樓宇復合能量系統(tǒng)的應用研究

1、樓宇復合能量系統(tǒng)的應用研究摘要 根據(jù)能源利用的發(fā)展趨勢，客觀論述城市區(qū)域和樓宇的能源利用將形成以化石能源（天然氣、石油）及電力為主，與太陽能等可再生能源并存的多元能源利用格局，并詳細闡述樓宇復合能量系統(tǒng)的概念、應用意義和研究方向，希望有助于加深對建筑物多元能源利用手段的認識和促進建筑復合能量系統(tǒng)的進一步研究和實踐。關鍵詞 樓宇復合能量系統(tǒng)；能源子系統(tǒng)；系統(tǒng)優(yōu)化控制；信息化計量The Application Research on Building Combined Energy System Abstract According to the development trend of ener

2、gy use, this paper set forth the new pattern for area and building energy use based on the coexistence of fossil fuel, electricity supply, solar energy and other renewable energy, and present the concept, application significance and research orientation of building combined energy system, hope to s

3、trength the cognition of the application method of building energy and also further research and practice of building combined energy system. Key word Building Combined Energy System; Energy Subsystem; System Optimization Control; Information Metering 1. 多元能源利用由于地球石油和煤炭等化石能源的資源有限，同時對環(huán)境污染嚴重，從長遠看包括建筑用

4、能在內的各種能源利用以化石能源（煤、天然氣、石油）和電力為主的格局將逐漸被其他新能源、可再生能源替代。但從目前階段看，可再生能源的能源密度低，穩(wěn)定性較差，且目前應用技術還不夠成熟，一次投資較大，經(jīng)濟性較差，因此，在未來相當長的時期內，城市區(qū)域和樓宇建筑的能源供應將仍然是以化石能源及電力為主，并與太陽能和其他可再生能源共存的多元能源利用格局，并在多種節(jié)能技術綜合利用的基礎上形成復合能量系統(tǒng)應用，與此同時，蓄能、熱泵和熱回收等技術由于異步調節(jié)能力強、能夠提升能源品位和均衡能源利用以及提高能源利用效率將得到更廣泛的應用，將在復合能量系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。因此建筑物的復合能量系統(tǒng)運用的研究將在各種新能源

5、和新節(jié)能技術研究成果的基礎上，開展包括節(jié)能和環(huán)境友好的圍護結構、太陽能和地熱等多元能源利用、能量回收和存儲以及系統(tǒng)動態(tài)特性及可控性等方面的研究，實現(xiàn)多元能源和多種節(jié)能技術的整合和綜合利用，以實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、優(yōu)化的目標。2. 樓宇復合能量系統(tǒng)的概念樓宇復合能量系統(tǒng)通過多元能源的組合和多種節(jié)能技術的集成運用來實現(xiàn)綜合能源資源的高效利用，并有效提高區(qū)域或建筑樓宇的能源供應安全，其復合的概念在于多元能源和多種節(jié)能技術的多層次多形式的組合應用（冷熱電等能量形式），最終實現(xiàn)多鐘節(jié)能技術的綜合利用，多元能源的綜合利用，多環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化，多系統(tǒng)協(xié)調匹配。樓宇復合能量系統(tǒng)將針對終端用能的波動性和可再生能源非穩(wěn)定

6、性的特征，采用電力、燃氣等常規(guī)能源以及太陽能等可再生能源或各種廢熱資源來提供多元能源組合；利用冷熱電聯(lián)產或熱回收等技術實現(xiàn)能源的梯級利用；通過蓄能技術來彌補可再生能源的不穩(wěn)定性和應對復雜的負荷需求變化；應用熱泵等技術提升能源品位和擴展能源利用途徑；通過利用計算機模擬和系統(tǒng)優(yōu)化控制技術使復合能量系統(tǒng)在各種負荷工況和能源價格波動等條件下都能保持最優(yōu)的多元能源匹配和最低的運行費用。樓宇復合能量系統(tǒng)的實現(xiàn)要求建立相應的輔助決策軟件將現(xiàn)場發(fā)電設備、熱回收設備、蓄能系統(tǒng)和各種熱能驅動和交換設備高效有機地結合起來，然后在實時計算機控制中采用現(xiàn)代控制理論、分散和遞階控制方法、計量信息與控制信息相結合等技術、以

7、基于SQL數(shù)據(jù)庫的先進控制集成平臺來實現(xiàn)系統(tǒng)模擬和系統(tǒng)優(yōu)化，獲得最高的綜合能源利用效率，最大限度減少對環(huán)境污染的運行方案。3.復合能量系統(tǒng)的運用簡介復合能量系統(tǒng)的應用代表著世界能源高效利用的研究方向，具有很高的理論研究和實踐應用價值，從國外應用實踐來看，日本是多元能源綜合利用的典范，在復合能源的應用研究上也有多年的經(jīng)驗。一些建筑采用燃氣和電力等多元能源系統(tǒng)，綜合應用分散型熱泵、蓄熱型熱泵及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)等節(jié)能技術的案例也較多，日本普遍在建筑用能中常結合熱泵和蓄能等多種節(jié)能技術，使復合能量系統(tǒng)得到普及應用。 復合能量系統(tǒng)在國內也有較好的運用，如有些建筑采用的離心機組與吸收式機組混合配置的案例，這

8、種配置能充分發(fā)揮離心機組滿負荷的高效率以及吸收式空調的部分負荷性能高的特點，同時還由于多元能源的運用能更好保證供冷的可靠性，以及能源價格波動時的運行經(jīng)濟性。奧運村項目規(guī)劃采用的“太陽能與熱泵高效復合能源系統(tǒng)”，更是將性能好、技術含量高的熱泵技術和太陽能利用技術相結合，不僅可最大限度利用可再生能源，同時還可以確保奧運村對電、冷和熱的供應安全性2。再如上海交大在上海莘莊生態(tài)建筑示范樓建立的集太陽能空調、地板輻射采暖、強化自然通風、以及全年熱水供應功能于一體的太陽能復合能量系統(tǒng)，具有很高的應用推廣價值。在復合能源系統(tǒng)實踐應用方面具有重要戰(zhàn)略意義。此外還有其他一些與太陽能有關的復合能源的利用形式，如太

9、陽能與電鍋爐蓄熱技術的結合、太陽能與蒸汽輪機或燃氣輪機以及太陽能與吸收式空調的組合系統(tǒng)都將比單一的一次能源供應系統(tǒng)具有更好的節(jié)能效益和環(huán)保效益，值得進一步推廣和應用。區(qū)域空調系統(tǒng)則具有更好的條件來應用復合能量系統(tǒng)，使可再生能源更經(jīng)濟地被利用起來，如地熱能、太陽能、垃圾廢熱等，此外也可以利用江湖水儲存能作為區(qū)域能源的補充，如西班牙巴塞羅那文化論壇采用垃圾廢熱發(fā)電結合海水冷卻和蓄冷技術，顯著地降低了能源費用支出。值得一提的是在區(qū)域空調系統(tǒng)中采用冷熱電聯(lián)產與蓄能和太陽能等技術的綜合利用，例如可以在冷熱電聯(lián)產應用中將冰蓄冷與燃氣輪機進氣冷卻技術結合起來，還可以更好地解決冷熱電三種負荷需求的異步調節(jié)與適

10、應問題，實現(xiàn)能源之間的互補和轉換，而且能夠更好地解決復合能源的匹配和動態(tài)優(yōu)化匹配。4.復合能量系統(tǒng)在HVAC技術領域的研究與應用4.1復合能量系統(tǒng)在HVAC領域的研究課題建筑能量系統(tǒng)可分為中央空調采暖制冷、照明、熱水供應、電梯等多個子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)的能量利用又包括多個子環(huán)節(jié)，以中央空調子系統(tǒng)的能源綜合利用為例，它至少包括冷熱源能源轉化子環(huán)節(jié)之間的匹配和運行（多元能源轉化為冷熱量）、冷熱量利用（存儲、回收和提升）子環(huán)節(jié)、冷熱量輸送子環(huán)節(jié)、末端調節(jié)的子環(huán)節(jié)這四個環(huán)節(jié)，建筑能量系統(tǒng)的綜合優(yōu)化利用需要這些子系統(tǒng)和子環(huán)節(jié)之間的協(xié)調和匹配。從能源轉化子環(huán)節(jié)和冷熱量利用（存儲、提升和回收）子系統(tǒng)的匹配優(yōu)化

11、來看，值得研究的課題有可再生能源與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)整合優(yōu)化、樓宇冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)與蓄能系統(tǒng)的聯(lián)合再優(yōu)化、微型燃氣輪機與熱泵系統(tǒng)的結合、太陽能與樓宇冷熱電系統(tǒng)、太陽能與熱泵系統(tǒng)的結合等技術，在冷熱量輸送子系統(tǒng)中值得研究的課題包括大溫差技術、變水量變風量技術、管網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化技術、動態(tài)流量平衡技術等；而末端調節(jié)和控制優(yōu)化則涉及到末端能源利用效率研究、末端可控制性研究、熱舒適研究帶來的送風形式變化的研究（低溫送風、地板送風、置換通風等）以及節(jié)能送風方式的選擇（輻射供冷、置換通風、獨立新風，自然通風）等。由于HVAC與建筑存在不可分割的聯(lián)系，所以從建筑結構設計的角度來說，還有結構保溫，墻體蓄熱，太陽能與建筑一體

12、化等一系列研究課題。這些課題的研究和多種節(jié)能技術的整合將構建不同的復合能源利用課題和實踐方向，如集太陽能空調、地板輻射采暖、強化自然通風、以及全年熱水供應功能于一體的太陽能復合能量系統(tǒng)；集能源中心和區(qū)域能源站的用能管理、管網(wǎng)動態(tài)平衡和優(yōu)化、大溫差變水量技術、空調末端控制優(yōu)化及信息化計量發(fā)布為一體的區(qū)域能源優(yōu)化管理系統(tǒng)；集置換通風、地板采暖制冷、新風和生活熱水于一體的建筑物恒溫恒濕恒氧系統(tǒng)。隨著復合能量系統(tǒng)研究的不斷深入，還將出現(xiàn)更多具有實踐意義的新課題和新系統(tǒng)。4.2 樓宇復合能量系統(tǒng)的集成建模分析HVAC系統(tǒng)以上多個子環(huán)節(jié)的匹配優(yōu)化包括與其他子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內部之間的協(xié)調優(yōu)化，同時需要考

13、慮子系統(tǒng)內部特性參數(shù)和外部特性參數(shù)對系統(tǒng)設計和運行的影響，不僅需要充分考慮滿足建筑物所需達到的功能，同時需要考慮建筑物圍護結構以及外部氣候條件等因素。其研究涉及到設計、運行和控制三個階段之中的全局系統(tǒng)中多變量多參數(shù)的模擬和優(yōu)化，所以必須借助各種建筑節(jié)能技術、計算機模擬與仿真技術、信息應用技術、現(xiàn)代控制理論等綜合技術集成來進行靜態(tài)和動態(tài)的建模和優(yōu)化，將多種節(jié)能技術進行有效整合，最終實現(xiàn)復合能量系統(tǒng)設定的目標函數(shù)最優(yōu)的全局優(yōu)化目標，進而構建一個節(jié)能，環(huán)保，舒適的建筑系統(tǒng)。為了全面考慮建筑物能源利用中多子系統(tǒng)多子環(huán)節(jié)的協(xié)調匹配和管理系統(tǒng)的綜合集成，必須構建一個建筑物能量系統(tǒng)的框架模型，并通過相應的動

14、態(tài)數(shù)據(jù)庫的輔助，實現(xiàn)復合能源綜合利用的客觀評價3。這項工作可分為建模、模擬和優(yōu)化三個部分，第一部分是運用各類建筑及節(jié)能技術的理論研究基礎及通過實測系統(tǒng)運行性能來進行仿真來構建的輔助決策和優(yōu)化模型，進而在虛擬的計算機環(huán)境中模擬各種工況變化和能源價格波動條件下的能耗需求和代價，最終作出最優(yōu)的能量系統(tǒng)規(guī)劃方案，第二部分是在用能優(yōu)化管理的實時控制中實現(xiàn)的，它通過計算機優(yōu)化控制技術來實時控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行、分析和辨識系統(tǒng)模型，從而調整運行策略，實現(xiàn)復合能量系統(tǒng)的整體動態(tài)優(yōu)化，而模擬部分則貫穿于整個建模和優(yōu)化工作之中，分為靜態(tài)模擬和動態(tài)模擬。樓宇復合能量系統(tǒng)的集成建模過程可以利用成熟的集成建模軟件，如ENE

15、RGY PLUS，DOE2等，此應用過程涉及到建筑和結構設計，多元能源綜合利用方案的確定，并根據(jù)氣候條件、能源政策、技術經(jīng)濟性等內外部條件來進行綜合分析。還可以運用一些在復合能量系統(tǒng)實踐工作中不斷開發(fā)出具有實踐意義的優(yōu)化軟件，如上海交通大學研制的“生態(tài)建筑太陽能復合能量系統(tǒng)分析軟件”，它是基于太陽能復合能量系統(tǒng)的實踐應用基礎上開發(fā)的建模軟件。該太陽能復合能量集成運用了太陽能空調、地板輻射采暖、強化自然通風以及全年熱水供應等節(jié)能技術。4.3 樓宇復合能量系統(tǒng)動態(tài)模擬與優(yōu)化樓宇復合能量系統(tǒng)的動態(tài)模擬和動態(tài)優(yōu)化需要基于大量實時運行數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)采集來自不同子系統(tǒng)）；需要依據(jù)大量數(shù)據(jù)樣本來進行建模和辯

16、識；需要基于能有效分解問題和優(yōu)化處理問題的機制平臺；以及需要保證各控制子系統(tǒng)和子環(huán)節(jié)之間的有效信息交換，實現(xiàn)局部優(yōu)化和全局優(yōu)化的有效協(xié)調機制。根據(jù)這些需求，復合能量管理系統(tǒng)必須基于以下的現(xiàn)實技術去深化研究：首先必須實現(xiàn)基于SQL的數(shù)據(jù)庫集成平臺用以實現(xiàn)各子系統(tǒng)大量信息共享和數(shù)據(jù)交換；然后需要在結合信息化計量結算和分布式數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)幕A上進行更廣泛和準確的數(shù)據(jù)收集分析，通過大系統(tǒng)優(yōu)化控制技術和分散與遞階控制的方法來完成復雜問題分解和協(xié)調決策的優(yōu)化機制；最后還需要通過智能控制方法逐步完成對非線形復雜系統(tǒng)的辯識建模和優(yōu)化運行。作為SQL數(shù)據(jù)庫的集成平臺的核心問題，是利用SQL數(shù)據(jù)庫的控制集成平臺實

17、現(xiàn)對樓宇能源管理系統(tǒng)的各子系統(tǒng)和子環(huán)節(jié)的統(tǒng)一管理和監(jiān)控，以及各子系統(tǒng)之間信息交換（與信息化計量數(shù)據(jù)相結合）。為此可將各類控制子系統(tǒng)和計量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過工業(yè)標準接口轉換成統(tǒng)一的格式存儲在系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫中；而各子系統(tǒng)子環(huán)節(jié)之間的信息交換和系統(tǒng)集成管理網(wǎng)絡對各子系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和監(jiān)控通過系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。5 大系統(tǒng)優(yōu)化技術要求將龐大的優(yōu)化決策系統(tǒng)分解為若干簡單的子系統(tǒng)，首先實現(xiàn)子系統(tǒng)的局部最優(yōu)化（每個子系統(tǒng)的優(yōu)化由各自的決策器來實現(xiàn)），而這些子系統(tǒng)相互之間關聯(lián)的影響，則由高一級的決策器通過協(xié)調來考慮，優(yōu)化層中可以包含多級的遞階結構6，根據(jù)總目標使各個子系統(tǒng)相互“協(xié)調”配合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全局最優(yōu)化

18、。采用遞階控制的方法將系統(tǒng)分解成若干級，一般由直接控制層、優(yōu)化層、自適應層和自組織層來構成。其中直接控制層完成最基本的閉環(huán)控制，并保持過程的穩(wěn)定運行；該層的適應能力差，運行工況傾向于保守，往往偏離最優(yōu)工況，優(yōu)化層在維持過程穩(wěn)定的基礎上采用優(yōu)化技術確定直接控制層的設定值；自適應層通過對實際系統(tǒng)的觀測來辨識優(yōu)化層中所使用數(shù)學模型的結構和參數(shù)，使模型和實際過程盡量保持一致；自組織層按系統(tǒng)總控制目標選擇下層所用模型結構、控制策略等。當總目標變化時，要求系統(tǒng)能自動改變優(yōu)化層所采用的優(yōu)化性能指標，當辨識參數(shù)不滿意時，要求系統(tǒng)能自動修改自適應層的學習策略等。就空調子系統(tǒng)而言，它使在能源轉化、冷熱量能源利用（

19、儲存、提升和回收）、冷熱量輸送和末端調節(jié)等子環(huán)節(jié)實現(xiàn)正常設備啟停切換穩(wěn)定運行的基礎上，首先在優(yōu)化層利用穩(wěn)態(tài)的數(shù)學模型基礎上來調整運行策略，同時在自適應層不斷根據(jù)數(shù)據(jù)采集和分析來辨識數(shù)學模型結構和參數(shù)和進行自學習，而在自組織層修改自適應層的學習策略和優(yōu)化性能指標。最終逐步實現(xiàn)長期的全局優(yōu)化，使在各種工況變化和能源價格波動的條件下系統(tǒng)均能保持最低的運行費用，根據(jù)以上分析，要實現(xiàn)以上動態(tài)模擬和優(yōu)化的過程，先進的數(shù)據(jù)庫結構和數(shù)據(jù)采集分析是優(yōu)化控制的關鍵，同時將信息化計量的數(shù)據(jù)集成到優(yōu)化控制系統(tǒng)中將是十分有效的輔助工具和必要手段。復合能量系統(tǒng)管理和研究實際上需要將建筑技術、各種節(jié)能技術、信息化計量技術與

20、系統(tǒng)優(yōu)化控制技術的成果無縫集成于建筑節(jié)能領域的綜合應用，通過先進的信息及控制平臺來實現(xiàn)跨行業(yè)、跨專業(yè)、跨觀念的統(tǒng)一技術整合和優(yōu)化，這樣就需要國內能夠涌現(xiàn)出一批具有復合知識結構的專業(yè)人員來參與其理論和實踐，對企業(yè)界也提出了新的研究課題。 5.現(xiàn)狀和前景由于化石燃料利用設備投入小，運行成本高，可再生能源利用設備投入大，而運行成本低的特點，決定了樓宇復合能量系統(tǒng)將由以目前的化石能源及電力為主、可再生能源為輔的復合能源系統(tǒng)逐漸過渡到未來的以可再生能源為主的復合能源系統(tǒng)，它是向第二代能源逐步過渡的途徑和必然階段。通過復合能量系統(tǒng)的應用，不僅可以提高能源的綜合利用效率，減少化石燃料的使用，也能大大提高能源供應的安全可靠性，這里的能源安全并非普通意義上的電力供應安全，而是指區(qū)域或樓宇內的綜合能源供應（冷熱電）的可靠性和安全性。復合能量系統(tǒng)可以通過采用蓄能和熱回收等節(jié)能技術來彌補可再生能源的不穩(wěn)定性，有效適應終端用能的波動性，使得各種能級的能源資源得到充分利用，更重要的是樓宇復合能量系統(tǒng)能夠結合樓宇冷熱電聯(lián)產應用更好地利用各類可再生能源，降低化石能源的使用，滿足終端用能需求，這樣從一次能源的開發(fā)到終端用能的中間環(huán)節(jié)更少，能源綜合利用效率最高，對環(huán)境污染最小。能源的可持續(xù)性利用和安全可控