一种基于遗传算法的多能互补供热系统容量优化配置方法与流程

本发明涉及一种供热系统容量优化配置方法，尤其涉及多能互补供热系统容量优化配置方法。

背景技术：

1、目前建筑运行能耗已成为我国三大“耗能大户”之一，采用清洁环保的可再生能源提供采暖和生活热水成为解决此问题的关键。现有的多种能源互补使用的供热系统即多能互补供热系统，如图1所示，一般包括太阳能供热单元、空气源热泵供热单元、燃气采暖热水炉供热单元和双盘管储水箱。储水箱包括上盘管、下盘管，下盘管的出水口接太阳能供热单元的太阳能集热器，太阳能集热器出水接下盘管的进水口，太阳能集热器吸收太阳辐射加热水箱，当室外太阳能辐照度较低时，太阳能供热单元停止运行。上盘管的出水口接燃气采暖热水炉供热单元的燃气采暖热水炉采暖进水口并经燃气采暖热水炉连接采暖供水，采暖回水接上盘管的回水口。燃气采暖热水炉生活热水侧直接接入储水箱，当储水箱中生活热水出口温度无法达到设定温度时，燃气采暖热水炉运行加热生活热水，达到设定温度时，燃气采暖热水炉不运行；燃气采暖热水炉采暖侧接入上盘管，当上盘管采暖出口温度无法达到设定温度时，燃气采暖热水炉运行加热采暖水，达到设定温度时，燃气采暖热水炉不运行。空气源热泵供热单元直接接入储水箱，通过吸收空气中的热量加热储水箱，当空气源热泵供热单元能效较低时，空气源热泵供热单元停止运行。

2、以上三种供热单元可两两组合使用，为用户提供热量，其中太阳能集热器和空气源热泵热水器提供了以太阳能和空气能为热源的可再生能源，燃气采暖热水炉消耗燃气，提供了系统的基本热源，满足用户需求，尽量的采纳和使用可再生能源，减少燃气能源消耗，提供环保、绿色和智能化的供热解决方案。

3、多能互补供热系统由于涉及的供热单元较多，系统中各供热单元的容量选择严重制约了该系统向市场的推广与应用，如何客观、快速地得出系统优化配置方案，成为行业中亟待解决的问题。利用遗传算法求解系统优化配置时的多因素、多目标的优化问题的相关研究较多，是当前的热点。许多学者通过改进适应度函数、设计新的变异算子、采用带标志的编码等措施完善遗传算法，使其更好的解决多目标优化问题；赵建东、徐林、高帅等人将基于遗传算法的多目标优化算法应用到风光柴蓄互补发电系统的优化设计上，以系统初期投资费用、运行费用或风光资源利用率等指标作为系统优化的目标函数，对系统的配置进行了优化设计，计算结果与传统的经验算法相比，采用遗传算法得出的系统容量配置在经济上、资源利用率上具有明显的优势。目前还没有相关专利将基于遗传算法的多目标优化算法应用在多能互补供热系统的优化设计上，同时由于多能互补供热系统涉及多个供热设备，现有技术中未能建立完整清晰的多能互补供热系统数学与仿真模型，不能进行多种供热设备在不同容量配置时系统运行情况的模拟计算。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以提高系统热效率，节省一次能源，减少污染物的排放的基于遗传算法的多能互补供热系统容量优化配置方法。

2、本发明提出的一种基于遗传算法的多能互补供热系统容量优化配置方法，包括下列步骤：

3、步骤一、构建多能互补供热系统的数学模型，计算多能互补供热系统运行全年的制热量与耗能量，所述的数学模型包括太阳能供热单元制热与能耗模型、空气源热泵供热单元制热与能耗模型、燃气采暖热水炉供热单元制热与能耗模型；

4、其中，太阳能供热单元制热与能耗模型为：

5、太阳能供热单元运行全年的制热量qsolar，计算公式为：

6、qsolar＝iθ·a·η·ts

7、式中qsolar为太阳能供热单元运行全年的制热量，j；iθ为单位面积太阳能集热器采光面上的瞬时总太阳能辐照量，w/m2；a为太阳能集热器面积，m2；η为集热效率；ts为太阳能供热单元全年运行时间，s；

8、太阳能供热单元运行全年的耗电量wsolar，计算公式为：

9、wsolar＝n1·ts

10、式中wsolar为太阳能供热单元运行全年的耗电量，j；n1为太阳能循环泵功率，w；

11、空气源热泵供热单元制热与能耗模型为：

12、空气源热泵供热单元运行全年的制热量qpump，计算公式为：

13、qpump＝mr×(h2-h3)×th

14、

15、式中qpump为空气源热泵供热单元运行全年的制热量，j；mr为空气源热泵的压缩机制冷剂质量流量，kg/s；h2为空气源热泵的压缩机出口制冷剂过热蒸汽的比焓，j/kg；h3为空气源热泵的冷凝器出口制冷剂液体的比焓，j/kg；th为空气源热泵供热单元全年运行时间，s；vh为空气源热泵的压缩机理论输气量，m3/s；v1为空气源热泵的压缩机进口气态制冷剂的比容，m3/kg；ηv为空气源热泵的压缩机容积效率，％；

16、空气源热泵供热单元运行全年的耗电量wpump，计算公式为：

17、wpump＝nth·th/(ηi·ηm·ηd·ηe)

18、nth＝mr×(h2-h1)

19、式中wpump为空气源热泵供热单元运行全年的耗电量，j；nth为空气源热泵的压缩机轴功率，w；ηi为空气源热泵的指示效率，％；ηm为空气源热泵的摩擦效率，％；ηd为空气源热泵的传动效率，％；ηe为空气源热泵的电动机效率，％；h1为空气源热泵的压缩机进口制冷剂过热蒸汽的比焓，j/kg；

20、空气源热泵供热单元能效cop，计算公式为：

21、cop＝qpump/wpump

22、所述的燃气采暖热水炉供热单元制热与能耗模型为：

23、燃气采暖热水炉供热单元运行全年的制热量qboiler，计算公式为：

24、qboiler＝q-qsolar-qpump

25、q＝qw+qh

26、式中qboiler为燃气采暖热水炉供热单元运行全年的制热量，j；q为系统全年总热负荷，j；qw为系统全年生活热水负荷，j；qh为系统全年采暖负荷，j；

27、燃气采暖热水炉供热单元运行全年的耗气量vg，计算公式为：

28、vg＝qboiler/(hi·ηb)

29、式中vg为燃气采暖热水炉供热单元运行全年的耗气量，m3；hi为送入燃气采暖热水炉中的燃气的热值，j/m3；ηb为燃气采暖热水炉热效率，％；

30、步骤二、将多能互补供热系统全年综合能效比和多能互补供热系统费用年值确定为多能互补供热系统优化的目标函数；

31、多能互补供热系统全年综合能效比eer的计算公式为：

32、

33、式中：βb为燃气锅炉的发电效率；

34、多能互补供热系统费用年值c的计算公式为：

35、

36、c0＝c1·a+c2·qp+c3·qb+c4·v

37、cr＝(wsolar+wpump)×pe/(3.6×106)+vg×pg

38、式中c为多能互补供热系统费用年值，元；cr为年运行费用，元；c0为初投资，元；i为折现率；n为设备使用年限；c1为太阳能集热器费用，元/m2；c2为空气源热泵费用，元/w；qp为空气源热泵额定制热量，w；c3为燃气采暖热水炉费用，元/w；qb为燃气采暖热水炉额定制热量，w；c4为储水箱费用，元/l；v为储水箱容量，l；pe为电价，元/kwh；pg为燃气价格，元/m3；

39、步骤三、基于热负荷需求，确定多能互补供热系统容量配置的约束条件，所述的约束条件包括太阳能集热器面积a、空气源热泵额定制热量qp、燃气采暖热水炉额定制热量qb和储水箱容量v；

40、所述的太阳能集热器面积a范围为：

41、0≤a≤amax

42、式中amax为太阳能集热器面积设计上限值，m2；

43、集热器面积设计上限值amax由采暖负荷计算得到：

44、

45、式中qh为采暖负荷，w；f为太阳能保证率，％；jt为安装太阳能集热器当地的采暖期在太阳能集热器安装倾斜面上的平均日太阳能辐照量，j/(m2·天)；ηl为太阳能供热单元热损失率，％；

46、所述的空气源热泵额定制热量qp范围为：

47、0≤qp≤max{qpw,qph}

48、

49、

50、式中qpw为根据热水负荷选型的空气泵热泵额定制热量，w；qph为根据采暖负荷选型的空气泵热泵额定制热量，w；qd为生活热水日耗热量，j；tp0为空气源热泵设定加热时间，s；copp为空气源热泵在最不利环境下能效；k1为使用地区的室外空调计算干球温度的修正系数；k2为机组融霜修正系数；

51、燃气采暖热水炉额定制热量qb范围为：

52、

53、式中qw为生活热水负荷，w；

54、储水箱容量v范围为：

55、

56、式中vmin为储水箱容量下限值，取一天的用水量，l；t为系统运行时间；ρ为水的密度，kg/m3；cp为水的比热容，tr为设定热水出水温度，℃；tl为自来水进水温度，℃；

57、步骤四、采用遗传算法，建立多能互补供热系统的多目标优化数学模型，公式为：

58、

59、步骤五、根据步骤四建立的多目标优化数学模型，利用matlab软件编写计算程序，在计算程序中调用基于遗传算法的多目标优化函数，随机产生设备容量配置a，qp，qb，v并对a，qp，qb，v不断更新迭代，得到系统全年综合能效比最高且系统费用年值最低即最优的设备容量配置。

60、本发明的有益效果：

61、(1)本发明针对多能互补供热系统，构建了系统数学模型，可以基于典型年气象数据、热负荷情况模拟系统全年运行特性，满足用户的生活热水需求和采暖需求。

62、(2)本发明提出一种多能互补供热系统的优化配置方法，该方法是以多能互补供热系统全年综合能效比和多能互补供热系统费用年值两个指标最优为目标函数，使得优化目标在设定的范围内尽可能地同时达到最佳，既提高了能源利用效率又降低了成本。

63、(3)本发明首次将遗传算法用于多能互补供热系统的优化配置中，解决多能互补供热系统因配置技术欠缺与滞后而限制系统推广与应用的问题。