Optimal Integration Of Heat-Pump And Solar Thermal Energy In The Pre-heating Loop Of Wood And Gas Boiler Based District Heating System
作者: Hamza Mettali, Rousset François, Eric Bideaux, Clausse Marc
分类: eess.SY, math.OC
发布日期: 2025-07-24
期刊: The 38th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems -- ECOS 2025, ECOS International Society, inc, Jun 2025, Paris, France
💡 一句话要点
优化热泵与太阳能在区域供热系统中木材和燃气锅炉预热回路的集成
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 区域供热系统 可再生能源集成 太阳能热能 热泵 混合整数线性规划
📋 核心要点
- 区域供热系统脱碳的关键在于可再生能源的有效集成，太阳能热能具有巨大潜力，但其性能高度依赖环境温度。
- 论文提出一种基于混合整数线性规划（MILP）的多标准优化方法，综合考虑技术经济和环境因素，优化系统设计。
- 实验结果表明，太阳能集成可显著降低碳排放，但同时也可能增加对天然气的依赖，生物质的引入有助于提高系统稳定性和成本效益。
📝 摘要（中文）
本研究旨在优化区域供热网络中可再生能源的集成，特别是太阳能热能（有或没有热泵）的应用。系统性能受室外和设定点温度的显著影响。该研究采用多标准方法，综合考虑技术经济和环境（CO2）因素来优化系统设计。开发了一个混合整数线性规划（MILP）模型，通过温度离散化实现问题线性化，并捕捉热发生器的关键动态特性。模型通过耗散6%的过剩太阳热量，将26小时内19%的MIP差距缩小到12小时内10%，提高了收敛性。多情景分析表明，在两种碳税水平和不同的CO2排放情况下，太阳能集成可达11932平方米，但增加了对天然气的依赖（50%）和储热损失（49%）。加入木材锅炉可降低对太阳能的依赖，覆盖45%的热量，降低LCOH，但限制了可再生能源的渗透。更高的碳税促进了太阳能的采用，但也面临存储效率低下的问题，而生物质则提高了成本效率和系统稳定性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决区域供热系统中可再生能源（特别是太阳能热能和热泵）集成优化的问题。现有方法难以在考虑技术经济和环境因素的情况下，有效平衡不同能源的利用，并且难以捕捉热发生器的动态特性，导致系统设计和运行效率低下。
核心思路：论文的核心思路是建立一个混合整数线性规划（MILP）模型，通过多标准优化方法，综合考虑技术经济（如LCOH）和环境（如CO2排放）因素，优化太阳能、热泵、木材锅炉和燃气锅炉在区域供热系统中的集成。通过温度离散化实现问题线性化，并捕捉热发生器的关键动态特性。
技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段： 1. 系统建模：建立包含太阳能集热器、热泵、木材锅炉、燃气锅炉、储热罐和区域供热网络的数学模型。 2. MILP模型构建：构建混合整数线性规划（MILP）模型，目标函数包括最小化生命周期成本（LCOH）和CO2排放。 3. 多情景分析：在不同的碳税水平和CO2排放情况下，进行多情景分析，评估不同能源组合的性能。 4. 优化求解：使用优化求解器求解MILP模型，得到最优的系统配置和运行策略。
关键创新：论文的关键创新在于： 1. 多标准优化：综合考虑技术经济和环境因素，实现系统设计的全局优化。 2. 动态特性捕捉：通过温度离散化，有效捕捉热发生器的动态特性，提高模型精度。 3. MILP模型改进：通过耗散过剩太阳热量，提高了MILP模型的收敛速度。
关键设计：论文的关键设计包括： 1. 温度离散化：将温度范围划分为多个离散区间，以便对非线性关系进行线性化。 2. 目标函数设计：目标函数包括最小化生命周期成本（LCOH）和CO2排放，并可以根据不同的碳税水平进行调整。 3. 约束条件设计：约束条件包括能量平衡约束、设备容量约束、运行约束等，确保系统的可行性和稳定性。
📊 实验亮点
研究结果表明，太阳能集成可达11932平方米，但增加了对天然气的依赖（50%）和储热损失（49%）。加入木材锅炉可降低对太阳能的依赖，覆盖45%的热量，降低LCOH。更高的碳税促进了太阳能的采用，但也面临存储效率低下的问题。模型改进将MIP差距从26小时内的19%降低到12小时内的10%。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于区域供热系统的规划和设计，帮助决策者选择最优的可再生能源集成方案，降低碳排放，提高能源利用效率。该方法也适用于其他类型的能源系统，例如工业园区和建筑群的综合能源系统。
📄 摘要（原文）
The integration of renewable sources is essential for decarbonizing heat production in district energy networks. Beyond biomass-based solutions, solar thermal energy, with or without heat pumps, presents a significant opportunity. However, system performance is highly dependent on outdoor and setpoint temperatures. This study aims to optimize system design using a multi-criteria approach that considers techno-economic and environmental (CO2) factors. A Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model is developed, incorporating temperature discretization for problem linearization and capturing key dynamic characteristics of heat generators. The model improves convergence, reducing a 19% MIP gap in 26 hours to 10% in 12 hours by dissipating 6% excess solar heat. A multi-scenario analysis under two carbon taxation levels and different CO2 emission cases revealed solar integration up to 11,932 m${}^2$ but increased gas reliance (50%) and TES losses (49%). Wood boiler inclusion reduced solar dependency, covering 45% of heat, lowered LCOH, but limited renewable penetration. Higher carbon taxes boosted solar adoption but faced storage inefficiencies, while biomass enhanced cost efficiency and system stability.