小型建筑分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

呂 濤 魯月紅 王昌龍 李 嬌 劉雪梅

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002）

0 引言

分布式供能系統(tǒng)最主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)于冷熱電聯(lián)產(chǎn)，聯(lián)產(chǎn)符合總能系統(tǒng)的“梯級(jí)利用”的準(zhǔn)則，可達(dá)到高效利用能源的目的，且適用于負(fù)荷種類多、熱電波動(dòng)大的建筑，具有很大的發(fā)展前景。分布式能源系統(tǒng)是一種清潔高效的新型能源利用技術(shù)，在近幾年來得到廣泛關(guān)注。將分布式能源與國(guó)家電網(wǎng)相結(jié)合被視為未來電力市場(chǎng)發(fā)展的主要方向[1-3]，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀下?lián)碛芯薮蟮膽?yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于小型分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化均有一定的研究[4-9]。其中，文獻(xiàn)[10]建立了一個(gè)含有可再生能源以及冷、熱、電多種能源形式的分布式能源模型，并結(jié)合實(shí)際案例研究了該模型方案的可行性，結(jié)果表明，該模型可有效優(yōu)化能源分配、降低運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[11]從節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益兩方面比較傳統(tǒng)產(chǎn)能系統(tǒng)與聯(lián)供系統(tǒng)，結(jié)果表明，采用聯(lián)供系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[12]為降低分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，在建筑與電網(wǎng)交互端設(shè)計(jì)上網(wǎng)電價(jià)、可再生能源激勵(lì)機(jī)制，探究系統(tǒng)的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明，該方法可有效降低碳排放，同時(shí)可使分布式能源系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)性。

中外學(xué)者對(duì)于優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)的配置以及運(yùn)行方案的方法也有很多種[13-18]。文獻(xiàn)[19]基于聯(lián)供系統(tǒng)冷電輸出特性與用戶動(dòng)態(tài)供需匹配的原則，歸納總結(jié)了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[20]以能源應(yīng)用側(cè)互補(bǔ)、互動(dòng)和互利為原則，同時(shí)兼顧個(gè)人公平與整體效率，為分布式能源系統(tǒng)探求最佳決策方案。而GenOpt 作為一種可與TRNSYS 平臺(tái)聯(lián)合優(yōu)化仿真的軟件，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化[21-23]。其中Nikola[24]等結(jié)合GenOpt 優(yōu)化軟件對(duì)建筑方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，最優(yōu)成本的冷熱源方案是氣-水熱泵結(jié)合氣凝鍋爐；此外討論了上述模型在采用不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的適用性。Li[25]等對(duì)典型的住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)進(jìn)行分析，利用GenOpt 優(yōu)化平臺(tái)以最低生命周期成本為目標(biāo)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益明顯較優(yōu)化前增加。

分布式能源系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能與環(huán)境方面的優(yōu)勢(shì)，但其初投資過高、系統(tǒng)設(shè)備安裝繁瑣，所以需根據(jù)運(yùn)行情況對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)大型分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較多，但對(duì)不同類型的小型建筑分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究較少。本文結(jié)合建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[26]設(shè)計(jì)三種不同用途建筑（i.e.,辦公建筑，賓館建筑，住宅建筑），并以使用周期成本為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)三種建筑的分布式能源系統(tǒng)，為之后工程實(shí)際提供參考。

1 建筑負(fù)荷模擬

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文研究的建筑位于安徽省合肥市，系夏熱冬冷地區(qū)，其月平均溫度及逐時(shí)干球溫度如圖1所示。根據(jù)合肥地區(qū)的溫度數(shù)據(jù)可確定該地建筑的供冷熱季節(jié)設(shè)計(jì)室內(nèi)參數(shù)。由圖可知，合肥地區(qū)月平均溫度最高在7月，為22.11℃；最低在1月，為-8.4℃。年最高溫度出現(xiàn)于5126h，為35.74℃；最低出現(xiàn)于696h，為-8.6℃。

圖1 合肥市全年溫度Fig.1 Annual temperature of Hefei

本文設(shè)計(jì)了三種類型建筑（i.e.,辦公建筑、賓館建筑、住宅建筑），由于這三種建筑在使用時(shí)間、設(shè)備類型上存在差異，其負(fù)荷也存在一定差異。

（1）建筑類型

建筑1 類型為辦公樓，共三層；建筑2 類型為賓館建筑，共四層；建筑3 類型為居民住宅小區(qū)，共五層，各建筑的簡(jiǎn)易構(gòu)造如圖2所示；三種不同類型建筑的基本概況如表1所示。

表1 各建筑基本概況Table 1 Basic situation of each building

圖2 各建筑示意圖Fig.2 Schematic diagram of each building

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過查閱零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[26]及能耗指標(biāo)要求，改變當(dāng)前常規(guī)建筑選用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型，選用傳熱系數(shù)較低的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。例如，與常規(guī)采用的水泥砂漿磚墻的方法構(gòu)造外墻相比，該建筑外墻與屋面均加入0.05m 厚度的保溫砂漿夾層，從而達(dá)到降低整個(gè)墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的目的。外窗均采用雙層中空玻璃以及配合外遮陽的方法，達(dá)到減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸熱量及太陽輻射的吸收量，具體圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其傳熱系數(shù)如表2所示。

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Building envelope parameters

（3）建筑內(nèi)熱源參數(shù)

辦公建筑、賓館建筑、住宅建筑的使用時(shí)間分別為8 時(shí)至18 時(shí)、0 時(shí)至24 時(shí)、0 時(shí)至24 時(shí)；按照建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[26]，單位面積的照明功率以及設(shè)備功率如表3、4 所示。

表3 規(guī)范照明設(shè)計(jì)功率Table 3 Specifications for lighting design power

表4 設(shè)備設(shè)計(jì)功率Table 4 Equipment design power

1.2 建筑冷熱電及熱水負(fù)荷

1.2.1 冷熱負(fù)荷

參照夏熱冬冷地區(qū)供冷、熱時(shí)間[27]，設(shè)置辦公建筑設(shè)計(jì)供冷、熱時(shí)間分別為：5月15日-10月15日、11月15日-3月1日；賓館及住宅建筑的設(shè)計(jì)供冷、熱時(shí)間分別為6月10日-10月15日、11月15日-3月1日。在過渡季節(jié)，可通過通風(fēng)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)舒適室內(nèi)環(huán)境的需求，因而三種建筑的冷熱負(fù)荷基本為0。三種建筑的整年逐時(shí)冷熱負(fù)荷如圖3所示。

圖3 各建筑負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of each building load

模擬結(jié)果顯示，辦公樓、住宅、賓館建筑冷負(fù)荷分別為34.42kW、439.18kW、334.35kW；熱負(fù)荷分別為33.30kW、188.28kW、191.70kW。

1.2.2 用戶熱水負(fù)荷

由圖4各建筑的每日用水比例，用戶側(cè)生活用水設(shè)計(jì)參數(shù)主要與建筑用途及使用時(shí)間有關(guān)，結(jié)合生活用水設(shè)計(jì)定額可得各時(shí)刻用水量。生活熱水由太陽能與自加熱水箱聯(lián)產(chǎn)，選用合適的光伏光熱板面積與蓄熱水箱的加熱功率，確保每日用水時(shí)刻溫度與流量均滿足人員需要。

圖4 各建筑用水比例Fig.4 Proportion of water used in each building

1.2.3 用電負(fù)荷

在某一時(shí)刻，建筑的用電負(fù)荷主要分為戶式設(shè)備用電及供能設(shè)備用電。戶式設(shè)備用電前文1.1 內(nèi)已經(jīng)介紹了三種建筑的用電設(shè)備功率、數(shù)量以及同時(shí)使用系數(shù)。供能設(shè)備用電負(fù)荷計(jì)算如式（1），主要由制冷熱機(jī)組用電負(fù)荷、水泵用電負(fù)荷、生活用水加熱水箱組成。

式中：Pz為某時(shí)刻供能系統(tǒng)用電負(fù)荷，kW；Pjz為制冷熱機(jī)組用電負(fù)荷，kW；Ppump為水泵用電負(fù)荷，kW；Psx為水箱用電負(fù)荷，kW。

圖5為冬季某日用電負(fù)荷變化。

圖5 各建筑冬季某日用電負(fù)荷Fig.5 Power load of each building on a day in winter

2 分布式能源系統(tǒng)建立

太陽能光伏/熱（PV/T）技術(shù)是將光伏和光熱結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)較高的太陽能利用率[28]。在小型分布式能源系統(tǒng)中設(shè)置PV/T 模塊可以滿足系統(tǒng)對(duì)于熱能、電能的需要。在冬季設(shè)置一部分光伏/熱模塊與地源熱泵機(jī)組耦合，共同承擔(dān)冬季供熱負(fù)荷，減少熱泵機(jī)組需從地下?lián)Q熱的需求量，提升機(jī)組運(yùn)行的COP，減少對(duì)于地表淺層溫度的擾動(dòng)。在耦合的同時(shí)也能在光照條件良好的情況下作為系統(tǒng)產(chǎn)電的一部分，與其他光伏模塊相結(jié)合，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)電。

基于零能耗建筑要求在TRNSYS 平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種適用于夏熱冬冷地區(qū)并網(wǎng)分布式能源系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 分布式能源系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of distributed energy system

針對(duì)三種建筑不同的負(fù)荷，選用的地源熱泵機(jī)組的參數(shù)如表5和6 所示。

表5 地源熱泵機(jī)組選型Table 5 Selection of ground source heat pump unit

表6 地源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)Table 6 Design parameters of ground source heat pump unit

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

前文使用TRNSYS 動(dòng)態(tài)仿真軟件建立了適用于三種建筑的小型并網(wǎng)分布式能源系統(tǒng)模型，但是存在能量分布不均衡、設(shè)置參數(shù)非按最佳壽命周期費(fèi)用所設(shè)置，為了實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)型和保證系統(tǒng)能源供應(yīng)負(fù)荷要求，本文利用TRNSYS軟件內(nèi)GENOPT模塊的Hooke-Jeeves 算法對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)集。并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，使該分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加具體、更具經(jīng)濟(jì)性。

3.1 優(yōu)化過程

在對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，由于多個(gè)參數(shù)之間的相互作用導(dǎo)致直接人為確定參數(shù)不一定能使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)，因此通過TRNSYS軟件內(nèi)的GenOpt 優(yōu)化模塊可以有效解決上述問題。圖7為GenOpt 優(yōu)化過程，在設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，軟件對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行等步長(zhǎng)迭代計(jì)算直至找到最優(yōu)解。

圖7 GenOpt 優(yōu)化過程Fig.7 GenOpt optimization process

3.2 優(yōu)化變量

本文選取地埋管埋管深度Length_C、光伏/熱板面積Area_PVT、光伏板串聯(lián)數(shù)量PV_Line 為優(yōu)化變量，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求確定的參數(shù)初始值，對(duì)三個(gè)參數(shù)變量進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)性與性能均最優(yōu)。以辦公樓建筑為例，優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化范圍如表7所示。

表7 優(yōu)化參數(shù)初始參數(shù)Table 7 Optimized parameters Initial parameters

3.3 目標(biāo)函數(shù)

采用LCC 作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，LCC（全生命周期成本，Life Cycle Cost，簡(jiǎn)稱LCC），也被稱為全壽命周期費(fèi)用。它是指產(chǎn)品在有效使用期間所發(fā)生的與該產(chǎn)品有關(guān)的所有成本，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本、制造成本、采購成本、使用成本、維修保養(yǎng)成本、廢棄處置成本等。

式中，CI（cost of investment）投資成本，即一次或兩次設(shè)備購買投入成本；CO（cost of operation）運(yùn)行成本；CM（cost of maintenance）養(yǎng)護(hù)成本；CF（cost of fault）維修成本；CD（cost of disposal）廢置處理成本。CI 主要包括購入熱泵系統(tǒng)、水箱、水泵、太陽能光伏/熱（光伏）等設(shè)備的費(fèi)用；CO 主要包括設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)等；CM、CF、CD 取投資成本的10%計(jì)算。

以辦公樓建筑為例，計(jì)算初投資如表8所示。

表8 初投資計(jì)算表Table 8 Calculation table of initial investment

3.4 限制函數(shù)

該系統(tǒng)的優(yōu)化是基于冷、熱、電及熱水多方約束下進(jìn)行的，需保證優(yōu)化后的變量在運(yùn)行時(shí)滿足各方面負(fù)荷。

供冷熱約束（以夏季工況為例）：

式中：QCF為夏季冷負(fù)荷，kW；QC為熱泵機(jī)組供冷量，kW。

由式（3）可知，機(jī)組負(fù)荷需不小于實(shí)際負(fù)荷，且設(shè)置的冬夏季節(jié)熱泵機(jī)組出口水溫與設(shè)計(jì)水溫偏差不應(yīng)過大。本文通過比較熱泵出口水溫與地埋管出口水溫為監(jiān)視因子，優(yōu)化變量應(yīng)盡量減少運(yùn)行周期內(nèi)不滿足符合要求的次數(shù)。

生活熱水約束：

式中：Tsh為實(shí)際使用熱水溫度，℃；Tsj為設(shè)計(jì)用水點(diǎn)溫度，50℃。

零能耗約束：

式中：Wf為系統(tǒng)發(fā)電量，kW；Wh為建筑能耗，kW。

3.5 優(yōu)化過程

在優(yōu)化過程開始前需設(shè)置優(yōu)化系統(tǒng)基本參數(shù)，如優(yōu)化年限、壽命周期年利率等，具體參數(shù)設(shè)置如表9所示。通過上述初始參數(shù)數(shù)值、參數(shù)范圍以及限制函數(shù)的確定，結(jié)合三種建筑用戶側(cè)模擬周期內(nèi)各種負(fù)荷的情況，以壽命周期費(fèi)用LCC 為目標(biāo)函數(shù)，在TRNSYS 內(nèi)使用GenOpt 進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程簡(jiǎn)化如圖8所示。

表9 優(yōu)化基本設(shè)置Table 9 Optimizing basic Settings

3.6 優(yōu)化結(jié)果

表10 為辦公建筑的優(yōu)化最終結(jié)果，當(dāng)?shù)芈窆苌疃龋↙ength_C）為47.81m、光伏板串聯(lián)數(shù)量（PV_line）為6.5、光伏/熱板面積（AREA_PVT)為20.31m 時(shí)，整個(gè)模型達(dá)到最小費(fèi)用為20.22 萬元，相比較未優(yōu)化之前LCC 的27.11 萬元，減少了26.99%，因此利用優(yōu)化計(jì)算能帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

三種建筑的變量?jī)?yōu)化前后對(duì)比如表11 所示，優(yōu)化后的變量均比初始值小，所以優(yōu)化后的小型分布式能源系統(tǒng)初始投資均降低了，優(yōu)化后的壽命周期費(fèi)用LCC 如圖9所示。

表11 優(yōu)化變量比較Table 11 Comparison of optimization variables

圖9 優(yōu)化結(jié)果比較Fig.9 Comparison of optimization results

由圖9可知，對(duì)于賓館建筑，優(yōu)化前的LCC為84.15 萬元，優(yōu)化后為61.43 萬元；對(duì)于辦公建筑，優(yōu)化前的LCC 為27.11 萬元，優(yōu)化后為20.22萬元；對(duì)于住宅建筑，優(yōu)化前為107.49 萬元，優(yōu)化后為73.83 萬元。若可再生能源發(fā)電量全部用于建筑負(fù)載，則實(shí)際LCC 分別為：辦公建筑為18.96萬元、住宅建筑為57.35 萬元、賓館建筑為51.46萬元；相對(duì)于未優(yōu)化前LCC 分別減少了26.99%、25.41%、31.30%。

4 結(jié)論

本文以零能耗建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)于安徽省合肥市設(shè)計(jì)了三棟小型建筑，通過分析各建筑的負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)了一種小型零能耗標(biāo)準(zhǔn)分布式能源系統(tǒng)。在TRNSYS 軟件平臺(tái)建立模型，并調(diào)用GenOpt優(yōu)化模塊，以使用周期費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，采用單目標(biāo)Hooke-Jeeves 算法對(duì)三種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并得到最優(yōu)解集，并與初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)論如下：

（1）根據(jù)TRNSYS 動(dòng)態(tài)仿真軟件內(nèi)設(shè)置零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備功率標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得辦公樓、住宅、賓館建筑冷負(fù)荷分別為34.42kW、439.18kW、334.35kW；熱負(fù)荷分別為33.30kW、188.28kW、191.70kW。

（2）以使用周期總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，以負(fù)荷側(cè)制冷/熱、生活熱水溫度、零能耗建筑為約束條件，得到三種建筑使用該系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)集。優(yōu)化得辦公樓、住宅、賓館的使用周期最低費(fèi)用分別為18.96 萬元、57.35 萬元、51.46 萬元。

（3）與常見的分布式能源系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)結(jié)合了地表淺層熱能以及太陽能兩種可再生能源，加大了可再生能源使用的范圍，構(gòu)建得到的系統(tǒng)最優(yōu)方案具有運(yùn)行節(jié)能以及環(huán)保優(yōu)勢(shì)。