一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法

1.本发明涉及地热供暖系统优化技术领域，尤其涉及一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法。


背景技术：

2.地热作为清洁低碳、安全高效的绿色能源，具有广阔的应用前景。目前我国地热能开发以直接利用为主，其中水热型地热采暖区域规模化程度加快，至2019年底，北方地区水热型地热采暖面积达2.82亿m2，与2015年相比增长176.5％。
3.我国能源消耗总量巨大且增长迅速，其中公共建筑能耗占比较大。公共建筑作为供暖对象其夜间时段无需或仅有少量采暖负荷，然而水热型地热供暖系统的深井泵受设备工艺影响，一个采暖季内不能频繁启停，导致供暖热源的连续性与公共建筑热负荷的间歇性难以匹配，造成大量能量损失。带储热的地热供暖系统可以充分利用我国的分时电价政策,降低系统额定运行成本，缓解采暖需求与费用高昂之间的矛盾,同时有效利用夜间地热资源，提高地热能利用率。此外，带储热的地热供暖系统还可以实现一定程度的“削峰填谷”作用，减小电网运行压力。
4.已有文献中带储热的地热供暖系统优化大多为针对系统设备容量配置或运行策略的单目标优化，未考虑系统设备容量配置对运行策略优化的影响，同样的，运行策略优化一定程度上也会影响系统设备容量配置，二者的优化是相互依存、密不可分的，单独考虑其中任一皆显得不合理，难以保证系统经济性最优。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提出一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，旨在解决带储热的地热供暖系统设备容量配置与运行策略协同优化设计问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，包括以下步骤：建立基于带储热的地热公共建筑供暖系统的分层架构，所述分层架构包括系统规划层和运行优化层；根据所述系统规划层和所述运行优化层建立上层优化模型和下层优化模型；结合所述上层优化模型和所述下层优化模型构成系统双层优化模型，并采用粒子群算法结合混合整数线性规划方法对所述系统双层优化模型进行求解，得到系统最优设备容量配置及对应运行策略。
8.在一些优选的实施方案中，所述上层优化模型以系统年度总成本最小为目标函数，以所有设备的额定装设容量约束，以及储热装置的最大储/放热功率约束作为约束条件。
9.在一些优选的实施方案中，所述下层优化模型以系统年度运行成本最小为目标函数，以热功率平衡约束、电功率平衡约束、设备运行约束，以及流体网络运行约束作为约束条件。
10.本发明的有益效果为：充分考虑了系统设备容量配置与运行策略之间的相互影响，兼顾了系统投资成本与运行成本的协同优化，可有效提高系统经济性。
附图说明
11.图1为本发明实施例公开的带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法的流程示意图；
12.图2为本发明实施例公开的带储热的地热公共建筑供暖系统的分层架构图；
13.图3为本发明实施例公开的带储热的地热公共建筑供暖系统流程简图；
14.图4为本发明实施例公开的系统双层优化模型的求解流程图。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
16.本实施例提出了一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，系统规划层以系统年度总成本最小为优化目标，结合运行优化层所得的最优运行策略求解系统设备容量配置，输出系统设备容量配置参数至运行优化层；运行优化层模型以系统年度运行成本最小为优化目标，根据系统规划层模型所给定的系统设备容量配置参数，求解系统最优运行策略。通过不断地迭代计算以及粒子更新，充分考虑了系统设备容量配置与运行策略之间的相互影响，兼顾了系统投资成本与运行成本的协同优化，可有效提高系统经济性。
17.如图1所示,包括以下三个步骤：
18.步骤一，建立基于带储热的地热公共建筑供暖系统的分层架构，如图2所示,分层架构包括系统规划层和运行优化层。
19.在步骤一中，系统规划层以供暖系统中所有设备的额定装设容量及储热水箱的最大储/放热功率约束作为约束条件，在本实施例中，额定装设容量主要包括深井泵额定流量、板式换热器额定面积、热泵额定输出功率和储热水箱额定容积。运行优化层是在系统规划层给定的系统设备容量配置参数基础上，以热功率平衡、电功率平衡约束、设备运行约束及流体网络运行约束作为约束条件，在本实施例中，设备运行约束主要包括深井泵、板式换热器、热泵及储热水箱运行约束。
20.步骤二，根据系统规划层和运行优化层建立上层优化模型和下层优化模型；
21.在步骤二中，上层优化模型和下层优化模型的建立需结合实际系统，如图3所示，示意了一个较为常见的带储热的地热公共建筑供暖系统流程简图，地热水作为热源流体经板式换热器换热后作为低温热源进入热泵，供暖侧二次水经板式换热器及热泵升温后向公共建筑供暖；当板式换热器与热泵的输出功率之和大于公共建筑热负荷需求时，多余的热量储存于储热水箱中；当处于尖峰、高峰或平价等高电价时段时，可降低深井泵运行频率亦即降低地热水流量，由储热水箱逐步放热补足建筑热负荷需求，从而达到充分利用谷电、节约运行成本的目的。
22.在步骤二中，上述的上层优化模型以系统年度总成本最小为目标函数，以所有设
备的额定装设容量约束，以及储热水箱的最大储/放热功率约束作为约束条件。
23.上层优化模型的目标函数的表达式如下：
[0024][0025]
式中，分别为系统年度投资成本、系统年度运行成本，以及系统年度维护成本。
[0026]
需要说明的是，对不同式子中的同一参数，只在参数首次出现时对其定义进行描述。
[0027]
系统年度投资成本的表达式如下：
[0028][0029]
式中，crf为投资回收系数；c
pp
、c
hx
、c
hp
及c
tes
分别为深井泵、板式换热器、热泵机组及储热水箱单位投资成本；m
pp,rated
、a
hx,rated
、q
hp,rated
及v
tes,rated
分别为深井泵额定流量、板式换热器额定面积、热泵机组额定输出功率及储热水箱容积。
[0030]
系统年度运行成本的表达式如下：
[0031][0032]
式中，n为调度时刻总数；为t时刻购电电价；c
geo
为地热水资源费单价；与分别为t时刻系统从电网购电功率与地热水流量。
[0033]
系统年度维护成本的表达式如下：
[0034][0035]
式中，ηm为维护成本系数。
[0036]
所有设备的额定装设容量约束包括深井泵额定流量约束、板式换热器额定面积约束、热泵额定输出功率约束，和储热水箱额定容积约束，表达式如下：
[0037][0038]
式中，m
geo,min
和m
geo,max
分别为地热水流量下限及上限，a
hx,min
和a
hx,max
分别为板式换热器面积下限及上限，q
hp,min
和q
hp,max
分别为热泵机组额定电功率下限及上限，v
tes,min
和v
tes,max
分别为储热水箱容积下限及上限。
[0039]
储热水箱的最大储/放热功率约束的表达式如下：
[0040][0041]
式中，q
tes,cha,rated
与q
tes,dis,rated
分别为额定储/放热功率；q
tes,cha,min
与q
tes,cha,max
分别为储热功率的下限与上限；q
tes,dis,min
与q
tes,dis,max
分别为放热功率的下限与上限。
[0042]
下层优化模型以系统年度运行成本最小为目标函数，以热功率平衡约束、电功率
平衡约束、设备运行约束以及流体网络运行约束作为约束条件。
[0043]
下层优化模型的目标函数的表达式如下：
[0044][0045]
式中，n为调度时刻总数；为t时刻购电电价；c
geo
为地热水资源费单价；与分别为t时刻系统从电网购电功率与地热水流量。
[0046]
热功率平衡约束的表达式如下：
[0047][0048]
式中，为t时刻板式换热器输出功率；为t时刻热泵输出功率；为t时刻热负荷；与分别为t时刻储热水箱的储/放热功率。
[0049]
电功率平衡约束的表达式如下：
[0050][0051]
式中，为t时刻深井泵耗电功率；为t时刻热泵耗电功率。
[0052]
设备运行约束包括深井泵运行约束、板式换热器运行约束、热泵运行约束，以及储热水箱运行约束。
[0053]
深井泵运行约束的表达式如下：
[0054][0055]
式中，ff
min
与ff
max
分别为深井泵的最小与最大有效运行频率；
[0056]
板式换热器运行约束的表达式如下：
[0057][0058]
式中，u
hx
为板式换热器总传热系数；为t时刻换热器对数平均温差，采用算数平均值近似；c
p
为水的比热；与分别为t时刻换热器进口与出口地热水温度；为t时刻换热器二次水流量；与分别为t时刻换热器进口与出口供暖系统二次水温度；δt
pinch
为夹点温差。
[0059]
热泵运行约束的表达式如下：
[0060][0061]
式中，cop
t
为t时刻热泵性能系数；a与b为热泵cop拟合公式经验系数；为t时刻热泵输入热功率；为t时刻热泵高温侧二次水流量；与分别为t时刻热泵高温侧进口与出口二次水温度；为t时刻热泵低温侧出口地热水温度；lf
min
为热泵最小负荷系数；δ
hp
表示热泵运行状态，取值0或1。
[0062]
储热水箱运行约束的表达式如下：
[0063][0064]
式中，与分别为t和t+1时刻储热水箱中的储热量；ρ为水的密度；为t时刻储热温度；δt为时间步长；η
cha
、η
dis
和η
los
分别为储热效率、放热效率及热损失率；t
tes,min
与t
tes,max
分别为储热温度的下限与上限；δ
cha
表示储热状态，取值0或1，δ
dis
表示放热状态，取值0或1，表示储热水箱同一时刻只能储热或放热。
[0065]
流体网络运行约束表达式如下：
[0066][0067]
式中，与分别表示t时刻流入与流出i节点的流体质量流量；与分别表示t时刻流入与流出i节点的流体温度；m
i,min
与m
i,max
分别表示i节点流体质量流量下限与上限；t
i,min
与t
i,max
分别表示i节点流体温度下限与上限。
[0068]
在步骤二中，可选的，上述模型中的双线性项如与等采用mccormick凸包络法对其近似线性化。不失一般性，引入辅助变量z，并令z＝xy，且x、y的上
下限为x
min
≤x≤x
max
和y
min
≤y≤y
max
，则有：
[0069][0070]
步骤三，结合上层优化模型和下层优化模型构成系统双层优化模型，并采用粒子群算法结合混合整数线性规划方法对系统双层优化模型进行求解，得到系统最优设备容量配置及对应运行策略。
[0071]
具体的，步骤三所述的粒子群算法结合混合整数线性规划方法对系统双层优化模型进行求解过程为：
[0072]
上层优化模型中采用粒子群算法对带储热的地热公共建筑供暖系统设备额定装设容量进行迭代寻优，下层优化模型中的混合整数线性规划问题通过yalmip工具箱调用gurobi求解器进行优化，最终得到带储热的地热公共建筑供暖系统最优设备容量配置及对应运行策略，求解流程如图4所示。
[0073]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。