōu)化模型。還有文獻(xiàn)以年規(guī)劃成本最小化為目標(biāo)，建立了雙層規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，降低了混合優(yōu)化模型求解的復(fù)雜程度[8，9]。文獻(xiàn)[10]在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，對(duì)IES系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。綜上，在IES系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行研究方面，大多對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性展開(kāi)研究分析，因此IES系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行方面的研究還需更加多樣化。

太陽(yáng)能作為一種源源不斷的清潔能源，在IES系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行合理規(guī)劃將會(huì)降低環(huán)境污染和系統(tǒng)成本[11]。然而，由于太陽(yáng)能具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，使得IES系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行的難度進(jìn)一步加大。文獻(xiàn)[12]針對(duì)光伏接入IES系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提出了一種供能可靠性的IES系統(tǒng)規(guī)劃方法，通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了所提方法的有效性。文獻(xiàn)[13]建立了包含三層負(fù)荷預(yù)測(cè)的規(guī)劃調(diào)度模型，以解決負(fù)荷不確定性對(duì)系統(tǒng)的不利影響。文獻(xiàn)[14]基于碳交易機(jī)制，建立了以全壽命周期內(nèi)系統(tǒng)成本最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)的IES系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)了IES系統(tǒng)中各設(shè)備的最優(yōu)配置。文獻(xiàn)[15]為提高風(fēng)光裝機(jī)比例，構(gòu)建了以系統(tǒng)成本、風(fēng)光利用率為目標(biāo)的雙層規(guī)劃調(diào)度模型。由此可見(jiàn)，在IES系統(tǒng)中有效考慮太陽(yáng)能接入的不確定性，將會(huì)提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

綜上，本研究提出了一種集成光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄熱水箱以及內(nèi)燃機(jī)的綜合能源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述

1.1 參考系統(tǒng)

本研究中參考系統(tǒng)為分產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。其中，用戶電負(fù)荷由電網(wǎng)提供，熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t(GB)通過(guò)換熱器來(lái)滿足，冷負(fù)荷則通過(guò)電制冷機(jī)(ASHP)向電網(wǎng)買電來(lái)滿足。

圖1 分產(chǎn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of production division system

1.2 綜合能源系統(tǒng)

IES系統(tǒng)示意圖如圖2所示。內(nèi)燃機(jī)(ICE)的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)吸收式熱泵(ABS)或者余熱鍋爐(WB)產(chǎn)生冷量或者熱量。用戶回水首先進(jìn)入缸套水換熱器被ICE的余熱加熱，其次進(jìn)入WB吸收煙氣余熱。用戶電負(fù)荷由ICE和光伏發(fā)電系統(tǒng)共同承擔(dān)，系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余電量上網(wǎng)。不足的電負(fù)荷則向電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)補(bǔ)充。此外，不足的冷、熱負(fù)荷全部由GB來(lái)滿足，多余的熱量則儲(chǔ)存在蓄熱水箱中。

圖2 綜合能源系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of integrated energy system

1.3 運(yùn)行策略

IES系統(tǒng)根據(jù)以電定熱的策略運(yùn)行，ICE根據(jù)用戶電負(fù)荷逐時(shí)調(diào)整其部分負(fù)荷率(PLR)，產(chǎn)生的余熱則通過(guò)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備為用戶供熱。用戶電需求首先通過(guò)光伏發(fā)電來(lái)滿足，其次采用ICE發(fā)電量作進(jìn)一步的補(bǔ)充，最后剩余的電負(fù)荷需求由電網(wǎng)來(lái)提供。此外，由于1—4月份以及11—12月份用戶熱負(fù)荷較大，其余月份用戶的冷負(fù)荷較大，為使ICE的煙氣余熱被充分利用，在1—4月份以及11—12月份時(shí)，ICE的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)WB加熱用戶回水，而其余月份則通過(guò)ABS來(lái)產(chǎn)生冷量。在系統(tǒng)供冷季節(jié)，用戶回水不經(jīng)過(guò)WB。用戶剩余的冷需求和熱需求都由GB來(lái)提供。

2 設(shè)備熱力學(xué)模型

1)內(nèi)燃機(jī)。ICE是綜合能源系統(tǒng)中的重要組成部分，其通過(guò)燃燒天然氣后產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)做功，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。此外，PLR對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程有很大的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，本文中關(guān)于PLR的定義如式(1)所示，ICE的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(2)-(6)所示。

GICE=PICE/(ηm×ηg)

(2)

Qj=pj×(GICE-PICE/ηm)

(3)

Qs=ps×(GICE/ηm)

(4)

fg=GICE/HL

(5)

fs=(1+φ×β)×fg

(6)

式中，PICE為ICE的發(fā)電量，kW；RICE為ICE的額定容量，kW；GICE為ICE的天然氣消耗量，kW；Qj為缸套水的熱量，kW；Qs為高溫?zé)煔獾臒崃?，kW；ηm為機(jī)械效率；ηg為電廠的發(fā)電效率；pj為缸套水的熱量占比；ps為排煙熱量占比；fg為ICE的天然氣流量，m3/s；fs為ICE的排煙流量，m3/s；HL為天然氣的低位熱值，為35600 kJ/m3；φ為過(guò)量空氣系數(shù)，取2；β為空燃比，取9.52∶1。

2)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電(PV)系統(tǒng)通過(guò)光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(7)所示[17]。

式中，Tpv，t為光伏板在t時(shí)刻的工作溫度，K；Te為環(huán)境溫度，K；Tn為光伏板的標(biāo)稱溫度，取25 ℃；Radt為t時(shí)刻的輻照強(qiáng)度，W/(m2·K)；pv，t為光伏板在t時(shí)刻的轉(zhuǎn)換效率；Ppv，t為t時(shí)刻的光伏發(fā)電量，kW；Apv為單個(gè)光伏板的有效集熱面積，取2 m2。

3)缸套水換熱器。用戶回水流經(jīng)缸套水換熱器的過(guò)程中吸收的熱量如式(8)所示。

Qj，out=Qj×ηj

(8)

式中，Qj，out為缸套水換熱器的放出的熱量，kW；ηj為缸套水換熱器的換熱效率。

4)余熱鍋爐。ICE的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)WB加熱用戶回水，該過(guò)程中WB吸收的煙氣余熱如式(9)所示。

QWB=Qs×ηWB

(9)

式中，ηWB為WB的熱回收效率。

5)吸收式熱泵。ABS由ICE的高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)，產(chǎn)生的冷量由式(10)所示。

CABS=QABS×COPABS

(10)

式中，QABS為ABS產(chǎn)生一定的冷量消耗的熱量，kW；COPABS為ABS的能效系數(shù)。

6)空氣源熱泵。ASHP通過(guò)消耗一定的電量為用戶供冷，其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(11)所示。

CASHP=PASHP×COPASHP

(11)

式中，PASHP為ASHP產(chǎn)生一定的冷量需要消耗的電量，kW；COPASHP為ASHP的能效系數(shù)。

7)空氣源熱泵。GB的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(12)所示。

QGB=GGB×ηGB

(12)

式中，QGB為GB產(chǎn)生的熱量，kW；GGB為GB消耗的天然氣量，kW；ηGB為GB的補(bǔ)燃效率。

8)蓄熱水箱。系統(tǒng)產(chǎn)生的多余熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱水箱中，當(dāng)系統(tǒng)供熱不足時(shí)，蓄熱水箱可補(bǔ)充供熱。蓄熱水箱的能量關(guān)系如式(13)所示。

式中，Qt，tank和Qt+1，tank分別為第t和t+1小時(shí)水箱內(nèi)儲(chǔ)存的熱量，kW；θs為蓄熱功率系數(shù)；θr為放熱功率系數(shù)；Qs為水箱的輸入熱量，kW；Qr為水箱的輸出熱量，kW；Qs，max為水箱的最大蓄熱功率，kW；Qr，max為水箱的最大放熱功率，kW。

3 優(yōu)化方案

3.1 綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃優(yōu)化模型

基于用戶和系統(tǒng)之間能量供需的逐時(shí)平衡，采用遺傳算法對(duì)IES系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了優(yōu)化評(píng)估，并結(jié)合了一次能源消耗量和碳排放量的指標(biāo)，對(duì)分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)的性能做進(jìn)一步的比較。

3.1.1 優(yōu)化變量

1)ICE的額定容量。RICE對(duì)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其他設(shè)備選型有很大的影響。若RICE過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，并且設(shè)備的投資成本增加，使得系統(tǒng)的效率及經(jīng)濟(jì)性較差；反之，若RICE過(guò)小，系統(tǒng)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)ICE的壽命也有不利影響。

2)蓄熱水箱的容積(Vtank)。蓄熱水箱儲(chǔ)存系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余熱量，在系統(tǒng)供熱不足時(shí)，放出熱量為用戶供熱。Vtank越大，系統(tǒng)的投資成本越大。而Vtank較小時(shí)，會(huì)造成需要燃?xì)忮仩t補(bǔ)燃，在系統(tǒng)產(chǎn)熱量剩余時(shí)還會(huì)造成熱量的浪費(fèi)。因此，合適的蓄熱水箱容積將會(huì)提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和能效性。

3)屋頂光伏板的覆蓋率(ppv)。ppv過(guò)大，系統(tǒng)的投資成本增加，經(jīng)濟(jì)性較差。而ppv過(guò)小時(shí)系統(tǒng)發(fā)電量減小，向電網(wǎng)的購(gòu)電量增加，系統(tǒng)的能源利用率下降。因此，有必要對(duì)太陽(yáng)能光伏板的個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.2 約束條件

1)電功率平衡約束：

PICE，t+Ppv，t+Pgrid，t≥Puser，t

(14)

2)熱功率平衡約束：

Qj，t+QWB，t+Qr，t+QGB，1，t≥Quser，t+Qabs，t+Qs，t

(15)

式中，QGB，1，t為GB逐時(shí)供熱需熱量，kW；Quser，t為用戶逐時(shí)熱負(fù)荷，kW。

3)冷功率平衡約束：

CABS+CGB，2，t≥Cuser，t

(16)

式中，CGB，2，t為GB逐時(shí)供冷需熱量，kW；Cuser，t為用戶逐時(shí)冷負(fù)荷，kW。

3.1.3 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)分產(chǎn)系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)，建立了以年總成本(TAC)為目標(biāo)的優(yōu)化模型。系統(tǒng)年總成本包括系統(tǒng)的投資成本(Minv)、運(yùn)行維護(hù)成本(Momc)、購(gòu)買天然氣成本(Mgas)、購(gòu)電成本(Mele)以及碳稅成本(Mtax)。

TAC=Minv+Momc+Mgas+Mele+Mtax

(17)

Momc=0.02×Minv

(20)

Gt=GICE，t+GGB，t

(22)

式中，ωj為第j型設(shè)備的成本回收系數(shù)；k為利率，取0.05；τj為設(shè)備壽命，取20 a；minv，j為第j型設(shè)備單位容量的投資成本，元/kW；Rj為第j型設(shè)備的額定容量，kW；yj為第j型設(shè)備的個(gè)數(shù)；mgas為天然氣成本，元/kWh；Gt為t時(shí)刻系統(tǒng)的天然氣消耗量，kWh；mele為購(gòu)電成本，元/kW·h；Pbuy，t為t時(shí)刻的購(gòu)電量，kW·h；msell為余電上網(wǎng)價(jià)格，元/kW·h；Psell，t為t時(shí)刻系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余電量，kW；mtax為碳稅，元/t；ρgrid為電網(wǎng)的碳排放因子，kg/kW·h；ρgas為天然氣的碳排放因子，kg/kW·h。

3.1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)年總一次能源消耗量(TPE)和年總碳排放量(TCE)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的能效性和環(huán)保性進(jìn)行綜合評(píng)估。

式中，ηe為火力發(fā)電效率；ηgrid為電網(wǎng)的電力傳輸效率。

3.2 優(yōu)化算法

由于遺傳算法具有內(nèi)在的隱式并行式和較好的全局搜索能力，對(duì)于非線性、多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題有較好的優(yōu)化結(jié)果[18]。因此本研究采用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)的年總成本進(jìn)行優(yōu)化，此外，加入并行計(jì)算進(jìn)一步加快模型的求解速度。遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如下：種群代數(shù)為300，種群規(guī)模為100，變異概率為0.8，交叉概率見(jiàn)變異方程。優(yōu)化變量的優(yōu)化范圍和優(yōu)化步長(zhǎng)見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化變量范圍及優(yōu)化步長(zhǎng)Table 2 Optimization variable range and optimization step

3.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下：ηj為0.80，COPABS為0.70，COPASHP為4.00，ηWB為0.88，ηGB為0.85，θs為0.85，θr為0.85，Apv為2 m2，單個(gè)PV板的占地面積為5 m2，ηe為0.40，ηgrid為0.92，ρgrid為1.01 kg/(kW·h)，ρgas為0.22 kg/(kW·h)。

設(shè)備的經(jīng)濟(jì)參數(shù)如下(均指初始投資成本系數(shù))：ICE為1046×μ(元/kW)，μ為美元兌人民幣匯率，本文μ=6.5671；ABS為120(元/kW)；ASHP為970(元/kW)；GB為620(元/kW)；換熱器為200(元/kW)；蓄熱水箱為500(元/m3)；PV板初始投資成本系數(shù)為1500(元/塊)[19]。

電價(jià)每天0∶00-6∶00，23∶00-0∶00時(shí)為0.38元/(kW·h)；7∶00-9∶00，15∶00-17∶00，21∶00-22∶00時(shí)為0.84元/(kW·h)；10∶00-14∶00，18∶00-20∶00時(shí)為1.32元/(kW·h)；余電上網(wǎng)價(jià)格(msell)為0.5元/(kW·h)。天然氣價(jià)格(mgas)為0.22元/(kW·h)。

4 案例分析

針對(duì)辦公建筑典型年的負(fù)荷特性，以經(jīng)濟(jì)性能最佳為優(yōu)化目標(biāo)，采用分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)為5棟辦公建筑供能，評(píng)價(jià)了兩系統(tǒng)的能效性和環(huán)保性。其次討論了分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)逐月成本變化情況，最后針對(duì)IES系統(tǒng)分析了典型日的能量供需平衡。

4.1 研究對(duì)象

選取北京地區(qū)的一棟辦公建筑作為研究對(duì)象，其屋頂面積為500 m2，如圖3所示。其中，冷負(fù)荷集中在3月到11月，在這期間冷負(fù)荷先增大后減小，最大值在7月取得，約為501 kW。熱負(fù)荷則主要集中在1—5月以及9—12月，最大值為325 kW左右，而用戶電負(fù)荷在全年均勻分布，最大值約為68 kW。此外，北京地區(qū)典型年的逐時(shí)室外環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度和太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度隨著月份的增加先增大后減小，7月達(dá)到了全年的峰值期。

圖3 辦公建筑典型年負(fù)荷分布圖Fig.3 Typical annual load distribution of office buildings

4.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

得到優(yōu)化結(jié)果為：RICE=227 kW，Vtank=129.25 m3，ppv=100%，因此在建筑屋頂裝滿光伏板時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能最佳。分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)性能為目標(biāo)時(shí)的優(yōu)化結(jié)果如下：IES系統(tǒng)的年總成本為1684183.14元，而分產(chǎn)系統(tǒng)的年總成本為2123350.17元。因此與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，該IES系統(tǒng)的成本節(jié)約率為30.67%。在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)下，IES系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的年總一次能源消耗量分別為5516142.65 kW·h和6056996.07 kW·h，而年總碳排放量為1345985.80 kg和2016668.61 kg，一次能源節(jié)約率和二氧化碳減排率分別為8.93%和33.26%。由此可見(jiàn)，在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)下，該IES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能、能效性能和環(huán)保性能都顯著優(yōu)于分產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)性能。

4.3 系統(tǒng)逐月成本變化情況對(duì)比分析

為進(jìn)一步分析分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，將年總成本中購(gòu)電成本、購(gòu)買天然氣成本以及碳稅成本進(jìn)行逐月分析，兩系統(tǒng)的逐月成本變化如圖5所示(其中下角標(biāo)ref代表參考系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)值)。

圖5 分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)逐月成本變化圖Fig.5 Monthly cost change chart of split production system and IES system

由圖可知，針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，幾種成本中碳稅的成本占總成本的比例最小。IES系統(tǒng)的購(gòu)電成本和碳稅成本都顯著低于分產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)成本，而其購(gòu)買天然氣的成本高于分產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)成本。其中，IES系統(tǒng)的購(gòu)電成本相比分產(chǎn)系統(tǒng)而言降低幅度是最大的，7月時(shí)兩系統(tǒng)購(gòu)電成本的差值達(dá)到了最大，約為22.36萬(wàn)元。IES系統(tǒng)中ICE和PV機(jī)組全年的逐月發(fā)電量如圖6所示，ICE的全年發(fā)電量約為838581 kW·h，而PV機(jī)組的全年發(fā)電量為197972 kW·h左右，為ICE發(fā)電量的23.61%，承擔(dān)了全年用戶電負(fù)荷的14.58%，有效減小了系統(tǒng)的購(gòu)電量，因此極大地降低了系統(tǒng)的購(gòu)電成本。

圖6 IES系統(tǒng)中ICE和PV機(jī)組逐月發(fā)電量Fig.6 Monthly power generation of ICE and PV units in IES system

在IES系統(tǒng)中，由于不足的冷、熱負(fù)荷都通過(guò)GB來(lái)滿足，且ICE也需要天然氣作為燃料。而分產(chǎn)系統(tǒng)中GB只需要給用戶供熱，因此IES系統(tǒng)的天然氣購(gòu)買成本遠(yuǎn)大于分產(chǎn)系統(tǒng)的天然氣購(gòu)買成本，且分產(chǎn)系統(tǒng)在4-10月的天然氣購(gòu)買成本幾乎為0。碳稅成本與系統(tǒng)對(duì)外的購(gòu)電量和天然氣購(gòu)買量相關(guān)，IES系統(tǒng)中由于余熱的回收利用以及PV機(jī)組的加入提升了系統(tǒng)的環(huán)保性能，從而減小了系統(tǒng)的碳稅成本。

此外，由于1月和12月是熱負(fù)荷的高峰期，而7月和8月是冷負(fù)荷的高峰期，因此系統(tǒng)的各部分成本在這幾個(gè)月份會(huì)顯著高于其余月份。4月和10月是冷、熱負(fù)荷的低谷期，因此系統(tǒng)的各項(xiàng)成本在這兩個(gè)月較低。

4.4 IES系統(tǒng)中典型日能量供需平衡

由于IES系統(tǒng)中含有蓄熱水箱，而夏季時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)熱較少，蓄熱水箱的作用并不明顯，因此本節(jié)選取冬季典型日對(duì)IES系統(tǒng)中能量平衡進(jìn)行了分析。冬季典型日的電量和熱量供需平衡如圖7所示。

圖7 冬季典型日能量供需平衡Fig.7 Typical daily energy supply and demand balance in winter

由圖7(a)可知，在負(fù)荷低谷期，ICE不啟動(dòng)，用戶電負(fù)荷需求都通過(guò)電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足。電負(fù)荷高峰期時(shí)，ICE滿負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)PV發(fā)電機(jī)組白天時(shí)發(fā)電量增加，補(bǔ)充了一部分用戶電負(fù)荷需求，減小了系統(tǒng)的購(gòu)電量。在19∶00—22∶00，用戶電負(fù)荷小于ICE額定容量，因此ICE部分負(fù)荷運(yùn)行，減少了系統(tǒng)廢電量的產(chǎn)生。圖7(b)為冬季典型日的熱量供需平衡，由于0∶00—7∶00期間，ICE不啟動(dòng)，因此這個(gè)階段的熱量需求都通過(guò)GB來(lái)滿足。10∶00—17∶00，用戶熱負(fù)荷相對(duì)較低，IES系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余熱量被儲(chǔ)存在蓄熱水箱中。18∶00—22∶00，ICE處于部分負(fù)荷率的運(yùn)行狀態(tài)，IES系統(tǒng)供熱不足，蓄熱水箱放出熱量補(bǔ)充用戶剩余的熱需求。在此期間，蓄熱水箱放出的熱量約為650.89 kWh，承擔(dān)了當(dāng)日用戶熱負(fù)荷的12.97%，有效的減小了系統(tǒng)用于供熱的天然氣購(gòu)買量。

5 結(jié) 論

1)在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)下，所提出的IES系統(tǒng)的年總成本節(jié)約率、年二氧化碳減排率和年一次能源節(jié)約率分別為30.67%、33.26%和8.93%。

2)由于分產(chǎn)系統(tǒng)和IES系統(tǒng)分別采用ASHP和GB為用戶提供不足的冷負(fù)荷需求，因此IES系統(tǒng)的購(gòu)電成本顯著低于分產(chǎn)系統(tǒng)的購(gòu)電成本，而其天然氣購(gòu)買量遠(yuǎn)大于分產(chǎn)系統(tǒng)的天然氣購(gòu)買量。但I(xiàn)ES系統(tǒng)中能量的梯級(jí)利用以及PV機(jī)組的加入，使其碳稅成本小于分產(chǎn)系統(tǒng)的碳稅成本。

3)1月和12月為熱負(fù)荷高峰期，7月和8月為冷負(fù)荷的高峰期，因此系統(tǒng)各項(xiàng)成本在這幾個(gè)月份會(huì)顯著高于其他月份。4月和10月為用戶負(fù)荷的低谷期，系統(tǒng)的各項(xiàng)成本較低。

4)IES系統(tǒng)中，PV機(jī)組的全年發(fā)電量為全年用戶電負(fù)荷的14.58%，有效減小了系統(tǒng)的購(gòu)電量，因此極大地降低了系統(tǒng)的購(gòu)電成本，提升了IES系統(tǒng)性能。