基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化

摘要

本发明公开了基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化，其特征在于包括如下步骤进行调节：步骤1：在热泵系统、冷水机组系统不同整体负荷率下，结合各机组SEER方程，建立最小能耗的各台机组负荷分配策略表；步骤2：建立最小能耗条件下，单一小时内热泵系统、冷水机组系统耗电量与制冷量的函数关系；步骤3：结合蓄能系统的供能成本方程，在不同蓄能量时，建立最小能耗的蓄能功率与蓄能时长策略表；该优化策略可以有效提升供冷热系统的经济性与节能性，更加灵活的调节能量供应，提高能源效率的同时降低运行成本。

说明书

技术领域

本发明涉及供能技术领域，特别涉及基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化。

背景技术

随着区域集中供冷（热）系统在全球的广泛应用及供能技术的日益成熟，为了实现经济与节能的发展目标，系统优化的重心逐渐从技术优化转化为策略优化。合理的运行策略可以有效提升供能系统的经济性与节能性，但目前一些大型区域能源系统的运行策略是基于运行过程中的数据反馈，此方法存在诸多不足。对于供能系统而言，通过监测运行中的各项数据并反馈给工作人员，工作人员再根据经验进行运行策略的制定与调节，不仅难以应对波动的用户负荷，也无法定量分析出最佳的逐时运行策略，从而无法保证各系统的高效运行。

多能源形式互补的供能系统通过不同的供能模块联合供能以满足供能需求，而供能模块一般包括热泵系统模块、天然气三联供系统模块、蓄能系统模块、冷水机组模块、市政热源模块等。一些简单的供冷（热）系统使用了一种同类型多台设备的优化运行策略，该策略认为所有机组没有性能差异。但当同类型机组出现性能差异或多种能源形式耦合供能时，优化模型无法运行。

因此，为了提高供冷（热）系统的经济性及能源效率，并探究多种能源形式相结合的区域能源系统在供能时的策略部署，发明了一种基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统优化策略。该策略不仅适用于单一能源形式的供能系统负荷分配，也适用于多种能源形式耦合的供能系统运行优化，并可为现有供冷热系统运行策略的优化和新建供冷热项目的系统设计提供参考。

发明内容

本发明的目的在于提供基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化，其特征在于包括如下步骤进行调节：

步骤1：在热泵系统、冷水机组系统不同整体负荷率下，结合各机组SEER方程，建立最小能耗的各台机组负荷分配策略表；

步骤2：建立最小能耗条件下，单一小时内热泵系统、冷水机组系统耗电量与制冷量的函数关系；

步骤3：结合蓄能系统的供能成本方程，在不同蓄能量时，建立最小能耗的蓄能功率与蓄能时长策略表；

步骤4：建立最小能耗条件下，蓄能系统运行费用与蓄能量的函数关系；

步骤5：在不同电价时段，建立三联供系统在不同负荷率下的运行费用函数；

步骤6：确定单位冷量供给费用最低（经济效益最优）时的三联供系统运行负荷率；

步骤7：结合分时电价，考虑约束条件（逐时用户负荷、逐时管网冷损、管网剩余冷量等），以整体经济性最优为目标，建立运行成本目标方程；

步骤8：确定直接供能系统及蓄能系统逐时整体负荷率；

步骤9：结合分配策略表，确定各台机组逐时负荷分配，结合蓄能策略表，确定最佳蓄能功率与蓄能时长；

步骤10：如果实际用户负荷与预测不符，则对管网剩余冷量进行修正，重复步骤7～9，输出当日剩余时间内新的运行策略。

优选的，所述步骤2中包括建立最小能耗条件下，热泵系统耗电量与制冷量的函数关系以及建立最小能耗条件下，双工况冷水机组系统在直接制冷和蓄能工况时耗电量与制冷量的函数关系。

优选的，所述步骤7中包括确定管网冷损以及预测用户负荷。

本发明的技术效果和优点：

本发明的优化策略可以有效提升供冷热系统的经济性与节能性，更加灵活的调节能量供应，提高能源效率的同时降低运行成本，可为现有供冷热系统运行策略的优化和新建供冷热项目的系统设计提供参考。由于优化策略中的分时电价在一定程度上代表了电网所希望的电力调度，通过优化直接供能系统和蓄能系统的逐时负荷分配，在不影响用户舒适性要求的情况下实现负荷的转移，提升系统的经济性的同时可以最大化电力弹性（柔性）。

附图说明

图1为本发明的实施例图（热泵系统不同整体负荷率下的负荷分配）。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述直接供能系统与蓄能系统也仅为本发明所列举的部分供能形式，其余的供能形式也可添加至该优化运行策略。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷热系统策略优化，其特征在于包括如下步骤进行调节：

步骤1：在热泵系统、冷水机组系统不同整体负荷率下，结合各机组SEER方程，建立最小能耗的各台机组负荷分配策略表；

步骤2：建立最小能耗条件下，单一小时内热泵系统、冷水机组系统耗电量与制冷量的函数关系；

步骤3：结合蓄能系统的供能成本方程，在不同蓄能量时，建立最小能耗的蓄能功率与蓄能时长策略表；

步骤4：建立最小能耗条件下，蓄能系统运行费用与蓄能量的函数关系；

步骤5：在不同电价时段，建立三联供系统在不同负荷率下的运行费用函数；

步骤6：确定单位冷量供给费用最低（经济效益最优）时的三联供系统运行负荷率；

步骤7：结合分时电价，考虑约束条件（逐时用户负荷、逐时管网冷损、管网剩余冷量等），以整体经济性最优为目标，建立运行成本目标方程；

步骤8：确定直接供能系统及蓄能系统逐时整体负荷率；

步骤9：结合分配策略表，确定各台机组逐时负荷分配，结合蓄能策略表，确定最佳蓄能功率与蓄能时长；

步骤10：如果实际用户负荷与预测不符，则对管网剩余冷量进行修正，重复步骤7～9，输出当日剩余时间内新的运行策略。

所述步骤2中包括建立最小能耗条件下，热泵系统耗电量与制冷量的函数关系以及建立最小能耗条件下，双工况冷水机组系统在直接制冷和蓄能工况时耗电量与制冷量的函数关系；所述步骤7中包括确定管网冷损以及预测用户负荷。

需要说明的是（以制冷季为例）：热泵系统在制冷或制热时，机组与冷热水泵都消耗电能，因此在研究热泵系统季节能效比时，将机组与冷热水泵作为一个整体。根据实际运行制得的冷量或热量，以及系统消耗的总电量，得到机组综合能效比的值，其计算公式为：

式中，

负荷率是指机组在某一时刻内的有效制冷量与最大制冷量的比值，以百分数表示。在不考略分时电价的条件下，单一小时内每台离心机与螺杆机分配的负荷率，要满足该小时内整个热泵系统所承担的负荷要求

则机组在满足热泵系统所承担的负荷要求时，单一小时内系统的最小耗电量为：

式中，

联立式（2）、（3）与离心机、螺杆机的SEER方程，建立热泵系统在不同整体负荷率下最小能耗的目标方程与约束条件，利用Lingo软件进行计算，可得到单一小时内不同整体负荷率下各台热泵机组的负荷率，从而建立最小能耗目标条件下各台机组的负荷分配策略表，如表1所示。由于不考虑分时电价的影响，各台热泵机组总耗电量最小时的负荷分配策略，也是最经济的运行策略。

如图1中，

将最小能耗目标条件下热泵系统在不同整体负荷率时的总制冷量

区域能源项目中的冷水机组系统一般承担着调节峰值负荷的作用，将其作为蓄能系统的冷源时，应采用双工况冷水机组。类似于热泵系统，可以利用公式（1）分别得到直接制冷工况和蓄能工况时的SEER曲线，同样可以建立最小能耗条件下各台机组的负荷分配策略表。最小能耗条件下单一小时内冷水机组系统的耗电量与制冷量函数关系为：

在不同分时电价

从蓄能开始到供能结束，期间一直存在能量损失，但能量损失值相对较小，可以忽略，因此蓄能系统供能成本为：

式中，

对于蓄能系统的不同蓄能量而言，都存在一个与之匹配的最佳蓄能功率与蓄能时长。根据蓄能系统的最大蓄能量与负荷特征，结合其他子系统的经济效益与能耗，可以分析其最佳蓄能功率与蓄能时长。

在计算蓄能系统供能成本与能耗时，为了更直观的与其它系统的成本与能耗对比，将不同蓄能量下的蓄能成本、能耗与供能时水泵的运行成本、能耗叠加后，均摊至实际供冷量上。如此，可以得到的不同蓄能量下的单位供能成本和供能能耗，在供能时将蓄能系统视为直接供能设备，与其它系统一起整体分析，计算其最经济或者最节能的总供能量。根据求得的最佳供能量，反向确定其最佳蓄能量和蓄能策略。从而在不同蓄能量时，建立最小能耗的蓄能功率与蓄能时长策略表。

由于蓄能和供能分别位于电谷价和电峰价时段，可以建立最小能耗条件下，蓄能系统运行费用与蓄能量的函数关系为：

冷热电三联供，即CCHP(Combined Cooling, Heating and Power)，是指以天然气驱动燃气发电设备运行，产生的电力供给用户使用，发电后排出的余热通过余热回收装置向用户供热、供冷。这种供能方式大大提高了整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。

根据三联供系统的性能曲线，可以计算出不同电价时段及不同负荷率下，三联供机组的运行费用和夏季工况下制冷量。由于三联供系统可以减少从电网购入的电量，则发电量的经济效益等于其他系统运行费用的减少量。则三联供系统逐时运行费用函数为：

式中，

根据三联供系统部分负荷率下的性能参数以及能源价格体系，可以确定单位冷量供给费用最低（经济效益最优）时的三联供系统运行负荷率。

对于三联供系统的能耗，这里采用等效电方法，将1m³天然气等效为7.133kWh电量，则三联供系统耗电量

供能系统的外部主管网不仅承担着输送冷热量的作用，还是重要的蓄能设备。由于管网体积不变，可以将管网作为参考对象。根据能量平衡，满足用户的逐时冷负荷，则要求系统的逐时制冷量与管网内的逐时剩余冷量之和，大于管网的逐时冷损与用户的逐时冷负荷之和，即：

根据能量平衡，管网内的逐时剩余蓄冷量为：

在满足用户负荷的条件下，能源站逐时供冷量的约束关系为：

式中，

当供冷（热）系统以单一的能源形式供能时，其优化运行策略的确定如下所示（以热泵系统为例）：

若热泵系统在一天内的第i时刻整体负荷率为

热泵系统一天的运行成本

式中，

以整体经济性最优为目标求公式（15）的最小值，可将单一热泵系统运行时的目标方程和约束条件写为：

式中，

通过解出约束条件下目标方程的解，则为该日逐时负荷下热泵系统最经济的逐时供冷量。根据逐时供冷量，即热泵系统的整体负荷率，再通过热泵系统负荷分配策略表，确定热泵系统各台机组的逐时负荷率。当按优化策略运行且预测负荷与实际负荷不符时，可通过修改约束条件中的管网剩余冷量，输出当日剩余时间内新的运行策略。

若以多种能源形式耦合供能，根据各系统的运行成本，可以得到能源站各供能系统一天内运行成本的目标方程及约束条件:

式中，

同样通过解出约束条件下目标方程的解，则为该日逐时负荷下直接供能系统的逐时供冷量及蓄能系统的蓄能量。再根据直接供能系统的逐时整体负荷率及蓄能系统的蓄能量，结合分配策略表及蓄能策略表，确定各台机组的逐时负荷分配和蓄能系统的最佳蓄能功率、蓄能时长。当按优化策略运行且预测负荷与实际负荷不符时，可通过修改约束条件中的管网剩余冷量，输出当日剩余时间内新的运行策略。

本发明以经济性最优为目标，以主管网剩余冷量的平衡关系为核心，结合蓄能系统、直接供能系统及能源价格体系，建立了基于能量平衡和各供能单元负荷率的供冷（热）系统运行策略优化模型，从而定量的得出特定约束条件下供冷（热）系统运行的最佳策略。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。所描述直接供能系统与蓄能系统也仅为本发明所列举的部分供能形式，其余的供能形式也可添加至该优化运行策略。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。