本文是一篇土木工程论文，本文基于传统运行方式之一的电跟踪策略提出两种改进策略，考虑系统经济、环境、能源和匹配性，对耦合太阳能和风能子系统的CCHP系统展开运行方式优化，在此基础上进行太阳能和风能子系统的配置优化，并且为进一步提升整体性能，对办公、住宅和宾馆建筑的CCHP系统实施互联优化。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是社会发展的基石，人类所进行地生产生活等任何一项活动都需要消耗能源。目前，我国消耗较多的仍是煤、石油及天然气等不可再生的化石能源，其燃烧过程中会产生大量CO2，而煤和石油燃烧过程中还会排放大量有害气体。化石能源的大量使用会导致温室效应加剧、雾霾频发等环境问题[1]，且随着时间的推移，我们亦不得不面对不可再生能源储存量不足的问题。2009-2019年全国能源消耗情况[2]如图1-1所示。由图1-1可知煤炭和石油的年消耗量占比从2009年的55 %降至2019年的39 %，天然气和非化石能源消耗量逐年增加，年能源消耗总量亦逐年增多。科学技术水平提高的同时能源利用效率亦得到提升，然而由于全国人口基数增长，使总能源消耗量仍居高不下。图1-2为2009-2019年全国CO2排放量变化情况。由图1-2可知2013-2016年总CO2排放量罕见地出现持续下降情况，相应地图1-1所示的煤和石油总量也从2013年开始呈现逐年降低的趋势。不断累积的能源消耗总量伴随不断增多的CO2排放量，这将直接引发能源与环境危机。近年来突发洪水、极地冰川快速消融、温度骤升等极端气候情况频发，便是地球在对我们敲响警钟。
1.2 国内外研究现状
图1-4为2003-2021年CCHP系统相关方向发文量的统计（数据来源：中国知网，搜索日期：2022年10月17日，搜索关键词：CCHP），由图1-4可知，2014年中国知网检索到的CCHP系统相关文献量首次突破百篇，之后年检索量均超过百篇，表明近10年为国内专家学者研究CCHP系统的高峰期。研究的方向大致可分为CCHP系统优化与评价两个方向，其中CCHP系统优化以提高系统性能为目的，系统评价可分为项目落地前评价和项目落地后评价。项目落地前评价主要对CCHP系统的可行性进行预评价，一般为理论评估；项目落地后评价主要对CCHP系统运行情况进行评价。因此本节综述了耦合可再生能源的CCHP系统优化和评价的相关研究。
1.2.1 耦合可再生能源的CCHP系统优化研究现状
在耦合可再生能源的CCHP系统优化中一般包括CCHP系统配置与运行优化，其中CCHP系统配置优化以设备容量为决策变量，而CCHP系统运行优化以设备运行状态为决策变量。然而近年来出现一种进一步提高系统性能的新型优化方式即互联优化，该优化方式以CCHP系统的配置及运行优化为基础，并在多个系统之间进行。此外，优化过程中还需设法降低可再生能源出力、用户负荷及能源价格等不确定性因素对系统的影响。因此本节梳理了耦合可再生能源的CCHP系统运行方式优化、配置优化、互联优化及不确定性因素处理的相关研究。
第2章 耦合可再生能源的CCHP系统模型构建
2.1 耦合可再生能源的CCHP系统构建
耦合可再生能源的CCHP系统庞大复杂，其优化设计的关键是在满足目标和约束的前提下，对系统内各设备进行合理的规划与配合，实现系统耦合的稳定可靠性。在耦合可再生能源的CCHP系统优化过程中，以评价指标为导向，利用NSGA-Ⅱ进行模型优化，并采用TOPSIS进行决策。本章构建了耦合可再生能源的CCHP系统的设备工况模型、设备经济模型、评价指标模型、系统优化模型及系统决策模型，为后续优化提供理论基础。
图2-1为CCHP系统及分供系统结构图。CCHP系统中电负荷及GSHP消耗的电量首先由ICE满足，不足的部分由电网补充，多余的部分售卖给电网。冷负荷由吸收式机组提供，热负荷由换热器提供。GSHP和储能设备作为辅助冷/热源。ICE产生的余热为吸收式机组和换热器提供能量。分供系统所需冷/热负荷由GSHP提供，GSHP所需电量及建筑电负荷由电网提供。将太阳能和风能子系统耦合至CCHP系统，可形成多个源侧异质能流耦合、负荷侧冷热电联供的CCHP系统，下面将对其进行介绍。
2.1.1 耦合太阳能子系统的CCHP系统构建
太阳能利用形式包括PV、太阳能集热器及光伏光热一体化设备，将其耦合至CCHP系统可得到PV耦合CCHP系统、PV和太阳能集热器耦合CCHP系统及PVT耦合CCHP系统。各系统具体结构如下：
(1) PV耦合CCHP系统
图2-2为PV耦合CCHP系统及分供系统结构图。CCHP系统中电负荷及GSHP消耗的电量首先由PV阵列和ICE满足，不足的部分由电网补充，多余的部分售卖给电网。冷负荷由吸收式机组提供，热负荷由换热器提供。GSHP和储能设备作为辅助冷/热源。ICE产生的余热为吸收式机组和换热器提供能量。分供系统所需冷/热负荷由GSHP提供，GSHP所需电量及建筑电负荷由电网提供。
(2) PV和太阳能集热器耦合CCHP系统
图2-3为PV和太阳能集热器耦合CCHP系统及分供系统结构图。在CCHP系统中，电负荷首先由PV阵列满足，此时，由太阳能集热器产生的热能驱动吸收式机组提供冷/热负荷，储能设备和GSHP辅助供冷/热；当PV阵列无法满足电负荷时启动ICE，此时由PV阵列和ICE联合供电，太阳能集热器产生的热能和ICE产生的余热共同驱动吸收式机组提供冷/热负荷，储能设备和GSHP辅助供冷/热。在分供系统中冷/热负荷均由GSHP机组提供，GSHP机组所需电能和建筑的电负荷由电网提供。
2.2 耦合可再生能源的CCHP系统数学模型
根据上述部分对系统的描述，可知耦合可再生能源的CCHP系统涉及的主要设备有动力机组ICE，制热和制冷设备换热器和吸收式机组，辅助设备储能水箱和GSHP，以及太阳能利用设备PV、太阳能集热器及PVT，风能利用设备WT。各设备的具体模型如下：
本文的优化包括对可再生能源出力预测和基于NSGA-II的多目标优化。可再生能源预测采用长短期记忆（learning long short-term memory，LSTM），而多目标优化流程如图2-6所示。在多目标优化过程中首先利用NSGA-II对CCHP系统模型进行优化，得出帕累托前沿；之后采用基于AHP的优劣解距离法（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）进行决策[76]。下面将一一介绍可再生能源出力预测和多目标优化所涉及的模型。
第3章 耦合可再生能源的CCHP系统运行方式优化 ······················· 29
3.1 相关数据及CCHP系统运行方式 ··························· 29
3.1.1 相关数据 ···························· 29
3.1.2 耦合可再生能源的CCHP系统运行方式 ························· 31
第4章 耦合可再生能源的CCHP系统配置优化 ······················· 39
4.1 可再生能源出力预测 ·························· 39
4.1.1 可再生能源出力影响因素预测 ······················ 39
4.1.2 可再生能源出力预测 ······················· 41
第5章 不同建筑耦合可再生能源的CCHP系统互联优化 ···················· 49
5.1 不同建筑耦合可再生能源的CCHP系统的冷热互联 ···················· 49
5.2 不同建筑耦合可再生能源的CCHP系统协调优化 ························· 50
5.3 本章小结 ·························· 54
第5章 不同建筑耦合可再生能源的 CCHP系统互联优化
5.1 不同建筑耦合可再生能源的CCHP系统的冷热互联
由第3章可知，运行在FEL-P策略下的CCHP系统经济、环境及能源性能以及与系统的匹配度方面均有较好的效果，因此在三类建筑的CCHP系统均采用FEL-P策略时，为进一步提升系统性能，在建筑之间建立冷热互联机制。该机制在不改变系统构成和运行策略下运行，仅仅是将各系统产生的余热相互输送。
图5-1为办公和住宅建筑产生余热/冷量与宾馆建筑GSHP制热/冷量的对比，以此来说明建筑之间的冷热互联机制，范围是全年的8 760小时。互联的总体思想是利用余热/冷量来替代部分GSHP的制热/冷量，从而降低电网购电量。将宾馆建筑GSHP制热/冷量分为a、b、c和d四个部分，b部分大部分时间段办公建筑余热/冷量可以完全覆盖GSHP制热/冷量，此时可以关闭GSHP机组。在a、c和d部分，办公与住宅建筑产生余热/冷量可以部分替代宾馆建筑GSHP制热/冷量，从而减少电网购电量。
结论与展望
本文基于传统运行方式之一的电跟踪策略提出两种改进策略，考虑系统经济、环境、能源和匹配性，对耦合太阳能和风能子系统的CCHP系统展开运行方式优化，在此基础上进行太阳能和风能子系统的配置优化，并且为进一步提升整体性能，对办公、住宅和宾馆建筑的CCHP系统实施互联优化。主要得到以下结论：
（1）在运
