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一种建筑群能源系统综合优化设计方法

阅读:306发布:2020-05-18

专利汇可以提供一种建筑群能源系统综合优化设计方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种建筑群 能源 系统综合优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:1)根据建筑群及其周边所有载能体的能级值,获得所有载能体中具有利用潜 力 的能源资源,并获取建筑群及具有利用潜力的能源资源间所有潜在的 能量 转移转换路径,据此绘制载能体和建筑间能流网络图;2)构建能量转换转移的能流网络优化模型,并通过综合优化 算法 求解,根据求解的结果,在所有潜在的能量转移转换路径中获取最优的能量转移转换路径;3)根据建筑群及具有利用潜力的能源资源间最优的能量转移转换路径确定建筑群能源系统设计方案。与 现有技术 相比,本发明具有考虑全面、充分利用、能源利用率高等优点。,下面是一种建筑群能源系统综合优化设计方法专利的具体信息内容。

1.一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据建筑群及其周边所有载能体的能级值,获得所有载能体中具有利用潜的能源资源,并获取建筑群及具有利用潜力的能源资源间所有潜在的能量转移转换路径,据此绘制载能体和建筑间能流网络图;
2)构建能量转换转移的能流网络优化模型,并通过综合优化算法求解,根据求解的结果,在所有潜在的能量转移转换路径中获取最优的能量转移转换路径;
3)根据建筑群及具有利用潜力的能源资源间最优的能量转移转换路径确定建筑群能
源系统设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤1)中,能级值的计算式为:

其中,ζ为载能体的能级值,T0为建筑群室外环境逐时温度,T为载能体逐时温度。
3.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤1)中具有利用潜力的能源资源的类型及其判定方法包括:
1、具有向建筑提供冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于0;
2、具有直接通过热交换向建筑群供应冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于建筑冷热量需求的能级值;
3、通过技术进行能级提升的方式向建筑群供应冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于0且小于建筑冷热量需求能级值。
4.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤2)中,能量转换转移的能流网络优化模型的综合优化目标S为:
min S=a+δ*b
a=ξe,ceEe,in+ξf,ceEf,in
b=keEe,in+kfEf,in+kf-eEf-e+kr-eEr-e+kr-hEr-h+
kh-hEh-h+kh-cEh-c+kep-hEep-h+ke-hEe-h+kep-cEep-c
其中,a为化石能源资源消耗量,b为供能的经济成本,δ为权重系数,ξe,ce为输入单位量的电力折算为标准资源量的系数,ξf,ce为为输入单位量的化石燃料折算为标准煤资源量的系数,Ee,in为输入的电量,Ef,in为输入的化石燃料量,ke、kf分别为输入单位量的电力和燃气的经济成本,kf-e、kr-e、kr-h、kh-h、kh-c、kep-h、ke-h、kep-c为分别采用化石燃料发电、太阳能发电、太阳能制热、热交换、热驱动吸收式制冷、电驱动热泵制热、电加热和电驱动热泵制冷方式制取单位量的能量对应的经济成本,
约束条件为:
Ee,in-(ηep-c·Eep-c+ηep-h·Eep-h)+Ef-e+Er-e=De+Pe+Ee-h
Ef-h+Eh-h+Eep-h+Er-h+Ee-h=Dh+Ph+Eh-c
Eep-c+Eh-c=Dc+Pc
Eep-wh=ηep-wh·Eep-c
Eep-wc=ηep-wc·Eep-h


其中,ηep-c为采用电制冷技术取制单位冷量消耗的电量,ηep-h为采用电驱动热泵取制单位热量消耗的电量,ηep-wh为电制冷技术制取单位冷量过程中产生的余热量,ηep-wc为电驱动热泵技术制取单位热量过程中产生的冷量,ηr-h为太阳能热利用技术产出单位热量所需的太阳能,ηf-h为化石燃料燃烧制取单位热量所需消耗的化石燃料对应的热值,ηr-e为太阳能光伏发电技术制取单位电量所需的太阳能,ηh-h为采用余废热制取单位热量所消耗的余废热量,Eep-c为通过电制冷技术获取的冷量,Eep-h为通过热泵技术获取的热量,Ef-e为通过燃料燃烧获取的电量,Er-e为通过太阳能光伏技术获取的电量,Ee-h为通过太阳能光热技术获取的热量,Ef-h为通过燃料燃烧获取的热量,Eh-h为通过余废热资源获取的热量,Eep-h为通过电驱动热泵技术获取的热量,Er-h为通过太阳能获取的热量,Ee-h为通过电加热获取的热量,Eh-c为通过热驱动吸收式热泵获取的冷量,Eep-wc为通过电驱动热泵技术制取热量过程中获取的冷量,Eep-wh为电制冷技术制取单位冷量过程中获取的余热量,De为本地固定电力需求,Dh为本地热量需求,Dc为本地冷量需求,w为化石燃料输出的热和电的比值,Pe为与外部建筑的电力交易量,Ph为与外部建筑之间的热交换量,Pc为与外部建筑之间的冷交换量,Sr为当地可利用太阳能资源量,Sw为当地地热和可获取的废热资源量,F(w)为ηf-h与热电比w的函数关系。
5.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的载能体包括空气、自然及人工河流湖泊湖、土壤、污和工厂排除的废水

说明书全文

一种建筑群能源系统综合优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑设计领域,尤其是涉及一种建筑群能源系统综合优化设计方法。

背景技术

[0002] 建筑群是指城市开发建设过程中,在相邻近的土地上集中一次规划设计并建造多个建筑,典型的如城市综合体、商务集聚区及产业园区等项目开发建设形成的建筑集群。建筑群总建筑面积和体量较大,其建筑设计需要综合考虑不同建筑的相互影响,整体优化设计较为复杂。
[0003] 中国专利CN1349033公开了对建筑群较多的研究在于建筑群的节能设计相关,包括布局设计;应小宇等2013年在《地理科学》杂志发表的“高层建筑群平面布局类型对室外环境影响的对比研究”,中国专利CN101387450公开了综合节能环保设计以及中国专利CN102072747A公开了能耗监测,基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法。
[0004] 建筑群一般包含多个使用功能的建筑,同时具有冷热需求的可能性较大,系统内部能量流动较为复杂,目前对建筑群能源系统的研究主要是能源系统方案的比选。梁庆庆等2006年在《制冷空调》杂志发表的“大型办公建筑群空调系统冷热源多能源方案的经济性分析”中对比了电制冷加燃气供冷供热和全燃气供冷供热两种方案的经济性。李桂萍等2006年在《制冷空调》杂志发表的“某建筑群多能源空调方案及经济敏感因素分析”结合案例对比了采用电和燃气满足建筑群冷热量需求时不同方案的经济性。
[0005] 对建筑群能源系统优化设计的现有讨论一般没有考虑本地可再生能源及低品位能源的利用。由于建筑群能源系统中冷热流同时存在,具有充分利用系统自身产生的和邻近地区已有的余废热资源的条件,且由于占地面积较大,太阳能土壤热能等可再生能源资源具有规模化利用的潜力。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑全面、充分利用、能源利用率高的建筑群能源系统综合优化设计方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008] 1.一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
[0009] 1)根据建筑群及其周边所有载能体的能级值,获得所有载能体中具有利用潜力的能源资源,并获取建筑群及具有利用潜力的能源资源间所有潜在的能量转移转换路径,据此绘制载能体和建筑间能流网络图;
[0010] 2)构建能量转换转移的能流网络优化模型,并通过综合优化算法求解,根据求解的结果,在所有潜在的能量转移转换路径中获取最优的能量转移转换路径;
[0011] 3)根据建筑群及具有利用潜力的能源资源间最优的能量转移转换路径确定建筑群能源系统设计方案。
[0012] 2.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤1)中,能级值的计算式为:
[0013]
[0014] 其中,ζ为载能体的能级值,T0为建筑群室外环境逐时温度,T为载能体逐时温度。
[0015] 3.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤1)中具有利用潜力的能源资源的类型及其判定方法包括:
[0016] 1、具有向建筑提供冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于0;
[0017] 2、具有直接通过热交换向建筑群供应冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于建筑冷热量需求的能级值;
[0018] 3、通过技术进行能级提升的方式向建筑群供应冷热量的潜能,判定方法为载能体的能级值大于0且小于建筑冷热量需求能级值。
[0019] 4.根据权利要求1所述的一种建筑群能源系统综合优化设计方法,其特征在于,所述的步骤2)中,能量转换转移的能流网络优化模型的综合优化目标S为:
[0020] min S=a+δ*b
[0021] a=ξe,ceEe,in+ξf,ceEf,in
[0022]
[0023] 其中,a为化石能源资源消耗量,b为供能的经济成本,δ为权重系数,ξe,ce为输入单位量的电力折算为标准资源量的系数,ξf,ce为为输入单位量的化石燃料折算为标准煤资源量的系数,Ee,in为输入的电量,Ef,in为输入的化石燃料量,ke、kf分别为输入单位量的电力和燃气的经济成本,kf-e、kr-e、kr-h、kh-h、kh-c、kep-h、ke-h、kep-c为分别采用化石燃料发电、太阳能发电、太阳能制热、热交换、热驱动吸收式制冷、电驱动热泵制热、电加热和电驱动热泵制冷方式制取单位量的能量对应的经济成本,
[0024] 约束条件为:
[0025] Ee,in-(ηep-c·Eep-c+ηep-h·Eep-h)+Ef-e+Er-e=De+Pe+Ee-h
[0026] Ef-h+Eh-h+Eep-h+Er-h+Ee-h=Dh+Ph+Eh-c
[0027] Eep-c+Eh-c=Dc+Pc
[0028] Eep-wh=ηep-wh·Eep-c
[0029] Eep-wc=ηep-wc·Eep-h
[0030]
[0031]
[0032] 其中,ηep-c为采用电制冷技术取制单位冷量消耗的电量,ηep-h为采用电驱动热泵取制单位热量消耗的电量,ηep-wh为电制冷技术制取单位冷量过程中产生的余热量,ηep-wc为电驱动热泵技术制取单位热量过程中产生的冷量,ηr-h为太阳能热利用技术产出单位热量所需的太阳能,ηf-h为化石燃料燃烧制取单位热量所需消耗的化石燃料对应的热值,ηr-e为太阳能光伏发电技术制取单位电量所需的太阳能,ηh-h为采用余废热制取单位热量所消耗的余废热量,Eep-c为通过电制冷技术获取的冷量,Eep-h为通过热泵技术获取的热量,Ef-e为通过燃料燃烧获取的电量,Er-e为通过太阳能光伏技术获取的电量,Ee-h为通过太阳能光热技术获取的热量,Ef-h为通过燃料燃烧获取的热量,Eh-h为通过余废热资源获取的热量,Eep-h为通过电驱动热泵技术获取的热量,Er-h为通过太阳能获取的热量,Ee-h为通过电加热获取的热量,Eh-c为通过热驱动吸收式热泵获取的冷量,Eep-wc为通过电驱动热泵技术制取热量过程中获取的冷量,Eep-wh为电制冷技术制取单位冷量过程中获取的余热量,De为本地固定电力需求,Dh为本地热量需求,Dc为本地冷量需求,w为化石燃料输出的热和电的比值,Pe为与外部建筑的电力交易量,Ph为与外部建筑之间的热交换量,Pc为与外部建筑之间的冷交换量,Sr为当地可利用太阳能资源量,Sw为当地地热和可获取的废热资源量,F(w)为ηf-h与热电比w的函数关系,可通过设备的性能参数拟合得到,在数据不可得时,可采用基于当前常用小型热电联产设备的性能参数拟合得到的产热效率和热电比的关系式F(w)=0.0614w+0.3872进行近似计算。
[0033] 所述的载能体包括空气、自然及人工河流湖泊湖、土壤、污和工厂排除的废水
[0034] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0035] 一、考虑全面、充分利用:通过建筑群周边所有载能体的能级分析,便于发现所有可用于为建筑供冷、供热及供电的能源资源,充分利用低品位能源资源和可再生能源资源,减少建筑的化石能源消耗。
[0036] 二、能源利用率高:通过能量供需平衡优化,将所有载能体的供能量、建筑所有能量需求以及各项技术的供能成本进行综合考虑,获得所有载能体与建筑之间最优的能量转换及流动网络,对建筑群能源系统的结构进行优化,提高能源利用效率,减少系统投资。附图说明
[0037] 图1为本发明的方法流程图
[0038] 图2为建筑群及载能体间能量转换转移的能流网络图。
[0039] 图3为夏季典型日载能体的能级图谱示意图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0041] 实施例:
[0042] 为拓展当前城市综合体、产业园区等建筑群的复杂能源系统综合优化设计的方法和思路,本发明提出了将城市综合体及其周边所有载能体视为整体,对其能量转换和转移过程进行综合优化设计的方法。
[0043] 本发明适用于城市群能源系统供能方案的设计,按照总能系统的概念,将建筑群能源系统中不同时空点的能量消耗、二次能源生产和分配作为一个总能系统进行整体考虑。输入建筑群的化石能源、电力以及建筑群内可再生能源、低品位能源资源等经过不同能源转换设备产出冷、热、电力等二次能源,经过管网及能量交换设备将能量传递给用户。
[0044] 如图1所示,图为本发明的方法流程图,本方法包括:
[0045] (1)建筑冷热量需求温度一般依据是我国室内环境设计相关规范及设计参数确定。载能介质温度及基准环境温度可通过现场测定或者依据气象部提供的室外空气、河湖、土壤等温度数据确定。
[0046] (2)室外环境作为能级计算的基准,即各个时刻室外环境的能级为0,电力的能级为1。能级值ξ按照公式(1)计算得到载能体和建筑冷热量需求的能级值。
[0047]
[0048] 式中T0为室外环境温度,T为载能体的温度。
[0049] (3)按照计算出的各个载能体的能级值,如图3所示将所有能级值和建筑冷热量需求的能级值绘制在一张图上,任何能级值大于0的载能体都具有向建筑提供冷热量的潜能。其中能级值高于建筑冷热量需求能级的载能体具有直接通过热交换向建筑供应冷热量的可能,能级值大于0但小于建筑冷热量需求能级的载能体可通过热泵技术进行能级提升的方式向建筑供应冷热量的可能。按照能级分析的结果绘制载能体和建筑之间能量转换转移的能流网络。所绘制的能流网络图结构如图2所示。
[0050] (4)基于当前能源转换利用设备的技术水平,确定能源转换技术方案的转换效率η和单位能量的转换成本k,并基于各个载能体的能源资源量确认供能量E的最大值。
[0051] (5)通过建筑能耗模拟法获得各个建筑全年逐时冷热负荷D。并基于建筑群及其周边地区的规划设计资料、现场调研测算数据确认外部向建筑输入(建筑群向外部输出)的冷热电量P。
[0052] (6)基于能量供需平衡约束、能级匹配约束及各个载能体最大产能量约束构建约束矩阵,以化石能源需求最少和整个建筑群供能成本最低位目标构建能量转换转移的能流网络优化模型,通过优化计算得到最优的能流网络。
[0053] Ee,in-(ηep-c·Eep-c+ηep-h·Eep-h)+Ef-e+Er-e=De+Pe+Ee-h
[0054] Ef-h+Eh-h+Eep-h+Er-h+Ee-h=Dh+Ph+Eh-c
[0055] Eep-c+Eh-c=Dc+Pc
[0056] Eep-wh=ηep-wh·Eep-c  (2)
[0057] Eep-wc=ηep-wc·Eep-h
[0058]
[0059] 其中,De是本地固定电力需求(如照明、动力、电器等,不包含冷热量生产的电力消耗),MJ/d;Dh是本地热量需求,MJ/d;Dc是本地冷量需求,MJ/d;w为化石燃料输出的热和电的比值MJ/MJ。
[0060] 载能体生产冷、热、电的产能量约束如公式(3)所示:
[0061]
[0062] 其中Sr为当地可利用太阳能资源量,MJ/d;Sw为当地地热和输入的废热资源量,MJ/d。将热电联产系统的成本均放在生产热量上(热电联产的优势通过对整个系统电力需求的削减实现),计算中热电联产系统的电力无生产成本,热生产成本ηf-h是热电比w的函数。
[0063] 将建筑群的化石能源资源消耗量最少作为优化目标,优化目标函数如公式(4)所示。
[0064] a=ξe,ceEe,in+ξf,ceEf,in  (4)
[0065] 将建筑群的供能成本最小作为优化目标,优化目标函数如公式(5)所示。
[0066]
[0067] 综合优化目标S可如公式(6)所示:
[0068] minS=a+δ*b  (6)
[0069] 其中,δ为权重系数,根据化石能源最小化目标与总成本最低目标的相对重要程度确定,总成本目标较为重要时该值较大,反之则较小。
[0070] 上述优化计算模型可通过优化算法计算得到最优解。
[0071] (7)根据优化计算获得的最优解,可绘制出载能体和建筑建最优的能量转换转移的能流网络图。根据最优能流网络图,可获得各个能量转换技术路径产生的冷热电量,以及载能体和建筑间能量流动的量,据此可选择各个能量转换技术的相关设备,并进行能量传输管网设计。
[0072] 因此,本发明将建筑群视为整体,通过建筑群能源系统的综合优化设计方法,对其内部能量转换转移过程进行综合优化,充分利用所有可利用的能源资源,实现能量的梯级利用,对于建筑群节能具有重要意义。
[0073] 本发明中通过能量质分析和量分析相分离的方法,可以充分发现并利用有价值的低品味能源资源,减少复杂能源系统中冷热量相互抵消所导致的能量浪费,通过能量的梯级利用、循环利用减少能源消耗。
[0074] 上述实施方案是结合示例进行的说明,示例中同一类载能体只有一个,在实际应用中同一类载能体可以是多个。本发明的实施过程中,模型结构、约束条件、模型优化目标以及优化计算方法等要素的改变不影响本发明的效果,优化模型的改变以及方法顺序的改变均为本发明所包含。
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