樓宇三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量與運(yùn)行策略集成優(yōu)化研究

1、樓宇三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量與運(yùn)行策略集成優(yōu)化研究霍小亮摘要：研究一套聯(lián)供系統(tǒng)的最佳設(shè)備容量與最優(yōu)運(yùn)行策略。該聯(lián)供系統(tǒng)包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、雙 效澳化鋰吸收式制冷機(jī)及燃?xì)忮仩t。考慮到經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性這三個(gè)聯(lián)供系統(tǒng)性能評(píng) 價(jià)指標(biāo)，建立了以年運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的非線性最優(yōu)化模型。并以上海某賓館為例， 應(yīng)用該優(yōu)化模型，運(yùn)用lingo專業(yè)優(yōu)化軟件進(jìn)行求解，得到了適合于該賓館的三聯(lián)供系統(tǒng)的 最佳設(shè)備容量與最優(yōu)運(yùn)行策略。結(jié)果表明，該優(yōu)化模型具有很好的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性。關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供；最優(yōu)化；吸收式制冷機(jī)；運(yùn)行策略；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)樓宇分布式供能系統(tǒng)（bchp）是一種日益重要的建筑供能方式，它可 以在發(fā)

2、電的同時(shí)利用廢熱，達(dá)到能源的梯級(jí)利用，提高總的能源利用效率。由于樓宇建筑能耗特性比較復(fù)雜，冷熱電負(fù)荷隨時(shí)間變化波動(dòng)比較大， 這使得三聯(lián)供系統(tǒng)在確定設(shè)備容量和運(yùn)行策略時(shí)比較困難。文獻(xiàn)叫等研 究了聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備配置與運(yùn)行優(yōu)化方法。然而大部分研究成果都沒(méi)有考 慮chp設(shè)備在部分負(fù)荷下的運(yùn)行狀況，且只考慮經(jīng)濟(jì)性因素的居多。部分 文獻(xiàn)也談到了節(jié)能性和環(huán)保性，但都沒(méi)有把這些指標(biāo)體現(xiàn)在優(yōu)化模型中， 只是在整體上說(shuō)明，不能很好的體現(xiàn)三聯(lián)供的優(yōu)越性。本文建立了以年運(yùn) 行費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)的聯(lián)供系統(tǒng)非線性優(yōu)化模型。該模型充分考慮了經(jīng) 濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的部分負(fù)荷特性。并把 該模型應(yīng)用到上

3、海某賓館建筑，應(yīng)用lingo專業(yè)優(yōu)化軟件進(jìn)行求解，得到 了最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)備容量和最優(yōu)運(yùn)行策略。具有較好的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán) 保性。1. bchp系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文研究的三聯(lián)供系統(tǒng)（如圖1）由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、雙效澳化鋰吸收式 制冷機(jī)和燃?xì)忮仩t等設(shè)備構(gòu)成。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)不但啟動(dòng)快、 啟動(dòng)能耗小、部分負(fù)荷性能好，而且規(guī)格齊全、價(jià)格低廉、安全可靠。吸收 式制冷機(jī)、空調(diào)熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷可采用從燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)回收的低品位熱源 作為驅(qū)動(dòng)源，不足負(fù)荷用燃?xì)忮仩t來(lái)驅(qū)動(dòng)?？照{(diào)熱負(fù)荷與熱水負(fù)荷通過(guò)換熱 器來(lái)獲得熱量，為了體現(xiàn)節(jié)能性和環(huán)保性指標(biāo)，假定公用電網(wǎng)由燃?xì)怆姀S 供電。分供系統(tǒng)（如圖2）的電負(fù)荷完全由公用電網(wǎng)供給，空

4、調(diào)冷負(fù)荷也由 吸收式制冷機(jī)供給。熱水負(fù)荷和空調(diào)熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t通過(guò)換熱器熱交換 供給，吸收式制冷機(jī)由燃?xì)忮仩t驅(qū)動(dòng)。圖1聯(lián)供系統(tǒng)供能方式圖2分供系統(tǒng)供能方式2. 優(yōu)化模型本優(yōu)化模型所涉及到的待優(yōu)化變量如表1，同時(shí)為了便于分析，做以 下假設(shè)：(1) 可選擇的系統(tǒng)設(shè)備容量連續(xù)，且無(wú)故障運(yùn)行；(2) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)熱電比在部分負(fù)荷區(qū)不變囚；(3 )吸收式制冷機(jī)cop和燃?xì)忮仩t效率在運(yùn)行期間保持不變；換熱器1與換熱器2的換熱效率相同；表1待優(yōu)化變量?jī)?yōu)化變量變量符號(hào)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)逐時(shí)發(fā)電量/kwh燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)逐時(shí)發(fā)電效率燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)逐時(shí)余熱利用量/ kwhh嚴(yán)燃?xì)忮仩t逐時(shí)供熱量/kwhh bwfer逐時(shí)電網(wǎng)購(gòu)電量/k

5、whutility燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)容量/kwcpge燃?xì)忮仩t容量/kwc嚴(yán)"吸收式制冷機(jī)容量/kwcpahs2. 1目標(biāo)函數(shù)以年運(yùn)行費(fèi)用最少作為三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)如公式（1）。 三聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要包括燃料費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)和設(shè)備投資費(fèi)用三部 分。目前小型熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電在我國(guó)尚不能上網(wǎng)，故年運(yùn)行費(fèi)用中將不計(jì)入 由聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)電量收入。(1)ge .boiler . abs run ' ° run t v runmi心=c需+ c畫(huà)+ c驚+ c警+c篇+ c黔+ c胖公用電網(wǎng)年購(gòu)電量計(jì)算方法由式（2）表示，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、 吸收式制冷機(jī)的年運(yùn)行費(fèi)用分別由式（

6、3）、式（4）、式（5）給出。utilityutility _ putility . utility（ 2 ）cge = y ege -f廠 boiler 、tj boilercrun =乙比(pgas(chp)、士+嚴(yán)runboilerrun丿(3)i y hr(pz 1f c("hra加fi9cool run(4)cads =l. i 嚴(yán)（5 ）run z i .cool run /文獻(xiàn)研究了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率與負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系，得到了燃?xì)鈨?nèi) 燃機(jī)發(fā)電效率的計(jì)算方法（如式（6）,其中負(fù)荷系數(shù)薩e嚴(yán)丨cpge °absrun1.22 兀70<%,.<0.2503

7、2 - x. + 0.272 vz,zf0.25<x,.<0.500.04 %. +0.318v/,0.50<兀 <0.750.024 - %- + 0.33vf,/'0.75<x/<l(6)聯(lián)供系統(tǒng)各設(shè)備的年投資成本計(jì)算方法由式（7） /（i + /）f/（i + /）r-d表示等額資本回收系數(shù)。-（9）給出，其中rge_ c八ge/ (1 + /)了-cc cpge(7)(1+/j -1廠 boilerinvtoilerc、boiler 廠 boiler，(1 + ) =cccp加(l+廳-1(8)廣 abs .二cccp 嚴(yán)(9)式2.2約束條

8、件 2.2.1能量平衡條件為保證每小時(shí)的供電需求，從電網(wǎng)購(gòu)電量與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量的和應(yīng)該大 于等于電負(fù)荷需求，聯(lián)供系統(tǒng)多余發(fā)電量不上網(wǎng)，式（10）為第i小時(shí)電(10)(11)(12)平衡關(guān)系式。同理，第i小時(shí)熱平衡關(guān)系式由式（11）表示。r utility ge 丄口 boiler、rj+ 比-rl i jolai heal其中，總熱負(fù)荷hitotalheat計(jì)算方法如式（12）。i jot al heal=li,coo j cop + litw(ller / £ + ljjleal / 82.2.2設(shè)備工作性能條件在第i小時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)設(shè)備容量（即最大發(fā)電量）與其發(fā)電量的關(guān) 系由式（1

9、3）表示，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的熱輸出和電輸出關(guān)系由式（14）表示。e嚴(yán)"pge（13）hge = £ge .（ 14 ）_第i小時(shí)燃?xì)忮仩t容量（即最大供熱量）與其供熱量的關(guān)系由式（15 ） 表oh boiler < cp boiler（ 5 ）第i小時(shí)制冷機(jī)供冷量與設(shè)備容量（即制冷機(jī)最大供冷量）的關(guān)系由 式（16 ）表示。呼爲(wèi)§ cp"/（16）2.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)約束條件聯(lián)供系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性。本文以年 運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)建立的優(yōu)化函數(shù)，把節(jié)能性和環(huán)保性指標(biāo)大于零作為 其中的約束條件，這種優(yōu)化方法更能體現(xiàn)bchp系統(tǒng)的優(yōu)越性。節(jié)

10、能率（fuel energy saving ratio ）是評(píng)價(jià)bchp系統(tǒng)節(jié)能性的重要 指標(biāo)。式（17）為第i小時(shí)節(jié)能性約束條件。conv x-j bchpfesr = 豎孑豎 >0（ 17 ）q嚴(yán)十i _riqf" = e 讐 / 力 + e?e / % + hfoiter / “c02減排率（c02 reduction ratio）是評(píng)價(jià)bchp系統(tǒng)環(huán)保性的重要指 標(biāo)，式（18）為第i小時(shí)環(huán)保性約束條件。crr =ex 嚴(yán) v ex 嚴(yán) pex 嚴(yán)、'(18)ex嚴(yán)=吩2 (郵 / / + h,total heat i 心 hrex讐二 e瑞2 (e讐 / 力 +

11、 e?e a + h丁 11 hrcon v 77 v conv由于q 與exi均大于零，因此，約束條件(17)和(18)可以合 并為由(19 )表示。叫力+ 0咖曲5-e讐m + e嚴(yán)/% +卅叫忙0( 19 )2. 3求解方法該模型采用lingo軟件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，lingo軟件是由美國(guó) lindo systems有限公司開(kāi)發(fā)專門(mén)求解非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。首先，需 要將模型轉(zhuǎn)化成lingo求解程序主要的4個(gè)部分：數(shù)據(jù)集(dataset),用于 定義變量；目標(biāo)函數(shù)(objective),用于表達(dá)模型的目標(biāo)函數(shù)；約束條件 (restriction),用于表述模型的約束條件；數(shù)據(jù)傳輸(dat

12、a),用于實(shí)現(xiàn) lingo與其它數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換；在將模型轉(zhuǎn)化完畢后，就可以運(yùn)行該軟 件,lingo根據(jù)模型的特點(diǎn)選擇一種合適的內(nèi)置算法對(duì)模型進(jìn)行求解。3實(shí)例分析 3.1負(fù)荷特征以上海某賓館為例，運(yùn)用equest能耗模擬軟件模擬得到賓館的全年逐 時(shí)負(fù)荷，逐時(shí)負(fù)荷包括空調(diào)冷負(fù)荷、空調(diào)熱負(fù)荷、電負(fù)荷和熱水負(fù)荷。圖 3為冬季、夏季、過(guò)渡季的典型日負(fù)荷曲線。夏季： '' 1冷負(fù)荷-熱負(fù)荷 a 電負(fù)荷a 熱水負(fù)荷冬季：t一冷負(fù)荷t一熱負(fù)荷金 電負(fù)荷熱水負(fù)荷過(guò)渡季： 冷負(fù)荷 ° 熱負(fù)荷電負(fù)荷a '熱水負(fù)荷圖3典型日逐時(shí)負(fù)荷曲線上海市電價(jià)銷售采用分季節(jié)分時(shí)段電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，夏季高

13、峰時(shí)段8-11時(shí) 和1821時(shí)電價(jià)為1. 014元/kwh，低谷時(shí)段22時(shí)次日6時(shí)電價(jià)為0. 232 元/kwh,剩余時(shí)間段為平谷，電價(jià)為0. 697元/kwh;其它季節(jié)時(shí)段劃分與 夏季相同，高峰時(shí)段價(jià)格為1. 014元/kwh,低谷時(shí)段價(jià)格為0. 302元/kwh， 剩余呼價(jià)格為0.691元/kwh。天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)價(jià)格為2.05元/nnr；商業(yè) 氣價(jià)4一11月為3. 3元/ nm其它月份氣價(jià)為3. 6元/ nm天然氣熱值取35.2mj/ nm co?排放標(biāo)準(zhǔn)取 1. 856kg/m3 51o3.2 設(shè)備性能根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，給出優(yōu)化模型涉及的設(shè)備性能參數(shù)如表2, 銀行利率取02。表2設(shè)備性能

14、參數(shù)設(shè)備性能符號(hào)參數(shù)公用電力發(fā)電效率/%a42. 5燃?xì)鈨?nèi)燃熱電比p1. 5機(jī)生命周期/年tgl20投資費(fèi)率/元/kwccge49640運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwh0. 0768燃?xì)忮仩t效率/%n80生命周期/年boilert20投資費(fèi)率/元/kwcc bo""800運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwhboilernin0. 00216吸收式制制冷效率cop1. 2冷機(jī)生命周期/年t20投資費(fèi)率/元/kwccabs1840運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwh/i加 c n(n0. 0008換熱器1、2效率/%£95從優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，以夏季典型日為例(如圖4),原模型優(yōu)化得 到燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)夜間

15、處于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)節(jié)能率和co?減排率均為零，而修正 模型優(yōu)化得到燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行，節(jié)能率和co?減排率均大于 零，可見(jiàn)修正模型具有更好的節(jié)能性和環(huán)保性。同時(shí)，由于受燃?xì)鈨r(jià)格、 電價(jià)以及chp設(shè)備投資等影響，在高電價(jià)、低氣價(jià)和低的chp設(shè)備投資費(fèi) 用狀況下，修正模型的節(jié)能性與環(huán)保性優(yōu)勢(shì)將更加明顯。180時(shí)間(h)2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24o o o o o o o o 64208642(言)酹卻煞s羹-e圖4典型日燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)優(yōu)化運(yùn)行狀況對(duì)比4結(jié)論本文從聯(lián)供系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的角度入手，建立了聯(lián)供系

16、統(tǒng)最佳設(shè)備容量 和最優(yōu)運(yùn)行策略的集成優(yōu)化模型。模型基于經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性指標(biāo), 以及bchp設(shè)備動(dòng)態(tài)性能和能量平衡，以年運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，建立了非 線性集成優(yōu)化模型，運(yùn)用lingo專業(yè)優(yōu)化軟件求解優(yōu)化模型，得到了最佳 的bchp系統(tǒng)設(shè)備容量和最優(yōu)年運(yùn)行策略，具有很好的節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng) 濟(jì)性，該模型不僅對(duì)該本論文采用的設(shè)備配置方式適用，而且對(duì)其它聯(lián)供 系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。符號(hào)表fesr 節(jié)能率crr二氧化碳減排率ex排放系數(shù)，kg/kwhq總能耗,kwhe 耗電量，kwhh耗熱量，kwhex排放量，kgl 負(fù)荷，kwhp價(jià)格，元/kwhi利率c年運(yùn)行費(fèi)用，元cp設(shè)備容量，kwc設(shè)備維

17、護(hù)費(fèi)率，元/kwhcc設(shè)備投資費(fèi)率，元/kwhr 熱值，kwh/m3cop制冷系數(shù)希臘字母n燃?xì)忮仩t效率a燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率|3熱電比x負(fù)荷系數(shù)占換熱器效率上下標(biāo)conv傳統(tǒng)供能方式bchp三聯(lián)供啊我系統(tǒng)abs吸收式制冷機(jī)gas天然氣gb燃?xì)忮仩tge三聯(lián)供發(fā)電設(shè)備utility公用電網(wǎng)boiler燃?xì)忮仩tpur購(gòu)買run 運(yùn)行inv投資total heat 總熱負(fù)荷ele 電t運(yùn)行總小時(shí)數(shù)參考文獻(xiàn)1 丁水汀，段倫，韓樹(shù)軍等冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化j熱科學(xué)與 技術(shù)，2007 (02).2 黃興華，李贊.聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置與運(yùn)行策略集成優(yōu)化研究j太陽(yáng) 能學(xué)報(bào)，2008 (01)3 ren hongbo, gao weijun, ruan yingjun. optimal sizing for residential chp system j. applied thermal engineering, 2008,28 (3): 514-523.4 lingo user7 s guide m. usa: lindo sys terns inc, 2005.5 中國(guó)價(jià)格信網(wǎng).