樓宇三聯(lián)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(lián)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(lián)供系統(tǒng)的最佳設備容量與最優(yōu)運行策略。該聯(lián)供系統(tǒng)包括燃氣內燃機、雙效溴化鋰吸收式制冷機及燃氣鍋爐。考慮到經(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(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)保性。關鍵詞：冷熱電三聯(lián)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)電的同時利

2、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(lián)供系統(tǒng)在確定設備容量和運行策略時比較困難。文獻1，2等研究了聯(lián)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(jīng)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(xiàn)在優(yōu)化模型中，只是在整體上說明，不能很好的體現(xiàn)三聯(lián)供的優(yōu)越性。本文建立了以年運行費用最小為優(yōu)化目標的聯(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海某賓館建筑，應用LI

3、NGO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(jīng)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(lián)供系統(tǒng)（如圖1）由燃氣內燃機、雙效溴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?？照{熱負荷與熱水負荷通過換熱器來獲得熱量，為了體現(xiàn)節(jié)能性和環(huán)保性指標，假定公用電網(wǎng)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(wǎng)供給，空調冷負荷也由吸收式制冷機供給。熱水負荷

4、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；(3)吸收式制冷機COP和燃氣鍋爐效率在運行期間保持不變；(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/kwh燃氣鍋爐逐時供熱量/kwh逐時電網(wǎng)購電量/kwh燃氣內燃機容量/kw燃氣鍋爐容量/kw吸收式制冷機容量/kw2

5、.1目標函數(shù)公用電網(wǎng)年購電量計算方法由式吸收式制冷機的年運行費用分別由式（tUtilityUtilityUtilityC pur -PiEiGErunEiGEgas (CHP )P +產crunHR Jc Boiler C runBoilerg 口 gasPiJ HRBoiler一 c crunAbsrunAbsLi ,coolcrun（2）表示，燃氣內燃機、燃氣鍋爐、3）、式（4）、式（5）給出。（2）（4）（5）以年運行費用最少作為三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置的目標函數(shù)如公式（1）三聯(lián)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(lián)產發(fā)電在我國尚不能上網(wǎng)，故年運行費用中

6、將不計入由聯(lián)供系統(tǒng)生產電量收入。(1)UtilityGEBoilerAbsGEBOilehAbsMinCtotal-CpurCrunCrunCrunCinvCinvCinv文獻3研究了燃氣內燃機發(fā)電效率與負荷系數(shù)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(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)各設備的年投資成本計算方法由式（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的供電需求，從電網(wǎng)購電量與內燃機發(fā)電量的和應該(1。)(11)(12)大于等于電負荷需求，聯(lián)供系統(tǒng)多余發(fā)電量不上網(wǎng)，式（10）為第i小時電平衡關系式。EUtilityEiGE-Lieie同理，第i小時熱平衡

8、關系式由式(11)表示。GEBoilerHiHi-Hi,total,heat其中，總熱負荷Hiatal,heat計算方法如式（12）Hi,totalheat-Li,cool/COPLi,water/；.Li,heat/；2.2.2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（13）表示，燃氣內燃機的熱輸出和電輸出關系由式（14）表示。EiGE<CpGE（13）HiGE=EiGEP（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7KoBoiler八BoilerHi<Cp（15）第i小時制冷機供冷量與設備容量（即制冷機最大

9、供冷量）的關系由式（16）表75。LAbSol<CpAbs（16）2.2.3評價指標約束條件聯(lián)供系統(tǒng)性能評價指標主要包括經(jīng)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(shù)，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(xiàn)BCHP系統(tǒng)的優(yōu)越性。節(jié)能率(Fuelenergysavingratio)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。ConvBchpFESR-Qi普>0(17)QiCO2減排率(CO2reductionratio)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。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軟件對目標函數(shù)進行求解，LINGO軟件是由美國LindoSystems有限公司開發(fā)專門求解非線性規(guī)劃的數(shù)學模型4。首先，需要將模型轉化成LINGO求解程序主要的4個部分：數(shù)據(jù)集(dataset),用于定義變量；目標函數(shù)(objective),用于表達模型的目標函數(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、用于實現(xiàn)LINGO與其它數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換；在將模型轉化完畢后，就可以運行該軟件，LINGO根據(jù)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。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，夏季高峰時段811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

12、1.014元/kwh,低谷時段價格為0.302元/kwh,剩余時段價格為0.691元/kwh。天然氣熱電聯(lián)產價格為2.05元/Nm3,商業(yè)氣價411月為3.3元/Nm3,其它月份氣價為3.6元/Nm3,天然氣熱值取35.2MJ/Nm3,CO2排放標準取1.856kg/m35。3.2 設備性能根據(jù)文獻中的數(shù)據(jù)，給出優(yōu)化模型涉及的設備性能參數(shù)如表2,銀行利率取0.2。表2設備性能參數(shù)公用電力發(fā)電效率/%42.5燃氣內燃熱電比1.5機生命周期/年20投資費率/元/kw49640運行維護費率/元/kwh0.0768燃氣鍋爐效率/%刀80生命周期/年20投資費率/元/kw800運行維護費率/元/kwh0

13、.00216吸收式制制冷效率COP1.2冷機生命周期/年20/kw1840運行維護費率/元/kwh0.0008換熱器1、效率/%952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處于停機狀態(tài)，此時節(jié)能率和CO2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CO2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。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(lián)供系統(tǒng)性能評價的角度入手，建立了聯(lián)供系統(tǒng)

14、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(jīng)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(jīng)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(lián)供系統(tǒng)也有一定的參考價值。CRR 二氧化碳減排率Q 總能耗,kwhH 耗熱量，kwhL 負荷，kwhI利率符號表FESR節(jié)能率ex排放系數(shù)，kg/kwhE耗電量，kwhEX排放量，kgP價格，元/kwhC年運行費用，元c設備維護費率，元/kwhHR熱值，k

15、wh/m3希臘字母“燃氣鍋爐效率B熱電比6換熱器效率上下標conv傳統(tǒng)供能方式Abs吸收式制冷機gb燃氣鍋爐Utility公用電網(wǎng)pur購買inv投資ele電Cp 設備容量，kwCc設備投資費率，元/kwCOP 制冷系數(shù)a燃氣內燃機發(fā)電效率Z負荷系數(shù)BCHP 三聯(lián)供啊我系統(tǒng)gas 天然氣GE三聯(lián)供發(fā)電設備Boiler 燃氣鍋爐run 運行total heat 總熱負荷t運行總小時數(shù)參考文獻1丁水汀，段倫，韓樹軍等.冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行模式優(yōu)化J.熱科學與技術，2007(02).2黃興華，李賀.聯(lián)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).3RenHongbo,GaoWeijun,RuanYingjun.OptimalsizingforresidentialCHPsystemJ.AppliedThermalEngineering,2008,28(3):514-523.4LingoUser'sGuideM.USA:LINDOSystems