エネルギー貯蔵技術に基づいた、冷暖房および電力を組み合わせたシステムの運用戦略を最適化する

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2928 (2023) この記事を引用

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エネルギー貯蔵技術は炭素排出政策を達成するための鍵です。この論文の目的は、バッテリーによる冷却、加熱、電力地中熱源ヒートポンプ複合システム (CCHP-GSHP) システムの全体的なパフォーマンスを向上させることです。発電単位の仕事量を制御することで新たな運転戦略（２点運転）を提案する。発電ユニットには非運転と蓄電池による定格効率運転の２つの運転モードがあります。新しい動作戦略は、バッテリーを使用しない従来の CCHP-GSHP と比較されます。最適化目標には、一次エネルギー節約率、二酸化炭素排出量削減率、年間総コスト削減率が含まれます。独立したGSHPシステムをリファレンスシステムとして使用します。最適化の問題を達成するために、複数母集団の遺伝的アルゴリズムが選択されます。ケーススタディとしてホテルの建物が選択されています。結合システムの最適な構成は、電気負荷戦略に従って計算されます。最後に、結果は、CCHP-GSHP システムが従来の CCHP-GSHP と比較して、新しい運用戦略の下でより優れたパフォーマンスを示していることを示しています (一次エネルギー節約率は 5.5% 増加し、年間二酸化炭素排出削減率は 1% 増加し、年間二酸化炭素排出削減率は 1% 増加しました)。年間の総コスト削減率は 5.1% 増加します）。この文書は、将来の CCHP-GSHP の統合および運用戦略に対する参考と提案を提供します。

エネルギーや環境をめぐる情勢がますます深刻になる中、省エネや排出削減への注目が高まっています1。 CCHP システムは、エネルギーの多段階利用を実現し、二酸化炭素排出量を効果的に削減できます2。その利点により、省エネと環境保護の分野で急速な発展が見られました3。 Nojavan et al.4 は、このシステムをモデル化するために、マイクロエネルギーグリッドに再生可能エネルギーを実装しました。 Zeng ら 5、6、7 は、ハイブリッド粒子群最適化アルゴリズムと遺伝的アルゴリズムを使用して、装置の非線形性を考慮して CCHP システムを動的に最適化しました。システムの設備容量やエネルギー配分を考慮し、省エネ率、二酸化炭素削減率、年間総コストの3つの観点から従来システムと比較し、最適化結果を検証しました。 Soheyli8 は、主原原として太陽光発電モジュール、風力タービン、固体酸化物燃料電池を含む新しい CCHP システムを検討しました。 Lu et al.9 は、モデルを解くための重みと微分進化粒子群最適化ハイブリッドアルゴリズムを決定する解析階層プロセスを使用する、分散型エネルギーシステムの季節運用戦略を提案しました。 Feng et al.10 は、さまざまな冷却方法の観点からシステムの性能を研究し、ハイブリッド冷却装置に基づいて CCHP システムを最適化しました。 Su et al.11 は、経済性、省エネ、環境保護の包括的な利点に基づいて、CCHP-GSHP システムの主要な動作パラメータを最適化および分析しました。 Chu et al.12 は、炭素税を目的関数として考慮し、さまざまなタイプの建物の CCHP-GSHP 共同供給システムの長所と短所を比較しました。 Yan et al.13 は、主にエネルギー利用とエネルギーカスケード利用を考慮して、圧縮空気エネルギー貯蔵を備えた新しい CCHP マイクログリッド構造を設計しました。 Li et al.14 は、熱交換器を備えた CCHP-GSHP 結合システムと、熱交換器を備えない CCHP-GSHP システムを比較しました。 Zhang et al.15 は、CCHP システムにおける 4 つの冷凍方式、すなわち廃熱駆動吸収式冷凍機、電気冷凍機、ガス吸収式冷凍機、および地中熱源ヒートポンプの長所と短所を比較しました。アラブクーサール氏とサディ氏は、発電システムのハイブリッド構成を改良した。このシステムは、二酸化炭素排出量を削減するための優れた総合的なパフォーマンスを備えています16。 Sadi ら 17,18 は、インドにおける太陽エネルギーとバイオマスエネルギーの利用の利点を分析しました。 Shoeibi et al.19 は、エネルギーシステムにおける太陽エネルギーの応用を分析し、まとめました。

最近の研究では、CCHP システムの統合スキームと最適化アルゴリズムが進歩しました。しかし、システム構成や運用戦略の変更など課題はまだ多い。 CCHP-GSHP システムでは、蓄電池の存在により発電ユニット (PGU) の効率が向上するという点はあまり考慮されていませんでした。この論文では、バッテリは PGU の電力を蓄えるために使用され、PGU は CCHP-GSHP システムの 2 点動作戦略を採用します。建物の負荷変動に対応し、結合システムの総合性能を高めるために、システムにはバッテリーが搭載されており、システムの調整能力が強化されています。システム全体の効率向上にプラスの影響を与えます。長沙市のホテルビルの事例を調査し、最適な構成を実現しました。計算には多母集団遺伝的アルゴリズム (MGA) を使用しました。

GSHPシステムは設計システムのリファレンスシステムとして考えられており、その設計結果を図1に示します。

独立したGSHPシステム。

GSHP システムは、建物に必要な冷暖房負荷を提供します。建物に必要な電力。建物とシステムに必要な電力は電力網から供給されます。システムの電源バランスは次のように説明されます。

ここで、\(E\) は建物の電力需要を表し、\(E_{GSHP,er}\) はシステム全体を動作させるための電力需要量、\(E_{GSHP}\) は建物の電気負荷を表します。駆動 GSHP システム。次のように表現できます。

ここで、\(Q^{c}\) と \(Q^{h}\) はそれぞれ建物の冷却能力と熱能力を示します。 \(COP_{GSHP}\) は GSHP システムの冷暖房効率を表し、次のように定義できます2:

ここで、 \(COP_{gshp}^{\max }\) は GSHP の定格効率を表し、 \(\eta_{gshp}\) は基準システムにおける GSHP の部分負荷係数であり、次のように記述できます。

ここで、 \(Q_{gshp}^{\max }\) は GSHP の定格容量であり、式は冷却または加熱を表します。エネルギーの変換と伝送を考慮すると、システムの 1 時間あたりの主なエネルギー消費量は次のようになります。

ここで \(\eta_{E}\) と \(\eta_{T}\) はそれぞれ発電効率と伝送効率です。

従来のGSHPと冷却、加熱、および電力システムを組み合わせたシステムを設計システムの比較システムとして考慮し、その設計結果を図2に示します。

従来の CCHP-GSHP システム。

従来の CCHP-GSHP システムのパワーバランス式は次のとおりです。

ここで、 \(E_{grid}\) はグリッドの電力消費量、 \(E_{pgu}\) は PGU によって供給される電力、 \(E\) は建物の電力負荷要件、 \( E_{er}\) は動作中のシステムの電力要件、\(E_{gshp}\) は GSHP の電力要件であり、以下のように定義できます。

ここで、\(Q_{gshp}^{c/h}\) は GSHP による冷却または加熱の供給量であり、式 1 で表すことができます。 (8):

ここで、\(m\) は、システムの冷却または加熱負荷要件の間で GSHP によって供給される冷却または加熱量の割合を示します。これはシステムの柔軟性を決定し、最適化変数として選択されます。地中熱ヒートポンプ部分は、従来の CCHP-GSHP システムと参照システムで同じです。

ここで、 \(\eta_{gshp}\) は GSHP の部分負荷係数であり、式 1 で表すことができます。 (10)。

ここで、 \(Q_{gshp}^{\max }\) は GSHP の定格容量です。 PGU の定格容量によって、システムがエネルギーのカスケード利用を効率的に実現できるかどうかが決まります。したがって、システムの最適化変数としても選択され、PGU によって消費される天然ガスは次のようになります。

ここで、\(E_{pgu}\) は PGU の実際の発電量であり、次のように表すことができます20:

パラメータ t は、PGU の発電効率を効果的に向上させることができ、システム全体の効率を向上させる上で決定的な役割を果たします。パラメーター f は PGU の部分負荷係数であり、決定変数として選択されます。これは次のように記述できます。

ここで、\(E_{pgu}^{\max }\) は PGU の定格発電量、\(\eta_{pgu}^{f}\) は発電効率です。結合システムの熱平衡は次のように表すことができます。

ここで \(Q\) は再生熱を表します。 \(\eta_{tst}\) は蓄熱タンクの 1 時間あたりの熱損失係数、\(\eta_{rec}\) は熱回収システムの効率です。 \(COP_{ab}\) は次のように表現できます。

ボイラーで消費されるガスは次のように計算できます。

PGU にアキュムレータを備えた 2 動作モデル CCHP-GSHP システムの概略図を図 3 に示します。2 動作モデル CCHP-GSHP システムのパワーバランス式は次のとおりです。

\(E_{grid}\) はグリッドの電力消費量、\(E_{pgu}\) は PGU によって供給される電力量、\(E\) は PGU の必要な電力負荷です。建物。 \(E_{bat}^{out}\) はアキュムレータからエクスポートされた電力量を示し、\(E_{bat}^{in}\) はアキュムレータにインポートされた電力量を示します。 \(\eta_{in}\) と \(\eta_{out}\) はバッテリーの充電効率と放電効率です21。 2 点動作モデル CCHP-GSHP システムでは、アキュムレータの容量 (Batmax) がシステムの調整能力を決定し、それが最適化変数として採用されます。

2点動作CCHP-GSHP方式。

双方向インバータは、効率 \(\eta_{c}\)22 で AC バスと DC バスの間の接続に使用されます。次に、PGU からの AC が DC に変換されてバッテリーが充電され、残りの機器モデルは従来のシステムと一致します。最適化変数には PGU の定格容量と GSHP の負荷率が含まれますが、PGU の動作モードが決定されているため、PGU の起動パラメータは考慮されません。 \(E_{pgu}\) は PGU の実際の発電量であり、次のように表すことができます。

標準遺伝的アルゴリズムとも呼ばれる遺伝的アルゴリズムは、1975 年にジョンホランドによって初めて提案されました。多母集団遺伝的アルゴリズムは、標準遺伝的アルゴリズムに基づいています。しかし、遺伝的進化を達成するために単一の集団のみに依存する枠組みを打ち破り、最適な結果を同時に探索するために複数の集団を導入します。各母集団は異なる制御パラメーターを持ち、異なる検索目的を達成します。異なる人口は、移住者を通じて相互に影響を及ぼします。優秀な人材を獲得するために手動選択が使用されます。最終的に最良の結果は、すべての集団の共進化の複合効果です。複数の母集団である遺伝的アルゴリズムは、全体最適化のためのシステム決定変数として、ソースヒートポンプの加熱/冷却負荷率と貯蔵容量における原動機とカップリングシステムの定格静電容量を最適化するために開発されています。最適化目標ではエネルギー、環境、経済指標を考慮し、MATLAB ソフトウェアを使用して計算プロセス全体を実現します。

一次省エネ率

エネルギー指標として年間一次エネルギー節約率を採用した。結合システムのエネルギー消費には、PGU およびボイラーによって消費される天然ガスと、電力網によって消費される化石燃料が含まれます。これは次のように表現できます。

ここで、\(F_{CCHP}\) は結合システムの年間化石エネルギー消費量、\(F_{pgu}^{n}\) は PGU による 1 時間あたりの天然ガス消費量、\(F_{b}^ {n}\) はボイラーによる 1 時間あたりの天然ガス消費量、\(F_{grid}^{n}\) は電力網の 1 時間あたりの化石燃料消費量です。電力網による化石燃料消費を含む参照システムは、次のように表すことができます。

ここで、\(F_{GSHP}^{{}}\) は基準系の年間化石エネルギー消費量、\(F_{GSHP,grid}^{n}\) は基準系の 1 時間あたりの化石燃料消費量です。公共の電力網。したがって、年間省エネ率は次のように表すことができます。

ここで、 \(P_{energy}\) は CCHP システムの主なエネルギー節約率、 \(F_{GSHP}^{{}}\) は基準システムの年間エネルギー消費量、 \(F_{CCHP}\ ) は、結合システムの年間の化石エネルギー消費量です。

年間総コストの削減率

経済指標として年間総コストが選択されます。これには天然ガスコスト、炭素税、年間初期投資が含まれ、次のように計算できます。

ここで、\(CR_{CCHP}\) は結合システムの年間総コスト、\(N_{gas}\) は 1 時間あたりキロワットあたりの天然ガスのコスト、\(N_{grid}\) は単位です公共送電網のコスト、\(ER_{CCHP}\) は結合システムからの年間 CO2 排出量、\(E_{grid}^{n}\) は公共送電網の電力消費量、\ (T\) は炭素税を表します。 \(Ca_{k}\) は結合システム内の設備の単位容量、\(Co_{k}\) は設備の単価、\(y\) は設備の数です。 \(P\) は投資収益率であり、式 1 で定義できます。 (28)。

ここで、\(I\) は金利、\(d\) は設備の寿命を表します。この論文では、\(I\) と \(d\) がすべての機器で等しいと仮定します。次に、基準システムの年間総コストは式 1 に示されます。年間総コストの削減率は式(29)で表すことができます。 (30)。

CO2年間排出量の削減率

環境指標としては年間CO2排出量を採用しています。結合システムの CO2 排出率には、PGU とボイラーによる天然ガスの消費量と、公共送電網による化石燃料の消費量が含まれており、次のように表すことができます。

ここで、\(ER_{CCHP}\) は結合システムからの年間 CO2 排出量、\(M_{gas}\) は天然ガス単位あたりの CO2 排出量、\(M_{grid}\) は CO2 排出量です電力網の単位あたり。基準システムの CO2 排出量には、公共電力網による化石燃料の消費量が含まれており、次のように表すことができます。

ここで、 \(E_{GSHP,grid}^{n}\) は、参照システムの 1 時間あたりの電力消費量です。したがって、CO2 の年間排出量の削減率は式(1)で表すことができます。 (33) に示します。

全体的なパフォーマンス

結合システムの総合的なパフォーマンスを反映するために、エネルギー、経済、環境の指標が次の式に組み合わされます。

ここで、\(\delta_{1}\)、\(\delta_{2}\)、\(\delta_{3}\) は重み係数であり、これには \(0 \le \delta_{1}\)、\ が必要です。 (\delta_{2} \le 1\)、\(\delta_{3} \le 1\)、および \(\delta_{1} + \delta_{2} + \delta_{3} \le 1\) 。これらの値は、それぞれエネルギー、経済、環境指標の重要性を表しています。文献によると、\(\delta_{1}\)、\(\delta_{2}\)、\(\delta_{3}\) は均等に 1/3 に設定されています。これは、環境指標と経済指標が同じになることを意味します。も同様に重要です。モデルを最適化する目的は、モデルの最大値を見つけることです。この論文では、最大化問題は最小化問題に変換されます。したがって、このモデルの最適化目標は次のように表されます。

提案された最適化モデルを検証するためにホテルの建物が選択されます。ホテルの建物は長沙市にあります。 Energy Plus ソフトウェアを使用して、建物の 1 時間ごとの冷暖房負荷をシミュレーションしました。結果を図 4 に示します。

1 つの建物の年間負荷。

システムコストとエネルギー価格を表 1 に示します。システム機器パラメータを表 2 に示します。エネルギー炭素排出量を表 3 に示します。

図１、２に示すように。図５および図６を参照すると、ＰＧＵがＣＣＨＰ−ＧＳＨＰシステムに対して２点動作戦略を使用するとき、発電効率は最高レベルを有し、バッテリ効率は比較的高く、これはシステムにとって良好な調整である。 PGU は、インターバル作業において高い効率性で多大なサポートを提供してきました。したがって、電力網の補充スペースは大幅に減少し、PGU の容量は大幅には増加しません。省エネと環境保護の観点から、システム全体の総合パフォーマンスが向上します。

従来の CCHP-GSHP システムの年間電力配分。

2点動作CCHP-GSHPシステムの年間電力分布。

図３と図４を比較するとわかるように、図7と8では、CCHPシステムの2点動作戦略で動作するPGUが蓄熱タンクの利用効率を向上させ、高効率で動作するPGUを調整し、より多くのサポートを提供するという優れた役割を果たしています。 2 点動作 CCHP-GSHP システムでは電源の経済コストが低いため、GSHP の容量はさらに向上しました。冷暖房費が比較的削減されます。システムの全体的なパフォーマンスが向上します。

従来のCCHP-GSHPシステムの年間熱量分布。

2点運転CCHP-GSHPシステムの年間熱量分布。

図9に示すように、基準システムと比較して、従来のCCHP-GSHPシステムの一次エネルギー節約率は27.7%、年間総コスト削減率は37.5%、CO2排出量の削減率は47.7%、全体的なパフォーマンスは 37.7% です。バッテリーを使用したCCHP-GSHPシステムの一次エネルギー節約率は33.2%、年間総コスト削減率は38.5%、CO2排出量の削減率は52.8%、全体のパフォーマンスは41.5%です。したがって、バッテリーを備えた 2 点動作 CCHP-GSHP システムは、一次エネルギー節約率、CO2 排出率、年間総コスト削減率、および全体的なパフォーマンスが従来のシステムより 5.5%、1%、5.1%、および 3.9% 高くなります。それぞれCCHP-GSHPシステム。電池装備の増加によりコストは増加しますが、燃費低減の観点からシステム全体の性能を向上させています。

2つのシステムの最適化目標値。

従来の CCHP-GSHP システムと比較して、提案された 2 点動作モード CCHP-GSHP システムはあらゆる面で利点があり、一次エネルギー節約率、二酸化炭素排出率、炭素排出率が 5.5%、1%、5.1%、3.9% 高くなります。それぞれ、年間総コスト削減率と総合的なパフォーマンスです。結果は、最適化されたカップリングシステムがより省エネ、環境保護、経済的な方法で機能できることを示し、カップリングシステム、運用戦略、および最適化方法の有効性を証明しました。

建物の負荷変動を満足させ、結合システムの組み合わせ性能を強化するために、本稿は、その後のCCHP-GSHPシステムの統合と運用戦略に一定の参考と提案を提供します。

現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

この研究は、中国国家自然科学財団 (51776226) の資金提供を受け、中南大学中央大学基礎研究基金 (1053320214535) の支援を受けました。

中南大学エネルギー科学工学部、長沙、410083、中国

Yu Zhang、Yan Deng、Zimin Zheng、Yao Yao、Yicai Liu

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

YZ と YD は研究作業を設計および主導し、YZ とともに著者全員からの意見をもとに原稿の草稿を作成しました。 YZ、YD、ZZ、YY がシミュレーション作業に参加し、YL が原稿をレビューしました。

劉亦才さんへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zhang, Y.、Deng, Y.、Zheng, Z. 他エネルギー貯蔵技術に基づいて、冷暖房および電力を組み合わせたシステムの運用戦略を最適化します。 Sci Rep 13、2928 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29938-6

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受信日: 2022 年 11 月 10 日

受理日: 2023 年 2 月 13 日

公開日: 2023 年 2 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29938-6

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