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)、雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)及燃?xì)忮仩t?？紤]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)電的同時(shí)利

2、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)1，2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)用到上海某賓館建筑，應(yīng)用LI

3、NGO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)、雙效溴化鋰吸收式制冷機(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)。空調(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，空調(diào)冷負(fù)荷也由吸收式制冷機(jī)供給。熱水負(fù)荷

4、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i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；(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；(4)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/kwh燃?xì)忮仩t逐時(shí)供熱量/kwh逐時(shí)電網(wǎng)購(gòu)電量/kwh燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)容量/kw燃?xì)忮仩t容量/kw吸收式制冷機(jī)容量/kw2

5、.1目標(biāo)函數(shù)公用電網(wǎng)年購(gòu)電量計(jì)算方法由式吸收式制冷機(jī)的年運(yùn)行費(fèi)用分別由式（tUtilityUtilityUtilityC pur -PiEiGErunEiGEgas (CHP )P +產(chǎn)crunHR Jc Boiler C runBoilerg 口 gasPiJ HRBoiler一 c crunAbsrunAbsLi ,coolcrun（2）表示，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、3）、式（4）、式（5）給出。（2）（4）（5）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

6、將不計(jì)入由聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)電量收入。(1)UtilityGEBoilerAbsGEBOilehAbsMinCtotal-CpurCrunCrunCrunCinvCinvCinv文獻(xiàn)3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)x尸EiGE/CpGE.1.22xVi,if0<x<0,25_j0.132x+0.272Vi,if0.25<x0.50i0.04x+0.318Vi,if0,50<xi0.75（、0.024%+0.33功，if0.75<為41聯(lián)供系統(tǒng)各設(shè)備的年投資成本計(jì)算方法由式（7）（9）給出，其中式I（

7、1+i）T/（1+i）T-1）表示等額資本回收系數(shù)。CGE 5nvGE GE二 Cc CpTGEI (1 I)T tge(1 I )T-1TBoilerCBoiler _C，oiler Coiler I (1 ?inv(1I)TBoiler-1Absinv口 CcAbsAbsCpAbsI (1 I)TAbs(1 I )T -1(7)(8)(9)2.2約束條件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(1。)(11)(12)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)電平衡關(guān)系式。EUtilityEiGE-Lieie同理，第i小時(shí)熱平衡

8、關(guān)系式由式(11)表示。GEBoilerHiHi-Hi,total,heat其中，總熱負(fù)荷Hiatal,heat計(jì)算方法如式（12）Hi,totalheat-Li,cool/COPLi,water/；.Li,heat/；2.2.2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（13）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。EiGE<CpGE（13）HiGE=EiGEP（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7KoBoiler八BoilerHi<Cp（15）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

9、供冷量）的關(guān)系由式（16）表75。LAbSol<CpAbs（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)能率(Fuelenergysavingratio)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。ConvBchpFESR-Qi普>0(17)QiCO2減排率(CO2reductionratio)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。ConvBchpCR

10、R一率一之0(18)ConvEXiConvConv由于Qi與EXi均大于零，因此，約束條件(17)和(18)可以合弁為由(19)表示。噂+Hi,totalhe/-EUt嗎？+EGE/%+HiB°力S0(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)LindoSystems有限公司開(kāi)發(fā)專門求解非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型4。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(data),

11、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。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)，夏季高峰時(shí)段811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

12、1.014元/kwh,低谷時(shí)段價(jià)格為0.302元/kwh,剩余時(shí)段價(jià)格為0.691元/kwh。天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)價(jià)格為2.05元/Nm3,商業(yè)氣價(jià)411月為3.3元/Nm3,其它月份氣價(jià)為3.6元/Nm3,天然氣熱值取35.2MJ/Nm3,CO2排放標(biāo)準(zhǔn)取1.856kg/m35。3.2 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0.2。表2設(shè)備性能參數(shù)公用電力發(fā)電效率/%42.5燃?xì)鈨?nèi)燃熱電比1.5機(jī)生命周期/年20投資費(fèi)率/元/kw49640運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwh0.0768燃?xì)忮仩t效率/%刀80生命周期/年20投資費(fèi)率/元/kw800運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwh0

13、.00216吸收式制制冷效率COP1.2冷機(jī)生命周期/年20/kw1840運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率/元/kwh0.0008換熱器1、效率/%952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)夜間處于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)節(jié)能率和CO2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CO2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。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)供系統(tǒng)

14、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。CRR 二氧化碳減排率Q 總能耗,kwhH 耗熱量，kwhL 負(fù)荷，kwhI利率符號(hào)表FESR節(jié)能率ex排放系數(shù)，kg/kwhE耗電量，kwhEX排放量，kgP價(jià)格，元/kwhC年運(yùn)行費(fèi)用，元c設(shè)備維護(hù)費(fèi)率，元/kwhHR熱值，k

15、wh/m3希臘字母“燃?xì)忮仩t效率B熱電比6換熱器效率上下標(biāo)conv傳統(tǒng)供能方式Abs吸收式制冷機(jī)gb燃?xì)忮仩tUtility公用電網(wǎng)pur購(gòu)買inv投資ele電Cp 設(shè)備容量，kwCc設(shè)備投資費(fèi)率，元/kwCOP 制冷系數(shù)a燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率Z負(fù)荷系數(shù)BCHP 三聯(lián)供啊我系統(tǒng)gas 天然氣GE三聯(lián)供發(fā)電設(shè)備Boiler 燃?xì)忮仩trun 運(yùn)行total heat 總熱負(fù)荷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，李賀.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).3RenHongbo,GaoWeijun,RuanYingjun.OptimalsizingforresidentialCHPsystemJ.AppliedThermalEngineering,2008,28(3):514-523.4LingoUser'sGuideM.USA:LINDOSystems