摘要
耦合可再生能源的冷热电联供系统（CombinedCoolingHeatingandPowerSystem,CCHP），因为其具备能源利用效率高、污染排放量少且能实现能源阶梯利用等优势，广泛用于建筑供能。该系统可以有效缓解传统能源枯竭导致的能源短缺现状，满足当前日益增长的建筑能耗需求，运用智能决策技术，优化生成系统的最佳协同运行方案和调度策略，进而显著提升系统的经济性、能效性和环保性，是当前耦合可再生能源冷热电联供系统的重点研究方向。但是，现有耦合可再生能源的冷热电联供系统因其组成要素众多和可再生能源固有的随机波动特性，导致系统的配置和运行方案缺乏合理性，特别是在气候变化条件下，温度和辐射等气象要素的剧烈变化，增加了维持能源供需平衡的难度;此外，受制于耦合可再生能源的CCHP系统运行机制复杂和影响因素多元的特点，其配置和运行方案的优化设计过程中存在大量的不确定性，给系统供能方案的设计和实施带来诸多困难，影响用户的用能体验。随着对问题认识的逐步深入和理论方法的不断完善，本文采用层次递进的形式，以研究目的的演变为线索，通过研究方法的改进和研究结论的深化，创新性地构建了考虑气候变化和不确定性影响的“用户侧负荷预测-供应侧出力计算-系统侧不确定性识别-运行侧协同优化”CCHP系统动态交互集成模型，首次实现了区域气候模拟（PRECIS）、用户负荷预测（TRNSYS和DeST）、设备出力预测（机理建模）、不确定性识别（区间、随机和模糊）和CCHP系统协同优化（LINGO软件）的组合应用，为增强供能方案的鲁棒性和完整性提供理论性支持和实践化依据。论文的主要研究内容包括: （1）综合考虑传统的耦合可再生能源CCHP系统运行优化模型忽略气候变化引发的温度、湿度等气象要素波动对用户需求的深远影响，致使运行策略灵活性较差且缺乏应对气候变化的能力的缺陷，开展考虑气候变化对需求侧影响的太阳能CCHP系统出力优化研究，以上海某五星级酒店为例，在使用区域气候模拟软件PRECIS预测该地区未来80年的温度和辐射变化的基础上，将预测结果创新性地代入DeST软件，准确识别了气候变化导致的用户负荷波动，并结合至传统耦合太阳能的冷热电联供系统运行优化模型中，生成了适应气候变化的系统供能策略。负荷预测结果表明，同一RCP场景下，随着年代的增加，用户侧的冷需求逐年递增，热需求逐年减少;并且，RCP8.5场景下的冷负荷增加和热负荷减少的幅度均大于RCP4.5场景。相较于未考虑气候变化的传统运行优化模型，该模型可以有效缓解气候变化条件下夏季极端高温天气出现造成的供能不足和避免“暖冬”条件下供能系统的供能过剩的现象，在提供更稳定的能源供应服务的同时，提高系统的经济效益。 （2）针对（1）构建的考虑气候变化对需求侧影响的太阳能CCHP系统运行优化模型仅分析多重气象要素与建筑冷、热、电需求的相关关系，忽略了极端天气条件下燃气轮机等系统重点设备实际出力水平与额定功率的偏差，导致系统的供需失衡风险较高、供能策略鲁棒性较差等问题，开展了考虑气候变化对需求侧和供应侧协同影响的CCHP系统出力优化研究，以上海某医院为例，在运用区域气候模拟软件PRECIS预测该地区未来80年的温度和湿度变化的基础上，一方面利用负荷预测软件TRNSYS建立医院的能耗模拟模型，并将气候变化条件下的典型年（近期，2025年，中期2050年，中远期，2075年和远期2098年)温度和辐射预测结果代入软件，准确评估气候变化条件下的用户用能需求的波动变化趋势;另一方面，建立CCHP系统核心设备燃气轮机的机理仿真模型，量化表征气候变化导致的极端高温现象给燃气轮机发电量和产生的余热烟气热值带来的不利影响;最后，建立集成负荷预测和出力计算结果的冷热电联供系统运行优化模型，生成适应气候变化的、响应用户需求动态变化、考虑设备输出功率波动的最优供能方案，为未来的能效提升、供能稳定和成本节约提供有效的技术支持。 （3）由于（2）建立的考虑气候变化对需求侧和供应侧协同影响的CCHP系统出力优化模型仅聚焦于特定气候变化场景的负荷极值和设备出力低值，生成了未来典型年的CCHP系统出力优化方案，未能综合考虑历史气象条件和未来的气候变化特征，以及系统运行过程中的其它不确定性因素（政策影响、人工操作等）对供能方案的影响，导致生成的运行方案连贯性较差，增加了供需失衡的风险的同时，可靠性和实用性不佳，开展考虑气候变化条件和不确定性对需求侧和供应侧协同影响的CCHP系统出力优化研究，以北京市某五星级酒店为例，在分别运用PRECIS软件、DeST软件、燃气轮机和太阳能系统的机理仿真模型完成气候变化预测、用户负荷预测和设备出力分析的基础上，联合使用用户负荷和系统设备出力的历史值，选择适当的不确定性分析方法（包括区间、随机和模糊）识别和表征太阳能CCHP系统的关键不确定性参数;运用上述识别的不确定性变量替换传统太阳能CCHP系统运行优化模型的确定性变量，构建气候变化条件下耦合区域气候模拟、用户侧需求预测和供应侧设备仿真的太阳能CCHP系统不确定性运行优化模型，并采用不确定性优化算法对优化模型进行求解，生成适应气候变化的、妥善处理不确定性的最优供能方案。 综上所述，本文将区域气候模拟、建筑负荷预测、设备机理仿真建模、不确定性识别和供能方案优化设计纳入一个统一的模型框架中，综合考虑能源供应系统各层级的交互关系，提出了实现供需平衡、能源高效利用和经济利益最大化的系统运行方案，有效解决了传统负荷预测忽略气候变化影响和过于依赖经验系数、传统设备出力计算存在高度简化、传统不确定性识别过于主观和供能方案无法保障供需平衡等问题，生成避免资源浪费、降低运营成本的最优供能方案，为决策者选择最佳的CCHP系统运行方案提供借鉴和参考。
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