基于多能互补的区域能源系统优化模型(住建部梁浩、龙惟定)
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碳能源的低能量 密 度 、 低 供 能 效 率 和 品 位、 供能不 （ 稳定 、 分布不均以及 紧 凑 型 城 市 建 筑 的 “ 三 高” 高 高密度 、 高容积 率 ） 特 点， 未来城市分布式能源 层、 将会是一种 “ 城 市 尺 度 分 散 －区 域 尺 度 多 源 集 中 －终
］ １ 。 这就需要在社区层面 端用户个别用能 ” 的模 式［
暖通空调 Ｈ Ｖ＆Ａ Ｃ ２ ０ １ ２ 年第 ４ ２ 卷第 ７ 期
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基于多能互补的区域能源 系统优化模型
住房和城乡建设部科技发展促进中心 梁 浩 ☆ 张 峰 同济大学 龙惟定
摘要 根据我国城市紧凑型集约型发展的特点 ， 建立了一种区域能源 系 统 优 化 模 型 ， 可以 统筹考虑常规能源与可再生能源 ， 兼顾区域集中能源技术和分散能源技术 ， 使多 种 能 源 多 种 技 术在社区层面优化组合 ， 优势互 补 。 介 绍 了 模 型 的 建 立 过 程 ， 并 以 英 国 某 生 态 城 作 为 案 例， 通 过该模型优化模拟得到了费用最低和在 Ｃ Ｏ ２ 排放量约束下费用最低的能源供求方案以及相应 的能源系统管网布局 。 关键词 区域能源系统 节能 优化系统 多能互补 模型
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（ Ｃｅ Ｃ＝ ｍ ｉ ｎ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ） ∑ ｉ ＋ ∑Ｃｃｈ ∑Ｃｃｃ ∑Ｃｃｅ ∑Ｃｄｈ ∑Ｃｄｃ ∑Ｃｄｅ ∑Ｃｎ 式中 Ｃ 电网电 ｅ 为目标区域内传统能源的费用（ ； 能和 气 网 燃 气 ， 运行 费用） Ｃ ｃ ｈ为 目 标 区 域 内 集 中 供热系统的 初 投 资 费 用 ； Ｃ ｃ ｃ为 目 标 区 域 内 集 中 供 冷系统的初 投 资 费 用 ； Ｃ ｃ ｅ为 目 标 区 域 内 集 中 发 电 系统的初投资 费 用 ； Ｃｄ ｈ为 目 标 区 域 内 分 散 供 热 装 置的初投资 费 用 ； Ｃｄ ｃ为 目 标 区 域 内 分 散 供 冷 装 置 的初 投 资 费 用 ； Ｃｄ ｅ为 目 标 区 域 内 分 散 发 电 装 置 的 初投 资 费 用 ； Ｃｎ 为 目 标 区 域 内 管 网 设 备 的 初 投 资 ； 费用 （ 包括 水 泵 、 管 网 和 换 热 器 等） ｉ为目标区域 内系统或装置数量 。 其中热电 冷 联 供 系 统 的 初 投 资 费 用 算 在 Ｃ ｃ ｅ 中。 ② 约束条件 发电供冷供热设备和管网的初投资约束为
①
０ 引言 在大规模成片开发的绿色生态低碳示范区中 选择合适 的 能 源 系 统 ， 以达到真正的节能减排效 果， 是国内外关注的热门话题 。 笔者认为在一个特 定的低碳开发区中 ， 因地制宜地选取几种适用能源 和技术 ， 经过优化组合配置才能取得低碳效果 。 本文谈及的区域是指社区 、 街区 、 成片开发区 ， 占地面积在 数 ｋ 建筑面积在百万 ｍ 以 ｍ 以 下、 下 。 在这一 层 面 上 ， 能源系统主要满足建成环境
设置独立的能 源 站 。 分 散 式 能 源 技 术 是 指 直 接 在 建筑物中设置能源生产装置 ， 由其满足该建筑中的 能源需求 。 模型就 是 将 区 域 集 中 能 源 技 术 和 分 散 能源技术通过优化 整 合 ， 最终达到“ 该集中的地方 。 集中 ， 该分散的地方分散 ” 该模 型 基 于 Ｃ Ｐ Ｌ Ｅ Ｘ ｍ ｉ ｘ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｇ （ ， 混合整数线性规划优化 ） ｒ ｏ ｒ ａ ｍｍ ｉ ｎ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｒ ｐ ｇ ｇ ｐ （ 利用 ＧＭＡ 通用代数建模系统） 编 写 程 序， 其主 Ｓ 要的决策变量是能源技术的种类和容量选定 、 区域 集中能源技术和分散能源技术的优化组合配置 、 区 域集中能源站的选 址 和 布 局 以 及 建 议 的 能 源 系 统 中的管网路径设计 。 模型中主要的优化方程如下 。 ）目标函数 １ 模型可以分 别 以 经 济 性 、 能耗和 Ｃ Ｏ ２ 排放量 年费用最 最低为目标进行优化 。 现以经济性最优 （ 低） 为例介绍 。 ① 初投资费用 Ｃ （ ） １
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， 化） 二是 针 对 区 域 多 个 建 筑 的 一 种 能 源 供 需 优 化 （ 。 本文尝试在区域建筑群中 如区域供冷系统优化 ） 电、 冷以及生活热水多种能源的系统优化 。 进行热 、 １ 模型概述 该模型的目的是对目标区域内可资利用的能 源和技术进行优化组合配置 ， 以构建多能互补的能 源系统 。 这些能源 包 括 传 统 能 源 （ 电 网 电 能、 气网 燃气等 ） 和可再生能源（ 太 阳 能、 风 能、 生物质能 ， 等） 技术包括区域集中能源技术 （ 如区域供冷供热 系统 、 区域冷热电联 供 系 统 等 ） 和分散式能源技术 （ 。目标函数可以为经济 如分体式空气 源 热 泵 等 ） 性最优 ， 能耗最低 ， 也可 以为 Ｃ Ｏ ２ 排 放 量 最 小。模 型要解决的问题 是 ： 给 定 一 个 低 碳 示 范 区 域， 根据 土地利用规划图确定其各种类型建筑布局 ， 根据当 参 地资料确定其可资利用的能源品种和技术种类 ， 考负荷指标或者根据能耗模拟软件进行负荷预测 ， 得到其冷 、 热、 电和生活热水需求 ， 就可以利用这个 模型得到哪几种能源和哪几种技术的组合 ， 可以在 目标函数最优 的 约 束 下 满 足 负 荷 需 求 。 同 时 获 知 哪里只需采用分散式 哪里需采用集中式能源技术 ， 能源技术以及建议的管网路径设计 。 表 １ 只是给出了类似可供选择的能源技术 ， 实 际操作时可以 根 据 目 标 区 域 选 择 技 术 种 类 。 区 域 集中能源技术是指 在 一 个 建 筑 群 中 的 特 定 位 置 设 由其生产能源并通过连接到各终端楼宇 置能源站 ， 用户的网络输送能源 ， 由其供能的各单体建筑不再
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将区域能源系统进行优化配置 。 然而目前国内外的 模型研究大多只局限在两个层面 ， 一是针对单体建 筑的多种能源供需优化 （ 如楼宇冷热电 要。 分 散 化 是 相 对 Ｂ Ｅ， ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ 、 、 于大 电 厂 大 电 网 大 垄 断 和 大 集 中 而 言 的 。 分 布 式能源将是未 来 城 市 能 源 的 发 展 趋 势 。 但 鉴 于 低
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表 １ 能源互联网模式中对集中能源技术和 分散能源技术的分类
区域集中能源技术 分散式能源技术 以大型离心式制冷机为冷源的区 空气源热泵 （ 楼宇 ） 域供冷系统 区域热电冷联供系统 大规模地源 （ 水源 ） 热泵系统 较大功率太阳能光伏发电系统 区域风力发电系统 燃用天然气或生物质能的区域 锅炉房 楼宇热电冷联供系统 建筑一体化光伏系统 建筑一体化微型风力发电系统 楼宇太阳能热水器系统
粱浩 ， 男， 博士 ， 工程师 １ ９ ８ ３ 年 ３ 月生 ， １ ０ ０ ８ ３ ５ 北京市三里河路 ９ 号住房和城乡建设部南配楼 ５ ２ ４ （ ）５ ０ １ ０ ８ ９ ３ ４ ３ ２ ７ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｎ ｈ ａ ｏ ． ｌ ｈ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｇ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２－０ ２－０ １
碳能源的低能量 密 度 、 低 供 能 效 率 和 品 位、 供能不 （ 稳定 、 分布不均以及 紧 凑 型 城 市 建 筑 的 “ 三 高” 高 高密度 、 高容积 率 ） 特 点， 未来城市分布式能源 层、 将会是一种 “ 城 市 尺 度 分 散 －区 域 尺 度 多 源 集 中 －终
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暖通空调 Ｈ Ｖ＆Ａ Ｃ ２ ０ １ ２ 年第 ４ ２ 卷第 ７ 期
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基于多能互补的区域能源 系统优化模型
住房和城乡建设部科技发展促进中心 梁 浩 ☆ 张 峰 同济大学 龙惟定
摘要 根据我国城市紧凑型集约型发展的特点 ， 建立了一种区域能源 系 统 优 化 模 型 ， 可以 统筹考虑常规能源与可再生能源 ， 兼顾区域集中能源技术和分散能源技术 ， 使多 种 能 源 多 种 技 术在社区层面优化组合 ， 优势互 补 。 介 绍 了 模 型 的 建 立 过 程 ， 并 以 英 国 某 生 态 城 作 为 案 例， 通 过该模型优化模拟得到了费用最低和在 Ｃ Ｏ ２ 排放量约束下费用最低的能源供求方案以及相应 的能源系统管网布局 。 关键词 区域能源系统 节能 优化系统 多能互补 模型
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（ Ｃｅ Ｃ＝ ｍ ｉ ｎ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ＋ ｉ） ∑ ｉ ＋ ∑Ｃｃｈ ∑Ｃｃｃ ∑Ｃｃｅ ∑Ｃｄｈ ∑Ｃｄｃ ∑Ｃｄｅ ∑Ｃｎ 式中 Ｃ 电网电 ｅ 为目标区域内传统能源的费用（ ； 能和 气 网 燃 气 ， 运行 费用） Ｃ ｃ ｈ为 目 标 区 域 内 集 中 供热系统的 初 投 资 费 用 ； Ｃ ｃ ｃ为 目 标 区 域 内 集 中 供 冷系统的初 投 资 费 用 ； Ｃ ｃ ｅ为 目 标 区 域 内 集 中 发 电 系统的初投资 费 用 ； Ｃｄ ｈ为 目 标 区 域 内 分 散 供 热 装 置的初投资 费 用 ； Ｃｄ ｃ为 目 标 区 域 内 分 散 供 冷 装 置 的初 投 资 费 用 ； Ｃｄ ｅ为 目 标 区 域 内 分 散 发 电 装 置 的 初投 资 费 用 ； Ｃｎ 为 目 标 区 域 内 管 网 设 备 的 初 投 资 ； 费用 （ 包括 水 泵 、 管 网 和 换 热 器 等） ｉ为目标区域 内系统或装置数量 。 其中热电 冷 联 供 系 统 的 初 投 资 费 用 算 在 Ｃ ｃ ｅ 中。 ② 约束条件 发电供冷供热设备和管网的初投资约束为
①
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设置独立的能 源 站 。 分 散 式 能 源 技 术 是 指 直 接 在 建筑物中设置能源生产装置 ， 由其满足该建筑中的 能源需求 。 模型就 是 将 区 域 集 中 能 源 技 术 和 分 散 能源技术通过优化 整 合 ， 最终达到“ 该集中的地方 。 集中 ， 该分散的地方分散 ” 该模 型 基 于 Ｃ Ｐ Ｌ Ｅ Ｘ ｍ ｉ ｘ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｇ （ ， 混合整数线性规划优化 ） ｒ ｏ ｒ ａ ｍｍ ｉ ｎ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｒ ｐ ｇ ｇ ｐ （ 利用 ＧＭＡ 通用代数建模系统） 编 写 程 序， 其主 Ｓ 要的决策变量是能源技术的种类和容量选定 、 区域 集中能源技术和分散能源技术的优化组合配置 、 区 域集中能源站的选 址 和 布 局 以 及 建 议 的 能 源 系 统 中的管网路径设计 。 模型中主要的优化方程如下 。 ）目标函数 １ 模型可以分 别 以 经 济 性 、 能耗和 Ｃ Ｏ ２ 排放量 年费用最 最低为目标进行优化 。 现以经济性最优 （ 低） 为例介绍 。 ① 初投资费用 Ｃ （ ） １
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暖通空调 ＨＶ＆Ａ Ｃ ２ ０ １ ２ 年第 ４ ２ 卷第 ７ 期
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将区域能源系统进行优化配置 。 然而目前国内外的 模型研究大多只局限在两个层面 ， 一是针对单体建 筑的多种能源供需优化 （ 如楼宇冷热电 要。 分 散 化 是 相 对 Ｂ Ｅ， ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ 、 、 于大 电 厂 大 电 网 大 垄 断 和 大 集 中 而 言 的 。 分 布 式能源将是未 来 城 市 能 源 的 发 展 趋 势 。 但 鉴 于 低
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表 １ 能源互联网模式中对集中能源技术和 分散能源技术的分类
区域集中能源技术 分散式能源技术 以大型离心式制冷机为冷源的区 空气源热泵 （ 楼宇 ） 域供冷系统 区域热电冷联供系统 大规模地源 （ 水源 ） 热泵系统 较大功率太阳能光伏发电系统 区域风力发电系统 燃用天然气或生物质能的区域 锅炉房 楼宇热电冷联供系统 建筑一体化光伏系统 建筑一体化微型风力发电系统 楼宇太阳能热水器系统
粱浩 ， 男， 博士 ， 工程师 １ ９ ８ ３ 年 ３ 月生 ， １ ０ ０ ８ ３ ５ 北京市三里河路 ９ 号住房和城乡建设部南配楼 ５ ２ ４ （ ）５ ０ １ ０ ８ ９ ３ ４ ３ ２ ７ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｎ ｈ ａ ｏ ． ｌ ｈ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｇ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２－０ ２－０ １