1、第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：修订日期：基金项目：保定市科技计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（）作者简介：韩旭（），男，河北保定人，副教授，博士，主要从事能量系统优化方面的研究。周峻毅（通信作者），男，硕士研究生，电话（）；：。文章编号：（）：基于穷举搜索法的城市建筑 系统优化配置韩旭，周峻毅，王小东，吴迪，李鹏，韩中合（华北电力大学 河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 ）摘要：冷热电三联供系统可实现能量的高效梯级利用，有利于实现“碳达峰、碳中和”。基于穷举搜索法构建了一套包含燃气热电联产系统、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机和水水换热器的楼宇级冷热电三联供系统，
2、并以北京种典型的楼宇建筑为研究对象，研究了冷热电三联供系统在不同类型负荷下的容量配置、系统运行参数、经济性和减排情况并进行相应敏感性分析。结果表明：与分产系统相比，商业建筑、办公建筑、居住建筑的成本节约率分别为 、和 ，二氧化碳减排率分别为 、和 ，系统能源价格分别下降 、和 ；研究结果可为冷热电三联供系统优化提供参考。关键词：；冷热电三联供；容量优化；节能减排；系统成本；能量交互中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，）：，（），：，；传统供电系统的发展方向为大功率发电和长距离送电，这不仅加剧了系统“源网荷”之间的不匹配，同时由于系统内的大容量、高参数供能设备还会带来系统灵活性差和整体效率
3、低等问题。冷热电（）三联供系统依托能量梯级利用原理，通过耦合冷、热、气、电等性质各异的能源为用户供能，从而使得系统具有高效、低碳和灵活等优点。为了早日实现“碳达峰、碳中和”，系统倍受国内外学者关注，研究人员针对楼宇 系统的设备建模、运行策略和求解算法等方面进行了大量研究。在运行策略方面，郑拓利用“以电定热”、“以热定电”的运行策略对系统进行优化求解，给出了系统设备参数和运行参数；在设备建模方面，王江江构建了一种耦合冷、热、电、气负荷平衡的楼宇级 系统规划模型。在系统求解优化算法方面，文献文献 分别采用遗传算法和改进遗传算法对系统参数进行求解。在系统评价指标方面，文献 文献 分别从经济性（系统年
4、总成本）、年二氧化碳排放量（）、能源成本（）等方面对系统 进 行 评 价。但 是 针 对 系 统“荷”侧的对比研究较少，且现有研究很少利用负载跟随策略求解不同类型建筑对 系统设备容量和运行特性的影响。因此，笔者采用“负载跟随策略”（以下简称 策略）和穷举搜索法对北京种典型楼宇建筑进行设计，对不同类型负荷情况进行对比研究，并从系统经济性、个角度评价 系统的性能，研究结果可为冷热电三联供系统优化提供参考。综合能源系统结构图为 系统的典型结构，其设备主要包括市政电网（）、热电联产系统（）、吸收式制冷机（）、电制冷机（）、燃气锅炉（）、余热锅炉（）和水水换热器（）。图综合能源系统结构图 系统数学模型
5、约束条件系统约束条件为 系统与用户之间冷、热、电的逐时平衡，具体包括：由燃气轮机发电量（，）与市政电网的购电量（，）之和满足用户所需电负荷（，）和电制冷机制冷所耗电量（，）所需，见式（）；系统燃气锅炉产热（，）和热电联产系统余热通过余热锅炉吸收的热量（，）联合提供满足用户的热负荷（，）和系统吸收式热泵所需热量（，），见式（）；电制冷机的制冷量（，）和吸收式制冷机的制冷量（，）满足用户冷负荷（，）需求，见式（）。（）（）（）设备模型 燃气轮机燃气轮机效率 的表达式如下：.（）（）式中：为燃料曲线的截距系数，（）；为燃料曲线的斜率，（）；为额定发电功率，；为燃气轮机的实际发电功率，；为燃料的低位发
6、热量，取 ；为天然气密度，为 。电制冷机 可通过消耗高品位的电能产生冷量，的制冷量为：（）式中：为电制冷机消耗的电能，；为电制冷机的能效比。吸收式制冷机是以中高品位的热能为驱动热源，产生冷量的设备，的制冷量为：（）式中：为 消耗的热量，；为 的能效比。余热锅炉余热锅炉尾部高温烟气通过换热器为系统供热，尾部换热器从烟气中吸收的热量为：，（）式中：为尾部换热器的换热效率；，为进入余动力工程学报第 卷热锅炉的热量，；，为由余热锅炉吸收利用的热量，。燃气锅炉燃气锅炉通过燃烧天然气释放热能以补足系统的热量缺口，其放热量为：，（）式中：为燃气锅炉的天然气消耗量，；为燃气锅炉热效率；，为燃气锅炉供给用户的热
7、量，；，为燃气锅炉供给 所需热量，。水水换热器水水换热器通过将热量由一侧传递给另一侧，其有效换热量为：，（）式中：，、，分别为从系统中吸收和放出的热量，；为尾部换热器的换热效率。系统运行策略、求解算法及求解流程所研究的 模型运行策略采用 策略。在 策略下，系统调度出力设备在满足系统运行要求的同时能够以最少的年总成本满足系统逐时冷、热、电负荷。年总成本包括燃料成本、运行和维护成本以及设备成本。为了实现这一目标，系统计算了每个调度元件的固定成本和边际成本，并从中寻找满足系统负荷的设备出力组合。穷举搜索算法是一种历遍求解法，通过历遍搜索所有可行系统参数并对比各目标值大小，从而寻找最优的优化变量组合，
8、该算法鲁棒性好，可避免全局最优解和局部最优解混淆的情况。因此，采用穷举搜索法进行求解计算，如图所示，具体求解步骤如下：（）设置系统基本参数。首先利用模拟软件获取建筑全年的逐时冷、热、电负荷作为系统“荷”侧参数。设置搜索需要的系统运行策略并清零优化变量的初始值。（）计及能量平衡进行系统逐时成本计算。计算所选取的优化变量在当前参数情况下的系统成本包含系统运行维护成本、系统燃料成本和系统购电成本等逐时成本并进行累加。（）确定系统额度容量。通过循环累加取得系统全年成本并确定当前 系统包括设备容量在内的其他相应参数。（）确定最佳系统。将所需优化变量全部通过历遍 搜 索 的 方 法 找 出 最 佳 系 统
9、 参 数，从 而 确 定 系统的最佳运行状态和最佳系统。图模型求解流程图 参数设置 设备参数系统设备技术参数见表。设备的经济参数见表。分时电价和天然气价格见表。表设备技术参数，参数数值燃气补燃锅炉的热效率 余热锅炉的热回收率 换热器的热交换率 吸收式热泵的能效比 电制冷机的能效比 研究对象以北京相同供能面积（）的个楼宇建筑（商业建筑、办公建筑和居住建筑）为研究对象，其负荷类型由冷、热、电种类型的负荷组成。如图图所示，总体上居住建筑的冷、热、电负荷量相较于其他种类型建筑的负荷量明显偏低。同时，商业建筑全年对冷负荷需求量较大，而办公建筑第期韩旭，等：基于穷举搜索法的城市建筑 系统优化配置表设备的经
10、济性参数，设备类型初始投资成本 ，（元）维护费用 ，（元）燃气轮机 余热锅炉 吸收式热泵 电制冷机 补燃锅炉 换热器 表分时电价和天然气价格 项目时域）价格市政电网购电价格 （元）尖峰 高峰 平段 低谷 天然气价格 （元）注：）尖峰时段（月：，：），高峰时段（月和 月：，：；月：，：，：），平 段（月 和 月：，：，：；月：，：，：），低谷时段（月：）。图商业建筑的冷、热、电负荷需求 ，对热量需求比例较大。系统分析 系统容量寻优及系统性能对比分析 典型设备的额定容量和系统运行参数是影响系统能效性和经济性的重要参数。本节选择燃气轮机装机容量（，）和系统运行参数（电制冷占 比 ）个 优 化 变 量
11、 对 系 统 供 能 成 本（，元）的影响进行分析。图为在商业建筑负荷需求下 的、与 之间的关系。由图可知，随着 和 的增加均呈现先减少后增加的趋势（“字形”）。办公建筑和居住建筑的个参数关系与图相似，在此不作赘述。图办公建筑的冷、热、电负荷需求 ，图居住建筑的冷、热、电负荷需求 ，图商业建筑综合能源系统寻优过程 图为 与传统供能系统（即分产系统）之间各设备容量和运行参数之间的对比关系图。由图可知，由于引进了更多的系统设备，种建筑的 系统总装机容量均有不同程度增加。与传统供能系统的设备容量结构不尽相同，其中传统供能系统的供能设备偏向于利用大容量的 和 进行集中供能，此种供能方式设备结构单一，动
12、力工程学报第 卷灵活性差。供能将 所占比例大幅削减，并利用多种供能方式进行供能，从而增加了系统灵活性。以商业建筑为例，与传统能源系统供能相比，系统的 容量由 下降至 ，约下降；容量由 下降至 ，下降 。系统将大容量设备供能分割为小容量、多源端的系统能源供应结构。种建筑虽然负载情况各异，但其最优运行参数 均位于 之间。图综合能源系统设备容量及运行参数 图为楼宇建筑的 与传统供能系统之间 、和 的对比。表为系统性能参数的计算结果。由图和表可知，在对种类型建筑进行系统改造时，与分产系统相比，商业建筑、办 公 建筑、居住 建筑 的总 成 本节约 率 分 别为 、和 ，能 源 价 格 分 别 下 降 、
13、和 ，二氧化碳减排率分别为 、和 。因此，系统在种类型建筑的供能都展现出良好的经济、节能和减排的作用。图系统性能对比 表系统性能参数 建筑类型系统类型 元 （）（元）商业建筑 分产系统 办公建筑 分产系统 居住建筑 分产系统 典型日能量供需平衡分析图、图 分别给出了系统在典型冬季日（月 日）和夏季日（月 日）的系统运行情况。在典型冬季日，消耗天然气会同时产出电能和热能供给用户，为保持系统经济性，减少系统因过量弃热带来的损失，系统仍需从 买入少量电量以达到热电平衡。具体而言，在：系统电负荷需求量小而热负荷需求量大，为满足系统经济性和热平衡，系统需要多发电、多产热并使余电上网；此时仅需少量 供热填
14、补热量缺口即可满足系统热电平衡；在：时段，由于热负荷骤减而（）系统电平衡（）系统热平衡图典型冬季日热电平衡图 第期韩旭，等：基于穷举搜索法的城市建筑 系统优化配置电负荷与先前持平，同时该时段处于电价“平”位，此时使用热电联产机组为系统供能经济性降低，系统仅需调整供能方式由 买入电量和通过 供热即可满足系统平衡。对于典型夏季日，系统产生电能的同时也产生部分未被利用的热量，而 系统通过利用 使这部分废热变为用户能够利用的冷量，从而提高了系统的能源利用率。具体而言，系统在典型夏季日：的电负荷和冷负荷需求量均较大，此时调整系统稳定向系统提供电量和热量，此过程中系统冷源主要由 吸收余热和 耗电提供；系统
15、在：时段处于电价“平”位，由电网买入电量，此时由于停止工作，冷源变为由 吸收 提供的热量和由 耗电提供。（）系统电平衡（）系统冷平衡图 典型夏季日冷电平衡图 系统敏感性分析以商业建筑为例对 系统进行敏感性分析，如图 所示。由图（）可知，总体上系统的年二氧化碳排放量和 发电量随着碳税价格的升高分别呈现减小和增加的趋势。这是由于系统碳排放惩罚因子增大使得系统对天然气的利用率提高，系统尽量利用烟气余热供给系统的热负荷来调节发电，进而提高发电量。随着碳税价格升高，机组启用时间更长，在为系统供能 的 同 时 不 可 避 免 地 增 加 了 系 统 弃 热 量。由图（）可以看出，碳税价格在 元时，系统二氧
16、化碳减排率最大，碳排放惩罚因子对系统约束效果最明显。由图（）可知，随着天然气价格的升高，系统年二氧化碳排放量增加，发电量减小。这是由于随着天然气价格的升高，机组在电网购电价格低时呈现经济欠佳，启用时间和发电量减少，此时出力减少，其产生的余热也减少，系统弃热量也相应减少。（）碳税敏感性（）天然气价格敏感性（）年二氧化碳减排率图 系统敏感性分析 结论（）商业建筑、办公建筑和居住建筑的 随着、的增加均呈现先减小后增加的趋势，动力工程学报第 卷呈现字形。种建筑负载情况各异，但其最优运行参数 均位于 。（）与分产系统相比，商业建筑、办公建筑、居住建筑的成本节约率分别为 、和 ，能 源 价 格 分 别 下 降 、和 ，二氧化碳减排率分别为 、和 。系统在种楼宇建筑都表现出良好的经济、节能和环保效益。（）当用户有冷负荷需求时，通过优化 和 得到的最佳 以供应冷量，在此种运行方式下系统冷量不会有盈余，余电上网，仅浪费部分低品位的热能。（）对系统征收碳税会使系统碳排放量减少，同时系统发电量增加、一次能源利用率增加。天然气价格升高会使系统部分时间段经济性降低、发电量减少，系统热量更多依赖 燃烧天然气补足。