一种多能源互补综合系统的优化方法技术方案

本发明专利技术公开了多能源互补综合系统的优化方法，以经济性最优以及二氧化碳排放量最少为约束条件建立新的优化方法，针对整个综合系统的设备组成：原动机、吸收式制冷机、换热设备、燃气锅炉、光伏发电以及地源热泵系统，以传统分供式系统为基准，通过各个系统与终端用户之间的能量平衡，计算二氧化碳减排、环保税节省、可再生能源绿色证书的收益以及高效燃气能源站用能权的交易费用；初步求导得到经济性最优的系统配比区间，再通过二氧化碳排放量最低为约束条件进行校验，最终选取环保性以及经济性最优的系统最佳容量配置。本方法针对多能源互补综合系统的环保性以及高效性，实现系统配置最优化。

【技术实现步骤摘要】
一种多能源互补综合系统的优化方法
本专利技术涉及一种包含天然气、太阳能、地热能的多能源互补系统，尤其涉及一种基于此系统的双约束优化方法。
技术介绍
综合能源系统是包含天然气、太阳能、地热能的多能源互补系统，其特征在于，在冷负荷较热负荷多地区，向地下排放的热量多余从地下吸收的热量，导致土壤热不平衡，而建筑制冷工况下太阳能资源较制热工况下的太阳能资源丰富，利用这一特点正好弥补了土壤热不平衡缺点，使得地源热泵的性能有所保障；在热负荷较冷负荷多的地区，从地下吸收的热量多余向地下排放的热量，导致土壤热不平衡，燃气锅炉可以补充热需求，使地源热泵在夏季排放到地下的热与动机从地下吸收的热量基本均衡，保持地下系统的热平衡。目前该系统各部分的设计往往是独立设计的，综合利用效率很低。目前针对综合系统的评估方法主要是将各个因素或评价指标转换成技术经济指标，接着对综合系统进行优化调度，从而使系统达到合理配置。在环保要求越来越高的趋势下，现有评价指标体系因未考虑污染物排放费用，从而无法全面准确评价综合系统的技术经济性，严重影响了多能源互补系统的设计与推广。
技术实现思路
本专利技术基于现有技术的不足，提供一种显著提高终端用户的能源利用率、减少环境污染以及降低设备投资成本的多能源互补综合系统的优化方法。本专利技术的多能源互补综合系统的优化方法，包括以下步骤：步骤一、首先，分析光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统所在用能区域内消费能源的特性，所述的特性包括建筑功能、负荷种类、负荷大小；然后，通过消费能源的特性预测该用能区域内用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求，预测的用户需求的冷负荷、热负荷和电负荷的大小分别以A、B、C代表；步骤二、设定传统分供式系统的用户冷负荷、热负荷、电负荷分别为所述的A、B、C的标准，并根据传统分供式系统与终端用户之间的能量平衡，计算传统分供式系统的二氧化碳排放费用D和环境税费用E；步骤三、对由光伏发电、地源热泵以及天然气构成的三联供耦合综合系统中的原动机、吸收式制冷机、换热设备、燃气锅炉、光伏发电以及地源热泵系统的容量配置进行优化，具体步骤为：(1)基于经济性最优原则，设定三联供耦合综合系统的发电功率为α，计算光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统中各子系统初投资费用，并计算整个三联供系统的净收益以及污染物排放量，具体过程为：计算三联供耦合综合系统整体的初投资，步骤为：通过吸收式制冷机产生的冷量为λ1(α)，通过换热设备产生的热量为λ2(α)，吸收式制冷机及换热设备的投资为μ1(α)；地源热泵的容量为A-λ1(α)，初投资为μ2(A-λ1(α))；燃气锅炉的容量为B-λ2(α)，初投资为μ3(B-λ2(α))；光伏发电的出力为C-α，初投资为μ4(C-α)；三联供耦合综合系统整体的初投资为：μ(α)＝μ1(α)+μ2(A-λ1(α))+μ3(B-λ2(α))+μ4(C-α)；计算整个三联供耦合综合系统的净收益以及污染物排放量，步骤为：天然气三联供系统的净收益为ρ1(α)，地源热泵净收益为ρ2(α)，燃气锅炉净收益为ρ3(α)，光伏发电系统的净收益为ρ4(α)，净收益＝收入-燃料成本-运维成本；二氧化碳减排收益为ρ5(α)-D，环境税节省收益ρ6(α)-E，可再生能源绿色证书为ρ7(α)，高效燃气能源站用能权的交易费用ρ8(α)；天然气系统的二氧化碳排放量为κ1(α)，燃气锅炉二氧化碳排放量为κ2(α)；系统的总净收益为：ρ(α)＝ρ1(α)+ρ2(α)+ρ3(α)+ρ4(α)+ρ5(α)+ρ6(α)+ρ7(α)+ρ8(α)-D-E；二氧化碳排放量为：κ(α)＝κ1(α)+κ2(α)；(2)设定γ(α)＝ρ(α)/μ(α)，然后对γ(α)进行求导得到γ′(α)，令γ′(α)＝0，得到α1，α2两个数值，并将(α1，α2)作为发电功率α的区间；(3)在区间(α1，α2)内，以κ(α)为目标函数进行优化，选择κ(α)最小时α的取值，并将α代入吸收式制冷机容量、换热设备容量、地源热泵容量、燃气锅炉容量以及光伏发电的出力公式，得到吸收式制冷机容量、换热设备容量、地源热泵容量、燃气锅炉容量以及光伏发电的出力，即为综合能源系统的最优配置。本专利技术的有益效果是：(1)节能效果明显：本专利技术将太阳能和地热能作为天然气三联供系统的补充能源，此时地源热泵可被当作储能系统，将大大提高三联供系统的能源利用效率。(2)技术经济性最优，主要体现在以下两点：a.以传统分供式系统为基准，通过系统与终端用户之间的能量平衡计算各设备二氧化碳减排、环境税节省、可再生能源(光伏发电和地源热泵)绿色证书的收益以及高效燃气能源站用能权的交易费用。综合得到多能源互补系统的环境效益量化值，有助于推动清洁、高效的综合能源系统通过投资运营方的经济论证，显著提高终端用户的能源利用率、减少环境污染以及降低设备投资成本。b.基于经济性与环保性最优的双约束条件，提出系统各设备最佳容量优化方法。初步求导得到系统经济性最优的发电功率区间后，通过二氧化碳排放量目标的约束，最终选取经济性、环保性最优的发电功率，得到一套在经济可行的基础上二氧化碳排放最低的系统配置。附图说明图1为多能源互补综合系统的构成示意图；图2为传统分供式系统的构成示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术加以说明。图2为传统分供式系统的构成。用户电负荷由当地电网供给，通过市政电网输送到用户端；冷负荷由电制冷机制冷满足需求，并且电制冷机所耗电量也由电网供给；锅炉的出气口通过管道输送给用户。多能源互补综合系统结构如附图1所示，本方法创新性的提出将地源热泵代替以往三联供系统中的电制冷机，满足用户部分冷负荷需求，可以大大减少以往三联供系统因电制冷机消耗的一次能源使用量。此外系统利用光伏发电满足用户部分用电需求，减少从当地电网的购电量。地源热泵和光伏发电均可提高可再生能源利用率。本方法的结构为：天然气通过天然气管道与原动机以及燃气锅炉的进气管相连；原动机、光伏发电装置以及电网各自通过管线与用户端相连；原动机的出气管与热回收系统的进气管连通，热回收系统的出气管通过管线分别与吸收式制冷机以及换热设备的进气管连通；燃气锅炉的出气管通过管线分别与换热设备的管程以及吸收式制冷机的管程连通；换热设备、吸收式制冷机以及地源热泵的出口各自通过管道与终端用户连通。本专利技术的多能源互补综合系统的优化方法是针对该改进装置提出的光伏发电-地源热泵-天然气三联供耦合系统的优化，基于经济性和环保性最优(对环境损益均折算成市场价，在整体经济效益一定保障的前提下以二氧化碳排放最少为最优选)，选取系统最佳容量配置。在环保性指标上重点考虑了污染物排放费用、二氧化碳减排、环境税节省、绿色能源证书的收益以及用能权交易费用。通过两大指标的约束优化，得到具有良好技术经济与环保的多能源互补系统。本专利技术的多能源互补综合系统的优化方法，包括以下步骤：步骤一、首先，分析光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统所在用能区域内消费能源的特性，所述的特性包括建筑功能、负荷种类、负荷大小；然后，通过消费能源的特性预测该用能区域内用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求，预测的用户需求的冷负荷、热负荷和电负荷的大小分别以A、B、C代表；步骤二、设定传统分供式系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多能源互补综合系统的优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、首先，分析光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统所在用能区域内消费能源的特性，所述的特性包括建筑功能、负荷种类、负荷大小；然后，通过消费能源的特性预测该用能区域内用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求，预测的用户需求的冷负荷、热负荷和电负荷的大小分别以A、B、C代表；步骤二、设定传统分供式系统的用户冷负荷、热负荷、电负荷分别为所述的A、B、C的标准，并根据传统分供式系统与终端用户之间的能量平衡，计算传统分供式系统的二氧化碳排放费用D和环境税费用E；步骤三、对由光伏发电、地源热泵以及天然气构成的三联供耦合综合系统中的原动机、吸收式制冷机、换热设备、燃气锅炉、光伏发电以及地源热泵系统的容量配置进行优化，具体步骤为：(1)基于经济性最优原则，设定三联供耦合综合系统的发电功率为α，计算光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统中各子系统初投资费用，并计算整个三联供系统的净收益以及污染物排放量，具体过程为：计算三联供耦合综合系统整体的初投资，步骤为：通过吸收式制冷机产生的冷量为λ1(α)，通过换热设备产生的热量为λ2(α)，吸收式制冷机及换热设备的投资为μ1(α)；地源热泵的容量为A‑λ1(α)，初投资为μ2(A‑λ1(α))；燃气锅炉的容量为B‑λ2(α)，初投资为μ3(B‑λ2(α))；光伏发电的出力为C‑α，初投资为μ4(C‑α)；三联供耦合综合系统整体的初投资为：μ(α)＝μ1(α)+μ2(A‑λ1(α))+μ3(B‑λ2(α))+μ4(C‑α)；计算整个三联供耦合综合系统的净收益以及污染物排放量，步骤为：天然气三联供系统的净收益为ρ1(α)，地源热泵净收益为ρ2(α)，燃气锅炉净收益为ρ3(α)，光伏发电系统的净收益为ρ4(α)，净收益＝收入‑燃料成本‑运维成本；二氧化碳减排收益为ρ5(α)‑D，环境税节省收益ρ6(α)‑E，可再生能源绿色证书为ρ7(α)，高效燃气能源站用能权的交易费用ρ8(α)；天然气系统的二氧化碳排放量为κ1(α)，燃气锅炉二氧化碳排放量为κ2(α)；系统的总净收益为：ρ(α)＝ρ1(α)+ρ2(α)+ρ3(α)+ρ4(α)+ρ5(α)+ρ6(α)+ρ7(α)+ρ8(α)‑D‑E；二氧化碳排放量为：κ(α)＝κ1(α)+κ2(α)；(2)设定γ(α)＝ρ(α)/μ(α)，然后对γ(α)进行求导得到γ′(α)，令γ′(α)＝0，得到α1，α2两个数值，并将(α1，α2)作为发电功率α的区间；(3)在区间(α1，α2)内，以κ(α)为目标函数进行优化，选择κ(α)最小时α的取值，并将α代入吸收式制冷机容量、换热设备容量、地源热泵容量、燃气锅炉容量以及光伏发电的出力公式，得到吸收式制冷机容量、换热设备容量、地源热泵容量、燃气锅炉容量以及光伏发电的出力，即为综合能源系统的最优配置。...

【技术特征摘要】
1.多能源互补综合系统的优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、首先，分析光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统所在用能区域内消费能源的特性，所述的特性包括建筑功能、负荷种类、负荷大小；然后，通过消费能源的特性预测该用能区域内用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求，预测的用户需求的冷负荷、热负荷和电负荷的大小分别以A、B、C代表；步骤二、设定传统分供式系统的用户冷负荷、热负荷、电负荷分别为所述的A、B、C的标准，并根据传统分供式系统与终端用户之间的能量平衡，计算传统分供式系统的二氧化碳排放费用D和环境税费用E；步骤三、对由光伏发电、地源热泵以及天然气构成的三联供耦合综合系统中的原动机、吸收式制冷机、换热设备、燃气锅炉、光伏发电以及地源热泵系统的容量配置进行优化，具体步骤为：(1)基于经济性最优原则，设定三联供耦合综合系统的发电功率为α，计算光伏发电、地源热泵以及天然气三联供耦合综合系统中各子系统初投资费用，并计算整个三联供系统的净收益以及污染物排放量，具体过程为：计算三联供耦合综合系统整体的初投资，步骤为：通过吸收式制冷机产生的冷量为λ1(α)，通过换热设备产生的热量为λ2(α)，吸收式制冷机及换热设备的投资为μ1(α)；地源热泵的容量为A-λ1(α)，初投资为μ2(A-λ1(α))；燃气锅炉的容量为B-λ2(α)，初投资为μ3(B-λ2(α))；光伏发电的出力为C-α，初投资为μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜蓓蓓，王宇，陈冠益，陶俊宇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12