分解小区域 解决大问题

　　然而，随着城市化的推进，城市人口激增，使得城市成为能源的最大消费端。如何高效且经济地为城市供能，成为全人类应对气候变化的重要战线。而这离不开能源学者的规划设计。

　　2019年6月，厦门大学能源学院教授赵英汝课题组，联合英国帝国理工学院、新加坡国立大学等多家科研机构，提出“分层设计”思想，优化区域级城市综合能源系统，相关成果发表在《应用能源》上。

　　难点重重的优化设计

　　近年来，城市能耗在全球终端能源消耗的占比逐年提升。截至2018年，城市建筑在终端能耗中的占比达到36%，相应的温室气体排放占能源总排放的39%。同时，人们生活水平的提高，进一步加速了城市能耗的上升。其中，城市建筑供冷与家用电器的能耗较2010年也分别上升了20%和18%。

　　然而，城市的能源需求增加并不一定是件坏事，而是需要采用更加可持续、高效且经济的方式来供给。无论是节水、节电、节热，还是污染物排放降低，想要实现节能减排的目标，都需要对城市能源消费利用的终端体现——城市综合能源系统进行优化设计。

　　“如果把城市比作一台巨大的机器，维持这台机器高速稳定运转的核心就在于动力系统，城市综合能源系统就是动力所在。”论文通讯作者赵英汝告诉《中国科学报》，综合能源系统通常指考虑源/网/荷/储的冷/热/气/电的复杂能源系统，它是现代化城市高效可靠运行发展的基础保证。

　　“通过城市综合能源系统，我们可以实现可再生能源的因地制宜、实现不同品位能源的梯级利用，能有效地提升能源转换效率、减少温室气体排放，且具备市场推广的经济性。”赵英汝说。

　　然而，一个区域级的城市综合能源系统通常涵盖几十到上百栋建筑，如何实现这种较大规模的城市综合能源系统的优化设计，在实际项目中和数学建模求解中都是难点。

　　赵英汝介绍，在时间尺度上，优化设计不仅要考虑整个系统全生命周期多年的运行状况，而且要计算给出每栋建筑各种能源设备逐时的运行策略，因此考虑从“小时”到“年”的时间尺度跨越是一个难点。在空间尺度上，每栋建筑允许建设独立的综合能源系统，同时还可以通过能源网络互相连接，形成“能源互联网”，所以优化整个能源网络在空间上的拓扑结构也是一个难点。

　　“由于城市综合能源系统优化设计通常是针对能源系统未来10~20年甚至更久的使用情况，故存在天气条件的不确定度以及众多不同类型的建筑中各种能源需求的不确定度。因此，考虑多重不确定度的情况下，设计一个经济又可靠的城市综合能源系统又是一个难点。”她说。

　　面对重重难点，一场创新性的“头脑风暴”由此展开。

　　小区域分解大问题

　　论文第一作者、厦门大学能源学院博士景锐介绍，团队主要采用系统工程思想的数学建模方法对城市综合能源系统进行模拟，通过分析计算，最后给出最优的系统设计方案。

　　一般来说，整个城市综合能源系统建模优化问题可分为能源网络布局选址优化、能源设备的技术组合与装机容量优化，以及整个系统的运行策略优化等。可若将这些问题全部一起计算，将超出普通电脑的计算能力。因此，团队提出“分层设计”思想，将整个问题分解成不同部分，分开计算，最后再汇总所有的计算结果。

　　以一个含有60栋大型商业建筑的经济开发区为例。

　　首先，从空间上来说，根据各栋楼的地理信息，团队通过聚类技术将含有60栋楼的这个“区域”分解成若干个小“邻域”，再分别求解每一个小邻域问题。在每一个小邻域中，研究人员进一步提出了“分布式”和“集中式”两种设计理念。

　　“其中，分布式指的是将能源网络的选址布局与能源系统的装机和运行同时优化，其结果从理论上来说是最优的，可能会出现某些建筑不参与到能源网络之中，而是单独建设自己的分布式能源系统。”景锐介绍，但“分布式”也受到客观计算能力的限制，问题的求解将花费大量的时间。因此，从方法实用性和推广的角度来说，设计单位不一定会乐意耗费大量的时间来等待计算机的求解。

　　为此，团队又提出了“集中式”的理念，将能源网络的选址布局与能源系统的装机和运行分解开来。

　　“我们先采用基于‘图论’的‘三角剖分’和‘最小生成树’的方法对能源网络进行优化设计，再对能源系统的装机和运行进行优化。这种方法能够在几分钟之内得到一个最优设计方案，但其缺点就是默认邻域内所有的建筑都通过同一个能源网络互联，只需要建设一套能源系统就能对该邻域内所有建筑进行供能。”景锐说。

　　因此，整个“分层设计”思想是将问题从“空间上”和“模型设计上”两个角度进行分解。

　　案例研究的结果表明，“分层设计”思想有效地降低了问题求解的难度，使得问题可以在普通个人电脑上求解。

　　“‘分布式’设计理念可比‘集中式’理念进一步节约5%左右的年均成本。但是，‘集中式’设计理念可在几分钟内完成求解，方便设计者随时调整，而‘分布式’则需要花费超过1天的时间才能完成求解。这两种理念可供设计者根据实际需要选择使用。”景锐说。

　　此外，团队还考虑了不同负荷与天气条件下的多重不确定性，使得优化得出的设计方案更接近真实情况。

　　城市区域开发新思路

　　据了解，此项研究填补了区域级能源系统优化设计方法研究上的不足，可为城市规划提供决策量化的依据，为实际项目的设计提供辅助设计方案。

　　其创新性的设计理念，不仅对于城市供能大有裨益，也为城市区域开发提供了新思路。

　　“在实际生活中，一个城市区域的开发也是分批逐步展开的，而非所有建筑同时盖起来。这与研究将‘大问题’分解为若干‘小问题’的‘分层设计’思想十分契合。”景锐介绍，在实际的城市开发项目中，也可将整个区域分解为若干个小邻域，同时团队提出的“分布式”和“集中式”两种设计理念亦可直接应用于指导设计，供决策者参考。

　　赵英汝表示，未来这一工作可继续扩大研究对象的范围，处理更大规模城市综合能源系统的优化设计问题。

　　“我们还发现，各楼宇间的能源负荷在时间上可能存在互补性，这对能源网络的建设有直接的影响，团队将进一步量化互补性对能源网络的影响。”赵英汝说。

　　作者：程唯珈 

　　来源：中国科学报 2019年6月24日

　　http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/6/347109.shtm 

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