樓宇三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量與運行策略集成優(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)運行策略。該聯(lián)供系統(tǒng)包括燃氣內(nèi)燃機、雙效溴化鋰吸收式制冷機及燃氣鍋爐?？紤]到經(jīng)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性這三個聯(lián)供系統(tǒng)性能評價指標，建立了以年運行費用最小為目標函數(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，運用LINGO專業(yè)優(yōu)化軟件進行求解，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)運行策略。結(jié)果表明，該優(yōu)化模型具有很好的經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)保性。關(guān)鍵詞：冷熱電電三聯(lián)供供；最優(yōu)優(yōu)化；吸吸收式制制冷機；運行策策略；燃燃氣內(nèi)燃燃機樓宇分布布式供能能系統(tǒng)（BCHHP）是是一種日日益重要要的建筑筑

2、供能方方式，它它可以在在發(fā)電的的同時利利用廢熱熱，達到到能源的的梯級利利用，提提高總的的能源利利用效率率。由于樓宇宇建筑能能耗特性性比較復(fù)復(fù)雜，冷冷熱電負負荷隨時時間變化化波動比比較大，這使得得三聯(lián)供供系統(tǒng)在在確定設(shè)設(shè)備容量量和運行行策略時時比較困困難。文文獻 ADDIN NE.Ref.6FC13F25-82FA-4762-9332-C7805AC1E17611， ADDIN NE.Ref.0F758400-1995-47E1-BA9B-6227EF4A9A0C2等研究究了聯(lián)供供系統(tǒng)的的設(shè)備配配置與運運行優(yōu)化化方法。然而大大部分研研究成果果都沒有有考慮CCHP設(shè)設(shè)備在部部分負荷荷下的運運行狀況

3、況，且只只考慮經(jīng)經(jīng)濟性因因素的居居多。部部分文獻獻也談到到了節(jié)能能性和環(huán)環(huán)保性，但都沒沒有把這這些指標標體現(xiàn)在在優(yōu)化模模型中，只是在在整體上上說明，不能很很好的體體現(xiàn)三聯(lián)聯(lián)供的優(yōu)優(yōu)越性。本文建建立了以以年運行行費用最最小為優(yōu)優(yōu)化目標標的聯(lián)供供系統(tǒng)非非線性優(yōu)優(yōu)化模型型。該模模型充分分考慮了了經(jīng)濟性性、節(jié)能能性和環(huán)環(huán)保性評評價指標標，以及及燃氣內(nèi)內(nèi)燃機的的部分負負荷特性性。并把把該模型型應(yīng)用到到上海某某賓館建建筑，應(yīng)應(yīng)用LIINGOO專業(yè)優(yōu)優(yōu)化軟件件進行求求解，得得到了最最優(yōu)的系系統(tǒng)設(shè)備備容量和和最優(yōu)運運行策略略。具有有較好的的經(jīng)濟性性、節(jié)能能性和環(huán)環(huán)保性。BCHPP系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)本文研究究的三聯(lián)聯(lián)供

4、系統(tǒng)統(tǒng)（如圖圖1）由由燃氣內(nèi)內(nèi)燃機、雙效溴溴化鋰吸吸收式制制冷機和和燃氣鍋鍋爐等設(shè)設(shè)備構(gòu)成成。燃氣氣內(nèi)燃機機作為系系統(tǒng)原動動機不但但啟動快快、啟動動能耗小小、部分分負荷性性能好,而且規(guī)規(guī)格齊全全、價格格低廉、安全可可靠。吸吸收式制制冷機、空調(diào)熱熱負荷和和熱水負負荷可采采用從燃燃氣內(nèi)燃燃機回收收的低品品位熱源源作為驅(qū)驅(qū)動源,不足負負荷用燃燃氣鍋爐爐來驅(qū)動動。空調(diào)調(diào)熱負荷荷與熱水水負荷通通過換熱熱器來獲獲得熱量量，為了了體現(xiàn)節(jié)節(jié)能性和和環(huán)保性性指標，假定公公用電網(wǎng)網(wǎng)由燃氣氣電廠供供電。分分供系統(tǒng)統(tǒng)(如圖圖2)的的電負荷荷完全由由公用電電網(wǎng)供給給，空調(diào)調(diào)冷負荷荷也由吸吸收式制制冷機供供給。熱熱水負荷

5、荷和空調(diào)調(diào)熱負荷荷由燃氣氣鍋爐通通過換熱熱器熱交交換供給給，吸收收式制冷冷機由燃燃氣鍋爐爐驅(qū)動。圖1 聯(lián)聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)供能方方式圖2 分分供系統(tǒng)統(tǒng)供能方方式優(yōu)化模型型本優(yōu)化模模型所涉涉及到的的待優(yōu)化化變量如如表1，同時為為了便于于分析，做以下下假設(shè)：（1）可可選擇的的系統(tǒng)設(shè)設(shè)備容量量連續(xù)，且無故故障運行行；（2）燃燃氣內(nèi)燃燃機熱電電比在部部分負荷荷區(qū)不變變 ADDIN NE.Ref.55679666-07F0-4B10-B103-BEEB12C0C7C53 ；（3）吸吸收式制制冷機CCOP和和燃氣鍋鍋爐效率率在運行行期間保保持不變變；（4）換換熱器11與換熱熱器2的的換熱效效率相同同；表1 待待優(yōu)

6、化變變量優(yōu)化變量量變量符號號燃氣內(nèi)燃燃機逐時時發(fā)電量量/kwwh燃氣內(nèi)燃燃機逐時時發(fā)電效效率燃氣內(nèi)燃燃機逐時時余熱利利用量/kwhh燃氣鍋爐爐逐時供供熱量/kwhh逐時電網(wǎng)網(wǎng)購電量量/kwwh燃氣內(nèi)燃燃機容量量/kww燃氣鍋爐爐容量/kw吸收式制制冷機容容量/kkw2.1目目標函數(shù)數(shù)以年運行行費用最最少作為為三聯(lián)供供系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化配置置的目標標函數(shù)如如公式（1）。三聯(lián)供供系統(tǒng)的的運行費費用主要要包括燃燃料費、設(shè)備維維護費和和設(shè)備投投資費用用三部分分。目前前小型熱熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)發(fā)電在在我國尚尚不能上上網(wǎng)，故故年運行行費用中中將不計計入由聯(lián)聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)生產(chǎn)電電量收入入。 （1）公用電網(wǎng)網(wǎng)年購電電量計算算方法

7、由由式（22）表示示，燃氣氣內(nèi)燃機機、燃氣氣鍋爐、吸收式式制冷機機的年運運行費用用分別由由式（33）、式式（4）、式（5）給給出。 （2） （3） （44） （55）文獻 ADDIN NE.Ref.E9228308-3BA1-4FAD-B4F6-221585C72F5C33研究究了燃氣氣內(nèi)燃機機發(fā)電效效率與負負荷系數(shù)數(shù)的關(guān)系系，得到到了燃氣氣內(nèi)燃機機發(fā)電效效率的計計算方法法（如式式（6），其其中負荷荷系數(shù)=/。 （6）聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)各設(shè)備備的年投投資成本本計算方方法由式式（7）（99）給出出，其中中式表示示等額資資本回收收系數(shù)。 （77） （88） （9）2.2 約束條條件2.2.1能量量平衡條條

8、件為保證每每小時的的供電需需求，從從電網(wǎng)購購電量與與內(nèi)燃機機發(fā)電量量的和應(yīng)應(yīng)該大于于等于電電負荷需需求，聯(lián)聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)多余發(fā)發(fā)電量不不上網(wǎng)，式（110）為為第i小小時電平平衡關(guān)系系式。 （100）同理，第第i小時時熱平衡衡關(guān)系式式由式（11）表示。 （111）其中，總總熱負荷荷計算方方法如式式（122）。 （122）2.2.2設(shè)備備工作性性能條件件在第i小小時，燃燃氣內(nèi)燃燃機設(shè)備備容量（即最大大發(fā)電量量）與其其發(fā)電量量的關(guān)系系由式（13）表示，燃氣內(nèi)內(nèi)燃機的的熱輸出出和電輸輸出關(guān)系系由式（14）表示。 （113） （114）第i小時時燃氣鍋鍋爐容量量（即最最大供熱熱量）與與其供熱熱量的關(guān)關(guān)系由式

9、式（155）表示示。 （15）第i小時時制冷機機供冷量量與設(shè)備備容量（即制冷冷機最大大供冷量量）的關(guān)關(guān)系由式式（166）表示示。 （166）2.2.3評價價指標約約束條件件聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)性能評評價指標標主要包包括經(jīng)濟濟性、節(jié)節(jié)能性和和環(huán)保性性。本文文以年運運行費用用最低為為目標建建立的優(yōu)優(yōu)化函數(shù)數(shù)，把節(jié)節(jié)能性和和環(huán)保性性指標大大于零作作為其中中的約束束條件，這種優(yōu)優(yōu)化方法法更能體體現(xiàn)BCCHP系系統(tǒng)的優(yōu)優(yōu)越性。節(jié)能率（Fueel eenerrgy savvingg raatioo）是評評價BCCHP系系統(tǒng)節(jié)能能性的重重要指標標。式（17）為第ii小時節(jié)節(jié)能性約約束條件件。 （177）CO2減減排率

10、（CO22 reeducctioon rratiio）是是評價BBCHPP系統(tǒng)環(huán)環(huán)保性的的重要指指標，式式（188）為第第i小時時環(huán)保性性約束條條件。 （18）由于與均均大于零零，因此此，約束束條件（17）和（118）可可以合并并為由（19）表示。 （119）2.3 求解方方法該模型采采用LIINGOO軟件對對目標函函數(shù)進行行求解，LINNGO軟軟件是由由美國LLinddo SSysttemss有限公公司開發(fā)發(fā)專門求求解非線線性規(guī)劃劃的數(shù)學(xué)學(xué)模型4。首先，需要將將模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成LLINGGO求解解程序主主要的44個部分分：數(shù)據(jù)據(jù)集(ddataasett)，用用于定義義變量；目標函函數(shù)(oobje

11、ectiive)，用于于表達模模型的目目標函數(shù)數(shù)；約束束條件(resstriictiion)，用于于表述模模型的約約束條件件;數(shù)據(jù)據(jù)傳輸(datta)，用于實實現(xiàn)LIINGOO與其它它數(shù)據(jù)源源的數(shù)據(jù)據(jù)交換；在將模模型轉(zhuǎn)化化完畢后后，就可可以運行行該軟件件，LIINGOO根據(jù)模模型的特特點選擇擇一種合合適的內(nèi)內(nèi)置算法法對模型型進行求求解。實例分析析負荷特征征以上海某某賓館為為例，運運用eQQUESST能耗耗模擬軟軟件模擬擬得到賓賓館的全全年逐時時負荷，逐時負負荷包括括空調(diào)冷冷負荷、空調(diào)熱熱負荷、電負荷荷和熱水水負荷。圖3為為冬季、夏季、過渡季季的典型型日負荷荷曲線。圖3典型型日逐時時負荷曲曲線上

12、海市電電價銷售售采用分分季節(jié)分分時段電電價標準準，夏季季高峰時時段811時時和188211時電價價為1.0144元/kkwh，低谷時時段222時次次日6時時電價為為0.2232元元/kwwh，剩剩余時間間段為平平谷，電電價為00.6997元/kwhh；其它它季節(jié)時時段劃分分與夏季季相同，高峰時時段價格格為1.0144元/kkwh,低谷時時段價格格為0.3022元/kkwh，剩余時時段價格格為0.6911元/kkwh。天然氣氣熱電聯(lián)聯(lián)產(chǎn)價格格為2.05元元/Nmm3,商業(yè)業(yè)氣價44111月為33.3元元/ NNm3，其它它月份氣氣價為33.6元元/ NNm3，天然然氣熱值值取355.2MMJ/

13、Nm33，COO2排放標標準取11.8556kgg/m33 55。設(shè)備性能能根據(jù)文獻獻 ADDIN NE.Ref.55679666-07F0-4B10-B103-BEEB12C0C7C56 ADDIN NE.Ref.55679666-07F0-4B10-B103-BEEB12C0C7C57中的數(shù)數(shù)據(jù)，給給出優(yōu)化化模型涉涉及的設(shè)設(shè)備性能能參數(shù)如如表2，銀行利利率取00.2。表2 設(shè)設(shè)備性能能參數(shù) 設(shè)備性能符號參數(shù)公用電力力發(fā)電效率率/%42.55燃氣內(nèi)燃燃機熱電比1.5生命周期期/年20投資費率率/元/kw496440運行維護護費率/元/kkwh0.07768燃氣鍋爐爐效率/%80生命周期期/年

14、20投資費率率/元/kw800運行維護護費率/元/kkwh0.0002166吸收式制制冷機制冷效率率COP1.2生命周期期/年20投資費率率/元/kw18400運行維護護費率/元/kkwh0.00008換熱器11、2效率/%95從優(yōu)化運運行結(jié)果果來看，以夏季季典型日日為例（如圖44），原原模型優(yōu)優(yōu)化得到到燃氣內(nèi)內(nèi)燃機夜夜間處于于停機狀狀態(tài)，此此時節(jié)能能率和CCO2減排率率均為零零，而修修正模型型優(yōu)化得得到燃氣氣內(nèi)燃機機在部分分負荷下下運行，節(jié)能率率和COO2減排率率均大于于零，可可見修正正模型具具有更好好的節(jié)能能性和環(huán)環(huán)保性。同時，由于受受燃氣價價格、電電價以及及CHPP設(shè)備投投資等影影響，在

15、在高電價價、低氣氣價和低低的CHHP設(shè)備備投資費費用狀況況下，修修正模型型的節(jié)能能性與環(huán)環(huán)保性優(yōu)優(yōu)勢將更更加明顯顯。圖4 典典型日燃燃氣內(nèi)燃燃機優(yōu)化化運行狀狀況對比比結(jié)論本文從聯(lián)聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)性能評評價的角角度入手手，建立立了聯(lián)供供系統(tǒng)最最佳設(shè)備備容量和和最優(yōu)運運行策略略的集成成優(yōu)化模模型。模模型基于于經(jīng)濟性性、節(jié)能能性和環(huán)環(huán)保性指指標，以以及BCCHP設(shè)設(shè)備動態(tài)態(tài)性能和和能量平平衡，以以年運行行費用最最低為目目標，建建立了非非線性集集成優(yōu)化化模型，運用LLINGGO專業(yè)業(yè)優(yōu)化軟軟件求解解優(yōu)化模模型，得得到了最最佳的BBCHPP系統(tǒng)設(shè)設(shè)備容量量和最優(yōu)優(yōu)年運行行策略，具有很很好的節(jié)節(jié)能性、環(huán)保性性和

16、經(jīng)濟濟性，該該模型不不僅對該該本論文文采用的的設(shè)備配配置方式式適用，而且對對其它聯(lián)聯(lián)供系統(tǒng)統(tǒng)也有一一定的參參考價值值。符號表 FEESR 節(jié)能能率 CCRR 二氧氧化碳減減排率ex 排放系系數(shù)，kkg/kkwh Q 總能能耗,kkwhE 耗耗電量，kwhh H 耗熱量量，kwwhEX 排放量量，kgg LL 負負荷，kkwhP 價價格，元元/kwwh I 利率C 年年運行費費用，元元 Cp 設(shè)備備容量，kwc 設(shè)備維維護費率率，元/kwhh Cc 設(shè)備備投資費費率，元元/kwwHR 熱值，kwhh/m33 COPP 制制冷系數(shù)數(shù)希臘字母母 燃燃氣鍋爐爐效率 燃燃氣內(nèi)燃燃機發(fā)電電效率 熱熱電比

17、負荷系系數(shù) 換熱熱器效率率上下標convv 傳傳統(tǒng)供能能方式 BBCHPP 三三聯(lián)供啊啊我系統(tǒng)統(tǒng)Abs 吸收收式制冷冷機 gaas 天然氣氣gb 燃氣鍋鍋爐 GGE 三聯(lián)供供發(fā)電設(shè)設(shè)備Utillityy 公公用電網(wǎng)網(wǎng) BBoiller 燃氣氣鍋爐pur 購買買 rrun 運行行inv 投資資 tootall heeat 總熱熱負荷ele 電 t 運行總總小時數(shù)數(shù) ADDIN NE.Bib參考文文獻1丁丁水汀，段倫，韓樹軍軍等.冷熱熱電聯(lián)供供系統(tǒng)運運行模式式優(yōu)化J. 熱科科學(xué)與技技術(shù)，220077(022) .2黃黃興華, 李赟. 聯(lián)供供系統(tǒng)設(shè)設(shè)備配置置與運行行策略集集成優(yōu)化化研究J. 太陽陽能

18、學(xué)報報, 220088(011).3RRen Honngboo, GGao Weiijunn, RRuann Yiingjjun. Opptimmal sizzingg foor rresiidenntiaal CCHP sysstemmJ.Apppliied Theermaal EEngiineeerinng, 20008, 28(3): 5114-5523.4 Linngo Useerss Guuidee MM. USAA: LLINDDO SSysttemss Innc, 20005.5中中國價格格信網(wǎng). HYPERLINK /fgw/chi naprice/free/index.htm htttp:/wwww.cchinnaprricee.