基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化_王心竹.pdf

第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化王心竹，郭健翔，李闻卓，崔梦然，孙晋飞（青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 ）摘要：基于提出的负荷调整法，建立一种太阳能土壤源热泵空气源热泵的多源供热系统，并在 平台上构建瞬态仿真模型，综合考虑峰谷电价，利用水箱进行蓄放热，以达到经济节能的目的。为简化模型计算，通过引入蓄热转换因子，对系统蓄热单元负荷化降低变量维度，并结合经济、能源与环境对系统进行优化。以北京某商场为例，在模拟的建筑全年瞬态热负荷的基础上进行蓄热负荷调整与优化分析，结果显示最优配置为 土壤源热泵 空气源热泵 太阳能 水箱，与基准系统对比可知该多源供热系统具有显著的经济节能与环境效益，其中经济节约率为 ，能源节约率为 ，污染物排放影子成本节约率为 ，为多源供热系统的优化提供理论参考。关键词：多目标优化；蓄热转换因子；负荷调整法；多源供热系统；瞬态模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；国家自然科学基金资助项目（）作者简介：王心竹（），女，山东潍坊人。硕士，研究方向为区域能源系统建模与优化。：。通信作者：郭健翔（），男，山东青岛人。博士，教授，主要从事综合能源系统建模与优化、高温热泵等方面的研究。：。，（，）：，第期王心竹，等：基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化 ，：；当前，我国常用的能源供给方式大多是采用由大机组、大电网等构成的集中供应体系，但这些能源供给方法往往存在较多安全隐患，并且伴随持续的环境污染、大电网发展无法匹配迅速增长的能源需求等问题。在现实生产生活中，可考虑综合利用热泵技术与太阳能相结合的复合多源系统实现供热，王宇波等提出对建筑采用多源互补协同蓄能的供热系统，并利用热力学分析的方法对该系统展开特性分析与优化研究；陈晓波构建了多源互补供热系统并提出将经济与环境效益相结合的多目标优化模型；杨林进一步优化了多源供热系统中多种设备的基本参数，并在成本费用年值最小化和年度综合效率最大化的基本目标下实现了最优化设计；等总结和比较了不同的多源互补供热系统的特性；刘艳峰等针对川西山地峡谷区构建以空中源热泵为主的多源互补供热系统，并优化了系统匹配热源的方式及设备容量；闫素英等设计了包含太阳能与空气源系统耦合蓄热的供热系统，弥补了在低温工况下多源互补供热系统的工作性能薄弱和经济性不足等缺点；张俊等研究了太阳能与土壤源热泵联合供暖的特性，得出系统最优运行模式；郭琪等 设计了太阳能与空气源热泵联合供暖系统，并构建了瞬态计算模型；彭胜男等 提出了适用于北方农村独立民居的光伏空气源热泵联合供热系统及运行模式。目前，针对多源互补供热系统耦合蓄热的瞬态模拟研究较少。多源互补供热系统中的蓄热单元对于能源系统高效运行具有十分重要的意义 ，但是装入蓄热设备会提高系统的耦合强度与变量维度，不利于系统的优化设计，为此，本文基于提出的负荷调整法，通过引入蓄热转换因子将系统的蓄热单元进行负荷化处理来降低变量维度，综合考虑将经济、节能与环境三者的加权和作为优化目标函数，在全年供需瞬态平衡的基础上对系统的配置和运行进行优化，这种算法有效解决了因出现数据发散导致无法得出正确结果的问题，使能源系统的优化设计更为快速简易。多源供热系统构建构建一种包含太阳能集热器、蓄热水箱、土壤源热泵和空气源热泵的多源互补供热系统，如图所示。多热源的协同使用需不断控制、调节，以保证系统能在最佳工况下运行，维持一个较高的能效水平，设备运行的优先级为：太阳能集热器土壤源热泵机组空气源热泵机组。图多源供热系统原理青 岛理工大学学报第 卷当光照充足时，使用太阳能集热器向建筑供热的同时利用蓄热水箱进行热量的储存；当光照不足或环境温度较低时，太阳能集热器无法满足负荷侧的热量需求，此时则开启土壤源热泵机组进行供热；当土壤源热泵无法承担全部热负荷时，开启空气源热泵联合供暖。热泵机组的使用解决了太阳能集热器间歇性和不稳定性的问题，使用土壤源热泵可弥补空气源热泵在极端环境下制热效率低下的缺点，而空气源热泵的使用在减少土壤源埋管投资的同时也改善了占用土地面积过多的处境。多热源供热系统在运行中实施分时电价，于夜间谷时段可通过热泵向水箱蓄热，日间峰时段则利用水箱中蓄存的热量向负荷侧供热。系统数学模型多源互补供热系统中，能量从输入到输出的流程可以用数学方程来描述：（）式中：为输出能量矩阵；为输入能量矩阵；为耦合矩阵。系统中能量的分配和转换可以分成个环节来表述，耦合矩阵相当于能量的分配与转化矩阵相加，考虑到多热源系统的蓄热，系统的能量方程可表达为，（）式中：为用户的热负荷，；为蓄热水箱输出功率，；，为输入热量矩阵。蓄热转换因子考虑到蓄热装置的复杂性，为降低变量维度，引入蓄热转换因子，将蓄热负荷化，达到解耦的目的。，（）（）（）式中：为引入蓄热转换因子后的矩阵；为蓄热转换因子；为空气源热泵耗电量占输入系统总电量的百分比；为土壤源热泵耗电量占输入系统总电量的百分比；，分别为空气源热泵、土壤源热泵的制热能效比；为供热系统中太阳能集热器的效率。负荷调整法峰时段负荷处理 （），（）式中：为逐时峰时建筑热负荷，；为一次处理后逐时峰时热负荷，；为二次处理后逐时峰时热负荷，；为太阳能逐时峰时承担热负荷，；为逐时峰时水箱放热量，；为每日累计峰时时间，。谷时段负荷处理，（）式中：为逐时谷时建筑热负荷，；为处理后谷时峰时热负荷，；为逐时谷时水箱蓄热量，；为每日累计谷时时间，。仿真模型将系统数学模型与 平台相结合搭建的仿真模型如图所示，该模型可实现多源供热系统在供暖季的瞬态模拟。基于负荷调整法，在 中对蓄热进行负荷化处理，并将处理后的负荷输入系统进行优化。第期王心竹，等：基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化图多源供热系统 模型多源供热系统优化模型优化目标函数为使多源供热系统在经济、能源和环境方面均具有明显优势，在优化时往往需要综合考虑这些因素，因此本文将三者的加权和作为优化目标函数。（）式中：，为加权系数，且（，）；为经济节约率；为能源节约率；为污染物排放影子成本节约率。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，能源消耗与污染物排放量在系统评估中占据的份额与日俱增，本研究将三个加权系数取相同的值；的值越大代表与基准系统相比，多源供热系统具有越好的经济、能源和环境效益，计算，和的方法如下所示。）经济节约率。（），式中：为系统费用年值，元；为每年的贷款利率；为设备寿命，；，为上网电价，元（）；，为购得电量，；为比例因子；为设备全部投资，元；为多源供热系统费用年值，元；为基准系统的费用年值，元。）能源节约率。，式中：为一次能源消耗量，；，分别为平均供电效率和输电效率；为多源供热系统的一次能源消耗量，；为基准系统的一次能源消耗量，。青 岛理工大学学报第 卷）污染物排放影子成本节约率。本文分别计算对环境影响较大的 和 两种污染物气体的排放量，并采用影子成本量化污染物排放带来的经济损失，计算方法如下所示。式中：为影子成本，元；，分别为 ，排放影子成本，元；，分别为 ，排放量，；为多源供热系统污染物排放影子成本，元；为基准系统污染物排放影子成本，元。约束条件 ，（）式中：为输入太阳能，；，为土壤源热泵制热功率，；，为空气源热泵制热功率，；，为土壤源热泵额定制热功率，；，为空气源热泵额定制热功率，；，为逐时蓄热量，；，为水箱最大蓄热量，；，为逐时机组可蓄热量，；，为逐时峰时热负荷，；，为逐时太阳能蓄热量，；为太阳能匹配水箱容积，；为蓄热水箱容积，；为太阳能照射时间，。表商场功能分区指标功能分区面积运行时间热指标（）大堂门厅 ：会议室 ：客房 ：高档店铺 ：餐厅 ：健身房 ：酒吧 ：案例仿真分析建筑概况北京某商场面积 ，供暖面积 。该商场包括多种功能分区，各部分指标见表。通过 软件模拟得到该建筑全年累计热负荷值为 ，逐时热负荷峰值为 。计算条件）用户分时电价。根据 北京市城区非居民销售电价 得到商业分时电价情况如表所示。）设备参考价格。根据相关品牌查得设备单位价格指标如表所示。表用户分时电价用电时段电价（元）峰时段：平时段：谷时段：表设备价格设备名称单价蓄热水箱 元土壤源热泵 元地热井 元口井空气源热泵 元太阳能集热器 元第期王心竹，等：基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化）蓄热水箱容积对应单位太阳能面积。本研究中采用短时间蓄热太阳能供暖系统，蓄热水箱容积对应的单位太阳能集热器面积取 ，水箱蓄热温差控制在 ，运行期谷时段水箱蓄热，峰时段水箱释热。表各热泵机组运行工况工况土壤源热泵容量空气源热泵容量 ）基准系统。选取土壤源热泵系统为基准供热系统，土壤源热泵选型为 。根据建筑的热负荷，计算得到土壤源热泵供暖系统峰时耗电量为 ，费用年值为 元，一次能源消耗量为 ，环境污染物影子成本为 元。）工况。本研究针对土壤源热泵可承担峰值热负荷的 ，将变量进行离散，热泵机组运行工况如表所示。优化流程为保证多源供热系统的优化过程准确高效，在模拟的全年逐时建筑热负荷基础上，选择虎克捷夫优化算法，并在 上进行编制后，通过程序调用 使能源系统进行自动寻优，系统的优化变量包括土壤源热泵容量、空气源热泵容量、太阳能集热器面积与蓄热水箱体积，优化流程如图所示。图多源供热系统优化流程优化分析取优化后每组最大的目标函数值进行比较，由图可知，目标函数最大值随太阳能面积的增加呈现先增加后减小的规律，呈抛物线变化，因此最优配置为 太阳能对应 水箱下的工况，此时土壤源热泵机组承担了 的建筑热负荷，机组容量为 ，空气源热泵机组承担 热负荷，机组容量为 ，太阳能集热器与 蓄热水箱承担 热负荷。最优化后的耦合蓄热多源供热系统与其他系统对比分析如图所示，与作为基准系统的土壤源热泵系统相比，耦合蓄热多源供热系统费用年值节约 元，峰时耗电量节省 ，排放量减少 ，经济节约率为 ，能源节约率为 ，污染物排放影子成本节约率为 ；与空气源热泵电辅热系统相比，耦合蓄热多源供热系统峰时耗电量节省 ，排放量减少 。青 岛理工大学学报第 卷图目标函数最大值随太阳能集热器面积变化曲线结论本文提出了负荷调整法，在此基础上建立的耦合系统包含太阳能集热器、蓄热水箱、土壤源热泵和空气源热泵，基准系统为土壤源热泵系统，通过研究得出以下结论：）基于提出的负荷调整法与全年供能周期内供需瞬态平衡对系统建模，通过引入蓄热转换因子对蓄热进行负荷化处理，降低系统的耦合强度，有效解决了优化时因出现数据发散导致无法得出计算结果的问题，使能源系统的运行优化更为快速简易。）耦合蓄热多源供热系统的设备配置与运行是影响系统性能的重要因素，对两者进行优化对提高系统的性能具有显著作用，根据优化结果可知耦合蓄热的多源供热系统比其他系统具有显著的节能效果和经济环境效益。）研究结果表明，耦合蓄热多源供热系统的最优配置为容量 土壤源热泵 空气源热泵 太阳能 水箱，与基准系统进行对比分析可知该多源供热系统具有显著的节能效果和经济环境效益，其中经济节约率为 ，能源节约率为 ，污染物排放影子成本节约率为 ；与空气源热泵电辅热系统相比，该系统峰时耗电量节省 ，排放量减少 ，显著减少了运行费用与污染物排放量。第期王心竹，等：基于负荷调整法瞬态模拟的多源供热系统多目标优化参考文献（）：刘强，梁晓云，王红，等北方清洁供暖现状和趋势分析中国能源，（）：，（）：黄强，郭怿，江建华，等“双碳”目标下中国清洁电力发展路径上海交通大学学报，（）：，（）：王宇波，全贞花，靖赫然，等 多能互补协同蓄能系统热力学分析与运行优化 化工学报，（）：，（）：陈晓波多能互补热电联产系统运行调度优化研究杭州：浙江大学，：，杨林多能互补分散式供热系统优化设计研究天津：天津大学，：，：，：刘艳峰，周位华，罗西，等 川西高山峡谷区空气源热泵多源互补供热系统热源方案比选及优化设计 太阳能学报，（）：，（）：闫素英，王群，高世杰，等增加蓄热装置的空气源热泵太阳能互补供暖系统优化研究可再生能源，（）：，（）：张俊，刘杰，陈安娟，等 基于 的太阳能土壤源热泵联合供暖系统特性分析 青岛理工大学学报，（）：，（）：郭琪，郭健翔，赵向明北方独立民居太阳能空气源热泵耦合供热系统瞬态模拟与优化研究青岛理工大学学报，（）：，（）：彭胜男，郭健翔，马晓丰适用于北方农村独立民居的光伏空气源热泵联合供热系统青岛理工大学学报，（）：，（）：吴云鹤，王刚，高寒，等农村空气源热泵系统蓄热模式对电网负荷的影响分析青岛理工大学学报，（）：，（）：闫超杰，郭健翔，张绍远清洁蓄热式集中供暖可行性研究青岛理工大学学报，（）：，（）：崔梦然基于供需动态平衡的综合能源系统建模与多目标优化研究青岛：青岛理工大学，：，崔梦然，郭健翔，田雪沁，等燃气轮机耦合地源热泵联供系统瞬态模拟与运行模式评估青岛理工大学学报，（）：，（）：何梓年，朱敦智 太阳能供热采暖应用技术手册 北京：化学工业出版社，：，（责任编辑赵金环；英文校审程文华）