樓宇三聯供系統(tǒng)設備容量與運行策略集成優(yōu)化研究

1、樓宇三聯供系統(tǒng)設備容量與運行策略集成優(yōu)化研究霍小亮摘要：研究一套聯供系統(tǒng)的最佳設備容量與最優(yōu)運行策略。該聯供系統(tǒng)包括燃氣內燃機、雙 效澳化鋰吸收式制冷機及燃氣鍋爐。考慮到經濟性、節(jié)能性、環(huán)保性這三個聯供系統(tǒng)性能評 價指標，建立了以年運行費用最小為目標函數的非線性最優(yōu)化模型。并以上海某賓館為例， 應用該優(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供系統(tǒng)的 最佳設備容量與最優(yōu)運行策略。結果表明，該優(yōu)化模型具有很好的經濟性、節(jié)能性和環(huán)保性。關鍵詞：冷熱電三聯供；最優(yōu)化；吸收式制冷機；運行策略；燃氣內燃機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、電的同時利用廢熱，達到能源的梯級利用，提高總的能源利用效率。由于樓宇建筑能耗特性比較復雜，冷熱電負荷隨時間變化波動比較大， 這使得三聯供系統(tǒng)在確定設備容量和運行策略時比較困難。文獻叫等研 究了聯供系統(tǒng)的設備配置與運行優(yōu)化方法。然而大部分研究成果都沒有考 慮chp設備在部分負荷下的運行狀況，且只考慮經濟性因素的居多。部分 文獻也談到了節(jié)能性和環(huán)保性，但都沒有把這些指標體現在優(yōu)化模型中， 只是在整體上說明，不能很好的體現三聯供的優(yōu)越性。本文建立了以年運 行費用最小為優(yōu)化目標的聯供系統(tǒng)非線性優(yōu)化模型。該模型充分考慮了經 濟性、節(jié)能性和環(huán)保性評價指標，以及燃氣內燃機的部分負荷特性。并把 該模型應用到上

3、海某賓館建筑，應用lingo專業(yè)優(yōu)化軟件進行求解，得到 了最優(yōu)的系統(tǒng)設備容量和最優(yōu)運行策略。具有較好的經濟性、節(jié)能性和環(huán) 保性。1. bchp系統(tǒng)結構本文研究的三聯供系統(tǒng)（如圖1）由燃氣內燃機、雙效澳化鋰吸收式 制冷機和燃氣鍋爐等設備構成。燃氣內燃機作為系統(tǒng)原動機不但啟動快、 啟動能耗小、部分負荷性能好，而且規(guī)格齊全、價格低廉、安全可靠。吸收 式制冷機、空調熱負荷和熱水負荷可采用從燃氣內燃機回收的低品位熱源 作為驅動源，不足負荷用燃氣鍋爐來驅動。空調熱負荷與熱水負荷通過換熱 器來獲得熱量，為了體現節(jié)能性和環(huán)保性指標，假定公用電網由燃氣電廠 供電。分供系統(tǒng)（如圖2）的電負荷完全由公用電網供給，空

4、調冷負荷也由 吸收式制冷機供給。熱水負荷和空調熱負荷由燃氣鍋爐通過換熱器熱交換 供給，吸收式制冷機由燃氣鍋爐驅動。圖1聯供系統(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，同時為了便于分析，做以 下假設：(1) 可選擇的系統(tǒng)設備容量連續(xù)，且無故障運行；(2) 燃氣內燃機熱電比在部分負荷區(qū)不變囚；(3 )吸收式制冷機cop和燃氣鍋爐效率在運行期間保持不變；換熱器1與換熱器2的換熱效率相同；表1待優(yōu)化變量優(yōu)化變量變量符號燃氣內燃機逐時發(fā)電量/kwh燃氣內燃機逐時發(fā)電效率燃氣內燃機逐時余熱利用量/ kwhh嚴燃氣鍋爐逐時供熱量/kwhh bwfer逐時電網購電量/k

5、whutility燃氣內燃機容量/kwcpge燃氣鍋爐容量/kwc嚴"吸收式制冷機容量/kwcpahs2. 1目標函數以年運行費用最少作為三聯供系統(tǒng)優(yōu)化配置的目標函數如公式（1）。 三聯供系統(tǒng)的運行費用主要包括燃料費、設備維護費和設備投資費用三部 分。目前小型熱電聯產發(fā)電在我國尚不能上網，故年運行費用中將不計入 由聯供系統(tǒng)生產電量收入。(1)ge .boiler . abs run ' ° run t v runmi心=c需+ c畫+ c驚+ c警+c篇+ c黔+ c胖公用電網年購電量計算方法由式（2）表示，燃氣內燃機、燃氣鍋爐、 吸收式制冷機的年運行費用分別由式（

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runboilerrun丿(3)i y hr(pz 1f c("hra加fi9cool run(4)cads =l. i 嚴（5 ）run z i .cool run /文獻研究了燃氣內燃機發(fā)電效率與負荷系數的關系，得到了燃氣內 燃機發(fā)電效率的計算方法（如式（6）,其中負荷系數薩e嚴丨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)聯供系統(tǒng)各設備的年投資成本計算方法由式（7） /（i + /）f/（i + /）r-d表示等額資本回收系數。-（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(9)式2.2約束條

8、件 2.2.1能量平衡條件為保證每小時的供電需求，從電網購電量與內燃機發(fā)電量的和應該大 于等于電負荷需求，聯供系統(tǒng)多余發(fā)電量不上網，式（10）為第i小時電(10)(11)(12)平衡關系式。同理，第i小時熱平衡關系式由式（11）表示。r utility ge 丄口 boiler、rj+ 比-rl i jolai heal其中，總熱負荷hitotalheat計算方法如式（12）。i jot al heal=li,coo j cop + litw(ller / £ + ljjleal / 82.2.2設備工作性能條件在第i小時，燃氣內燃機設備容量（即最大發(fā)電量）與其發(fā)電量的關 系由式（1

9、3）表示，燃氣內燃機的熱輸出和電輸出關系由式（14）表示。e嚴"pge（13）hge = £ge .（ 14 ）_第i小時燃氣鍋爐容量（即最大供熱量）與其供熱量的關系由式（15 ） 表oh boiler < cp boiler（ 5 ）第i小時制冷機供冷量與設備容量（即制冷機最大供冷量）的關系由 式（16 ）表示。呼爲§ cp"/（16）2.2.3評價指標約束條件聯供系統(tǒng)性能評價指標主要包括經濟性、節(jié)能性和環(huán)保性。本文以年 運行費用最低為目標建立的優(yōu)化函數，把節(jié)能性和環(huán)保性指標大于零作為 其中的約束條件，這種優(yōu)化方法更能體現bchp系統(tǒng)的優(yōu)越性。節(jié)

10、能率（fuel energy saving ratio ）是評價bchp系統(tǒng)節(jié)能性的重要 指標。式（17）為第i小時節(jié)能性約束條件。conv x-j bchpfesr = 豎孑豎 >0（ 17 ）q嚴十i _riqf" = e 讐 / 力 + e?e / % + hfoiter / “c02減排率（c02 reduction ratio）是評價bchp系統(tǒng)環(huán)保性的重要指 標，式（18）為第i小時環(huán)保性約束條件。crr =ex 嚴 v ex 嚴 pex 嚴、'(18)ex嚴=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/% +卅叫忙0( 19 )2. 3求解方法該模型采用lingo軟件對目標函數進行求解，lingo軟件是由美國 lindo systems有限公司開發(fā)專門求解非線性規(guī)劃的數學模型。首先，需 要將模型轉化成lingo求解程序主要的4個部分：數據集(dataset),用于 定義變量；目標函數(objective),用于表達模型的目標函數；約束條件 (restriction),用于表述模型的約束條件；數據傳輸(dat

12、a),用于實現 lingo與其它數據源的數據交換；在將模型轉化完畢后，就可以運行該軟 件,lingo根據模型的特點選擇一種合適的內置算法對模型進行求解。3實例分析 3.1負荷特征以上海某賓館為例，運用equest能耗模擬軟件模擬得到賓館的全年逐 時負荷，逐時負荷包括空調冷負荷、空調熱負荷、電負荷和熱水負荷。圖 3為冬季、夏季、過渡季的典型日負荷曲線。夏季： '' 1冷負荷-熱負荷 a 電負荷a 熱水負荷冬季：t一冷負荷t一熱負荷金 電負荷熱水負荷過渡季： 冷負荷 ° 熱負荷電負荷a '熱水負荷圖3典型日逐時負荷曲線上海市電價銷售采用分季節(jié)分時段電價標準，夏季高

13、峰時段8-11時 和1821時電價為1. 014元/kwh，低谷時段22時次日6時電價為0. 232 元/kwh,剩余時間段為平谷，電價為0. 697元/kwh;其它季節(jié)時段劃分與 夏季相同，高峰時段價格為1. 014元/kwh,低谷時段價格為0. 302元/kwh， 剩余呼價格為0.691元/kwh。天然氣熱電聯產價格為2.05元/nnr；商業(yè) 氣價4一11月為3. 3元/ nm其它月份氣價為3. 6元/ nm天然氣熱值取35.2mj/ nm co?排放標準取 1. 856kg/m3 51o3.2 設備性能根據文獻中的數據，給出優(yōu)化模型涉及的設備性能參數如表2, 銀行利率取02。表2設備性能

14、參數設備性能符號參數公用電力發(fā)電效率/%a42. 5燃氣內燃熱電比p1. 5機生命周期/年tgl20投資費率/元/kwccge49640運行維護費率/元/kwh0. 0768燃氣鍋爐效率/%n80生命周期/年boilert20投資費率/元/kwcc bo""800運行維護費率/元/kwhboilernin0. 00216吸收式制制冷效率cop1. 2冷機生命周期/年t20投資費率/元/kwccabs1840運行維護費率/元/kwh/i加 c n(n0. 0008換熱器1、2效率/%£95從優(yōu)化運行結果來看，以夏季典型日為例(如圖4),原模型優(yōu)化得 到燃氣內燃機夜間

15、處于停機狀態(tài)，此時節(jié)能率和co?減排率均為零，而修正 模型優(yōu)化得到燃氣內燃機在部分負荷下運行，節(jié)能率和co?減排率均大于 零，可見修正模型具有更好的節(jié)能性和環(huán)保性。同時，由于受燃氣價格、 電價以及chp設備投資等影響，在高電價、低氣價和低的chp設備投資費 用狀況下，修正模型的節(jié)能性與環(huán)保性優(yōu)勢將更加明顯。180時間(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典型日燃氣內燃機優(yōu)化運行狀況對比4結論本文從聯供系統(tǒng)性能評價的角度入手，建立了聯供系

16、統(tǒng)最佳設備容量 和最優(yōu)運行策略的集成優(yōu)化模型。模型基于經濟性、節(jié)能性和環(huán)保性指標, 以及bchp設備動態(tài)性能和能量平衡，以年運行費用最低為目標，建立了非 線性集成優(yōu)化模型，運用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)設備容量和最優(yōu)年運行策略，具有很好的節(jié)能性、環(huán)保性和經 濟性，該模型不僅對該本論文采用的設備配置方式適用，而且對其它聯供 系統(tǒng)也有一定的參考價值。符號表fesr 節(jié)能率crr二氧化碳減排率ex排放系數，kg/kwhq總能耗,kwhe 耗電量，kwhh耗熱量，kwhex排放量，kgl 負荷，kwhp價格，元/kwhi利率c年運行費用，元cp設備容量，kwc設備維

17、護費率，元/kwhcc設備投資費率，元/kwhr 熱值，kwh/m3cop制冷系數希臘字母n燃氣鍋爐效率a燃氣內燃機發(fā)電效率|3熱電比x負荷系數占換熱器效率上下標conv傳統(tǒng)供能方式bchp三聯供啊我系統(tǒng)abs吸收式制冷機gas天然氣gb燃氣鍋爐ge三聯供發(fā)電設備utility公用電網boiler燃氣鍋爐pur購買run 運行inv投資total heat 總熱負荷ele 電t運行總小時數參考文獻1 丁水汀，段倫，韓樹軍等冷熱電聯供系統(tǒng)運行模式優(yōu)化j熱科學與 技術，2007 (02).2 黃興華，李贊.聯供系統(tǒng)設備配置與運行策略集成優(yōu)化研究j太陽 能學報，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 中國價格信網.