CN109376912A - 基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，包括：步骤1)基于热力学定律建立民用建筑物热惯性模型，包含蓄热特性和蓄冷特性模型；步骤2)建立冷热电联供系统运行优化模型，以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑设备运行约束、网络约束、室温舒适性约束和供回水温度约束，建立优化模型；步骤3)求解运行优化模型，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度等，实现系统的统一调度和优化运行，本发明考虑了建筑物的蓄冷蓄热特性，充分发挥其在削峰填谷、负荷转移方面的作用，利用其在低电价时蓄热/蓄冷，高电价时放热/放冷，从而有效提升系统运行的经济性和灵活性。
Description
所属领域
本发明属于综合能源系统运行优化技术领域，具体涉及一种基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法。
背景技术
能源危机和环境污染是制约人类发展的两大难题，降低能耗、减少环境污染、实现可持续发展的观念深入人心，冷热电联供(Combined Cooling Heating and Power,CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用基础上的综合产、用能分布式系统。系统安装于终端用户附近，可利用天然气、生物质等一次能源驱动多种联产设备发电，再通过余热利用装置对余热进行回收利用，从而实现同时向用户提供电力、制冷、采暖、生活热水等。CCHP系统由于实现了能量的综合梯级利用以及面向用户需求就地生产和利用，具有更高的能源利用效率、更好的环保性能以及更灵活的运行方式，在世界范围内受到广泛的重视。
对于耦合冷热电气等多种能量流系统，供热子系统的蓄热特性在促进整个系统的可再生能源消纳，提升系统运行的灵活性和经济性方面潜力巨大。除了蓄热罐、蓄热槽等主动储热装置外，以区域热网的热惯性和建筑物的蓄热特性为代表的被动式储热装置由于容量大、成本低而受到广泛关注。虽然针对大规模热电联产系统中的建筑物蓄热特性已有一定研究，但是在可再生能源渗透率越来越高的背景下，如何利用建筑物蓄热特性来促进可再生能源消纳，使得CCHP系统灵活经济运行，尚属空白，缺乏深入研究。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，基于热力学定律建立建筑物的蓄冷蓄热特性模型，充分发挥其在削峰填谷、负荷转移方面的作用，利用其在低电价时蓄冷/蓄热，高电价时放冷/放热，从而有效提升系统运行的经济性和灵活性。同时以系统经济性最优为目标，结合设备约束、电功率平衡约束和建筑物室温约束等多方面运行约束条件，建立CCHP系统运行优化模型，确定系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度等，实现系统的统一调度和优化运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，包括以下步骤：
S1，根据建筑物参数，建立民用建筑物热惯性模型，所述模型分别包括蓄热特性模型和蓄冷特性模型；
S2，建立冷热电联供系统运行优化模型，以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑设备运行约束、网络约束、室温舒适性约束和供回水温度约束，建立优化模型；
S3，求解运行优化模型，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度，实现系统的统一调度和优化运行。
作为本发明的一种改进，所述步骤S1中蓄热特性模型的核心在于建立室内温度随供水温度和室外环境温度的实时变化关系，蓄热特性模型中的室内温度与围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率相关，所述蓄热特性模型为：
其中，Tair为室内空气的温度；n为调度的时间间隔数，取值为整数；Δt为调度时间间隔；Ti in为第i个调度时间间隔内热网的供水温度；Ti air,ex为第i个调度时间间隔内室外环境的温度；Tair,0为零时刻室内空气的温度；α为散热器和热媒中的不变量系数；α1为围护结构传热耗热功率和冷风渗透耗热功率中的不变量系数；α2为冷风侵入耗热功率和通风耗热功率的不变量系数；α3为室内空气的不变量系数；e为自然对数的底数；
所述蓄冷特性模型的核心在于建立室内温度随空调制冷功率和室外环境温度的实时变化关系，蓄冷特性模型中的室内温度与空调提供的制冷功率、空调新风负荷、围护结构传热引起的冷负荷、透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷、室内热源散热引起的冷负荷相关，所述蓄冷特性模型为：
其中，Qc为空调提供的制冷功率；β1为围护结构传热引起冷负荷的不变量系数；β2为透过玻璃窗的日射得热引起冷负荷的不变量系数；β3为室内热源散热引起冷负荷的不变量系数；β4～β6为空调新风负荷的不变量系数。
作为本发明的一种改进，所述散热器的散热功率Qin在热水-空气散热器对流供暖系统中为：
Qin＝KradFradβ(Tav-Tair)
其中：Krad为散热器的传热系数；Frad为散热器的散热面积；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数；Tav为散热器内热媒的平均温度；
对于双管热水供暖系统，各组换热器并联连接，散热器内热媒平均温度为
其中：Tin为散热器的进水温度，℃；Tout为散热器的出水温度，℃。
所述散热器的散热功率在双管热水供暖系统中为：
Qin＝cwmw(Tin-Tout)
其中：cw为热水的比热容；mw为热水的质量流量；
所述散热器的散热功率可由热网供水温度和建筑物室内温度唯一确定。
作为本发明的一种改进，所述围护结构传热耗热功率为
其中：xh为房高附加率；Kenv为建筑物围护结构的传热系数；Fenv为建筑物正对的散热面积；γ为温差修正系数；xo为朝向修正率；xw为风力附加率；
所述冷风渗透耗热功率为：
其中：为室外空气的定压比热容；ρair,ex为室外空气的密度；Linfil为渗透的冷风量；
所述冷风侵入耗热功率为：
其中：N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门引起的围护结构传热耗热量；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值；
所述通风耗热功率为：
其中：Lven为建筑物所需的通风量；
所述蓄热特性模型中的建筑物室内温度满足如下热传导方程：
式中：Qin为散热器的散热功率；cair为室内空气的比热容；ρair为室内空气的密度；Vair为室内空气的体积；t为时间变量。
定义不变量系数α、α1～α3：
上述热传导方程可进一步表示为：
作为本发明的另一种改进，所述围护结构传热引起的冷负荷为：
其中：分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热系数；F1 ex、F2 ex分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热面积；
所述透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷为：
其中：Ca为有效面积系数；Cz为窗玻璃的综合遮挡系数；为日射得热因数的最大值；为窗玻璃冷负荷系数；
所述室内热源散热引起的冷负荷为：
其中：F3为空调区面积；qe为电气设备的功率密度；为照明散热冷负荷系数；Plamp为照明灯具所需电功率；为人体显热散热冷负荷系数；qs、ql分别为不同室温和劳动性质成年男子显热、潜热散热量；np为室内全部人数；Φ为群集系数；
空调的新风负荷为：
其中：mnew为新风量；iex、iin分别为室外、室内空气焓值，可由下式计算：
其中：dex、din分别为室内、室外空气的含湿量；
所述蓄冷特性模型中的建筑物室内温度满足如下热传导方程：
其中：Qc为空调提供的制冷功率；
定义不变量系数：β1～β6：
上述热传导方程可进一步表示为：
作为本发明的又一种改进，步骤S2建立冷热电联供系统运行优化模型进一步包括：
S21，建立以系统日运行费用最低为目标函数，所述系统日运行费用Ctotal至少包括购买天然气费用Cgas、从电网购电费用Celec和运行维护费用Com，即
min Ctotal＝Cgas+Celec+Com；
S22，建立运行优化模型的约束条件，所述约束条件至少包括设备约束和建筑物室温约束。
作为本发明的又一种改进，所述步骤S21目标函数中
其中：P和Q分别为设备的输出电功率和输出热功率；ηloss为设备的损耗系数；pgas和分别为天然气价格和分时电价；Pt Grid为从电网购电功率；Sgas、Selec和Sheat分别为用气设备、供电子系统和供热子系统中设备的集合；和分别为供电、供热子系统中设备所对应的运行维护费用系数。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤S22中的设备约束包括供热设备的供回水温度约束、设备的出力上下限和爬坡约束，所述供热设备的供回水温度约束为：
其中：Tin,k和Tout,k分别表示供热设备的供水温度和回水温度；
所述设备的出力上下限和爬坡约束为：
其中：下标min和max分别表示设备出力的下限和上限；上标ramp表示设备的爬坡功率。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤S22中建筑物温度约束为：
其中：Tair,h、Tair,c分别为供暖、制冷时的室温。
作为本发明的更进一步改进，为了保证一天内供热量与需热量平衡，固定一天内的室温平均值：
其中：分别为供暖、制冷时的室温平均值。
与现有技术相比，本发明专利提出了一种基于民用建筑物的冷热电联供系统运行优化方法，首先基于热力学定律分别建立民用建筑物蓄冷特性模型和蓄热特性模型，使得优化方式既适用于冬季热水供暖系统的运行优化，也适用于夏季空调制冷系统的运行优化。现有的建筑物蓄热特性模型只能确定热源热功率出力和室内温度之间的关系，而本发明所提出的建筑物蓄热特性模型能够直接确定热网供水温度和室内温度之间的关系，因而便于对热源出力和热网运行状态进行直接分析控制。
其次，本发明以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑室温舒适性约束和供回水温度约束，建立冷热电联供系统运行优化模型。该优化模型为混合整数线性规划问题，可以调用成熟的求解器(如CPLEX)进行求解，由此可以确定系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度等，实现系统的统一调度和优化运行。与现有运行方法相比，本发明考虑了建筑物的蓄冷蓄热特性，充分发挥其在削峰填谷、负荷转移方面的作用，利用其在低电价时蓄热/蓄冷，高电价时放热/放冷，从而有效提升系统运行的经济性和灵活性。
此外，本发明所建立的建筑物蓄冷蓄热特性模型虽然仅以民用建筑为例，但是由于较为全面地考虑了建筑物的冷负荷构成(主要包括围护结构传热引起的冷负荷、透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷、室内热源散热引起的冷负荷和空调的新风负荷)和热负荷构成(主要包括围护结构耗热、冷风渗透耗热、冷风侵入耗热和通风耗热)，可以方便地推广到商业、工业和办公建筑物的蓄冷蓄热特性建模，适用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明实施方法的流程图。
图2是本发明实施例中的系统结构图。
图3是本发明实施例中的运行优化模型结构图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，根据建筑物参数，建立民用建筑物热惯性模型，所述模型包括两部分，一是由供水温度和室外环境温度实时确定室内温度的建筑物蓄热特性模型，适用于冬季热水供暖系统的运行优化；二是由空调制冷功率和室外环境温度实时确定室内温度的建筑物蓄冷特性模型，适用于夏季空调制冷系统的运行优化；
(1)建立建筑物蓄热特性模型：
建筑物的蓄热特性是指其围护结构具有一定热阻，导致室内温度随室外环境温度的变化较为缓慢，呈现出一种“惯性”特征。对于民用采暖建筑，由于居民感受到的舒适性与室内温度密切相关，因而室内温度通常会被限制在一定范围内，我国一般为18～26℃。这一温度范围为建筑物蓄存热量提供了一定空间。由于用户侧采暖建筑数量众多，集聚而成的热惯性和蓄热量在平抑电热耦合系统中新能源出力波动和增加新能源消纳方面具有巨大潜力，这也是本发明所做研究工作的基本出发点之一。
建筑物蓄热特性模型的核心在于建立室内温度随供水温度和室外环境温度的变化关系，一旦确定供水温度和室外环境温度，室内温度便可由该模型实时计算得到，同时也便于监测室内温度是否越限，确保供暖系统安全可靠运行。建筑物室内温度满足如下热传导方程：
式中：Qin为进入建筑物的热功率，即散热器的散热功率；和分别为建筑物的围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率，kW；cair为室内空气的比热容，kJ/(kg·℃)；ρair为室内空气的密度，kg/m3；Vair为室内空气的体积，m3；t为时间变量；Tair,0为零时刻室内空气的温度。
由于热水-空气散热器对流供暖系统是我国应用最为广泛的民用采暖系统，因此以该种换热器为例建立相应模型。供暖散热器内表面侧是热水，外表面侧是室内空气，室内空气能够获得的散热功率为：
Qin＝KradFradβ(Tav-Tair)
式中：Qin为散热器进入房间的散热功率，kW；Krad为散热器的传热系数，kW/(m2·℃)；Frad为散热器的散热面积，m2；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数，无量纲；Tav为散热器内热媒的平均温度，℃；Tair为供暖室内温度，℃。
对于双管热水供暖系统，各组换热器并联接，散热器内热媒平均温度为：
式中：Tin为散热器的进水温度，℃；Tout为散热器的出水温度，℃。
此外，散热功率还应满足下式约束：
Qin＝cwmw(Tin-Tout)
式中：cw为热水的比热容，kJ/(kg·℃)；mw为热水的质量流量，kg/s。此式可进一步求出回水温度。
由上式可得散热功率与供水温度和室内温度的关系：
即散热器的散热功率可由热网供水温度和建筑物室内温度唯一确定。
所述围护结构的传热耗热功率又称基本耗热功率，是指通过室内空气通过建筑物的围护结构与外界发生热传导而产生的耗热功率，所述围护结构的传热耗热功率为：
式中：xh为房高附加率；Kenv为建筑物围护结构的传热系数，kW/(m2·℃)；Fenv为建筑物正对的散热面积，m2；γ为温差修正系数；xo为朝向修正率；xw为风力附加率；Tair,ex为室外环境的温度，℃。
所述冷风渗透耗热功率是指冷空气由关闭着的门、窗缝隙渗透至房间内所造成的耗热功率，具体为：
式中：为室外空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)；ρair,ex为室外空气的密度，kg/m3；Linfil为渗透的冷风量，m3/s。
所述冷风侵入耗热功率是指冷空气由开启的外门侵入室内所产生的耗热功率，具体为：
式中：N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门引起的围护结构传热耗热量，kW；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值。
所述通风耗热量是指加热建筑物内通风量所产生的耗热量，可由下式计算：
式中：Lven为建筑物所需的通风量，m3/s。
为了简化表示，引入系数α、α1、α2和α3来表示上述公式中的不变量，各系数的计算公式为：
将各物理量的表达式代入化简可得：
由于供水温度Tin和室外环境温度Tair,ex无法解析地表示，因此上式所描述的微分方程没有解析解，但是可以求得其数值解为：
通过梯形公式将上式离散化得到更为实用的离散解，即由供水温度和室外环境温度实时确定房间温度的完整建筑物蓄热特性模型：
(2)建立建筑物蓄冷特性模型：
建筑物蓄冷特性与蓄热特性类似，室内温度满足式下述热传导方程：
式中：Qc为空调提供的制冷功率，kW；为空调新风负荷，kW；为围护结构传热引起的冷负荷，kW；为透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷，kW；为室内热源散热引起的冷负荷，kW。
所述围护结构传热引起的冷负荷主要包括两个方面：一是外墙和屋面传热引起的冷负荷；二是外玻璃窗传热引起的冷负荷，可由下式计算：
式中：分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热系数，kW/(m2·℃)；F1 ex、F2 ex分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热面积，m2。
所述透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷计算：
式中：Ca为有效面积系数，无量纲；Cz为窗玻璃的综合遮挡系数，无量纲；为日射得热因数的最大值，kW/m2；为窗玻璃冷负荷系数，无量纲。
所述室内热源散热引起的冷负荷主要考虑办公及电子设备散热、照明设备散热和人体散热引起的冷负荷，计算为：
式中：F3为空调区面积，m2；qe为电气设备的功率密度，kW/m2；为照明散热冷负荷系数，无量纲；Plamp为照明灯具所需电功率，kW；为人体显热散热冷负荷系数，无量纲；qs、ql分别为不同室温和劳动性质成年男子显热、潜热散热量，kW；np为室内全部人数；Φ为群集系数，无量纲。
所述空调的新风负荷可计算为：
式中：mnew为新风量，kg/s；iex、iin分别为室外、室内空气焓值，kJ/kg，
所述室外、室内空气焓值分别计算为：
式中：dex、din分别为室内、室外空气的含湿量，g/kg干空气。
同样为了简化表示，引入系数β1～β6来表示上述公式中的不变量，各系数的计算公式如下式：
将各物理量的表达式代入化简可得：
同样由于空调制冷功率Qin和室外环境温度Tair,ex无法解析地表示，因此上式所描述的微分方程没有解析解，但是可以求得其数值解为：
通过梯形公式离散化得到更为实用的离散解，即由空调制冷功率和室外环境温度实时确定房间温度的完整建筑物蓄冷特性模型：
S2，建立冷热电联供系统运行优化模型，以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑设备运行约束、网络约束、室温舒适性约束和供回水温度约束建立优化模型；
S21，建立以系统日运行费用最低为目标函数，所述系统日运行费用Ctotal至少包括购买天然气费用Cgas、从电网购电费用Celec和运行维护费用Com，即
min Ctotal＝Cgas+Celec+Com
目标函数中天然气费用Cgas、从电网购电费用Celec和运行维护费用Com如下式:
其中：P和Q分别为设备的输出电功率和输出热功率；ηloss为设备的损耗系数；pgas和分别为天然气价格和分时电价；Pt Grid为从电网购电功率；Sgas、Selec和Sheat分别为用气设备、供电子系统和供热子系统中设备的集合；和分别为供电、供热子系统中设备所对应的运行维护费用系数；Δt为调度时间间隔。
S22，建立运行优化模型的约束条件，所述约束条件可以分为三类：包括设备约束、电功率平衡约束和建筑物温度约束。
其中，设备的出力上下限和爬坡约束表示为：
式中：下标min和max分别表示出力的下限和上限；上标ramp表示设备的爬坡功率。
供热设备的供回水温度也应该被约束在一个可行的范围内，可由下式表示：
式中：Tin,k和Tout,k分别表示供热设备的供水温度和回水温度，℃。由于分布式冷热电联供系统通常规模较小，供热半径不足五百米，本文不考虑热网的传输延时和损耗特性。
电功率平衡约束与系统具体的配置有关，根据实际情况取值。由于居民对于供暖、制冷舒适性的要求，建筑物内室温应被限制在一定范围内变化：
式中：Tair,h、Tair,c分别为供暖、制冷时的室温，℃。
同时为了避免优化模型在供暖时尽量压低室温(供冷时尽量抬高室温)以减小运行成本，固定一天内的室温平均值：
式中：分别为供暖、制冷时的室温平均值，一般取
S3，至此，根据建立的目标函数以及设定的约束条件，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度，求解模型，输出系统最优运行状态，实现冷热电联供系统的统一调度和优化运行。
实施例2
一种基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，系统结构如图2所示，以冬季典型日为例，由于没有冷负荷需求，略去了制冷子系统中的设备。系统由大电网、燃气轮机、余热回收装置、热泵、蓄电池、风机和换热器组成，各设备的具体参数见表1。
表1设备参数
该系统中，燃气轮机和余热回收装置实现热电联产，电功率缺额由电网、风机和储能设备补偿，热功率缺额由热泵补偿。系统与电网相连，从电网购电但不向电网售电，系统同时向电、热两种负荷提供能量需求，分时电价、天然气价格及各负荷与风机出力和室外温度的预测值如下表2。
表2各负荷、风机出力预测值、室外温度预测值以及分时电价和天然气价格表
以民用采暖建筑作为研究对象，着重研究其蓄热特性。采暖系统为双管式热水供暖系统，热水连接散热器的供水立管或水平供水管，平行地分配给多组散热器，并在各组散热器中同时冷却，冷却后的回水从每组散热器，直接沿回水立管或水平回水管回到热源。考虑散热器模型：
由于热水-空气散热器对流供暖系统是我国应用最为广泛的民用采暖系统，因此以该种换热器为例建立相应模型。供暖散热器内表面侧是热水，外表面侧是室内空气，室内空气能够获得的散热功率为：
Qin＝KradFradβ(Tav-Tair) 式(1)
式中：Qin为散热器进入房间的散热功率，kW；Krad为散热器的传热系数，kW/(m2·℃)；Frad为散热器的散热面积，m2；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数，无量纲；Tav为散热器内热媒的平均温度，℃；Tair为供暖室内温度，℃。
对于双管热水供暖系统，各组换热器并联接，散热器内热媒平均温度可由式(2)确定：
式中：Tin为散热器的进水温度，℃；Tout为散热器的出水温度，℃。
此外，散热功率还应满足式(3)约束：
Qin＝cwmw(Tin-Tout) 式(3)
式中：cw为热水的比热容，kJ/(kg·℃)；mw为热水的质量流量，kg/s。
由式(1)至(3)可得散热功率与供水温度和室内温度的关系：
式(4)表明散热器的散热功率可由热网供水温度和建筑物室内温度唯一确定，回水温度可由式(3)进一步求得。
S1，建立民用建筑物蓄蓄热特性模型：
建筑物的蓄热特性是指其围护结构具有一定热阻，导致室内温度随室外环境温度的变化较为缓慢，呈现出一种“惯性”特征。另一方面，对于民用采暖建筑，由于居民感受到的舒适性与室内温度密切相关，因而室内温度通常会被限制在一定范围内，我国一般为18～26℃。这一温度范围为建筑物蓄存热量提供了一定空间。由于用户侧采暖建筑数量众多，集聚而成的热惯性和蓄热量在平抑电热耦合系统中新能源出力波动和增加新能源消纳方面具有巨大潜力，这也是本发明所做研究工作的基本出发点之一。
建筑物蓄热特性模型的核心在于建立室内温度随供水温度和室外环境温度的变化关系，一旦确定供水温度和室外环境温度，室内温度便可由该模型实时计算得到，同时也便于监测室内温度是否越限，确保供暖系统安全可靠运行。建筑物室内温度满足如下热传导方程：
式中：Qin为进入建筑物的热功率，即散热器的散热功率，可由式(4)计算； 和分别为建筑物的围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率，kW。cair为室内空气的比热容，kJ/(kg·℃)；ρair为室内空气的密度，kg/m3；Vair为室内空气的体积，m3；t为时间变量；Tair,0为零时刻室内空气的温度。
围护结构的传热耗热功率又称基本耗热功率，是指通过室内空气通过建筑物的围护结构与外界发生热传导而产生的耗热功率，可由式(6)计算：
式中：xh为房高附加率；Kenv为建筑物围护结构的传热系数，kW/(m2·℃)；Fenv为建筑物正对的散热面积，m2；γ为温差修正系数；xo为朝向修正率；xw为风力附加率；Tair,ex为室外环境的温度，℃。
冷风渗透耗热功率是指冷空气由关闭着的门、窗缝隙渗透至房间内所造成的耗热功率，可由式(7)计算：
式中：为室外空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)；ρair,ex为室外空气的密度，kg/m3；Linfil为渗透的冷风量，m3/s。
冷风侵入耗热功率是指冷空气由开启的外门侵入室内所产生的耗热功率，可由式(8)计算：
式中：N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门引起的围护结构传热耗热量，kW；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值。
通风耗热量是指加热建筑物内通风量所产生的耗热量，可由式(9)计算：
式中：Lven为建筑物所需的通风量，m3/s。
为了简化表示，引入系数α、α1、α2和α3来表示上述公式中的不变量，各系数的计算公式见式(10)：
将各物理量的表达式代入式(5)化简可得：
由于供水温度Tin和室外环境温度Tair,ex无法解析地表示，因此式(11)所描述的微分方程没有解析解，但是可以求得其数值解为：
通过梯形公式将式(12)离散化得到更为实用的离散解：
由此得到了由供水温度和室外环境温度实时确定房间温度的完整建筑物蓄热特性模型。
根据吉林市某实际供暖建筑参数取α＝6，α1＝8.6162，α2＝0.7302，α3＝32795，Tair,0＝22℃，带入式(13)可得：
S2，建立冷热电联供系统运行优化模型
S21，建立目标函数：
调度中心的目标是使得整个系统的日运行费用最小，主要包括购买天然气费用、从电网购电费用和运行维护费用，如公式(15)所示：
min Ctotal＝Cgas+Celec+Com 式(14)
其中，购气费用Cgas、购电费用Celec和运行维护费用Com可分别由公式(16)计算：
式中：Pt GT和Qt WH分别为燃气轮机和余热回收装置t时刻的输出电功率和输出热功率；ηloss为设备的损耗系数；pgas和分别为天然气价格和分时电价；Pt Grid、Pt WT、Pt HP、Pt ES,c和Pt ES,disc为从电网购电功率、风机输出功率、热泵输出功率、蓄电池组的充电功率和放电功率；和分别为燃气轮机、风机、热泵和蓄电池组所对应的运行维护费用系数；Δt为调度时间间隔，取1小时。
S22.建立约束条件
运行优化模型的约束条件可以分为三类：设备约束、电功率平衡约束和建筑物温度约束。其中，非储能设备的出力上下限可由式(17)表示：
式中：各功率的单位为kW。
非储能设备的爬坡约束可由式(18)表示：
式中：各功率的单位为kW。
储能设备的蓄/放能功率约束：
式中：PES,c和PES,disc分别表示蓄电池的充、放电功率；各功率的单位为kW。
储能量约束：
10≤WES≤160 式(19)
式中：储能量的单位为：kJ。
蓄/放能过程约束：
式中：WES(t)和WES(t+1)分别表示当前时刻和下一时刻储能设备的储能量。
状态变量约束：
设0-1变量X(1,t)表示t时刻储能设备的蓄能状态，X(1,t)＝1表示设备处于蓄能工作状态，X(1,t)＝0表示设备未处于蓄能工作状态；同样地，设0-1变量X(2,t)表示t时刻储能设备的放能状态。由储能设备的蓄能、放能状态不能同时存在可知：
X(1,t)+X(2,t)≤1 式(21)
此外，供热设备的供回水温度也应该被约束在一个可行的范围内，可由式(23)表示：
式中：Tin,k和Tout,k分别表示供热设备的供水温度和回水温度。由于分布式冷热电联供系统通常规模较小，供热半径不足五百米，不考虑热网的传输延时和损耗特性。
电功率平衡约束可由式(24)表示：
PGrid+PWT+PGT+PES,disc＝PL+PES,c 式(23)
由于居民对于供暖、制冷舒适性的要求，建筑物内室温应被限制在一定范围内变化：
18℃≤Tair,h≤26℃ 式(24)
式中：Tair,h为供暖的室温。
同时为了避免优化模型在供暖时尽量压低室温以减小运行成本，固定一天内的室温平均值：
S3，至此，根据建立的目标函数以及设定的约束条件，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度，求解模型，输出系统最优运行状态，图3为运行优化模型结构图，调度中心通过输入的预测信息、室温约束和系统运行约束进行统一优化，然后将优化运行指令下发到电、热子系统执行，实现冷热电联供系统的统一调度和优化运行。
本发明实施例中，运行优化模型的目标函数和约束条件均为线性，并含有0-1变量，因此为混合整数线性规划问题，可用CPLEX等成熟求解器进行求解，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度等，实现系统的统一调度和优化运行。
综上所述，本发明实施例首先以冬季典型日为例，基于热力学定律建立由供水温度和室外环境温度实时确定室内温度的建筑物蓄热特性模型，适用于冬季热水供暖系统的运行优化；其次建立冷热电联供系统运行优化模型，以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑室温舒适性约束和供回水温度约束，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度等，实现系统的统一调度和优化运行。该运行方法考虑了建筑物的蓄热特性，充分发挥其在削峰填谷、负荷转移方面的作用，利用其在低电价时蓄热，高电价时放热，从而有效提升系统运行的经济性和灵活性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据建筑物参数，建立民用建筑物热惯性模型，所述模型分别包括蓄热特性模型和蓄冷特性模型；
S2，建立冷热电联供系统运行优化模型，以系统日运行费用最低为目标函数，综合考虑设备运行约束、网络约束、室温舒适性约束和供回水温度约束，建立优化模型；
S3，求解运行优化模型，确定冷热电联供系统中各设备的实时出力、热网各节点的实时供回水温度，实现系统的统一调度和优化运行。
2.如权利要求1所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S1中蓄热特性模型的核心在于建立室内温度随热网供水温度和室外环境温度的实时变化关系，蓄热特性模型中的室内温度与围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率相关，所述蓄热特性模型为：
其中，Tair为室内空气的温度；n为调度的时间间隔数，取值为整数；Δt为调度时间间隔；Ti in为第i个调度时间间隔内热网的供水温度；Ti air,ex为第i个调度时间间隔内室外环境的温度；Tair,0为零时刻室内空气的温度；α为散热器和热媒的不变量系数；α1为围护结构传热耗热功率和冷风渗透耗热功率中的不变量系数；α2为冷风侵入耗热功率和通风耗热功率中的不变量系数；α3为室内空气的不变量系数；e为自然对数的底数；
所述蓄冷特性模型的核心在于建立室内温度随空调制冷功率和室外环境温度的实时变化关系，蓄冷特性模型中的室内温度与空调提供的制冷功率、空调新风负荷、围护结构传热引起的冷负荷、透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷、室内热源散热引起的冷负荷相关，所述蓄冷特性模型为：
其中，Qc为空调提供的制冷功率；β1为围护结构传热引起冷负荷的不变量系数；β2为透过玻璃窗的日射得热引起冷负荷的不变量系数；β3为室内热源散热引起冷负荷的不变量系数；β4～β6为空调新风负荷的不变量系数。
3.如权利要求2所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述热水-空气散热器的散热功率Qin为：
Qin＝KradFradβ(Tav-Tair)
其中：Krad为散热器的传热系数；Frad为散热器的散热面积；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数；Tav为散热器内热媒的平均温度；
对于双管热水供暖系统，各组换热器并联连接，散热器内热媒平均温度为
其中：Tin为散热器的进水温度；Tout为散热器的出水温度；
所述散热器的散热功率在双管热水供暖系统中为
Qin＝cwmw(Tin-Tout)
其中：cw为热水的比热容；mw为热水的质量流量；
所述散热器的散热功率可由热网供水温度和建筑物室内温度唯一确定：
所述围护结构传热耗热功率为
其中：xh为房高附加率；Kenv为建筑物围护结构的传热系数；Fenv为建筑物正对的散热面积；γ为温差修正系数；xo为朝向修正率；xw为风力附加率；
所述冷风渗透耗热功率为：
其中：为室外空气的定压比热容；ρair,ex为室外空气的密度；Linfil为渗透的冷风量；
所述冷风侵入耗热功率为：
其中：N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门引起的围护结构传热耗热量；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值；
所述通风耗热功率为：
其中：Lven为建筑物所需的通风量；
所述蓄热特性模型中的建筑物室内温度满足如下热传导方程：
其中：Qin为散热器的散热功率；cair为室内空气的比热容；ρair为室内空气的密度；Vair为室内空气的体积；t为时间变量；
定义不变量系数α、α1～α3：
上述热传导方程可进一步表示为：
4.如权利要求2所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述围护结构传热引起的冷负荷为：
其中：分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热系数；分别为外墙和屋面、外玻璃窗的传热面积；
所述透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷为：
其中：Ca为有效面积系数；Cz为窗玻璃的综合遮挡系数；为日射得热因数的最大值；为窗玻璃冷负荷系数；
所述室内热源散热引起的冷负荷为：
其中：F3为空调区面积；qe为电气设备的功率密度；为照明散热冷负荷系数；Plamp为照明灯具所需电功率；为人体显热散热冷负荷系数；qs、ql分别为不同室温和劳动性质成年男子显热、潜热散热量；np为室内全部人数；Φ为群集系数；
空调的新风负荷为：
其中：mnew为新风量；iex、iin分别为室外、室内空气焓值，可由下式计算：
其中：dex、din分别为室内、室外空气的含湿量；
所述蓄冷特性模型中的建筑物室内温度满足如下热传导方程：
其中：Qc为空调提供的制冷功率；
定义不变量系数：β1～β6：
上述热传导方程可进一步表示为：
5.如上述任一权利要求所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于步骤S2建立冷热电联供系统运行优化模型进一步包括：
S21，建立以系统日运行费用最低为目标函数，所述系统日运行费用Ctotal至少包括购买天然气费用Cgas、从电网购电费用Celec和运行维护费用Com，即
min Ctotal＝Cgas+Celec+Com；
S22，建立运行优化模型的约束条件，所述约束条件至少包括设备约束和建筑物室温约束。
6.如权利要求5所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S21目标函数中
其中：P和Q分别为设备的输出电功率和输出热功率；ηloss为设备的损耗系数；pgas和分别为天然气价格和分时电价；Pt Grid为从电网购电功率；Sgas、Selec和Sheat分别为用气设备、供电子系统和供热子系统中设备的集合；和分别为供电、供热子系统中设备所对应的运行维护费用系数。
7.如权利要求5所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S22中的设备约束包括供热设备的供回水温度约束、设备的出力上下限和爬坡约束，所述供热设备的供回水温度约束为：
其中：Tin,k和Tout,k分别表示供热设备的供水温度和回水温度；
所述设备的出力上下限和爬坡约束为：
其中：下标min和max分别表示设备出力的下限和上限；上标ramp表示设备的爬坡功率。
8.如权利要求5所述的基于民用建筑物热惯性的冷热电联供系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S22中建筑物室温约束为：
其中：Tair,h、Tair,c分别为供暖、制冷时的室温；
同时为了保证一天内供热量与需热量平衡，其特征在于固定一天内的室温平均值：
其中：分别为供暖、制冷时的室温平均值。
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