2017年10月，國家電網(wǎng)發(fā)布了《關于在各省公司開展綜合能源服務業(yè)務的意見》，指出開展綜合能源服務業(yè)務的重要意義，并提出了開展綜合能源服務業(yè)務的總體要求。其中，提供多元化分布式能源服務，構建終端一體化多能互補的能源供應體系是綜合能源服務業(yè)務的重點任務。

多能互補綜合能源系統(tǒng)(以下簡稱綜合能源系統(tǒng))的核心是分布式能源及圍繞其開展的區(qū)域能源供應，是一種將公共冷、熱、電、燃氣乃至水務整合在一起的形式[1]。綜合能源系統(tǒng)一方面通過實現(xiàn)多能源協(xié)同優(yōu)化和互補提高可再生能源的利用率;另一方面通過實現(xiàn)能源梯級利用，提高能源的綜合利用水平。然而，由于綜合能源系統(tǒng)是一種有較多變量，特性復雜、隨機性強，多時間尺度的非線性系統(tǒng)，其規(guī)劃問題較傳統(tǒng)能源規(guī)劃問題更為復雜。

國內(nèi)外學者對綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題展開了研究，獲得了豐富的研究成果。本文針對綜合能源系統(tǒng)設計與優(yōu)化問題的研究現(xiàn)狀進行了梳理，同時在對既有研究進行綜述的基礎上，對未來綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題提出了展望。

1、綜合能源系統(tǒng)結(jié)構

綜合能源系統(tǒng)集成多種能源輸入輸出以及多種能源轉(zhuǎn)換設備，能夠通過信息通信將電力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)建立對應耦合關系，其典型結(jié)構如圖1所示。

2、綜合能源系統(tǒng)初步設計

綜合能源系統(tǒng)的配置牽涉到確定系統(tǒng)部件的類型和大小問題，系統(tǒng)配置是影響聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟性的核心因素[2]。設計過程需要充分考慮單個設備的效率，系統(tǒng)的運行策略，用戶的冷熱電需求等多個因素。此外，一個設計完善的綜合能源系統(tǒng)還須在經(jīng)濟性及環(huán)境效益之間作出平衡。在綜合能源系統(tǒng)的設計初期，設計人員通常會先選擇系統(tǒng)的主要設備及容量，再選擇與之匹配系統(tǒng)的運行策略。

2.1負荷預測與分析

冷熱電負荷預測根據(jù)電力負荷、經(jīng)濟、社會、氣象等歷史數(shù)據(jù)，尋求電力負荷與各種相關因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而對未來的負荷進行科學預測[3]。負荷預測是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃初期進行方案比較的基礎，其準確度直接影響系統(tǒng)的配置。討論初投資、年運行費用、回收年限等問題均建立在相對準確的全年負荷預測的基礎上。

幾種常見的負荷預測方法[3]包括基于建筑結(jié)構的經(jīng)典計算方法、基于建筑結(jié)構的簡約計算方法、基于軟件模擬的逐時負荷因子法、基于歷史數(shù)據(jù)的逐時能源負荷分攤比例法。目前應用比較成熟的是基于軟件模擬的逐時負荷因子法和基于歷史數(shù)據(jù)的逐時能源負荷分攤比例法。吳金順[4]使用DeST軟件計算了窗墻比、玻璃類型、墻的傳熱系數(shù)等多個因素對冷負荷的影響規(guī)律，并使用最小二乘法得到了冷負荷關于不同因素變化的具體關系式。王國弟等[5]結(jié)合了上海某能源中心項目的情況，采用空調(diào)負荷計算軟件HDY-SMAD和DeST軟件對功能區(qū)域的設計日空調(diào)冷熱負荷及全年空調(diào)冷熱負荷進行了預測。鄭衛(wèi)東[6]使用DeST軟件對北京地區(qū)某辦公樓和五星級賓館進行了冷、熱、電負荷動態(tài)模擬，并對其全年逐時、逐月和典型日的負荷及熱電比變化規(guī)律進行了分析和總結(jié)。楊木和[7]基于對建筑冷熱電負荷調(diào)查研究的基礎，采用日本三聯(lián)供設計手冊中的相關數(shù)據(jù)，使用逐時能源負荷分攤比例的方法，以賓館建筑為研究對象，模擬了該賓館的全年逐時冷熱電負荷。

在負荷分析方面，梁哲誠等[8]通過對商場、寫字樓和酒店三種不同用途商業(yè)建筑的冷、熱、電負荷進行調(diào)研和測試，繪制得到典型日負荷曲線和全年延時負荷曲線，并對其負荷大小、變化范圍、變化規(guī)律以及變化同步性進行了分析。分析結(jié)果表明，在建筑負荷特性的基礎上設計的綜合能源系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比更具節(jié)能效益和經(jīng)濟效益。

2.2系統(tǒng)配置

由于綜合能源系統(tǒng)向用戶直接供能，當用戶負荷需求變化時，存在用戶負荷的熱(冷)電比與系統(tǒng)熱(冷)電比保持不一致的問題。從滿足負荷需求的角度考慮，有四種常用的系統(tǒng)配置方法[9]即采用補電子系統(tǒng)集成方法、采用補熱子系統(tǒng)集成方法、電-熱轉(zhuǎn)換集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。當熱電比相對較小或用戶電負荷大于原動機功率時，可以采用并網(wǎng)補充電能或使用可再生能源補充電能。當綜合能源系統(tǒng)的供熱容量不能滿足需求時，則采用補熱子系統(tǒng)供熱。此外，當用戶熱(冷)電比大于系統(tǒng)輸出比時，可以采用電-熱轉(zhuǎn)換，將熱需求轉(zhuǎn)換為電需求。當用戶需求存在峰谷差時，將蓄能手段引入綜合能源系統(tǒng)，可有效緩解非同步引起的供需矛盾，提高系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)能力。

根據(jù)公共電網(wǎng)接入方式的不同可分為三種配置模式：孤島運行模式、并網(wǎng)不上網(wǎng)模式、并網(wǎng)上網(wǎng)模式。孤島運行模式下，綜合能源系統(tǒng)處于獨立運行模式，與公共電網(wǎng)之間不架設連接線路，適用于具有豐富風能或太陽能等可再生能源地區(qū)，可為公共電力網(wǎng)絡尚未覆蓋完全的偏遠地區(qū)提供多種能量保證。第二種為并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，即發(fā)電全部自用，不足時從公共電網(wǎng)購買，已被廣泛應用于大型工業(yè)園區(qū)、新型住宅區(qū)以及醫(yī)院等人流量較高的場所，是最為典型的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)應用模式。第三種為并網(wǎng)上網(wǎng)模式，不僅可從電網(wǎng)購電，也可將富余電力出售給電網(wǎng)以獲取收益。此種模式對電能質(zhì)量、穩(wěn)定性及安全性要求高，且控制系統(tǒng)設計也較為復雜，實際電網(wǎng)建設中尚未得到應用[10]。

2.3綜合能源系統(tǒng)設備

綜合能源系統(tǒng)較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)利用的能源種類、供能形式多樣，可滿足冷熱電等多種用能需求，因此設備種類也更為多樣化。

2.3.1原動機

原動機或發(fā)電單元是綜合能源系統(tǒng)的核心部件之一。為了實現(xiàn)多能系統(tǒng)所設計的性能指標，須謹慎選擇原動機的類型及容量。Al‐Sulaiman[11]詳細討論了分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中各種類型的原動機的使用特點，并給出了典型的使用案例。在設計的前期階段為原動機選型提供前期參考。

常見的原動機類型有燃氣內(nèi)燃機，燃氣輪機，微型燃氣輪機，燃料電池，光伏電池、風力發(fā)電機等。

內(nèi)燃機將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點火引其爆炸，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣膨脹推動活塞做功，通過氣缸連桿和曲軸等驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。內(nèi)燃機發(fā)電效率較高，功率范圍廣，適應性能好，結(jié)構緊湊、體積小、重量輕，啟動速度快，操作方便、維護簡單、大修周期間隔長[12]。

燃氣輪機及微型燃氣輪機由壓氣機、透平，加熱工質(zhì)的設備(燃燒室)控制系統(tǒng)和其他輔助設備等組成，壓氣機為燃燒室提供高壓空氣，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒釋放出熱量加熱空氣，產(chǎn)生高溫高壓氣體在透平中膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。目前燃氣輪機技術成熟，商業(yè)化應用廣，效率高，體積小，質(zhì)量輕，摩擦部件小、振動小、噪聲低、污染少。

燃料電池將燃料中的化學能通過化學反應直接轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)效應的限制，效率高;沒有機械傳動部件，沒有噪聲。目前國內(nèi)燃料電池主要用于傳統(tǒng)發(fā)電，在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中尚未大規(guī)模使用[10]。

光伏電池將太陽光照轉(zhuǎn)化為直流電能，無污染，不受資源分布地域的限制，可在用戶側(cè)就近發(fā)電;缺點是受到氣象條件限制，能量輸出不穩(wěn)定。光伏電池適用于光照資源充足、傳統(tǒng)電網(wǎng)接入困難的偏遠地區(qū)。

風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能，優(yōu)點是能源清潔、環(huán)境效益好，缺點是噪聲大，對風場選址要求高，發(fā)電不穩(wěn)定。適用于風能資源豐富、人口稀疏的地區(qū)。

2.3.2制冷設備及供暖設備

吸收式制冷機通過煙氣或熱水驅(qū)動，采用溴化鋰或氨水等制冷工質(zhì)制冷，是余熱利用常用的制冷設備。表1根據(jù)工質(zhì)、驅(qū)動熱源、利用方式和用途對吸收式制冷機進行分類[13]。

余熱鍋爐利用工業(yè)過程產(chǎn)生的余熱及可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量將水加熱，用于工業(yè)利用或采暖。分為一般型和補燃型，一般型余熱鍋爐與熱交換器類似，不存在燃燒過程。

熱泵是一種利用低品位熱資源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)技術。冬季時可通過熱泵機組將室外熱量輸送進室內(nèi)供熱，夏季時可將室內(nèi)熱量輸送到室外降溫。根據(jù)熱源不同可將熱泵分為空氣源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵、雙源熱泵等。熱泵適用于具備常年恒溫冷熱源的地區(qū)。