低碳建筑多目标多能源协同供热（冷）技术研究

摘要：随着全球气候变化和环境问题的日益严峻，低碳、环保、可持续发展已成为当今社会发展的主流趋势。在这一背景下，低碳建筑作为实现绿色、低碳、可持续发展的重要途径之一，受到了广泛的关注和重视。低碳建筑不仅要求在建筑设计和施工过程中采用环保材料和节能技术，以降低建筑物的能耗和碳排放，还要求在建筑运营过程中实现能源的高效利用和协同管理。多目标多能源协同供热（冷）技术是低碳建筑领域的一项重要技术。该技术旨在通过整合和利用多种能源资源，包括可再生能源（如太阳能、风能、地热能等）和传统能源（如天然气、电力等），以满足建筑物在不同季节、不同时段对供热和制冷的需求。同时，该技术还注重能源的优化配置和高效利用，以实现降低能耗、减少碳排放和提高能源利用效率的目标。

关键词：低碳建筑；多目标；多能源；协同供热（冷）技术

引言

全球气候变化和能源危机已成为21世纪人类面临的最大挑战之一。建筑行业作为能源消耗和碳排放的主要来源之一，亟需通过技术创新和模式转变，实现低碳发展。低碳建筑通过采用节能技术、可再生能源和智能化管理，能够显著降低建筑能耗和碳排放，成为建筑行业可持续发展的重要方向。

1技术原理

1.1 多目标多能源协同供热（冷）技术概述

多目标多能源协同供热（冷）技术是指通过集成多种能源（如太阳能、地热能、空气能、电能等），利用先进的控制策略和优化算法，实现建筑供热（冷）需求的多目标优化（如节能、环保、经济性等）。该技术能够根据建筑负荷特性、能源价格、环境条件等因素，动态调整能源供应方式和运行参数，实现能源的高效利用和能源供应的稳定性和可靠性。通过精准的供需匹配和优化调度，减少能源浪费，提高能源利用效率。

1.2 技术原理

多目标多能源协同供热（冷）技术的核心在于通过能源的协同利用和优化配置，实现系统的高效运行。该技术充分利用不同能源的特性和优势，通过互补性利用，弥补单一能源的不足，从而提升整体性能。建筑负荷具有时空变化特性，多能源协同能够实现负荷与能源供应的动态匹配，显著提高能源利用效率。此外，通过先进的控制策略和优化算法，通过实时监测和智能调度，系统能够根据地源、污水源、空气源等能源系统的供能情况，以及城市供热及制冷需求的变化，动态调整各种冷热能源的投入比例，实时调整运行参数，达到多目标优化的目的，实现节能、环保和经济性。这种技术不仅提高了能源的利用效率，还增强了系统的稳定性和适应性，为现代建筑供热（冷）提供了更加智能和可持续的解决方案。

2 系统设计

2.1 系统架构

多目标多能源协同供热（冷）系统的架构由能源供应子系统、能源转换子系统、能源存储子系统、负荷需求子系统和控制管理子系统组成，各子系统通过信息交互和能量流动实现协同运行。能源供应子系统涵盖太阳能集热器、地源热泵、空气源热泵、燃气锅炉等多种设备，负责提供热能或冷能，确保能源来源的多样性和稳定性。能源转换子系统包括热交换器、热泵、制冷机等设备，承担能源的转换和传递任务，将不同形式的能源转化为建筑所需的供热（冷）形式。能源存储子系统由蓄热罐、蓄冷罐等设备构成，用于能源的存储和释放，解决能源供需在时间上的不匹配问题。负荷需求子系统包含供暖系统、空调系统、热水系统等，直接满足建筑的供热（冷）需求，确保室内环境的舒适性。控制管理子系统则通过传感器、控制器和优化算法，对系统进行实时监测、控制和优化，确保系统高效、稳定运行。

2.2 设计原则

多目标多能源协同供热（冷）系统的设计需遵循多能源集成、负荷匹配、优化控制和经济性等原则。多能源集成要求根据建筑负荷特性和能源资源条件，合理选择能源类型和配置比例，充分发挥不同能源的互补优势，提升系统的整体性能。负荷匹配则需根据建筑负荷的时空变化特性，设计合理的能源供应方式和运行策略，确保能源供应与负荷需求的动态平衡，避免能源浪费。优化控制通过采用先进的控制策略和优化算法，实现系统运行参数的动态调整，以达到节能、环保和高效等多重目标。经济性设计在满足节能、环保等目标的前提下，综合考虑系统的初投资和运行成本，优化资源配置，降低系统全生命周期的经济负担。

3运行优化

3.1 运行策略

多目标多能源协同供热（冷）系统的运行策略通过多种方式实现系统的高效优化，旨在提升能源利用效率、降低运行成本并减少环境影响。优先级策略是系统运行的基础，根据能源的价格、环保性等因素，确定不同能源的使用顺序，优先选择低价格、环保的能源。例如，在白天太阳能充足时，优先使用太阳能集热器供热，而在夜间或阴天时则切换到地源热泵或燃气锅炉，以降低运行成本和减少碳排放。负荷跟随策略则根据建筑负荷的实时变化，动态调整能源供应方式和运行参数。例如，在冬季供暖高峰期，系统自动增加能源供应量，而在夏季或夜间负荷较低时，减少能源供应，确保能源供应与负荷需求的高度匹配，避免能源浪费。预测控制策略通过预测建筑负荷和能源价格的变化趋势，提前调整系统运行参数，优化能源分配。例如，利用天气预报数据和历史负荷数据，预测未来几天的建筑负荷和能源需求，提前调整蓄热罐或蓄冷罐的存储量，提高系统的响应速度和运行效率。协同优化策略则通过多能源的协同利用和优化配置，综合考虑节能、环保、经济等多重目标。例如，在满足建筑供热需求的同时，优先使用可再生能源，减少化石能源的使用，并通过优化算法实现系统整体性能的提升。这些运行策略相互配合，确保系统在不同工况下均能高效、稳定运行，同时满足节能、环保和经济性的要求。此外，系统还可以结合智能电网和能源管理平台，实现与外部能源系统的协同优化，进一步提高能源利用效率和系统的智能化水平。通过多层次的运行策略和优化方法，多目标多能源协同供热（冷）系统为现代建筑提供了更加高效、环保和经济的能源解决方案。

3.2 优化算法

多目标多能源协同供热（冷）系统的优化算法通过多种智能方法实现系统的最优运行。遗传算法模拟生物进化过程，通过选择、交叉和变异等操作，搜索系统的最优运行参数，实现多目标优化，适用于复杂非线性问题的求解。粒子群算法模拟鸟群觅食行为，通过个体和群体的协同搜索，寻找系统的最优运行参数，具有收敛速度快、全局搜索能力强的特点。模糊控制算法利用模糊逻辑推理，处理系统运行中的不确定性和模糊性，实现运行参数的动态调整，适用于复杂系统的实时控制。神经网络算法模拟人脑神经网络，通过训练和学习，预测系统运行参数的变化趋势，并进行优化调整，具有强大的自适应能力和预测精度。这些优化算法为系统的运行提供了科学依据和技术支持，确保系统在多目标优化中达到最佳性能。

结束语

多目标多能源协同供热（冷）技术作为一种高效、环保的能源利用方式，能够充分利用多种能源，实现能源的梯级利用和优化配置，有效降低建筑能耗，减少碳排放。通过合理的设计和优化运行，该技术能够在低碳建筑中发挥重要作用，为建筑行业低碳转型和可持续发展提供有力支持。

参考文献

[1]郑方圆，陈立征，王文奎，等.考虑用户满意度的智能建筑多目标能源优化[J/OL].山东大学学报（工学版），1-15[2025-03-17].

[2]单振涛.夏热冬冷低碳办公园区多目标多能源协同供应技术研究[D].北京建筑大学，2024.

[3]王冰华.天津地区休闲乡村建筑性能多目标优化与村域能源规划研究[D].天津大学，2021.

[4]陈淑琴，陆敏艳，谭洪卫，等.基于多目标优化的办公建筑可再生能源系统集成优化配置方案研究[J].太阳能学报，2018，39（11）：3147-3154.

[5]吴伟东.寒冷地区零能耗太阳能居住建筑多目标优化设计研究[D].天津大学，2016.