一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法技术

一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，包括上层配置优化模块和下层运行优化模块两部分；上层为配置优化，下层为运行优化，从建筑能源系统在不同场景条件下的经济性、社会性和环境性的角度进行能源自给自足水平分析，利用双层优化算法搜索多目标优化模型的Pareto前沿解，并基于系统年电、冷、热负荷信息与设备的运行及维护成本信息，通过综合考虑一天内负荷的需求、光照强度、能源价格数据，以系统运行成本最低为目标，得到日运行维护费最小时的系统设备的具体出力情况；该方法适用于多种场景的建筑能源系统，简单且容易实现。简单且容易实现。简单且容易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法


[0001]本专利技术属于光伏建筑领域，尤其是一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法。

技术介绍

[0002]在国家能源转型、推进“碳达峰、碳中和”目标实现的进程中，大规模高效开发和利用可再生能源已成为社会共识。推动分布式光伏发电、分散式风电和氢能等清洁能源发电与建筑的结合，是实现能源供应“清洁替代”、能源消费“电能替代”的有效途径，可以提高一次能源利用率，大幅减少碳排放。利用清洁能源实现建筑零能耗是满足政策要求和实现清洁发展的关键途径。
[0003]评价零能耗建筑有两个指标：一是清洁能源发电量能否大于建筑用电量，实现电力自给自足；二是能源供应系统能否实现建筑内能量的相互补给和转换，如热电转换。
[0004]目前，关于光伏建筑的现有技术都是针对特定建筑类型在具体场景配置进行研究，研究范围缺乏普适性和灵活性。建筑类型主要分为单体建筑、社区和综合楼宇几种。对于单体建筑，主要考虑电源端设计与储能设备的要求，对于社区、综合楼宇等综合建筑则需要考虑建筑系统内冷热电能量的相互转换和平衡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于它包括上层配置优化模块和下层运行优化模块两部分；其中，所述上层配置优化模块利用多目标优化方法，分别从经济、环境和能源三个方面确定设备最佳配置状态；所述下层运行优化模块用于对光伏建筑能源系统运行优化，在上层配置优化模块得出设备最佳配置状态的基础上，以日运行成本最小为目标，对光伏建筑能源系统的运行状态进行优化。2.根据权利要求1所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述光伏建筑能源系统是节能建筑系统，它是电
‑
热网络的主要组成部分，由PV面板及PV/TC面板中的一种、电储能装置、热源装置、热储能装置及电网组合而成。3.根据权利要求2所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述PV/T面板是通过层压或胶粘技术将光伏板与集热器结合的一种发电装置，能够同时产生电能和热能，从而提高能源利用率和单位面积的能效，PV/TC面板是在PV/T的基础上改进而来的，不仅可以产生电能、热能，夜间也可以产生冷能；PV/TC面板日间产生的热功率如式(1)
‑
(3)所示：(3)所示：Q
pvt
＝A
pvt
·
K
pvt
·
G
t
‑
Q
loss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，为PV/TC面板在t时段的输出电功率，A
pvt
表示PV/TC面板的使用面积，η
pvt
为PV/TC面板的发电的效率，G
t
表示光强，η
ref
为面板的参考效率，β
ref
为温度常系数，表示PV/TC面板的温度，F
tra
为热转换效率，B
loss
为热损系数，NOCT为PV/TC面板的工作温度，K
pvt
表示吸收热量后的转换系数；PV/TC面板夜间产生的冷却功率如式(4)
‑
(6)所示：Q
pvtc
＝Q
rad
+Q
conv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)Q
conv
＝h
c,mix
A
pvt
(T
pvtc
‑
T
amb
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，Q
rad
为辐射传热量，Q
conv
为对流传热量，h
c,mix
为对流换热系数，计算公式如式(7)
‑
(9)所示：h
c,forced
＝2.8+3U
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)h
c,nat
＝1.78(T
pvtc
‑
T
amb
)
1/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中，h
c,forced
和h
c,nat
是自然和强制对流换热系数，U
w
是风速。4.根据权利要求2所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述热源装置可以是热泵组和集中供热网络中的一种或两种的组合。5.根据权利要求4所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述热泵组由空气源热泵组成；所述空气源热泵运行过程中，空气侧热交换器从空气中吸收低品位能量蒸发制冷剂，制冷剂蒸汽经过压缩机做功后，变成高温高压蒸汽，在水侧热交
换器释放能量对冷水进行加热，冷凝后的制冷剂通过节流装置蒸发成气体，回到空气侧热交换器，如此循环往复；空气源热泵在T时间内的供热量Q
hp
如式(10)所示：其中，性能系数COP可表达为：COP＝η
Lorenz
×
COP
Lorenz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)当热泵处于制热状态时：当热泵处于制冷状态时：其中，η
Lorenz
是作为实际性能系数和Lorenz性能系数之比的Lorenz效率，T
lm
是对数(熵)平均温度，当热泵分别处于制热或者制冷状态时可以通过公式(14)和公式(15)确定。当热泵分别处于制热或者制冷状态时可以通过公式(14)和公式(15)确定。6.根据权利要求2所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述电储能装置是蓄电池；所述蓄电池的运行模型反映了蓄电池在t+1时段和t时段荷能状态之间的关系，如式(16)所示：其中，SOC
bt,t
、SOC
bt,t+1
分别表示在t、t+1时刻电池荷能的使用情况，分别表示在t时刻电池的充、放电的功率；η
bt
为充放电的效率，Cap
bt
指电池安装的容量；7.根据权利要求2所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述热储能装置是储热水箱；所述储热水箱作为常见的热储能设备，其运行模型如式(17)所示：其中，SOC
hs,t+1
和SOC
hs,t
分别表示储热水箱在t+1时段和t时段的荷能状态，与分别表示储热水箱在t时段的充放热功率，η
hs
表示储热水箱的充放热效率，Cap
TES
表示储热水箱的安装容量。8.根据权利要求1所述一种基于双层优化算法的光伏建筑能量分析方法，其特征在于所述光伏建筑能源系统是由智能控制器、PV面板、蓄电池、电网和集中供热网络组成的建筑能源系统配置I，如图1
‑
a所示，其连接关系为常规连接；所述系统配置I是通过实时监测光
伏发电和建筑用电需求，由智能控制器确保光伏发电满足建筑自用需求后的剩余电量存储在蓄电池中，也可以出售给电网，且系统配置I的热量需求由集中热网络提供；所述光伏建筑能源系统是由智能控制器、PV面板、蓄电池、电网、热泵组和集中供热网络组成的建筑能源系统配置II，如图1
‑
b所示，其连接关系为常规连接；所述建筑能源系统配置II与建筑能源系统配置I相比加入了热泵组，使得建筑供热和制冷需求可以由热泵和供热网络共同满足，在这种配置中，PV面板与蓄电池作为电力存储单元与电网共同向建筑供电；光伏建筑中的智能控制器根据楼宇的电/热需求及电池容量，决定电是否买/卖电量给电网；所述光伏建筑能源系统是由智能控制器、PV/TC面板、蓄电池、热储罐、电网、热泵组和集中供热网络组成的建筑能源系统配置III，如图1
‑
c所示，其连接关系为常规连接；所述PV/TC面板是一种特殊类型的电池板，它同时具有发电、供热和制冷多种功能，可提高整体能源效率；建筑能源系统配置III产生的电能和热能在满足建筑的实时需求情况下，可以把多余的热存储在储热罐中，或出售给基于智能监控的电力和热网；所述热储罐用来实现PV/TC面板、集中供热网络和建筑需求之间的制热能源平衡；所述光伏建筑能源系统是由智能控制器、PV/TC面板、蓄电池、热储罐、空气源热泵和集中供热网络组成的建筑能源系统配置IV，如图1
‑
d所示，其连接关系为常规连接；当太阳辐射不足或热储灌空置时，建筑能源系统配置IV利用可逆的空气源热泵提供建筑的空间热制冷需求，产生的电力在满足建筑的需求情况下向储热罐的电线圈充电，产生热能；夜间PV/TC面板产生的冷可以提供建筑的实时冷却需求，多余的冷也可以反馈给冷网络，产生效益。9.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，宋福龙，江明达，陈伯煜，车延博，李洪凤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：