摘要：为实现含冷、热、电区域型综合智慧能源系统的多能互补优势和能量梯级利用，以某区域综合智慧能源系统项目实例为基础，从区域能源资源评估、负荷预测、综合智慧能源系统建模、规划寻优方法等方面做详细的案例分析，可为区域型综合智慧能源系统规划项目提供参考和思路。

  随着碳中和目标的提出，以及构建新型电力系统的迫切需要，能源发展日益由集中走向分布、能源供给日益由单一走向综合、能源生产与消费日益由分离走向融合、能源工作重心日益从供给侧走向需求侧。

  综合智慧能源系统是以用户侧需求为导向，按照每个用户对各种能源（热、冷、电等）的需求，借助于科学合理的生产、分配、转换和利用技术，为用户更好的提供安全、可靠、经济、环保、生态等多目标优化的能源供应与服务，具有多能互补、梯级利用、多站融合的显著特征。

  在综合智慧能源规划研究领域，如何基于资源评估、负荷预测等边界条件确定规划目标函数并对规划寻优分析至关重要。本文结合项目实例，对含冷、热、电的区域综合智慧能源系统规划寻优进行详分析，从区域能源资源评估、负荷预测、综合智慧能源系统建模、规划寻优方法等方面做介绍，并依托相关项目数据对综合智慧能源规划方案做多元化的分析。本文可为区域型综合智慧能源系统规划设计和建设提供思路。

  规划区域位于重庆主城核心区，现以居住、工业及交通设施用地为主，总用地面积约5.62平方公里，地上现状建筑规模约465万平方米，非流动人口约6万人，呈高度建成状态。

  重庆地区全年太阳能资源分布极不均匀，属于我国划分的太阳能IV类资源区，历史年太阳辐照量平均值为3187.3MJ/m2。规划区域光照资源情况较差，发电收益依赖投资进一步降低。

  重庆其少部分地区存在较好的风能资源。在东北部和东南部高山地区，尤其是地势高突的高山草场、山脊的风能资源最好，西部地区及市内其他低海拔地区风能资源较小。规划区域在市内，风能资源较匮乏，不建议规模化建设风力发电。

  重庆地热能主要来自于地热水资源，市内水网密布，每平方公里水面积全国第一，水能蕴藏量巨大，极具开发潜力。规划区域毗邻江河，有利于对水资源的热能开发利用。

  截止2021年底，规划区域原有电厂（1台容量200MW的火力发电厂）和电厂（4台50MW机组和3台200MW机组，总装机容量800MW），为适应新发展要求，两个电厂逐步拆迁。区域内部署220kV变电站布点1座，规模3×240MVA，部署110千伏变电站4座，高规模在2-3×50MVA。重庆电力不能自求平衡，大量需要外调。因此，区域分布式电源建设可以某些特定的程度缓解区域电力供应压力。

  规划区域天然气资源富集地区，可自求平衡，主要供应居民、商业用户，已建立管道天然气系统。因此，区域内有建设天然气锅炉供热条件。

  根据现阶段资料，规划区内无现存热源点，不具备为本区块供能条件。因此，对建设区域综合智慧能源系统有迫切需要。

  电负荷预测是电网规划的基础工作。电负荷分布预测采用“负荷密度指标法”进行估算，如式（1）。

  由于区域处于规划阶段，不具备详细计算建筑负荷的条件，因此本阶段冷热负荷采用指标法进行估算，如式（2）。

  综合智慧能源系统涵盖众多类型的能源，具有随机性出力特性。因此要系统考虑“源网荷”协调运行，提升能源的利用率，实现冷、热、电多种能源复合式传输和利用。区域综合智慧能源能量转化如图2所示。

  光伏发电系统利用半导体的光生伏特效应将太阳能直接转化为电能，光电转化效率在13-18%。其发电功率与光照强度的关系，如式（3）。

  热泵是一种能将空气、水或土壤中低位热源转移到高位热源的装置，大多数都用在供暖。其典型数学模型为如式（4）。

  燃气锅炉通过燃烧天然气，将天然气的化学能转换为水的热能，以此满足采暖等热负荷需求。其典型数学模型为如式（5）。

  冷机系统通过压缩机加压使气体制冷剂液化，并利用液体制冷剂气化时需要吸收的特性来降低供冷区域的温度。其典型数学模型为如式（6）。

  综合智慧能源系统由于含有冷、热、电等多种形式的能源，具有“多能输入多能输出”的双端口模型特征，同时各能源存在一次能源和二次能源的转化和相互耦合，因此设计能量枢纽架构模型。

  上述能量枢纽物理架构搭建方法对于不同的能源输入、输出场景及候选设备类型，都可对系统按设备类型进行分区，并基于多能源耦合关系构建各区的物理架构，以此形成综合智慧能源系统的按类分区架构模型，具备通用性和可行性。

  区域型综合智慧能源系统规划除建立能量枢纽架构模型外，需考虑分布式电源出力、能源售价和用户用能习惯等多重不确定性因数。为此，提出一种满足上述需求的区域型综合智慧能源系统规划模型，目标是对总系统建设成本、运行成本、经营收益来优化，使得目标函数即项目收益率最大max f (x)。

  本区域综合智慧能源规划，共分两个区域。如图5所示。根据区域上位规划，立足九龙“美术半岛”功能定位与产业体系，坚持“绿色、低碳、节能、环保”的规划理念，按照“统一规划、分步实施”的原则，打造综合智慧能源体系，向用户更好的提供“热、冷、电”等多种能源及增值服务，助力“美术半岛”高质量快速发展。

  供能范围有区域内的文化设施、商业用地、商住用地和居住用地。主要为博物馆群、艺术会馆、半岛画苑、美术馆、国际文化总部等。

  按照表1规划区负荷密度指标和公式（1）对区域内电负荷进行估算，其中居住用地收费困难，不利于运行，所以居住用地不包含在电负荷估算范围内。经估算，规划区域总计电负荷40.4MW，其中1号区域电负荷18.31MW，2号区域22.09MW，估算结果见表2。

  考虑规划区域气候特征，冬季供暖时长为3个月，夏季供冷时长为4个月。按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134－2010）和《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2015）的要求，相关冷热负荷数据如图1所示。

  按照表3规划区冷热指标和公式（2），对区域内冷热负荷进行估算，估算结果见表4、5。

  考虑实际负荷受区域所覆盖类型负荷峰值的错位及造成的负荷叠加影响，故引入同时使用系数，根据文化设施、商业用地、商住用地和居住用地叠加分析，冷负荷取同时使用系数为0.64、热负荷取同时使用系数为0.62。故1号区域修正冷负荷50.97MW、热负荷21.59MW，2号区域修正冷负荷46.77MW、热负荷15.99MW。规划区域按用地性质估算冷负荷、热负荷值见图6。

  根据各用地性质对应产业，结合夏季供冷时间、冬季供暖时间，使用专业负荷软件统计计算得出能源达产后年供冷量9341.7万kWh，年供热量2351.9万kWh。

  2）能源站尽量远离居住用房，宜设在置公共绿地或公共建筑物的地下室内，有利于降低噪声并对地面整体规划影响较小；

  3）能源站的建设位置需考虑取退水口及管网的布置，尽可能降低沿长江取退水口的投资；

  1#综合智慧能源站对应1号区域供能，第一先考虑原电厂建筑作为能源站址；2#综合智慧能源站对应2号区域供能，优先与市政设施地块兼用或绿地半地下布置。其中1#综合智慧能源站为区域能源主站，负责整个区域的能源监控、运行管理及运营统筹，2#综合智慧能源站执行少人化值守策略。

  区域供冷方式一般有地（水）源热泵、空气源热泵、冷水机组、蒸汽型溴化锂机组、蓄冷装置等；供热方式一般有地（水）源热泵、空气源热泵、天然气锅炉、电锅炉、光热、电厂蒸汽、蓄热装置等。

  遵循规划区域建设“绿色、低碳、节能、环保”的生态新城的发展方针，结合周边能源禀赋等因素状况，考虑到项目所在地资源条件、供能稳定性、可靠性、经济性、节能环保性等因素，现阶段主供能方案首先排除蓄能方案、蒸汽型溴化锂方案、电锅炉方案和电厂蒸汽方案。

  本项目针对多种供能方案进行技术经济比较，包括：水源热泵方案、空气源热泵方案燃气锅炉方案及各类组合方案。

  基于现有可行供能方式，以1号区域综合智慧能源站为研究对象，有三种供能方案可选用，见表6。

  方案一：夏季制冷季，采用水源热泵+冷水机组的组合方式供冷；冬季制热季，采用江水源热泵供热。

  方案二：夏季制冷季，采用冷水机组供冷；冬季制热季，采用燃气热水锅炉的供热。

  方案三：夏季制冷季，采用空气源热泵+冷水机组的组合方式来进行供冷；冬季制热季，采用空气源热泵供热。

  由于1号区域供能第一先考虑原电厂建筑作为能源站址，原电厂的水泵房及取水口均可利用。建设成本包括设备费用、管网费用、土建安装费用、另外的费用等。根据三种方案测算各自建设成本，见表10。

  方案一、方案三的运行动力成本主要在购电、购水费用；方案二还有天然气采购费用。根据三种方案能量转化设备的运行特性，分别测算出各自运行所需的用电量、补水量、天然气消耗量，并得出各方案运行动力成本，见表11。

  方案一充分的利用了原电厂水泵房及取排水系统，减少系统的初投资和运行的成本；水源热泵系统一机两用，供能设备利用率高；不用设置冷却塔、锅炉；对燃气供应不依赖，能提供更优惠的供能价格，符合区域综合供能“绿色、低碳、节能、环保”核心理念。

  方案二制冷设备和制热设备分别在供热季和供冷季闲置，设备利用率不高。方案三空气源热泵相对于水源热泵能耗更大，运行过程中消耗大量电力，经营成本大幅度提高。空气源热泵系统，在冬季工况下，气温越低，用户端供暖热需求量越大，但气温低导致空气源热泵机组制热效率下降，出现热量供应和需求的不平衡，冬季低温情况会使得热泵机组效率会大幅降低。

  根据上述建设成本、运行动力成本分析，按照供冷热价格0.60元/kWh、接入费单价（一次性）160元/平米测算，三个方案资本金税后收益率分别为方案一11.95%、方案二7.25%、方案三2.62%。

  综上，方案一为最优目标函数。因此1号区域综合智慧能源系统规划建议以“水源热泵系统+离心式冷水机组系统”为核心建设能源站进行集中供冷供热，并扩展考虑建设分布式光伏、国家电投特殊智慧元素等项目，向用户更好的提供“热、冷、电”等多种能源及增值服务，提高能源的综合利用率，降低区域内用能成本。

  2号区域综合智慧能源系统模块设计与1号综合智慧能源系统采用同样方式对方案寻优。并根据规划区域的修正冷负荷、热负荷情况，系统模块设计配置5台水源热泵机组，单台制热量3868kW，制冷量为4220kW；4台离心式冷水机组，单台制冷量6680kW，见表12。

  基于“绿色、低碳、节能、环保”的建设理念和双碳目标下对绿电供应的迫切需求，因此在规划区域内商业用地有效面积上安装分布式光伏电站。

  根据规划区域的上位规划，公共服务设施用地、商业用地的有效光伏安装面积为6.01公顷，商业用地可利用面积为15.16公顷，伏发电总装机容量为21MW，估算具体结果如表13所示。

  光伏发电量采用PVSYST做多元化的分析计算。伏电站公共服务设施用地可利用面积的年发电量3735MWh，商业用地可利用面积的年发电量9337MWh。规划区总负荷约40.4MW。根据对于该区域的用电负荷分析，仅滨江规划区1号区域和2号区域的用电负荷分别为18.31MW和22.09MW，年用电量分别为36620MWh和44180MWh，远高于区域内分布式光伏发电量，可实现区域内100%消纳。

  供冷（热）管网、取水管网。在取退水管网敷设方案中，1、2#综合智慧能源站的的取水口均采用电厂原取水口，1#综合智慧能源站就近选用该取水口，2#综合智慧能源站通过取水管网与之连接；2座能源站的退水口采取就近方案。

  根据“统一规划、分步实施”的原则，一期先开展1#综合智慧能源站建设，2#综合智慧能源站在南站铁路搬迁后实施建设。因此区域综合智慧能源项目经济效益分析按一期、二期分别测算。

  一期1#综合智慧能源站项目规模总投资23882万元。二期2#综合智慧能源站项目项目规模总投资24657万元。两期总计投资48539万元。本项目营业收入来源主要为供冷水、供热、光伏发电等收入。根据测算，1#综合智慧能源站项目，在资本金20%的前提下，所得税后内部收益率11.95%；2#综合智慧能源站项目，在资本金20%的前提下，所得税后内部收益率11.02%。

  综合智慧能源系统涉及冷、热、电等多能源交互，同时包含有新能源发电、热泵、制冷机、储能装置和管网等能量耦合设备，对如何通过设备方案寻优，使得系统满足供能需求前提下，在建设成本、运行成本综合影响下，规划目标函数即收益率能够达到最优，是综合智慧能源系统规划的核心问题。本文结合某区域项目实例，从区域能源资源评估、负荷预测、综合智慧能源系统建模、规划寻优方法等方面做介绍，并借助算例分析，得出经济性较优的区域综合智慧能源系统规划，可为区域能源建设提供参考借鉴。未来将基于双碳目标进一步考虑绿证交易、碳交易等碳资产相关约束条件，提升目标函数分析的全面性，助力区域型综合智慧能源规划更加绿色、低碳、经济、节能。