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综合能源建模：理论、方法与实践

news 来源：原创 2025/7/12 10:52:34

一、引言

随着全球能源需求的持续增长以及对能源安全、环境保护和可持续性发展的日益关注，综合能源系统（Integrated Energy System，IES）作为一种能够整合多种能源资源、实现能源高效利用和协同优化的解决方案，正逐渐成为能源领域研究与实践的热点。综合能源建模作为理解、分析和优化综合能源系统的关键手段，对于制定科学合理的能源政策、规划能源基础设施建设以及推动能源技术创新具有重要的理论与现实意义，也为能源相关专业的教育教学提供了丰富而实用的素材，有助于培养学生的系统思维和能源综合分析能力。

二、综合能源系统概述

综合能源系统是指在一定区域内，通过对电力、热力、燃气、制冷等多种能源形式的产生、传输、分配、存储和使用等环节进行有机整合和协同优化，以实现能源的高效利用、降低能源消耗和污染物排放，并提高能源供应的可靠性和安全性。其涵盖了传统能源系统（如火力发电、集中供热、天然气供应网络等）以及新能源和可再生能源系统（如太阳能光伏发电、风力发电、生物质能发电、地热能利用等），还包括各类能源存储设施（如蓄电池储能、抽水蓄能、储热罐、储气罐等）和能源转换设备（如热电联产机组、冷热电三联供系统、电制冷机、吸收式制冷机等），这些组成部分相互连接、相互作用，形成了一个复杂的能源网络体系。

例如，在一个工业园区的综合能源系统中，可能同时存在着燃气轮机发电装置，其产生的电力供应园区内的工业生产设备和办公用电，发电过程中产生的余热则通过余热锅炉回收，用于生产蒸汽或热水，满足园区内企业的生产工艺用热需求以及冬季的建筑供暖需求；此外，园区内还配备了太阳能光伏板，在白天阳光充足时发电，并将多余的电力存储在蓄电池组中，以备夜间或电力需求高峰时使用；同时，通过智能能源管理系统，对电力、热力和燃气等能源的生产、分配和使用进行实时监测和优化调度，确保整个园区的能源供应稳定、高效且经济。

三、综合能源建模的基本理论

（一）能量守恒定律

能量守恒定律是综合能源建模的基础理论之一，它指出在一个孤立系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而系统的总能量保持不变。在综合能源系统建模中，无论是能源的生产、转换、传输还是存储和消费过程，都必须遵循能量守恒定律。例如，在热电联产机组中，燃料燃烧产生的化学能一部分转化为电能，通过发电机输出，另一部分则以热能的形式通过余热回收装置加以利用，总的输入能量等于电能输出与热能回收之和（考虑到能量转换过程中的各种损失），通过建立基于能量守恒的数学模型，可以准确描述热电联产机组的能源利用效率和性能特征，为系统优化提供依据。

（二）热力学定律

热力学第一定律（本质上与能量守恒定律一致，但在热力学领域有其特定的表述和应用方式）和热力学第二定律在综合能源建模中也起着关键作用。热力学第二定律中的熵增原理揭示了自然过程的不可逆性和能量品质的差异，例如在热量从高温物体向低温物体传递的过程中，虽然能量的总量不变，但能量的品质会降低（熵增加），这对于理解能源转换和利用过程中的不可逆损失以及系统的热力学效率极限至关重要。在设计和分析能源转换设备（如制冷机、热泵等）时，热力学定律能够帮助确定设备的性能系数（COP）上限，并指导如何通过优化设备结构和运行参数来提高其实际性能，使其尽可能接近理论极限，从而提高整个综合能源系统的能源利用效率和经济效益。

（三）系统动力学理论

系统动力学是一门研究复杂系统动态行为的学科，它通过建立系统中各要素之间的因果关系图和存量 - 流量模型，来模拟系统随时间的变化趋势和行为模式。在综合能源系统建模中，应用系统动力学理论可以有效地描述能源生产、消费、存储以及各组成部分之间的相互作用和反馈机制。例如，考虑到能源价格的波动对能源消费行为的影响，以及能源消费变化反过来对能源生产和供应策略的反馈作用，通过系统动力学模型可以清晰地展现这些动态关系，帮助决策者预测不同政策措施或市场条件下综合能源系统的长期发展态势，从而制定出更加稳健和适应性强的能源发展战略。

四、综合能源建模的方法与技术

（一）物理建模方法

物理建模方法基于能源系统中各设备和过程的物理原理和特性，通过建立详细的数学方程来描述其能量转换、传输和存储等行为。例如，对于风力发电机，根据空气动力学原理和发电机的电磁感应定律，可以建立其功率输出与风速、叶片参数、发电机效率等因素之间的数学模型；对于集中供热系统中的管道传热过程，利用热传导方程和对流换热系数等参数，建立起热量在管道中传输和损失的模型。物理建模方法能够较为准确地反映能源系统各组件的内在物理机制，但其缺点是模型通常较为复杂，计算量大，且需要大量详细的设备参数和运行数据，对于大规模综合能源系统的建模和分析可能存在一定的局限性。

（二）统计建模方法

统计建模方法则是基于大量的历史数据和统计分析技术，挖掘能源系统中各变量之间的相关性和潜在规律，建立经验性的数学模型。例如，通过对某地区电力负荷与气温、日期类型（工作日或节假日）、经济发展指标等因素的历史数据进行回归分析，建立电力负荷预测的统计模型；对于能源消费与人口增长、产业结构变化等因素之间的关系，也可以采用类似的统计方法进行建模。统计建模方法相对简单，对数据的依赖性较强，适用于对系统整体行为进行宏观预测和分析，但对于系统内部物理过程的描述较为粗糙，难以深入分析系统的优化潜力和改进方向。

（三）优化建模方法

优化建模方法旨在在满足一定约束条件下，寻求综合能源系统的最优运行策略或规划方案，以实现特定的目标函数（如能源成本最小化、能源利用效率最大化、污染物排放最少等）。常见的优化方法包括线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划以及混合整数线性规划（MILP）等。例如，在考虑多种能源资源的发电调度问题中，可以建立一个 MILP 模型，将不同类型发电设备（如火力发电机组、风力发电机组、太阳能光伏电站等）的发电成本、出力限制、能源存储设备的充放电特性以及电力需求平衡等因素作为约束条件，以总发电成本最小为目标函数进行求解，得到最优的发电调度方案。优化建模方法能够为综合能源系统的决策提供定量支持，但模型的建立和求解往往需要专业的优化算法和工具，且对于复杂系统可能存在计算复杂性高和求解困难等问题。

（四）仿真建模方法

仿真建模方法借助计算机软件平台，对综合能源系统的运行过程进行模拟和仿真，以直观地展示系统的动态行为和性能表现。常用的能源系统仿真软件包括 EnergyPlus、TRNSYS、Simulink 等。这些软件提供了丰富的能源系统组件模型库和灵活的建模环境，用户可以根据实际系统的结构和参数，搭建起详细的仿真模型，并通过设置不同的运行工况和控制策略，对系统进行模拟分析。例如，利用 EnergyPlus 软件对某商业建筑的能源系统（包括暖通空调系统、照明系统、电力系统以及可再生能源利用系统等）进行全年逐时的仿真模拟，可以得到建筑的能源消耗情况、室内环境参数以及能源系统的运行效率等详细信息，为建筑能源管理和系统优化提供有力的数据支持。仿真建模方法具有直观性强、灵活性高的特点，能够处理复杂的系统结构和动态变化的运行条件，但仿真结果的准确性取决于模型的合理性和输入数据的可靠性，同时需要对仿真软件有一定的熟练掌握程度。

五、综合能源建模的实践应用

（一）能源系统规划与设计

在城市或区域能源系统规划阶段，综合能源建模可用于评估不同能源资源的潜力和可利用性，分析能源需求的增长趋势和时空分布特征，从而确定合理的能源供应结构和基础设施布局。例如，通过对某城市的电力、热力、燃气等能源需求进行建模预测，并结合当地的太阳能、风能、生物质能等可再生能源资源分布情况以及现有能源供应网络状况，制定出包括新能源发电项目建设、热电联产机组改造、能源存储设施配置以及能源输送管网优化等在内的综合能源系统规划方案，以满足城市未来发展的能源需求，同时减少对传统化石能源的依赖，提高能源供应的安全性和可持续性。

在能源系统设计层面，建模可以帮助工程师优化能源转换设备的选型和配置，以及能源存储系统的容量和充放电策略。例如，对于一个工业园区的冷热电三联供系统设计，通过建立详细的能源系统模型，考虑园区内不同企业的用电、用热和用冷负荷特性以及价格因素，对三联供系统中燃气轮机、余热锅炉、制冷机等设备的容量和运行参数进行优化设计，确定最佳的设备组合和运行模式，以实现能源的梯级利用和系统的经济效益最大化，同时确保系统能够稳定可靠地满足园区的能源需求，提高能源利用效率和能源供应的可靠性，降低能源成本和环境污染。

（二）能源系统运行优化与控制

在综合能源系统的日常运行管理中，建模技术可用于实时监测和优化系统的运行状态，实现能源的高效分配和利用，以及降低运行成本和污染物排放。通过建立能源系统的实时模型，并结合先进的传感器技术和智能控制系统，对能源生产、传输、分配和消费环节进行实时监测和数据采集，利用优化算法对系统的运行参数进行在线调整和优化。例如，在智能电网中，根据电力负荷的实时变化、分布式能源发电的出力情况以及电力市场价格信号，通过建立电力系统运行优化模型，动态调整发电机组的发电计划、变电站的电压和无功控制以及储能设备的充放电策略，实现电力系统的安全稳定运行和经济高效调度，提高电网的供电可靠性和电能质量，同时降低电网的运行损耗和购电成本，充分挖掘智能电网的节能潜力和经济效益。

同样，在区域供热系统中，利用建模方法对供热管网的水力工况和热力工况进行实时模拟和优化控制，根据室外气温变化、用户用热需求以及热源的供热能力，通过调节供热泵的转速、阀门的开度以及热源的供热量等参数，实现供热系统的精准供热和节能运行，避免供热不均和能源浪费现象，提高供热系统的能源利用效率和用户满意度，减少供热过程中的碳排放和环境污染，为城市集中供热系统的可持续发展提供技术支持。

（三）能源政策制定与评估

综合能源建模对于能源政策的制定和评估具有重要的辅助作用。政府部门可以利用能源模型来预测不同能源政策措施（如能源补贴政策、碳税政策、可再生能源发展目标等）对能源系统发展的影响，评估政策实施的效果和潜在的经济、环境和社会影响，从而为政策的制定、调整和完善提供科学依据。例如，通过建立国家或地区的能源经济模型，分析碳定价政策对能源消费结构、能源产业发展以及温室气体排放的影响，预测不同碳税水平下各行业的能源成本变化和能源转型趋势，为制定合理的碳减排政策提供定量分析支持，帮助政府在实现碳减排目标的同时，兼顾经济增长和社会公平，确保能源政策的科学性、可行性和有效性，推动能源领域的可持续发展和绿色低碳转型。

此外，能源建模还可以用于评估能源技术创新对能源系统的影响，为政府制定能源技术研发和推广政策提供参考。例如，通过对新型储能技术、智能电网技术、高效能源转换技术等在综合能源系统中的应用前景进行建模分析，预测这些技术的大规模应用对能源系统性能、成本和可靠性的提升作用，以及对能源市场格局和能源产业竞争力的影响，从而引导政府加大对关键能源技术研发的支持力度，促进能源技术创新与能源系统发展的良性互动，提升国家的能源安全和可持续发展能力，在全球能源变革中占据有利地位。

六、综合能源建模在教育中的应用与启示

（一）教学方法与课程设计

在能源相关专业的教育教学中，综合能源建模可以作为一种有效的教学方法和手段，帮助学生深入理解能源系统的复杂性和运行机制，培养学生的系统思维、创新能力和解决实际问题的能力。例如，在能源系统工程、热力学、动力工程等课程的教学中，可以引入综合能源建模的案例和实践项目，让学生通过实际操作能源建模软件，建立简单的能源系统模型（如家庭能源系统、小型建筑能源系统等），并对其进行性能分析和优化设计，使学生在实践过程中掌握能源建模的基本理论、方法和技术，加深对课堂所学能源知识的理解和应用能力，同时提高学生的团队协作能力和沟通能力，培养学生的工程实践素养和创新精神。

在课程设计方面，可以设置专门的综合能源建模课程或毕业设计课题，针对不同层次的学生，从基础的能源系统物理模型建立到复杂的能源系统优化与仿真分析，逐步深入地引导学生掌握综合能源建模的全过程，让学生在完成课程作业或毕业设计的过程中，系统地学习能源系统的各个组成部分及其相互关系，运用所学的数学、物理、工程学等知识解决实际能源问题，培养学生的综合分析能力和独立解决问题的能力，为学生今后从事能源领域的研究、设计、运行管理等工作奠定坚实的基础，提高学生的就业竞争力和职业发展潜力。

（二）培养学生的系统思维与跨学科能力

综合能源系统本身具有高度的复杂性和跨学科性，涉及能源、环境、经济、工程技术等多个领域的知识和技术。通过综合能源建模的教学与实践，能够打破传统学科界限，培养学生的系统思维和跨学科能力，使学生能够从整体的角度看待能源问题，理解能源系统与社会、经济、环境之间的相互作用和相互影响。在建模过程中，学生需要综合运用热力学、传热学、流体力学、电力系统分析、自动控制原理、经济学等多学科知识，对能源系统的各个环节进行建模和分析，这有助于学生拓宽知识面，建立起跨学科的知识体系和思维方式，提高学生的综合素质和创新能力，使学生能够更好地适应未来能源领域复杂多变的工作需求和挑战，成为具有全球视野和社会责任感的能源专业人才，为推动能源领域的科技创新和可持续发展做出贡献。

七、结论

综合能源建模作为研究和优化综合能源系统的重要工具，在能源领域的各个方面都发挥着不可或缺的作用。通过深入理解综合能源系统的基本理论和运行机制，掌握多种建模方法和技术，并将其应用于能源系统的规划、设计、运行管理以及政策制定等实践中，能够有效地提高能源利用效率、降低能源成本和环境污染，推动能源系统的可持续发展。同时，在教育教学中引入综合能源建模的内容和实践环节，对于培养能源领域的专业人才具有重要意义，有助于提升学生的系统思维能力、跨学科综合素养和实际工程应用能力，为能源行业的未来发展储备优秀的人才资源，促进能源领域的科技创新和人才培养，共同推动全球能源事业朝着更加高效、清洁、可持续的方向发展，以应对日益严峻的能源与环境挑战，实现人类社会的可持续发展目标。

在未来的研究与实践中，随着能源技术的不断创新和能源系统的日益复杂，综合能源建模也将面临新的机遇和挑战。需要进一步加强基础理论研究，开发更加高效、准确的建模方法和工具，深入挖掘能源系统中的潜在优化空间和协同效应，不断拓展综合能源建模的应用领域和范围，为能源系统的优化升级和可持续发展提供更加有力的支持和保障，推动能源领域的科学技术进步和社会经济发展迈向新的台阶。