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国网四川电科院范成围、清华四川院雷一等:考虑室内体感舒适度的城市楼宇型能量枢纽优化配置与定容应用分析


考虑室内体感舒适度的城市楼宇型能量枢纽优化配置与定容应用分析

范成围1,陈刚1,熊哲浩2,靳旦1,刘洋3,杜新伟3,李海波2,雷一2*

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院;2.清华四川能源互联网研究院;3.国网四川省电力公司)

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本文发表在《全球能源互联网》2020年第3期,受国家重点研发计划(2018YFB0905200)、国网四川省电力公司科技项目(521997180021)资助。

文章导读

楼宇正在成为城市最主要的多种类能耗终端,楼宇能耗主要服务于以人为核心的室内活动。目前,综合能源服务业态的兴起使得楼宇能源托管业务蓬勃发展。由于传统的能源设施配置缺少对各类用能形式的互补协同和能源价格要素的考虑,在满足楼宇室内用能的前提下尚存在较大的优化空间。

文章亮点

(1)通过室内体感温度舒适度评价指标获取楼宇冷、热调节功率,并纳入多能功率平衡约束条件,建立建筑和能量枢纽优化模型;

(2) 面向能源托管商业模式,设置楼宇能量枢纽0-1状态变量描述设备配置及其运行状况,以楼宇能量枢纽经济性为优化目标求解全局最优的配置结果;

(3)重点探讨了电网购电与分布式发电互补、燃气发电余热供热与热泵制热互补优化的作用,分析能源要素价格、峰谷电价差和燃机热电比的影响。

摘要

楼宇用能是城市能耗的重要组成部分。基于楼宇室内人体在各个季节的舒适体感温度,建立建筑和能量枢纽优化模型,据此计算维持楼宇最佳体感温度所需的冷热负荷,并基于外部能源要素价格、内部功率平衡等约束条件,面向用能托管的商业模式,提出楼宇冷热电气能量转换和存储设备的优化配置方法,以实现楼宇能量枢纽综合经济成本最优,并通过实际算例进行了验证。结果表明,充分发挥各类能量转换设备的互补特性,对于降低能量枢纽的综合成本起着关键作用。燃气内燃机满足电、热基荷,电网购电和热泵予以补充的方式具有较高的经济性。气价、峰谷电价差和燃气机热电比是影响整体经济性的重要因素。

主要内容

能量枢纽拓扑如图1所示,由输入端、输出端和能源网络3部分组成。输入端包括电网购电、光伏、风能、天然气与热网等不同形式能源的输入;输出端包括用户热负荷、冷负荷、向电网售电与电负荷等输出;能源网络包含各种能源转换、存储和传输管网设备。

图1 能源枢纽网络结构

根据Fanger研究成果制定的用户温度舒适度评价指标PMV(predicted mean vote),室内温度弹性约束区间如图2所示,可据此确定楼宇空气温度调节的冷热负荷。


图2 满足人体舒适度的各季节室内温度

以各设备安装容量为决策变量,以运行状态为约束条件,使能量枢纽年运行费用最小的混合整数规划模型。


图3 配置优化模型与约束条件

以西南某一拟建的商住裙楼作为楼宇式的能量枢纽规划对象,从综合成本最优的目标出发,设置以下3个场景进行分析。场景1:仅含三联供机组供能,满足冷热电负荷需求;场景2:三联供机组+储热设备,储热设备用于热负荷需求的削峰填谷;场景3:三联供机组+热泵,热泵用于满足余热锅炉在热负荷峰值期间的不足出力。优化配置结果及成本比较如图4所示。


图4优化配置结果比较

在场景3所列的最优配置方案下,能量枢纽在冬季典型日的电热功率平衡如图5所示。在峰值电价时段燃机运行,不足电量从电网获取;热泵1~24 h实时运行,用于补充燃机余热锅炉不足的热量,将室内温度维持在17℃~19℃之间。


图5 最优配置方案下冬季典型日电热平衡

为探究峰谷电价差对容量配置和年总成本的影响,设定3个新场景讨论分析。场景1无峰谷电价差,场景2峰谷电价差扩大至原来的2倍,场景3维持原有的峰谷电价差不变,优化配置结果图6所示。可见峰谷电价差扩大后,配置储热作为平衡调节设备较为经济,能量枢纽总成本得到降低;而在无峰谷电价差条件下整体成本最高。


图6 峰谷电价差敏感度

能量枢纽应充分发挥各类能源转换设备的互补功能,如燃气发电与电网购电的互补、余热锅炉与热泵的互补等,实现经济性最佳;楼宇型燃机三联供容量的设计不宜按照最大热负荷确定余热锅炉容量再以热定电的原则确定,而应以开机运行负载率尽量高、输出电能被楼宇就地消纳不上网为目标;更大的峰谷电价差有利于降低总运行成本,且在小规模可调节范围内储热比电池储能更具有经济性。


本文引文信息

范成围,陈刚,熊哲浩,等. 考虑室内体感舒适度的城市楼宇型能量枢纽优化配置与定容应用分析[J]. 全球能源互联网,2020,3(3):291-300.


FAN Chengwei, CHEN Gang, XIONG Zhehao, et al. Optimal configuration and capacity settings for urban building energy hub considering indoor somatosensory comfort [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(3): 291-300 (in Chinese).

作者简介

范成围


博士,工程师


研究方向为电力系统规划及安全稳定分析



雷一


博士,高级工程师


研究方向为综合能源规划与运行技术。通信作者

E-mail:

leiyi@tsinghua-eiri.org


研究团队

国网四川电力公司电力科学硏究院建有2个国网公司实验室,3个四川省重点实验室和33个院实验室,并建有国网四川省电力公司院士工作站、博士后工作站及研究生工作站,已经形成了许多独具特色、在国内外有较大影响的科研成果。

清华四川能源互联网研究院能源互联网规划与运行研究室致力于综合能源系统规划、中低压直流配电、配网优化运行等领域的研究。近3年来承担国家自然科学基金项目1项,参与国家重点研发计划项目2项,承担各类横向课题10余项。

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编辑:张宇

审核:白恺