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区域供热网络动态仿真与协同规划优化：基于拓扑优化与运行成本权衡的新算法
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月26日 来源：Advanced Membranes CS12.5
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为解决区域供热网络(DHN)规划中投资成本与运行成本难以权衡的问题，研究人员开发了一种创新的两阶段协同规划方法。通过构建约束Steiner树算法优化管网拓扑，结合全年动态仿真和代理优化技术，实现了对热泵(HP)、热电联产(CHP)等不同热源配置的经济性评估。研究揭示了CO2价格对最优热源选择的阈值效应(84.72�/t)，为低碳供热系统设计提供了量化决策工具。
在能源转型背景下，区域供热网络(DHN)作为建筑供热脱碳的关键基础设施面临重大挑战。传统燃煤/燃气热源亟待替代，而热泵(HP)等新型热源的效率高度依赖管网运行参数。更复杂的是，管网拓扑设计直接影响水泵能耗和热损失，但现有规划方法往往将管网设计与运行优化割裂，导致系统全生命周期成本居高不下。
为破解这一难题，研究人员开发了创新的两阶段协同规划框架。该研究首先提出约束Steiner树算法，通过引入权衡系数β平衡管网总长度与关键用户距离的双重目标。相比传统最短路径算法，新方法可使管网总长减少2.3km，同时将关键用户距离控制在合理范围。第二阶段采用代理优化技术，将管网目标压降(ys/yr)、供水温度控制参数(u0/u1)和热源类型作为设计变量，基于全年8760小时的动态仿真进行多目标优化。
关键技术包括：1)基于OSM地理数据的管网拓扑生成算法；2)集成Modelica的DHN动态仿真模型；3)考虑时间电价和CO2成本的LCC(全生命周期成本)评估模型；4)结合参数研究的代理优化方法。研究特别建立了包含80栋建筑的案例系统，通过对比HP、CHP及串联系统的1536种配置，揭示了不同气候条件下的最优设计规律。
【拓扑优化算法对比】
约束Steiner树算法在β=1.25时展现出最佳性能，相比Kou算法减少18.4%的管网总长，同时将关键用户距离控制在1.12km。动态仿真显示该拓扑可使泵耗降低39%，验证了算法在平衡投资与运行成本方面的优势。
【热源配置优化】
在CO2价格为55�/t时，CHP系统年化成本最低(0.86百万�)，但当CO2价格超过84.72�/t时，HP系统更具经济性。研究首次量化了这一临界值，为政策制定提供科学依据。值得注意的是，串联系统因投资成本过高始终非最优解。
【DHW供应模式影响】
当管网承担生活热水(DHW)供应时，最优管径减小30%，但热损失增加至8.748%。敏感性分析显示，该模式下HP系统在多数场景中保持0.3%的成本优势，凸显了热泵在综合供能系统中的潜力。
这项发表于《Advanced Membranes》的研究开创性地将拓扑优化与动态运行仿真相结合，建立了DHN全生命周期优化的新范式。提出的约束Steiner算法计算效率显著提升，80节点网络优化时间仅44秒，为大规模DHN规划提供了实用工具。研究揭示的CO2价格阈值效应，为能源政策制定提供了量化依据，而关于DHW供应模式的结论则对系统设计具有直接指导意义。未来工作可进一步集成可再生能源波动性分析，推动DHN向零碳系统转型。
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