考虑早期工程方案的固体热储存设备的配置评估与运行分析

《Journal of Energy Storage》：Configuration evaluation and operational analysis of solid thermal storage equipment considering early-stage engineering schemes

固体热存储设备（STSE）优化配置与动态运行研究提出MILPDR方法，通过混合整数线性规划（MILP）优化系统配置并降低生命周期成本16.4%，动态模型准确率（热损失误差＜4%）和实际项目验证误差（关键参数＜5%），解决早期设计依赖经验的问题，为北方地区清洁供暖提供科学决策工具。

　　中国在实现“双碳”目标的过程中，正在积极采取多种碳减排措施。特别是在供暖领域，国家大力推行“煤改电”政策，推动清洁能源在供暖中的应用。这种政策的实施有助于减少对煤炭等高碳能源的依赖，提高能源利用效率，并促进区域内的可持续发展。随着城市化进程的加快，供暖需求日益增长，尤其在东北、华北和西北等寒冷地区，供暖面积已超过81亿平方米。因此，如何科学合理地规划和建设供暖系统，成为实现碳中和目标的关键环节。

在当前的供暖系统建设中，固体热储能设备（Solid Thermal Storage Equipment, STSE）因其高效的储能能力和对清洁能源的利用率而受到广泛关注。STSE能够将清洁电力转化为热能，并在用电高峰时释放储存的热量，为用户提供稳定的供暖服务。这种方式不仅有助于缓解电网负荷压力，还能降低供暖成本，提升能源利用效率。然而，尽管STSE具有诸多优势，其项目规划和建设过程中仍面临一些挑战，尤其是在科学方法的应用方面。目前，许多设计人员在规划初期主要依赖于主观判断，缺乏系统性和科学性的指导，导致项目配置的不确定性以及运行成本的估算误差较大。

为了解决这些问题，本文提出了一种结合混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）和考虑热损失的动态运行模型（MILPDR）的两步优化方法。该方法旨在通过科学的建模手段，提高STSE项目规划的准确性和可行性。MILP方法主要关注系统配置的优化，通过设定目标函数和约束条件，寻找在生命周期内总成本最低的配置方案。而动态运行模型则用于更详细的运行分析，考虑实际运行中可能出现的热损失和热交换等因素，从而更精确地模拟STSE的实际运行情况。

在实际应用中，动态运行模型的准确性对于STSE项目的经济性和可行性评估至关重要。通过对热损失的精确计算，可以更真实地反映STSE在运行过程中的能耗和成本变化。此外，该模型还能够帮助设计人员更好地理解不同天气条件和电价差异对供暖系统运行的影响，从而为项目的长期规划和管理提供数据支持。本文的研究结果显示，MILPDR方法在模拟和计算STSE项目的运行成本方面表现出较高的精度，其计算结果与实际项目的相对误差控制在5%以内，显示出良好的实践参考价值。

为了验证MILPDR方法的有效性，本文还通过一个实际案例进行了模拟分析。在案例中，MILP配置方案的运行成本为349,816.9元，比模型4的最低运行成本407,377.3元降低了16.4%。这一结果表明，MILPDR方法不仅能够优化系统的配置方案，还能提供更精确的运行成本估算，从而为项目的科学决策提供依据。此外，该方法在模拟过程中还能够揭示不同配置方案对系统性能和经济性的影响，为设计人员提供更多的选择和优化空间。

在现有研究的基础上，本文进一步探讨了STSE项目的配置和运行分析方法。目前，许多相关研究主要集中在单一目标的优化或特定场景下的配置方案设计。例如，一些研究使用MILP方法对社区能源系统进行优化，以最小化投资和运行成本；另一些研究则通过构建数学模型，对多能系统的容量配置进行优化。然而，这些方法往往在模拟过程中忽略了实际运行中的热损失和热交换等复杂因素，导致模型的适用性受到限制。相比之下，MILPDR方法通过引入动态运行模型，能够更全面地反映STSE在实际运行中的性能表现，从而提升优化结果的可靠性。

本文的研究还表明，STSE项目的配置和运行分析需要结合多种优化方法，以实现更全面的评估。例如，在配置阶段，MILP方法可以用于确定最优的设备组合和系统结构；而在运行阶段，动态运行模型则可以用于分析不同天气条件和电价政策对系统运行的影响。这种两步优化方法不仅能够提高项目的科学性和精确性，还能为未来的项目规划和建设提供宝贵的参考依据。

此外，本文的研究还揭示了STSE在寒冷地区供暖中的独特优势。由于STSE能够有效利用低谷电力进行热能储存，并在高峰时段释放热量，因此特别适合在冬季供暖需求较大的北方地区应用。这一特性使得STSE在降低供暖成本、减少碳排放以及提高电网负荷平衡方面具有显著的优势。然而，由于STSE系统的复杂性，其运行过程中可能会受到多种因素的影响，如热损失、热交换效率以及外部环境条件等。因此，科学合理的运行模型对于提升STSE项目的经济效益和环境效益具有重要意义。

在当前的STSE项目研究中，许多学者已经对系统的热传输机制进行了深入探讨。例如，一些研究通过数值计算方法分析STSE内部热物理参数的变化，以提高系统的热存储效率和容量。另一些研究则通过实验和模拟相结合的方式，验证不同结构设计对热释放特性的影响。这些研究虽然在一定程度上提升了STSE系统的性能，但仍然存在一定的局限性，特别是在动态运行模型的构建方面。本文提出的MILPDR方法，不仅考虑了热损失的影响，还结合了MILP的优化能力，为STSE项目的配置和运行提供了更加全面和科学的解决方案。

为了进一步验证MILPDR方法的实用性，本文还对一个实际的STSE项目进行了分析。该项目位于沈阳市沈河区，旨在通过更换现有的6吨燃煤锅炉，实现供暖系统的清洁化改造。在改造前，该系统在供暖季消耗650吨煤炭，释放435.5吨二氧化碳。通过应用MILPDR方法，研究人员能够更准确地估算改造后的系统运行成本，并分析不同配置方案对经济性和环境效益的影响。这一案例研究不仅展示了MILPDR方法的实际应用价值，还为未来类似项目的规划和建设提供了借鉴。

本文的研究还强调了在STSE项目规划中引入科学方法的重要性。传统的供暖设计往往依赖于经验判断，缺乏系统的分析和优化手段，导致项目的经济性和可行性难以保证。而MILPDR方法通过结合MILP和动态运行模型，能够更全面地评估系统的性能和成本，从而为设计人员提供更加可靠的决策依据。此外，该方法还能够帮助项目管理者更好地理解系统的运行特点，优化能源调度策略，提高整体的能源利用效率。

在实际应用中，MILPDR方法不仅适用于STSE项目的配置和运行分析，还可以推广到其他类型的能源系统优化问题。例如，该方法可以用于分析太阳能辅助供暖系统的配置方案，或者用于评估多能系统的协同运行效果。此外，随着新能源技术的不断发展，MILPDR方法还可以结合更多的技术参数和运行条件，进一步提升其适用性和精确性。

综上所述，本文提出的MILPDR方法为STSE项目的科学规划和建设提供了新的思路和工具。通过结合MILP和动态运行模型，该方法能够更全面地分析系统的配置和运行特性，提高项目的经济效益和环境效益。此外，MILPDR方法还能够帮助设计人员更好地理解不同因素对系统运行的影响，为未来的项目优化提供数据支持。因此，该方法在实现中国“双碳”目标的过程中具有重要的应用价值和推广意义。