引言我国既有工业建筑数量十分庞大，每年建筑的竣工面积统计情况如图1所示。能源消耗和碳排放随着持续增长的工业建筑规模而不断增长，提高工业园区热源系统能效已成为我国严寒地区节能减排和治理大气污染的紧迫任务。在工业园区应用清洁能源（包括清洁化石燃料、可再生能源和未利用能源）的能源微网取暖是工业园区节能减排的有效途径。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.009.F001图1我国建筑每年竣工面积1能源微网概念及优势能源微网是基于园区尺度的能源互联网，而能源互联网概念衍生自智能电网（smart grid）。智能电网是传统电力网与现代信息网的两网融合，采用信息网收集和处理用户端和发电端的信息并用来对电力进行自动调度，以提高电力生产和输配的效率。工业园区能源互联网变成了一种综合了电力系统、热力系统和信息系统的能源微网。能源微网的层次如图2所示。由于热力系统相比电网具有输运损耗大、距离不能过长、输送速度低、双向传输难度大等劣势，所以需要做更细致的研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.009.F002图2能源微网的层次工业园区热源系统的核心技术目标为：（1）利用能源微网实现高品位化石能源的梯级利用，促使利用效率提高；（2）利用能源微网提高低品位可再生能源（即热源）的使用率，增加可再生能源的有效能在城区负荷中的占比。工业园区热源系统的核心是可再生能源和清洁能源的现场发电，利用可再生能源和清洁能源的现场发电，是绿色生态城区能源系统的核心。但现场发电存在不稳定性和发电与供热不同步等2不确定因素，因此可以通过蓄能系统，使能源的生产和使用脱钩，确保供需平衡。研究中的“备份”办法有很多，例如用燃料电池、用电动汽车蓄电池等，热泵是能源微网最可靠的“备份”。能源微网供热系统结构如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.009.F003图3能源微网供热系统结构图电力系统具有传输低损耗和双向性特点，使其在能源的远距离输送上具有天然的优势；而热力系统中建筑围护结构和输配管网都具备一定的热惰性，相对于电力系统而言是一个天然蓄热特性很大的系统。因此，在工业园区层面的能源微网中，电能的能量形式主要用于传输，而热能需求则是作为终端能源消耗的最主要部分。2低温工业余热供暖系统发展现状针对未利用的低温工业余热，根据热源温度不同目前主要供暖方式有换热器换热和热泵取热。针对低品位余热中较高温度热源（如钢铁行业的高炉冲渣水、制铜厂的制酸环节、水泥厂的窑尾锅炉排气等）的热量可以利用污水换热器等特殊换热设备回收［1］，针对低品位余热中较低温度热源（如冷却循环水）的热量，可以采用电热泵、吸收式热泵等热功转换设备，输入一小部分电能或者化学能作为动力，并将余热温度进行提升，满足供暖温度要求后对厂区或周边校区进行供暖［2-3］。低品位工业余热供暖系统发展至今，既有系统均存在供暖规模较小、供暖半径偏小等若干问题，余热利用率较低导致工厂内只有小部分余热被回收，以小区规模为主，因为回收的低品位工业余热热量损耗问题，供热范围只能为厂区内部或相邻小区，而工业园区附近恰恰又是建筑密度较低的地区，造成能源生产与能源需求的地理上的不匹配。3联供系统优化设计研究现状与传统分供式能源系统相比，联供系统具有高效节能、电力削峰填谷、低碳环保、能源安全、结构可靠等优点。目前主流的热力发电效率约为30%～40%，而热力发电过程所产生的绝大部分余热废热都被直接排放到外界环境中。如果采用余热锅炉、吸收式热泵、废热换热器等换热设备将这部分余热废热回收用于供热或制冷，总效率将提高至80%～90%［4］。3.1联供系统的一般性能优化模型联供系统的运行策略、能量流动的结构、系统原动机和余热回收装置设备的类型、容量和数量决定了系统的节能、经济和环保因素。联供系统中配置不同类型的原动机设备的初投资、热电比、能效、污染物排放系数均不同，而设备配置的容量、数量的不同以及系统的不同运行策略直接影响了系统的经济性。原动机设备配置容量过大会直接导致系统较长时间处于部分负荷运行，造成系统能效偏低、经济性较差。为了保障用户冷热电负荷需求，原动机设备配置容量不能过小，以充分发挥联供系统高效节能与经济性的特点。因此，联供系统需要针对负荷需求以及系统特点进行优化，目前连供系统优化研究方向主要集中在结构优化、配置优化和运行优化，联供系统优化分类如图4所示。目前，设备配置和设备类型对系统经济、节能和环保性的影响以及联供系统集成优化等问题有待解决［5-7］。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.009.F004图4联供系统优化分类建立联供系统结构设计优化模型的优化目标函数如式（1）所示，设置（0，1）变量x为结构设计优化变量，联供系统中各个设备的选取与否由0和1分别代表；设备配置的容量和数量由设备配置优化变量y表示；设备运行与否和运行最小负荷率由云兄优化变量z表示。单一优化目标可以设置为年费用最低、系统一次能源效率最高、污染物排放量最少等。针对多目标优化问题，需要采用加权系数法对各个优化目标进行加权，最终转化为单一目标优化问题。minx, y, zJ(x, y, z)          x, y, ≥0 (1)建立系统质量守恒、能量守恒、㶲守恒等关系的线性等式约束方程hi(z)，如式（2）所示。s.t.hi(z)=0          i=1, 2,⋯I (2)建立表示设备配置限制、运行策略限制、能源政策限制等关系的非线性不等式约束方程gjz，如式（3）所示。gj(z)≤0          j=1, 2, ⋯, J (3)建立设备配置优化模型的目标函数如式（4）所示。与式（1）相比，x为常量，即已知系统结构组成。miny, zJ(y, z) (4)建立运行策略优化模型如式（5）所示，与式（4）相比，y为常量，即已知系统设备配置数量与容量。minzJ(z) (5)3.2连供系统优化配置模型及算法（1）运行策略优化。在已知系统结构组成、设备配置数量和容量下对于系统运行策略进行优化。运行策略优化模型可分为优化模型的电价、气价、设备性能等参数均经过线性化处理为定值的混合整形线性规划模型（MILP），和考虑分时电价、阶梯气价、最小负荷率等非线性变化的参数的混合整形非线性规划模型（MINLP）。①MILP优化模型。Farghal［8］等采用广义网络规划方法（GNP），以最小能源消耗为优化目标，研究了带辅助锅炉与蒸汽轮机的CHP系统的运行策略优化。GNP方法的特点是通常可以解决更多变量和约束的问题，而其他优化方法则不易解决该问题。而遗传算法（GA）［9］具有处理任何目标函数（包括离散变量和连续变量）的能力，以及仅根据仿真模型的结果进行优化的能力，这是其他方法所不具备的。连供系统负荷来源具有多样性和相互依赖型以及技术经济随时间变化的特点，通过基于广义既约梯度法（GRG）［10］的热力学分析可以确定系统各设备性能参数间的联系，其中GRG具有计算量小，结构简单，便于应用的特点。②MINLP优化模型。Chen［11］等采用牛顿拉夫申算法（NRA），以运行费用为优化目标，在满足所有运行约束的情况下，研究了背压式汽轮机CHP系统的锅炉和发电机在不同分时率下的最优负荷分配。Manolas［12］等建立了能耗最低为优化目标函数的MINLP模型，采用GA方法对模型进行求解，最终得到蒸汽轮机CHP系统的最优运行策略。联供系统效率取决于热能和电能的产出，在非线性运行策略优化问题中可以采用进化规划方法（EP）［13］，使用最小二乘法得到的二次方程来修正热能和电能。Tsay［14］等以运行费用为优化目标，采用EP方法对分时率下CHP系统最优运行策略进行研究，该方法具有全局最优的趋势。（2）设备配置优化。设备配置优化模型可分 M为ILP优化模型、MINLP优化模型和多目标优化模型3种。①MILP优化模型。针对连供系统的设备配置优化问题可以先将其转化为设备容量的NLP问题和运行策略的MILP问题的两层次优化，其中设备容量优化NLP问题可以采用顺次线性规划方法（SLP）求解，运行策略的MILP问题可以采用BBA方法求解［15］。Gamou［16］等采用上述方法建立了基于各时段能源需求的概率分布模型用来解决燃料电池CCHP系统中无法满足能量需求时的设备配置优化问题。。②MINLP优化模型。因为MINLP问题中存在非常难求解的非线性项，其方程求解非常困难，需要将其中的非线性约束线性化处理，常用的方法为引入连续变量和相关约束。经过线性化处理后，其求解方式类似于MILP模型［17］。其优化目标一般为年度化费用［18］、净现值（NPV）［19］等。Zhang［20］等充分考虑了设备性能、分时电价、阶梯气价等非线性变化，以年度化费用最低为优化目标，建立了燃气轮机CCHP系统的MINLP设备模型，对最优配置方案进行了研究。Sérgio［21］等以㶲成本最低为优化目标，建立了燃气轮机CHP系统设备配置优化MINLP模型，并对模型求解得到最优设备配置。③多目标优化模型。针对多目标优化模型，一般引入权系数将多优化目标函数转换为单一目标函数之后进行求解。其中Yokoyama［22］等和张蓓红［23］等以最小年度化费用和年一次能源消耗量最少为双优化目标，研究了燃气轮机CCHP的合理的运行模式和运行方案。李赟［6］等以运行费用最低、各主要设备配置数量最少和实际运行负荷率最大为多级优化目标，求解燃气内燃机联供系统优化模型，得到该系统最优的设备配置。（3）结构设计优化。结构设计优化为联供系统的全过程优化，它包含了从系统能量流动结构设计和联供系统各类设备的选型、设备容量和数量配置到运行模式、运行方案。因为结构设计优化模型的复杂性，其非线性程度就越高，最终使得求解得到全局最优解变得非常困难［24］。Yokoyama［7］等建立了燃气轮机冷热电联供系统的结构设计优化模型，该模型以年度化费用为优化目标，考虑设备容量离散化，采用GAMS/CPLEX软件建立联供系统结构设计优化模型并采用BBA结合SA求解，最终得到了结构设计和系统配置的最优解。Alonso［25］、Frangopoulos［26］等分别以年度化费用和净现值（NPV）为优化目标，对燃料电池和燃气轮机CCHP系统的结构设计优化模型进行研究，因为他们的性能参数具有高度非线性化的特点，因此对这两个模型进行了时段（GRG方法）和结构（GA方法和GRG方法）的嵌套分解并求解，最终得到两个模型的最优结构设计优化方案。Burer［27］等以最小年度化费用和最小碳排放量为多优化目标，建立了燃气轮机结合燃料电池的CCHP系统的结构设计优化模型，采用多目标进化算法（MOEP）对模型进行求解，得到多种结构设计下的Pareto解，确定了结构设计最优方案。目前和未来一段时间内，联供系统设备配置优化和结构设计优化都是国内外联供系统优化研究相关领域学者关注的热点之一。4结语现阶段针对工业园区的低品位余热热能利用有所研究，但是缺乏对工业园区内部余热废热等未利用能源的统筹规划，造成工业园区能源系统设计不合理、余热废热资源没有得到充分利用，以及一次能源使用量过大、污染物排放量过高等一系列问题。在严寒地区工业建筑节能刚刚起步，尚缺乏完善的工业园区高效应用可再生能源等清洁能源的热源系统规划体系。传统规划设计经常出现系统设计和选型偏大，造成设备部分负荷运行、设备闲置、能源浪费、污染排放问题严重、成本过高等问题，且缺乏针对工业园区的热源系统优化配置方法与模型。应通过对基于能源微网的绿色工业园区热源系统优化配置的研究，寻找出工业园区清洁能源供暖的潜力、热源系统的优化配置方式、优化运行策略以及碳减排潜力，从而指导工程应用，使之成为成熟的工业园区分布式能源系统形式，为严寒地区绿色工业园区建设做出贡献。