賈宏杰，雷 雨，靳小龍，穆云飛，魏 煒，宮建鋒

（1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市300072；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，寧夏回族自治區(qū)銀川市 750002）

0 引言

中國(guó)北方城市采暖能耗占建筑總能耗的24%左右［1］，而住宅建筑的采暖能耗在建筑采暖能耗中的占比最大。由于城市空間資源有限，集中供暖成為住宅建筑采暖中最常用的一種方式［2］。

社區(qū)綜合能源系統(tǒng)（integrated community energy system，ICES）集多種能源（電、氣、熱等）系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)商、終端建筑于一身［3-4］，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行電、氣、熱等能源形式的集中轉(zhuǎn)換，在滿足終端用戶能源需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。因此，ICES 能為建筑提供高效的集中供暖方案而被廣泛應(yīng)用［5-6］。由于建筑的熱慣性，用戶可以在一定舒適度范圍內(nèi)調(diào)整其熱負(fù)荷，具備主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)控的能力，即熱需求響應(yīng)能力［7］，并在這一過(guò)程中獲益。因此，ICES 和建筑的協(xié)同互動(dòng)具有重要研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞ICES 與建筑協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方面展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)［8］基于建筑熱動(dòng)態(tài)特性，構(gòu)建了考慮建筑內(nèi)部不同制熱區(qū)域熱傳遞影響的智能建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［9-11］構(gòu)建了一個(gè)雙層優(yōu)化模型來(lái)實(shí)現(xiàn)代理商和用戶之間的協(xié)同優(yōu)化，結(jié)果表明，該模型能夠兼顧用戶用能成本和代理商的收益。

此外，越來(lái)越多的資本進(jìn)入供熱領(lǐng)域，制定合理的區(qū)域供熱定價(jià)機(jī)制顯得尤為重要。文獻(xiàn)［12］提出通過(guò)供熱定價(jià)引導(dǎo)用戶避免在運(yùn)營(yíng)商產(chǎn)熱成本高的時(shí)候進(jìn)行用熱，從而降低運(yùn)營(yíng)商的供熱成本。文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了ICES 與用戶的主從博弈協(xié)同運(yùn)行框架，用戶根據(jù)ICES 運(yùn)營(yíng)商的供能價(jià)格靈活調(diào)節(jié)其熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)ICES 能源供應(yīng)側(cè)和用戶需求側(cè)的靈活互動(dòng)。

事實(shí)上，不同社區(qū)的建筑在施工年限、施工質(zhì)量、老化程度等方面存在差異，導(dǎo)致不同社區(qū)建筑的保溫絕熱性能不同，這反映在不同社區(qū)的用戶，其熱需求響應(yīng)能力和積極性不同。在中國(guó)北方，集中供熱的取暖費(fèi)是基于供暖面積，而不是基于實(shí)際的熱量消耗［14］。這種收費(fèi)方式無(wú)法反映用戶的實(shí)際用熱和熱負(fù)荷的靈活性價(jià)值。此外，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，建筑用戶可以基于通信基礎(chǔ)設(shè)施，在本地的能源市場(chǎng)進(jìn)行交易［15］。因此，在本地能源市場(chǎng)，ICES 運(yùn)營(yíng)商可為不同能源需求的用戶提供差異的能源價(jià)格。文獻(xiàn)［16］考慮用戶差異化可靠性需求，制定差異化的電價(jià)方案。文獻(xiàn)［17］提出了利用實(shí)時(shí)電價(jià)和基于差異化用電成本的供電協(xié)議進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)的需求側(cè)管理。

然而，上述研究大多針對(duì)用戶的電需求響應(yīng)能力以及電價(jià)機(jī)制進(jìn)行分析，缺少對(duì)不同絕熱性能建筑集群用戶的熱需求響應(yīng)能力進(jìn)行充分挖掘并提出更加精細(xì)化的供熱定價(jià)方案。為此，本文提出了考慮絕熱性能差異化的建筑集群與ICES 協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)不同建筑集群提供差異化的供熱價(jià)格。

1 ICES 與建筑集群的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度框架

ICES 與建筑集群的協(xié)同優(yōu)化框架如圖1 所示。包括上級(jí)能源系統(tǒng)、ICES 運(yùn)營(yíng)商、絕熱性能不同的建筑集群。ICES 運(yùn)營(yíng)商通過(guò)換熱器、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）機(jī)組、熱泵等與上級(jí)能源系統(tǒng)（電、氣、熱等）耦合。建筑室內(nèi)安裝了帶調(diào)節(jié)閥的智能散熱器，用戶可根據(jù)實(shí)際的室內(nèi)溫度需求及熱需求響應(yīng)能力，在舒適溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其熱負(fù)荷。ICES 運(yùn)營(yíng)商和不同建筑集群之間，通過(guò)高速可靠的雙向信息通道，實(shí)現(xiàn)供熱價(jià)格和熱需求響應(yīng)的信息交互。

圖1 ICES 與建筑集群協(xié)同優(yōu)化調(diào)度框架Fig.1 Collaborative optimal dispatch framework of ICES and building aggregation

ICES 與建筑集群協(xié)同優(yōu)化主要解決以下2 個(gè)問(wèn)題。

1）在物理層面上，ICES 中的絕熱性能不同的建筑集群通過(guò)與供熱網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)與ICES 的靈活互動(dòng)。因此，建筑用戶調(diào)整流經(jīng)散熱器的熱水流量時(shí)，會(huì)對(duì)社區(qū)供熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，需要在優(yōu)化調(diào)度中考慮網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)約束。

2）在交易層面上，ICES 運(yùn)營(yíng)商為絕熱性能不同的建筑分別提供不同的售熱價(jià)格，來(lái)指導(dǎo)不同建筑的用熱需求。建筑用戶的熱負(fù)荷又會(huì)影響運(yùn)營(yíng)商的售熱價(jià)格和能源供應(yīng)方案的制定。因此，在本框架中需要考慮運(yùn)營(yíng)商和不同用戶之間靈活的互動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化。

2 基礎(chǔ)模型

2.1 建筑側(cè)模型

本文基于熱阻-熱容（resistor-capacitor，RC）網(wǎng)絡(luò)［18］模型來(lái)模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)態(tài)過(guò)程。絕熱性能不同的住宅集群中，每個(gè)制熱區(qū)域的RC 網(wǎng)絡(luò)如附錄A 圖A1 所示。以某一個(gè)集群內(nèi)某個(gè)建筑的制熱區(qū)域1 為例：節(jié)點(diǎn)1 代表其室內(nèi)空氣，溫度為，其中，k為絕熱性能不同的住宅集群的編號(hào)；制熱區(qū)域1 周圍的其他空氣節(jié)點(diǎn)（分別為節(jié)點(diǎn)2、3、4、5），對(duì)應(yīng)的溫度分別為T2、T3、T4、T5。用戶通過(guò)調(diào)節(jié)散熱器閥門（圖A1 紅圈處）的開(kāi)合度來(lái)控制散熱器流量，使室內(nèi)溫度維持在舒適范圍內(nèi)。

單個(gè)制熱區(qū)域的熱平衡約束如式（1）和式（2）所示。

式中：C（j=2，3，4，5；k=1，2，…，N）為圍繞制熱區(qū)域的墻體的熱容，j為四面墻體的編號(hào)，N為絕熱性 能 不 同 的 住 宅 集 群 的 總 數(shù)；T和R分 別 為 兩節(jié)點(diǎn)間墻體的溫度和熱阻；t為時(shí)刻；T為制熱區(qū)域1 的室內(nèi)空氣溫度；Tk，2、Tk，3、Tk，4、Tk，5為與制熱區(qū)域1 相鄰的其他制熱區(qū)域的室內(nèi)溫度，若相鄰制熱區(qū)域是室外，則其為室外溫度；r1，j（j=2，3，4，5）為該面墻體是否接受陽(yáng)光照射的狀態(tài)變量，值為1 表示接受陽(yáng)光照射，否則值為0；α1，j和A（j=2，3，4，5）分別為四面墻體的吸熱率和表面積；Q（j=2，3，4，5）為 室 外 光 照 強(qiáng) 度；C為 制 熱 區(qū) 域1 的 熱 容；Rwin為窗體熱阻；Tout為室外溫度；Qwin為窗體接受的光照強(qiáng)度；Q和Q分別為制熱區(qū)域1 的散熱器熱量和內(nèi)部得熱量；τwin和Awin分別為窗體透射率和窗戶表面積。

t時(shí) 刻 單 個(gè) 制 熱 區(qū) 域i的 散 熱 器 熱 量Q如 式（3）所示［19］。假設(shè)每個(gè)建筑集群有I個(gè)制熱區(qū)域，將I個(gè)制熱區(qū)域的散熱器功率相加，可以得到t時(shí)刻第k個(gè)住宅集群的供熱總負(fù)荷P，如式（4）所示。室內(nèi)溫度的舒適范圍和散熱器可調(diào)流量約束，如式（5）和式（6）所示。

式 中：cp為 水 的 比 熱 容；m和T分 別 為t時(shí) 刻 第k個(gè)住宅建筑集群內(nèi)制熱區(qū)域的散熱器中熱水流速和室內(nèi)溫度；T為調(diào)度周期；Ts和Tr分別為供水和回水 溫 度；Tr，max和Tr，min分 別 為 室 內(nèi) 溫 度 的 上 限 和 下限；mr，max和mr，min分 別 為 散 熱 器 流 量 的 上 限 和 下 限。

2.2 ICES 運(yùn)營(yíng)商模型

1）ICES 電熱平衡

ICES 的電平衡、熱平衡如式（7）和式（8）所示。

2）售熱價(jià)格約束

在設(shè)置售熱價(jià)格時(shí)，ICES 運(yùn)營(yíng)商需要考慮用戶的購(gòu)買意愿以及自身的收益。事實(shí)上，運(yùn)營(yíng)商與上級(jí)能源系統(tǒng)間的能源交易價(jià)格通常低于用戶直接與上級(jí)系統(tǒng)間的交易價(jià)格。為保證盈利，運(yùn)營(yíng)商制定的售熱價(jià)格應(yīng)高于其成本價(jià)，如式（9）所示。為了確保用戶的購(gòu)買意愿，運(yùn)營(yíng)商的售價(jià)均值不應(yīng)高于用戶與上級(jí)系統(tǒng)的交易均價(jià)，如式（10）所示。

3）CHP 機(jī)組

CHP 機(jī)組的電熱轉(zhuǎn)化關(guān)系及約束如式（11）至式（13）所示［13］。

4）熱泵

熱泵的電熱轉(zhuǎn)化關(guān)系及約束如式（14）和式（15）所示。

式中：ηhp為熱泵的電轉(zhuǎn)熱效率；p，max為熱泵的額定容量。

2.3 配電網(wǎng)模型

為保證社區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要考慮電網(wǎng)的相關(guān)約束。以配電網(wǎng)中一條支路為例，本文考慮的單向單分支徑向分布電路見(jiàn)附錄A 圖A2。其中，節(jié)點(diǎn)n為發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)n+1 為接收端，功率從節(jié)點(diǎn)n流向節(jié)點(diǎn)n+1。單條支路的功率和節(jié)點(diǎn)電壓如式（16）至式（18）所示［20］。

式中：Pn和Qn分別為節(jié)點(diǎn)n的注入有功功率和無(wú)功功率；Pn+1和Qn+1分別為節(jié)點(diǎn)n+1 的有功功率和無(wú)功功率；pn+1和qn+1分別為節(jié)點(diǎn)n+1 的負(fù)荷消耗的有功功率和無(wú)功功率；Vn和Vn+1分別為節(jié)點(diǎn)n和n+1 的電壓；rf和xf分別為節(jié)點(diǎn)間的電阻和電抗；rn和xn分別為節(jié)點(diǎn)n的電阻和電抗；ε為參數(shù)，取0.05。

2.4 供熱網(wǎng)絡(luò)模型

供熱網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支如附錄A 圖A3 所示。ICES 中的二次熱網(wǎng)規(guī)模小且距離短，可以忽略管網(wǎng)中的熱損耗［21］。因此，只需要考慮二次熱網(wǎng)的水力模型。

對(duì)于供熱網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的流量等于流出節(jié)點(diǎn)的流量［22］，如式（20）所示。

式中：YHDN為二次熱網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣；mpipe和mnode分別為各個(gè)管道流量和節(jié)點(diǎn)流量矩陣。

管道流量約束為：

式中：m為管道l在t時(shí)刻的流量；m和m分別為m的下限和上限；Npipe為管道集合。

管道內(nèi)，壓降與水流量的平方成正比，表示為：

式 中：ph，t為 節(jié) 點(diǎn)h在t時(shí) 刻 的 壓 力；ξl為 管 道l的 特性；κl、Ll和dl分別為管道l的摩擦系數(shù)、長(zhǎng)度和內(nèi)壁直徑；ρ為水的密度；Nnode為節(jié)點(diǎn)集合；pmaxh和pminh分別為節(jié)點(diǎn)h壓力的上限值和下限值。式（22）含有平方項(xiàng)，本文采用分段線性化方法對(duì)其進(jìn)行線性化處理［20］，具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄A 式（A4）至式（A8）。

3 雙層優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

3.1 ICES 運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)化模型

ICES 運(yùn)營(yíng)商向上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買電、熱、氣，再通過(guò)能源轉(zhuǎn)化設(shè)備為不同住宅集群的用戶供能。需滿足電熱平衡約束、售熱價(jià)格約束、設(shè)備運(yùn)行約束、配電網(wǎng)絡(luò)約束以及供熱網(wǎng)絡(luò)約束。ICES 運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)是最大化收益，如式（25）所示。

式中：Cale為ICES 運(yùn)營(yíng)商銷售給不同住宅集群用戶 的電價(jià)格；Cuy、Cuy和C分別為運(yùn)營(yíng)商向上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買的電、氣和熱價(jià)格；Δt為時(shí)間間隔。

3.2 建筑用戶的優(yōu)化模型

下層住宅建筑用戶的目標(biāo)是最小化各自的用能成本，需滿足室內(nèi)熱平衡約束、散熱器流量約束以及室內(nèi)溫度約束，如式（26）所示。

3.3 雙層優(yōu)化模型求解

本文構(gòu)建的雙層優(yōu)化模型中，下層建筑用戶在進(jìn)行決策時(shí)，售熱價(jià)格被認(rèn)為是固定的。因此，下層問(wèn)題可看成線性問(wèn)題。當(dāng)下層問(wèn)題為線性時(shí)，雙層問(wèn)題可以通過(guò)構(gòu)建拉格朗日函數(shù)和庫(kù)恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件［23-24］將下層問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件轉(zhuǎn)化為上層問(wèn)題的約束條件，從而將雙層優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單層帶有平衡約束的數(shù)學(xué)問(wèn)題（mathematical problem with equilibrium constraints，MPEC）模型。下層問(wèn)題的KKT 條件如附錄A 第A4 節(jié)所示。此時(shí)，整個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為上層問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，即式（25）中的目標(biāo)函數(shù)。其中，由于C、P為2 個(gè)變量相乘的形式，轉(zhuǎn)化后的單層MPEC 模型目標(biāo)函數(shù)是非線性的?？梢赃\(yùn)用強(qiáng)對(duì)偶原理［25］將下層問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)對(duì)偶問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，從而線性化式（25）中的非線性項(xiàng)。下層問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)與對(duì)偶問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)附錄A 第A5 節(jié)。至此，原雙層優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單層線性化問(wèn)題，從而方便求解。雙層優(yōu)化模型及求解流程如附錄B 圖B1 所示，轉(zhuǎn)化得到的混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed-integer linear programming，MILP）模型如式（27）所示，其中，E，inner的表達(dá)式見(jiàn)附錄A 式（A23）。

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

本文采用如附錄B 圖B3 所示的系統(tǒng)用作測(cè)試算例，算例中的ICES 為3 個(gè)絕熱性能不同的住宅集群提供服務(wù)，每個(gè)住宅集群均有10 棟住宅建筑，每棟住宅建筑有10 層，每層4 個(gè)用戶，每個(gè)用戶包含4 個(gè)制熱區(qū)域，單個(gè)制熱區(qū)域長(zhǎng)度為6 m，寬度為6 m，高度為3 m。選取中國(guó)北方冬季日為背景，不同住宅集群的用戶的單個(gè)制熱區(qū)域的相關(guān)參數(shù)（見(jiàn)表B1）參考文獻(xiàn)［26］，室外溫度（見(jiàn)圖B4）參考文獻(xiàn)［27］，光照強(qiáng)度參考文獻(xiàn)［28］，每個(gè)制熱區(qū)域的室內(nèi)得熱量參考文獻(xiàn)［13］，單個(gè)用戶的電負(fù)荷（見(jiàn)圖B5 和圖B6）參考文獻(xiàn)［7］。如圖B5 所示，運(yùn)營(yíng)商從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買的能源價(jià)格要比用戶從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買的價(jià)格低20%。本文只考慮了不同住宅集群用戶熱需求響應(yīng)對(duì)其差異化的購(gòu)熱價(jià)格的影響，用戶的購(gòu)電價(jià)格等同于用戶直接從上級(jí)能源系統(tǒng)的購(gòu)電價(jià)格。設(shè)定熱價(jià)和用戶散熱器流量均為每小時(shí)變化一次。

4.2 考慮絕熱性能不同的建筑集群ICES 協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

基于下級(jí)用戶的能源需求和上層能源系統(tǒng)的能源售價(jià)，ICES 運(yùn)營(yíng)商優(yōu)化自己的能源生產(chǎn)計(jì)劃和售熱價(jià)格，使得自己的利益最大化。ICES 運(yùn)行商電能、熱能的生產(chǎn)分配結(jié)果如圖2 所示。

圖2 ICES 運(yùn)營(yíng)商的能量調(diào)度Fig.2 Energy dispatch of ICES operator

由圖2 可知，由于熱泵的產(chǎn)熱效率遠(yuǎn)高于CHP機(jī)組，在1 天的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，運(yùn)營(yíng)商會(huì)選擇熱泵為住宅建筑供熱。在16：00 和22：00 時(shí)，用戶熱負(fù)荷處于峰值，由于熱泵容量有限，運(yùn)營(yíng)商采取其他方式滿足用戶熱需求。在16：00 時(shí)，運(yùn)營(yíng)商從上層能源系統(tǒng)購(gòu)熱價(jià)格略低于購(gòu)氣價(jià)格。因此，運(yùn)營(yíng)商選擇從上級(jí)能源系統(tǒng)直接購(gòu)熱。在22：00 時(shí)，運(yùn)營(yíng)商從上層能源系統(tǒng)購(gòu)熱價(jià)格高于購(gòu)氣價(jià)格，并且運(yùn)營(yíng)商購(gòu)電價(jià)格較高。此時(shí)，用戶電負(fù)荷又處于較高水平，運(yùn)營(yíng)商選擇調(diào)度CHP 機(jī)組，滿足用戶的電需求和熱需求。在05：00 和06：00 時(shí)，熱泵供熱能力不足，運(yùn)營(yíng)商從上層能源系統(tǒng)購(gòu)熱價(jià)格低于購(gòu)氣價(jià)格時(shí)，運(yùn)營(yíng)商選擇調(diào)度CHP 機(jī)組滿足用戶熱需求。

在18：00—20：00 時(shí)段，運(yùn)營(yíng)商從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)電的價(jià)格是購(gòu)買天然氣的3 倍。因此，CHP 機(jī)組成為主要的能源供應(yīng)設(shè)備。隨著電價(jià)的下降，從21：00 至 次 日17：00，熱 泵 再 次 成 為 主 要 的 供熱源。

不同社區(qū)的建筑保溫絕熱性能不同，反映在維持各自室溫舒適度下所需的散熱器流量不同。如圖3 所示，在01：00—04：00 時(shí)段，雖然各建筑集群的購(gòu)熱價(jià)格發(fā)生變化（見(jiàn)圖4），但各自室內(nèi)流量基本不變，是因?yàn)榭紤]用熱成本，僅將室內(nèi)溫度維持在下限。此時(shí)，集群A用戶所需要的流量最少（小于0.01 kg/s），集群C用戶所需要的流量最多（大于0.02 kg/s），集群B用戶所需要的流量介于二者之間。在15：00—19：00 時(shí)段，由于室外溫度驟降（見(jiàn)附錄B 圖B4），但此時(shí)各建筑集群購(gòu)熱價(jià)格處于上升水平，各建筑集群為保證室內(nèi)溫度舒適度和兼顧用熱成本，集群A、B、C分別在14：00、16：00、16：00（各自購(gòu)熱價(jià)格最低）時(shí)，增大換熱器流量從而進(jìn)行提前蓄熱，集群A較集群B、C蓄熱效果更好（從圖3可知其室內(nèi)溫度保溫時(shí)長(zhǎng)分別為4 h、2 h、1 h），集群B、C依次次之。

圖3 室內(nèi)散熱器流量與室內(nèi)溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between indoor radiator flow and indoor temperature

圖4 室內(nèi)散熱器流量與售熱價(jià)格的關(guān)系Fig.4 Relationship between indoor water flow rate of radiator and price of heating sale

以上分析可驗(yàn)證不同集群的絕熱效果為：集群A絕熱性能最好，集群B介于二者之間，集群C絕熱性能最差。

在室外溫度、建筑的絕熱性能、ICES 運(yùn)營(yíng)商售熱價(jià)格的影響下，不同集群用戶單個(gè)制熱區(qū)域散熱器流量如圖4 所示。

對(duì)于集群A，在室外溫度驟降時(shí)段（17：00—19：00），由于該建筑集群在16：00 和19：00 進(jìn)行了提前蓄熱，故在售熱價(jià)格較高時(shí)刻可降低運(yùn)行成本（此時(shí)的散熱器流量為0），在售熱價(jià)格的低谷時(shí)（14：00和22：00），散熱器流量處于峰值；對(duì)于集群B，在售熱價(jià)格的高峰時(shí)（18：00 和20：00），散熱器的流量較低。相反，在售熱價(jià)格的低谷時(shí)（19：00 和22：00），散熱器流量達(dá)到了峰值，在室外溫度驟降時(shí)段，雖然集群B在16：00（售熱價(jià)格較低時(shí)）進(jìn)行了蓄熱，為維持室內(nèi)舒適度，仍需要在19：00（此時(shí)集群B購(gòu)熱價(jià)格較高）進(jìn)行二次蓄熱，這是由于集群B的絕熱性能介于集群A和C之間；對(duì)于集群C，在售熱價(jià)格的高峰時(shí)（05：00、13：00、17：00），散熱器的流量較低，在售熱價(jià)格的低谷時(shí)（07：00、10：00、16：00），散熱器流量達(dá)到了峰值。當(dāng)室外溫度驟降時(shí)，雖然集群C在16：00（售熱價(jià)格較低時(shí)）進(jìn)行了蓄熱，但為了維持室內(nèi)舒適度，仍然需要在17：00、18：00、19：00（此時(shí)的集群C購(gòu)熱價(jià)格較高）進(jìn)行多次蓄熱，這是由于集群C絕熱性能最低。

此外，各住宅集群流量的峰值一般出現(xiàn)在售熱價(jià)格達(dá)到峰值之前。

4.3 對(duì)比算例分析

為了分析驗(yàn)證建筑與ICES 協(xié)同優(yōu)化互動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，本文按照相同的模型和方法設(shè)置了如附錄B 表B2 所 示 的2 個(gè) 場(chǎng) 景。

場(chǎng)景1：本文提出的絕熱性能差異的建筑集群與ICES 協(xié)同優(yōu)化互動(dòng)，并考慮在不同用戶熱需求下提供差異化能源價(jià)格。

場(chǎng) 景2：運(yùn) 營(yíng) 商 在0.9Cbuy，USER～1.1Cuy，USER的范圍內(nèi)設(shè)定售熱價(jià)格，沒(méi)有考慮絕熱性能差異的建筑集群與ICES 協(xié)同優(yōu)化互動(dòng)。

如附錄B 圖B6 和表B3 所示，對(duì)于場(chǎng)景2 來(lái)說(shuō)，各建筑集群的購(gòu)熱價(jià)格由ICES 運(yùn)營(yíng)商決定，會(huì)出現(xiàn)2 種情況。

第1 種情況：當(dāng)ICES 運(yùn)營(yíng)商定價(jià)過(guò)高（附錄B圖B6 中1.1C，buy的點(diǎn)），運(yùn)營(yíng)商獲得比場(chǎng)景1 更多的利潤(rùn)，但此時(shí)建筑集群用能成本也相應(yīng)能加，這樣的結(jié)果不利于建筑集群。

第2 種情況：當(dāng)ICES 運(yùn)營(yíng)商定價(jià)過(guò)低（附錄B圖B6 中0.9C，buy的點(diǎn)），與場(chǎng)景1 相比，各建筑集群用能成本降低，但運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)也顯著降低，這樣的結(jié)果不利于運(yùn)營(yíng)商。與場(chǎng)景2 相比，場(chǎng)景1 不僅充分調(diào)動(dòng)各建筑集群與ICES 運(yùn)營(yíng)商互動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)潛力，也能均衡二者之間的利益。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證考慮建筑差異化供熱的優(yōu)勢(shì)，本文進(jìn)一步設(shè)置了場(chǎng)景3 進(jìn)行對(duì)比。場(chǎng)景3：運(yùn)營(yíng)商設(shè)定固定的售熱價(jià)格，并且建筑內(nèi)散熱器的流量也不可調(diào)，這也是中國(guó)北方傳統(tǒng)的供熱方案［14］。本文場(chǎng)景3 設(shè)定的固定散熱器流量為0.015 kg/s。場(chǎng)景1和場(chǎng)景3 設(shè)置如附錄B 表B4 所示。

3 種場(chǎng)景下各建筑集群室內(nèi)溫度對(duì)此如附錄B圖B7 所示。場(chǎng)景1 和場(chǎng)景2 可以將室內(nèi)溫度保持在舒適度范圍內(nèi)，而場(chǎng)景3 由于不考慮建筑的熱需求響應(yīng)，其室內(nèi)溫度隨室外溫度的變化而變化，無(wú)法保持在舒適度范圍內(nèi)。此外，由于住宅集群A、B、C的絕熱性能不同，造成建筑集群A和B的室內(nèi)溫度過(guò)高而集群C室內(nèi)溫度過(guò)低的情況。這也反映了現(xiàn)實(shí)生活中不考慮建筑絕熱性能差異的集中供暖方式會(huì)造成絕熱性能高的建筑容易過(guò)熱而絕熱等級(jí)低的建筑又存在供熱不足的問(wèn)題。而供熱過(guò)熱的建筑用戶往往會(huì)采用開(kāi)窗通風(fēng)等方式來(lái)降低其室內(nèi)溫度，從而造成了能源浪費(fèi)。因此，傳統(tǒng)的供熱方式不僅犧牲了用戶的舒適性，還造成了熱能浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種可集成不同絕熱性能建筑集群的ICES 協(xié)同優(yōu)化調(diào)度框架，兼顧建筑用戶和ICES運(yùn)營(yíng)商的利益，并進(jìn)一步考慮了不同絕熱性能建筑用戶的差異化熱需求響應(yīng)能力，充分挖掘供需兩端的靈活性。所得結(jié)論如下：

1）ICES 運(yùn)營(yíng)商能夠?yàn)椴煌瑹嵝枨箜憫?yīng)能力的用戶提供差異化的售熱價(jià)格。結(jié)果表明，本文所提的方法可以得到供需雙方滿意的均衡解。

2）本文設(shè)置3 個(gè)具有不同絕熱性能的建筑集群，建筑集群絕熱性能從高到低的順序?yàn)锳、B、C。仿真結(jié)果表明，建筑集群運(yùn)營(yíng)成本從低到高的排序?yàn)锳、B、C。這說(shuō)明，具有良好絕熱性能的建筑集群能更好地利用自身的靈活性降低運(yùn)營(yíng)成本，從而對(duì)ICES 運(yùn)營(yíng)商售熱價(jià)格產(chǎn)生更明顯的影響。

3）傳統(tǒng)的未考慮建筑絕熱性能差異性的供熱方案不僅難以保證差異化建筑用戶的舒適性，還有可能進(jìn)一步造成熱能浪費(fèi)。因此，考慮建筑絕熱性能差異的集中供熱方案具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文未考慮溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等不確定因素對(duì)建筑熱動(dòng)態(tài)建模的影響。未來(lái)工作會(huì)進(jìn)一步考慮含不確定因素的ICES 和絕熱性能差異化建筑群的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法。

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