2017年10月，國家電網(wǎng)發(fā)布了《關(guān)于在各省公司開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的意見》，指出開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的重要意義，并提出了開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的總體要求。其中，提供多元化分布式能源服務(wù)，構(gòu)建終端一體化多能互補(bǔ)的能源供應(yīng)體系是綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)任務(wù)。

多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)(以下簡稱綜合能源系統(tǒng))的核心是分布式能源及圍繞其開展的區(qū)域能源供應(yīng)，是一種將公共冷、熱、電、燃?xì)饽酥了畡?wù)整合在一起的形式[1]。綜合能源系統(tǒng)一方面通過實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)同優(yōu)化和互補(bǔ)提高可再生能源的利用率;另一方面通過實(shí)現(xiàn)能源梯級利用，提高能源的綜合利用水平。然而，由于綜合能源系統(tǒng)是一種有較多變量，特性復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)，多時間尺度的非線性系統(tǒng)，其規(guī)劃問題較傳統(tǒng)能源規(guī)劃問題更為復(fù)雜。

國內(nèi)外學(xué)者對綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題展開了研究，獲得了豐富的研究成果。本文針對綜合能源系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，同時在對既有研究進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對未來綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題提出了展望。

1、綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)集成多種能源輸入輸出以及多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠通過信息通信將電力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)建立對應(yīng)耦合關(guān)系，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、綜合能源系統(tǒng)初步設(shè)計

綜合能源系統(tǒng)的配置牽涉到確定系統(tǒng)部件的類型和大小問題，系統(tǒng)配置是影響聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性的核心因素[2]。設(shè)計過程需要充分考慮單個設(shè)備的效率，系統(tǒng)的運(yùn)行策略，用戶的冷熱電需求等多個因素。此外，一個設(shè)計完善的綜合能源系統(tǒng)還須在經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境效益之間作出平衡。在綜合能源系統(tǒng)的設(shè)計初期，設(shè)計人員通常會先選擇系統(tǒng)的主要設(shè)備及容量，再選擇與之匹配系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

2.1負(fù)荷預(yù)測與分析

冷熱電負(fù)荷預(yù)測根據(jù)電力負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)、社會、氣象等歷史數(shù)據(jù)，尋求電力負(fù)荷與各種相關(guān)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而對未來的負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)預(yù)測[3]。負(fù)荷預(yù)測是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃初期進(jìn)行方案比較的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確度直接影響系統(tǒng)的配置。討論初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、回收年限等問題均建立在相對準(zhǔn)確的全年負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上。

幾種常見的負(fù)荷預(yù)測方法[3]包括基于建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)典計算方法、基于建筑結(jié)構(gòu)的簡約計算方法、基于軟件模擬的逐時負(fù)荷因子法、基于歷史數(shù)據(jù)的逐時能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤āＤ壳皯?yīng)用比較成熟的是基于軟件模擬的逐時負(fù)荷因子法和基于歷史數(shù)據(jù)的逐時能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤ā墙痦榌4]使用DeST軟件計算了窗墻比、玻璃類型、墻的傳熱系數(shù)等多個因素對冷負(fù)荷的影響規(guī)律，并使用最小二乘法得到了冷負(fù)荷關(guān)于不同因素變化的具體關(guān)系式。王國弟等[5]結(jié)合了上海某能源中心項目的情況，采用空調(diào)負(fù)荷計算軟件HDY-SMAD和DeST軟件對功能區(qū)域的設(shè)計日空調(diào)冷熱負(fù)荷及全年空調(diào)冷熱負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測。鄭衛(wèi)東[6]使用DeST軟件對北京地區(qū)某辦公樓和五星級賓館進(jìn)行了冷、熱、電負(fù)荷動態(tài)模擬，并對其全年逐時、逐月和典型日的負(fù)荷及熱電比變化規(guī)律進(jìn)行了分析和總結(jié)。楊木和[7]基于對建筑冷熱電負(fù)荷調(diào)查研究的基礎(chǔ)，采用日本三聯(lián)供設(shè)計手冊中的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用逐時能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤姆椒ǎ再e館建筑為研究對象，模擬了該賓館的全年逐時冷熱電負(fù)荷。

在負(fù)荷分析方面，梁哲誠等[8]通過對商場、寫字樓和酒店三種不同用途商業(yè)建筑的冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)研和測試，繪制得到典型日負(fù)荷曲線和全年延時負(fù)荷曲線，并對其負(fù)荷大小、變化范圍、變化規(guī)律以及變化同步性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，在建筑負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上設(shè)計的綜合能源系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比更具節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2系統(tǒng)配置

由于綜合能源系統(tǒng)向用戶直接供能，當(dāng)用戶負(fù)荷需求變化時，存在用戶負(fù)荷的熱(冷)電比與系統(tǒng)熱(冷)電比保持不一致的問題。從滿足負(fù)荷需求的角度考慮，有四種常用的系統(tǒng)配置方法[9]即采用補(bǔ)電子系統(tǒng)集成方法、采用補(bǔ)熱子系統(tǒng)集成方法、電-熱轉(zhuǎn)換集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。當(dāng)熱電比相對較小或用戶電負(fù)荷大于原動機(jī)功率時，可以采用并網(wǎng)補(bǔ)充電能或使用可再生能源補(bǔ)充電能。當(dāng)綜合能源系統(tǒng)的供熱容量不能滿足需求時，則采用補(bǔ)熱子系統(tǒng)供熱。此外，當(dāng)用戶熱(冷)電比大于系統(tǒng)輸出比時，可以采用電-熱轉(zhuǎn)換，將熱需求轉(zhuǎn)換為電需求。當(dāng)用戶需求存在峰谷差時，將蓄能手段引入綜合能源系統(tǒng)，可有效緩解非同步引起的供需矛盾，提高系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)能力。

根據(jù)公共電網(wǎng)接入方式的不同可分為三種配置模式：孤島運(yùn)行模式、并網(wǎng)不上網(wǎng)模式、并網(wǎng)上網(wǎng)模式。孤島運(yùn)行模式下，綜合能源系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行模式，與公共電網(wǎng)之間不架設(shè)連接線路，適用于具有豐富風(fēng)能或太陽能等可再生能源地區(qū)，可為公共電力網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋完全的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供多種能量保證。第二種為并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，即發(fā)電全部自用，不足時從公共電網(wǎng)購買，已被廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)園區(qū)、新型住宅區(qū)以及醫(yī)院等人流量較高的場所，是最為典型的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用模式。第三種為并網(wǎng)上網(wǎng)模式，不僅可從電網(wǎng)購電，也可將富余電力出售給電網(wǎng)以獲取收益。此種模式對電能質(zhì)量、穩(wěn)定性及安全性要求高，且控制系統(tǒng)設(shè)計也較為復(fù)雜，實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)中尚未得到應(yīng)用[10]。

2.3綜合能源系統(tǒng)設(shè)備

綜合能源系統(tǒng)較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)利用的能源種類、供能形式多樣，可滿足冷熱電等多種用能需求，因此設(shè)備種類也更為多樣化。

2.3.1原動機(jī)

原動機(jī)或發(fā)電單元是綜合能源系統(tǒng)的核心部件之一。為了實(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)所設(shè)計的性能指標(biāo)，須謹(jǐn)慎選擇原動機(jī)的類型及容量。Al‐Sulaiman[11]詳細(xì)討論了分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中各種類型的原動機(jī)的使用特點(diǎn)，并給出了典型的使用案例。在設(shè)計的前期階段為原動機(jī)選型提供前期參考。

常見的原動機(jī)類型有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)，燃料電池，光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。

內(nèi)燃機(jī)將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點(diǎn)火引其爆炸，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀蛎浲苿踊钊龉Γㄟ^氣缸連桿和曲軸等驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率較高，功率范圍廣，適應(yīng)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，啟動速度快，操作方便、維護(hù)簡單、大修周期間隔長[12]。

燃?xì)廨啓C(jī)及微型燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、透平，加熱工質(zhì)的設(shè)備(燃燒室)控制系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等組成，壓氣機(jī)為燃燒室提供高壓空氣，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒釋放出熱量加熱空氣，產(chǎn)生高溫高壓氣體在透平中膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。目前燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)成熟，商業(yè)化應(yīng)用廣，效率高，體積小，質(zhì)量輕，摩擦部件小、振動小、噪聲低、污染少。

燃料電池將燃料中的化學(xué)能通過化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，效率高;沒有機(jī)械傳動部件，沒有噪聲。目前國內(nèi)燃料電池主要用于傳統(tǒng)發(fā)電，在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中尚未大規(guī)模使用[10]。

光伏電池將太陽光照轉(zhuǎn)化為直流電能，無污染，不受資源分布地域的限制，可在用戶側(cè)就近發(fā)電;缺點(diǎn)是受到氣象條件限制，能量輸出不穩(wěn)定。光伏電池適用于光照資源充足、傳統(tǒng)電網(wǎng)接入困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，優(yōu)點(diǎn)是能源清潔、環(huán)境效益好，缺點(diǎn)是噪聲大，對風(fēng)場選址要求高，發(fā)電不穩(wěn)定。適用于風(fēng)能資源豐富、人口稀疏的地區(qū)。

2.3.2制冷設(shè)備及供暖設(shè)備

吸收式制冷機(jī)通過煙氣或熱水驅(qū)動，采用溴化鋰或氨水等制冷工質(zhì)制冷，是余熱利用常用的制冷設(shè)備。表1根據(jù)工質(zhì)、驅(qū)動熱源、利用方式和用途對吸收式制冷機(jī)進(jìn)行分類[13]。

余熱鍋爐利用工業(yè)過程產(chǎn)生的余熱及可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量將水加熱，用于工業(yè)利用或采暖。分為一般型和補(bǔ)燃型，一般型余熱鍋爐與熱交換器類似，不存在燃燒過程。

熱泵是一種利用低品位熱資源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)技術(shù)。冬季時可通過熱泵機(jī)組將室外熱量輸送進(jìn)室內(nèi)供熱，夏季時可將室內(nèi)熱量輸送到室外降溫。根據(jù)熱源不同可將熱泵分為空氣源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵、雙源熱泵等。熱泵適用于具備常年恒溫冷熱源的地區(qū)。