一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法技术方案

本发明专利技术公开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，分层架构包括系统规划层和运行优化层；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；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。本发明专利技术的有益效果是：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。系统经济性。系统经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法


[0001]本专利技术涉及地热供暖系统优化
，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。

技术介绍

[0002]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％。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]本专利技术的有益效果为：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
[0011]图1为本专利技术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；
[0012]图2为本专利技术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；
[0013]图3为本专利技术实施例公开的带储热的地热公共建筑供暖系统流程简图；
[0014]图4为本专利技术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
[0015]为使本专利技术的目的、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专利技术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专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部内容。
[0016]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。
[0017]如图1所示,包括以下三个步骤：
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，其特征在于，所述上层优化模型的目标函数的表达式如下：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；所述系统年度投资成本的表达式如下：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；所述系统年度运行成本的表达式如下：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；所述系统年度维护成本的表达式如下：式中，η
M
为维护成本系数。4.如权利要求3所述的带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，其特征在于，所述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：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；所述储热水箱的最大储/放热功率约束的表达式如下：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。5.如权利要求4所述的带储热的地热公共建筑供暖系统分层优化方法，其特征在于，所述下层优化模型以系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华山，黄思浩，卜宪标，王令宝，龚宇烈，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：