基于供需精准匹配的综合能源系统优化关键技术及应用_陈淑琴.pdf

建设科技 107二 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（二等奖）基于供需精准匹配的综合能源系统优化关键技术及应用陈淑琴1 阮应君2 王健3 谭洪卫2 葛坚1 李鸿亮1 屈利娟1 王颖2 何海东4 胡昌志5 李寅雷6 赵旦6(1.浙江大学,杭州 3 1 3 0 5 8；2.同济大学,上海 2 0 0 0 3 2；3.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 2 0 0 0 3 2；4.青岛市建筑节能与产业化发展中心，青岛 2 6 6 0 0 0；5.青岛立信达能源服务有限公司，青岛 2 6 6 0 0 0；6.浙江中易慧能科技有限公司，杭州 3 1 0 0 5 2)摘要 随着新型城镇化的加速，城市普遍出现空间布局紧凑化、功能集中化的发展模式。大力推动低碳综合能源系统高效应用成为了建筑节能低碳运行的关键举措。虽然目前综合能源系统在国内外应用较多，但供需精准匹配一直是其高效应用的瓶颈。本项目以提升综合能源系统能效和规模化应用效果为目标，针对需求侧用能和供应侧供能的全要素，围绕“需求侧负荷特征及用能机理-综合能源系统多目标优化设计-综合能源系统协同精准调控”全过程，构建了基于供需精准匹配的综合能源系统优化关键技术体系，实现系统投资节约15%-20%，设计成本降低50%以上，系统运行节能量为17%-30%，集成可再生能源的系统节能量达到40%以上，并进行了大规模工程应用，对推进建筑领域运行节能减排起到了重要支撑作用。关键词 低碳综合能源系统；供需精准匹配；多目标优化设计；协同调度；规模化应用。Key Technologies and Applications of Integrated Energy System Optimization based on Precise Matching between Supply and Demand Chen Shuqin1,Ruan Yingjun2,Wang Jian3,Tan Hongwei2,Ge Jian1,Li Hongliang1,Qu Lijuan1,Wang Ying2,He Haidong4,Hu Changzhi5,Li Yinlei6,Zhao Dan6(1.Zhejiang University,Hangzhou,313058;2.Tongji University,Shanghai,200092;3.Tongji Architectural Design(Group)Co.,Ltd.,Shanghai,200092;4.Qingdao Building Energy Conservation and Industrialization Development Center,Qingdao,266000;5.Qingdao Lixinda Energy Service Co.,Ltd.,Qingdao,266000;6.Zhejiang Zhongyihuineng Technology Co.,Ltd.,Hangzhou,310052）Abstract:With the acceleration of new urbanization,cities generally appear to have compact spatial layouts and centralized development patterns.Vigorously promoting low-carbon integrated energy systems has become a key initiative for building energy-saving and low-carbon operation.Al-though such systems are widely used worldwide,the precise matching of supply and demand remains a bottleneck in its efficient application.Aiming at improving the energy efficiency and scale application effect of the comprehensive energy system,this project focuses on the full elements of de-mand side energy consumption and supply side energy supply,revolves around the entire process of demand side load characteristics and energy con-sumption mechanisms-multi-objective optimization design of the comprehensive energy system-collaborative and precise regulation of the compre-hensive energy system,and constructs a key technology framework for integrated energy system optimization based on precise matching of supply and demand,achieving system investment savings of 15%-20%,design cost reduction of over 50%,operation energy savings of 17%-30%and energy savings in integrated renewable energy systems of more than 40%.The large-scale engineering applications have played an important supporting role in promoting energy conservation and emission reduction in the building field.DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.025108 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊Keywords:low-carbon integrated energy system,precise matching of supply and demand,multi-objective optimal design,collaborative dispatch,large-scale application建筑运行阶段碳排放占我国全社会碳排放的22%，并可达建筑全生命周期碳排放的70%，建筑节能低碳运行必然是建筑领域节能减排的重要途径。在国家政策的支持下，大力提升可再生能源渗透率、推动低碳综合能源系统高效应用，是在新型城镇化发展模式下实现建筑节能低碳运行的关键举措。然而纵观国内外项目，能源系统的综合能源利用效率和经济收益都远未达到预期效果。分析其原因发现存在以下共性问题：（1）需求侧动态负荷均无法准确预测。（2）供应侧系统形式和容量配置与负荷需求严重不匹配，无法真正实现多能互补、梯级利用。（3）系统运行阶段无法实现综合能源系统的协同精准调控，供需无法实时匹配。项目团队以提升综合能源系统能效和规模化应用效果为目标，系统开展了“需求侧负荷特征及用能机理-综合能源系统多目标优化设计-综合能源系统协同精准调控”全过程创新工作，建立了综合能源系统优化关键技术体系。同时进行了大规模工程应用，有效推动了我国低碳综合能源系统的规模化建设，项目创新成果见图1。图1 项目创新成果1 建筑群负荷特征分析方法及建筑群随机用能机理系统提出了建筑群负荷特征分析方法，率先揭示了建筑群随机用能机理，完善了需求侧负荷理论。针对建筑群负荷时空特征尚未准确把握的问题，研发了基于建筑异质性的建筑群负荷时空特征分析技术,获得了各类典型建筑的冷热电负荷特征和延时变化规律、以及建筑群负荷的时序规律、错峰特征、以及单体建筑与区域集群的负荷耦合关系，完善了需求侧负荷理论。同时，针对建筑群用能随机性强、用能机理认识不清的问题，提出了建筑群用能不确定性的量化表征方法，揭示了供暖供冷运行-热环境-负荷的耦合影响机理，为适用于优化运行的短期负荷准确预测奠定了理论基础。2 集成可再生能源的综合能源系统多目标优化设计关键技术体系形成了集成可再生能源的综合能源系统多目标优化设计关键技术体系，解决了系统优化设计和容量合理匹配的技术瓶颈。针对可再生能源系统和分布式冷热电系统应用适宜区域和适宜场景不明确的问题，建立了基于3E（Energy saving benefit节能效益、Economic benefit经济效益、Environmental benefit环境效益）-GIS的可再生能源系统区域适宜性评价方法、分布式冷热电系统在不同类型建筑中的应用适宜性评价技术、以及可再生能源系统运行监测和评价平台，完成了五大气候区36个可再生能源系统工程的应用适宜性评价。同时，针对当前普遍存在的系统设计容量远大于负荷需求、投资浪费严重的问题，提出了基于分摊比例法的建筑群动态小时负荷快速预测方法，并研发了集负荷预测、系统设计基础数据库、优化设计等功能于一体的综合能源系统多目标优化设计软件（见图2），实现了不同气候条件和建筑类型下的综合能源系统优化设计。图2 多功能耦合的综合能源系统多目标优化设计软件3 基于供需实时匹配的综合能源协同精准调控关键技术及系统创新研发了基于供需实时匹配的综合能源协同精准调控关键技术及系统，解决了综合能源系统实时精准运行的技术难题。针对短期负荷无法准确预测、导致实际建设科技 109二 等 奖运行策略与动态需求不匹配的问题，建立了耦合随机运行的建筑群短期负荷精准预测方法。针对管网流量的监测难度大、监测成本高的问题，研发了实时流量数据采集技术。针对无法实现基于供需实时匹配的综合能源系统协同精准调控问题，建立了综合能源系统“源-网-用”协同精准调控系列模型及“分散控制、集中管理”的综合能源调度系统平台，实现了实时优化调度（见图3）。图3 基于供需实时匹配的综合能源精准调控系列模型与系统4 示范项目集成应用项目成果在华北、华东、西北、华中、华南等地区17个城市的22个能源系统优化设计及运行项目中得到成功应用，包括上海大厦、大兴机场等国家重大工程、以及北方供暖、医院、高校等重要民生工程。应用项目建筑面积约514.04万平方米、供热面积 7790万平方米、园区占地面积224.2平方公里。同时，项目成果支撑了7项行业标准和4项地方政策的编制，有效推动了低碳综合能源系统的标准化发展。项目研发的综合能源系统快速设计软件和精准管控系统，促进了行业产品的优化升级。完成单位近三年取得项目利润1.11亿元；应用工程中通过系统优化设计减少投资和设计人力成本，节支8003万元；运营项目投入使用以来（2015年至今），运行费用节省1.1亿元；共计经济效益3.01亿元。上述成果有效促进了规划设计、综合能源服务行业的创新发展，取得了显著的经济和社会效益。基于供需精准匹配的综合能源系统优化设计及运行技术体系将积极推动公共建筑能耗提升示范城市、低碳/零碳园区建设等国家重点工作，为“碳达峰、碳中和”的国家战略提供有效技术方案。（上接106页）GDS高级固结仪完成了共20组试验，研究了不同粘性土在不同固结压力下考虑初始水力梯度的孔压消散规律和渗透规律，证明了粘性土中存在初始水力坡度，得到了初始水力坡度值与土性、孔压及有效压力的关系。根据土中渗流的初始水力机理，结合试验测得土中渗流的初始水力梯度，提出了一种基坑降水引起地层变形和地面沉降的计算方法。4 示范项目“一次扣拱暗挖逆作法”以北京地铁14号线大望路车站和长春地铁1号线解放大路车站项目作为示范工程。其中北京地铁14号线大望路车站为地下双层三跨岛式站台，车站总长215.5米，结构总宽24.7m，总高16.57m，覆土9.049m；长春地铁1号线解放大路车站也为地下双层三跨岛式站台，全长235.6米，宽23.4米，覆土8-9米。两项工程已顺利完工交付，经济、社会和环境效益显著，起到了示范作用。“浅埋暗挖大直径管幕法”以北京首都机场T3E-T2旅客捷运联络线及汽车通道为示范工程，该项目是我国第一座横穿中央主跑道的超浅埋隧道，利用浅埋暗挖大直径管幕法地下结构建造技术在跑道不停航的前提下进行施工，管幕长度232米，暗挖断面为宽23.9米 高9.1米，最大埋深5.6米，该工程已顺利完工,且满足了跑道不停航、跑道总沉降控制在30mm以内和1平整度的要求。地下水渗流控制的设计计算方法成功应用于云南安宁新城雅樾基坑工程、盘龙区金刀营城中村改造项目A4地块基坑支护工程等多个项目。安宁新城雅樾项目基坑深度约20m，止水方式采用悬挂式止水帷幕，取得了较好的技术、经济效果。项目成果形成了具有自主创新特色的城市地下空间开发技术，有效提升了我国地下空间可持续开发能力和建造技术集成化水平，并在一系列工程中得到成功应用，取得了显著的社会效益。CC