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Dec 04, 2023

Optimisation de la stratégie de fonctionnement d'un système combiné de refroidissement, de chauffage et d'électricité basé sur la technologie de stockage d'énergie

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2928 (2023) Citer cet article

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La technologie de stockage de l'énergie est la clé pour parvenir à une politique d'émission de carbone. L'objectif de cet article est d'améliorer les performances globales du système combiné de refroidissement, de chauffage et de pompe à chaleur géothermique (CCHP-GSHP) par la batterie. Une nouvelle stratégie d'exploitation (l'exploitation en deux points) est proposée en contrôlant le travail de l'unité de production d'énergie. L'unité de production d'énergie a deux modes de fonctionnement de non-fonctionnement et de fonctionnement à efficacité nominale par la batterie de stockage d'électricité. La nouvelle stratégie de fonctionnement est comparée au CCHP-GSHP traditionnel sans batterie. Les objectifs d'optimisation comprennent le taux d'économie d'énergie primaire, le taux de réduction des émissions de dioxyde de carbone et le taux annuel d'économie sur les coûts totaux. Le système indépendant GSHP est utilisé comme système de référence. Des algorithmes génétiques multipopulations sont sélectionnés pour résoudre le problème d'optimisation. Un bâtiment hôtelier est sélectionné pour une étude de cas. La configuration optimale du système de couplage est calculée en suivant la stratégie de charge électrique. Enfin, les résultats montrent que le système CCHP-GSHP a une meilleure performance dans le cadre de la nouvelle stratégie d'exploitation par rapport au CCHP-GSHP traditionnel (le taux d'économie d'énergie primaire augmente de 5,5 % ; le taux annuel de réduction des émissions de dioxyde de carbone augmente de 1 % ; le taux annuel de réduction des coûts totaux augmente de 5,1 %). Ce document fournit des références et des suggestions pour l'intégration et la stratégie de fonctionnement du CCHP-GSHP à l'avenir.

La situation de l'énergie et de l'environnement devenant de plus en plus grave, les économies d'énergie et la réduction des émissions font l'objet d'une attention croissante1. Le système CCHP peut réaliser une utilisation de l'énergie en plusieurs étapes et réduire efficacement les émissions de carbone2. Ses avantages ont conduit à son développement rapide dans les économies d'énergie et la protection de l'environnement3. Nojavan et al.4 ont implémenté l'énergie renouvelable dans un réseau de microénergie pour modéliser ce système. Zeng et al.5,6,7 ont utilisé un algorithme hybride d'optimisation d'essaim de particules et un algorithme génétique pour optimiser dynamiquement le système CCHP en tenant compte de la non-linéarité de l'équipement. Compte tenu de la capacité de l'équipement et de l'allocation énergétique du système, les résultats de l'optimisation ont été vérifiés par rapport au système traditionnel sous trois aspects : taux d'économie d'énergie, taux de réduction du dioxyde de carbone et coût total annuel. Soheyli8 a envisagé un nouveau système CCHP qui comprenait des modules photovoltaïques, des éoliennes et des piles à combustible à oxyde solide comme principales landes. Lu et al.9 ont proposé une stratégie de fonctionnement saisonnier du système énergétique distribué, qui utilisait un processus de hiérarchie analytique pour déterminer le poids et l'évolution différentielle de l'algorithme hybride d'optimisation de l'essaim de particules pour résoudre le modèle. Feng et al.10 ont étudié les performances du système du point de vue de différentes méthodes de refroidissement et ont optimisé le système CCHP basé sur un refroidisseur hybride. Su et al.11 ont optimisé et analysé les principaux paramètres de fonctionnement du système CCHP-GSHP sur la base des avantages globaux de l'économie, de la conservation de l'énergie et de la protection de l'environnement. Chu et al.12 ont considéré la taxe carbone comme la fonction objectif et ont comparé les avantages et les inconvénients du système d'approvisionnement conjoint CCHP-GSHP de différents types de bâtiments. Yan et al.13 ont conçu une nouvelle structure de micro-réseau CCHP avec stockage d'énergie à air comprimé, en tenant principalement compte de l'utilisation de l'énergie et de l'utilisation de la cascade d'énergie. Li et al.14 ont comparé le système couplé CCHP-GSHP avec échangeur de chaleur avec le système CCHP-GSHP sans échangeur de chaleur. Zhang et al.15 ont comparé les avantages et les inconvénients de quatre méthodes de réfrigération, à savoir un réfrigérateur à absorption alimenté par la chaleur résiduelle, un réfrigérateur électrique, un réfrigérateur à absorption de gaz et une pompe à chaleur géothermique, dans le système CCHP. Arabkoohsar et Sadi ont amélioré la configuration hybride d'un système de production d'électricité. Le système a de bonnes performances globales pour réduire les émissions de dioxyde de carbone16 ; Sadi et al.17,18 ont analysé les avantages de l'utilisation de l'énergie solaire et de l'énergie de la biomasse en Inde ; Shoeibi et al.19 ont analysé et résumé l'application de l'énergie solaire dans les systèmes énergétiques.

Des études récentes ont fait progresser les schémas d'intégration et les algorithmes d'optimisation des systèmes CCHP. Cependant, de nombreux problèmes subsistent, notamment pour modifier la configuration du système et la stratégie de fonctionnement. Le point n'a pas été plus considéré que l'existence de la batterie de stockage peut améliorer l'efficacité de l'unité de production d'énergie (PGU) dans le système CCHP-GSHP. Dans cet article, la batterie est utilisée pour stocker l'électricité du PGU et le PGU adopte la stratégie de fonctionnement en deux points pour le système CCHP-GSHP. Pour répondre aux fluctuations de charge du bâtiment et améliorer les performances combinées du système couplé, le système est équipé d'une batterie pour améliorer la capacité de régulation du système. Il a un impact positif sur l'amélioration de l'efficacité de l'ensemble du système. Le cas d'un bâtiment hôtelier à Changsha est étudié pour parvenir à la configuration optimale. L'algorithme génétique multipopulation (MGA) a été utilisé pour le calcul.

Le système GSHP est considéré comme un système de référence pour le système de conception, et ses résultats de conception sont présentés à la Fig. 1.

Système GSHP indépendant.

Le système GSHP fournit la charge de refroidissement et de chauffage requise par le bâtiment. La puissance requise par le bâtiment. La puissance nécessaire au bâtiment et au système est fournie par le réseau électrique. Le bilan d'alimentation du système est décrit comme suit :

où \(E\) représente la demande électrique du bâtiment, \(E_{GSHP,er}\) est la quantité de demande électrique pour faire fonctionner l'ensemble du système, et \(E_{GSHP}\) est la charge électrique du système GSHP de conduite, qui peut être exprimée comme :

où \(Q^{c}\) et \(Q^{h}\) désignent respectivement la capacité de refroidissement et la capacité thermique du bâtiment. \(COP_{GSHP}\) représente l'efficacité de refroidissement et de chauffage du système GSHP et peut être défini comme suit2 :

où \(COP_{gshp}^{\max }\) représente l'efficacité nominale de GSHP, et \(\eta_{gshp}\) est le coefficient de charge partielle de GSHP dans le système de référence, qui peut s'écrire :

où \(Q_{gshp}^{\max }\) est la capacité nominale du GSHP, l'équation représente le refroidissement ou le chauffage. Compte tenu de la conversion et de la transmission d'énergie, la principale consommation d'énergie du système par heure est de

où \(\eta_{E}\) et \(\eta_{T}\) sont respectivement l'efficacité de production et l'efficacité de transmission.

Le GSHP traditionnel couplé au système de refroidissement, de chauffage et d'alimentation est considéré comme le système de comparaison du système de conception, et ses résultats de conception sont illustrés à la Fig. 2.

Système CCHP-GSHP traditionnel.

La formule de bilan de puissance du système CCHP-GSHP traditionnel est la suivante :

où, \(E_{grid}\) est la consommation d'électricité du réseau, \(E_{pgu}\) désigne la puissance fournie par le PGU, \(E\) est les besoins en charge électrique du bâtiment, \(E_{er}\) est les besoins en puissance du système pendant le fonctionnement, et \(E_{gshp}\) est les besoins en puissance du GSHP, qui peuvent être définis comme suit :

où \(Q_{gshp}^{c/h}\) est l'apport de refroidissement ou de chauffage par le GSHP, et cela pourrait être écrit dans l'équation. (8):

où \(m\) désigne la proportion de quantité de refroidissement ou de chauffage fournie par GSHP entre les exigences de charge de refroidissement ou de chauffage du système, qui détermine la flexibilité du système et est choisie comme variable d'optimisation. La partie pompe à chaleur géothermique est la même entre le système CCHP-GSHP traditionnel et le système de référence :

où \(\eta_{gshp}\) est le coefficient de charge partielle de GSHP, et il pourrait être écrit dans Eq. (dix).

où \(Q_{gshp}^{\max }\) est la capacité nominale du GSHP. La capacité nominale du PGU détermine si le système peut réaliser efficacement l'utilisation en cascade de l'énergie. Par conséquent, il est également choisi comme variable d'optimisation dans le système, et le gaz naturel consommé par le PGU est :

où \(E_{pgu}\) est la production d'énergie réelle du PGU et peut être exprimée comme suit20 :

Le paramètre t peut améliorer efficacement l'efficacité de la production d'énergie du PGU et jouer un rôle décisif dans l'amélioration de l'efficacité de l'ensemble du système. Le paramètre f est le coefficient de charge partielle du PGU et est choisi comme variable de décision, qui peut s'écrire :

où \(E_{pgu}^{\max }\) est la production d'énergie nominale du PGU, et \(\eta_{pgu}^{f}\) est l'efficacité de la production d'énergie. L'équilibre thermique du système couplé peut être exprimé par :

où \(Q\) représente la chaleur régénérée. \(\eta_{tst}\) est le coefficient de perte de chaleur du réservoir de stockage thermique par heure, et \(\eta_{rec}\) est l'efficacité du système de récupération de chaleur. \(COP_{ab}\) peut être exprimé comme :

Le gaz consommé par la chaudière peut être calculé comme suit :

Le schéma du système CCHP-GSHP à deux opérations avec accumulateur dans PGU est illustré à la Fig. 3. La formule d'équilibre de puissance du système CCHP-GSHP à deux opérations est la suivante :

\(E_{grid}\) est la quantité de consommation d'électricité du réseau, \(E_{pgu}\) est la quantité de puissance fournie par le PGU et \(E\) est la charge électrique requise du bâtiment. \(E_{bat}^{out}\) désigne la quantité de puissance exportée de l'accumulateur, et \(E_{bat}^{in}\) est la quantité de puissance importée dans l'accumulateur. \(\eta_{in}\) et \(\eta_{out}\) sont l'efficacité de charge et l'efficacité de décharge de la batterie21. Dans le modèle de fonctionnement à deux points du système CCHP-GSHP, la capacité de l'accumulateur (Batmax) détermine la capacité de régulation du système et est adoptée comme variable d'optimisation.

Système CCHP-GSHP à fonctionnement à deux points.

Un onduleur bidirectionnel est utilisé pour se connecter entre les bus AC et DC, avec un rendement \(\eta_{c}\)22. Ensuite, le courant alternatif du PGU est converti en courant continu pour charger la batterie, et le reste du modèle d'équipement est conforme au système traditionnel. Les variables d'optimisation comprennent la capacité nominale du PGU et le taux de charge du GSHP, tandis que les paramètres de démarrage du PGU ne sont pas pris en compte car le mode de fonctionnement du PGU a été déterminé. \(E_{pgu}\) est la production d'énergie réelle du PGU, et elle peut être exprimée comme suit :

Les algorithmes génétiques, qui peuvent également être appelés algorithmes génétiques standard, ont été proposés pour la première fois par John Holland en 1975. L'algorithme génétique multipopulation est basé sur l'algorithme génétique standard. Cependant, il brise le cadre consistant à ne compter que sur une seule population pour réaliser l'évolution génétique et introduit plusieurs populations pour rechercher les résultats optimaux en même temps. Chaque population a des paramètres de contrôle différents et atteint des objectifs de recherche différents. Différentes populations s'influencent mutuellement par le biais d'opérateurs migrants. La sélection manuelle est utilisée pour obtenir des individus d'élite. Le meilleur résultat ultime est l'effet combiné de la coévolution de toutes les populations. Plusieurs populations, l'algorithme génétique, sont développées pour optimiser la capacité nominale du moteur principal et du système de couplage dans le taux de charge de chauffage/refroidissement de la pompe à chaleur source et la capacité de stockage pour les variables de décision du système pour l'optimisation globale. L'objectif d'optimisation prend en compte l'énergie, l'environnement, les indicateurs économiques, en utilisant le logiciel MATLAB pour réaliser l'ensemble du processus de calcul.

Taux d'économie d'énergie primaire

Le taux annuel d'économie d'énergie primaire a été retenu comme indice énergétique. La consommation d'énergie du système couplé comprend le gaz naturel consommé par les PGU et les chaudières et les combustibles fossiles consommés par les réseaux électriques. Il peut être exprimé comme suit :

où \(F_{CCHP}\) est la consommation annuelle d'énergie fossile du système couplé, \(F_{pgu}^{n}\) est la consommation de gaz naturel par heure du PGU, \(F_{b}^{n}\) est la quantité de gaz naturel consommée par heure par la chaudière, et \(F_{grid}^{n}\) est la quantité de combustible fossile consommée par heure du réseau électrique, La consommation d'énergie du système de référence incluant la consommation de combustible fossile par le réseau électrique, peut être exprimée comme suit :

où \(F_{GSHP}^{{}}\) est la consommation annuelle d'énergie fossile du système de référence, et \(F_{GSHP,grid}^{n}\) est la quantité de combustible fossile consommée par heure sur le réseau public d'électricité. Par conséquent, le taux annuel d'économie d'énergie peut s'écrire :

où \(P_{énergie}\) est le taux d'économie d'énergie primaire du système CCHP, \(F_{GSHP}^{{}}\) est la consommation d'énergie annuelle du système de référence, et \(F_{CCHP}\) est la consommation annuelle d'énergie fossile du système couplé.

Taux de réduction du coût total annuel

Le coût total annuel est choisi comme indicateur économique, qui comprend le coût du gaz naturel, la taxe carbone et l'investissement initial annuel et peut être calculé comme suit.

où \(CR_{CCHP}\) est le coût total annuel total du système couplé, \(N_{gas}\) est le coût du gaz naturel par kilowatt par heure, \(N_{grid}\) est le coût unitaire du réseau public d'électricité, \(ER_{CCHP}\) est les émissions annuelles de CO2 du système couplé, \(E_{grid}^{n}\) est la consommation d'énergie du réseau public d'électricité et \(T\) représente la taxe carbone. \(Ca_{k}\) est la capacité unitaire de l'équipement dans un système couplé, \(Co_{k}\) est le coût unitaire de l'équipement et \(y\) est le nombre d'équipements. \(P\) est le taux de retour sur investissement, et il pourrait être défini dans l'équation. (28).

où \(I\) est le taux d'intérêt et \(d\) représente la durée de vie de l'équipement ; supposons que \(I\) et \(d\) sont égaux pour tous les équipements de cet article. Ensuite, le coût total annuel du système de référence est indiqué dans l'équation. (29), et le taux de réduction du coût total annuel peut être écrit en Eq. (30).

Taux de réduction des émissions annuelles de CO2

Le taux annuel d'émission de CO2 est choisi comme indicateur environnemental. Le taux d'émission de CO2 du système couplé comprend la consommation de gaz naturel par le PGU et la chaudière, et la consommation d'énergie fossile par le réseau public d'électricité, qui peut être exprimée comme suit :

où \(ER_{CCHP}\) est les émissions annuelles de CO2 du système couplé, \(M_{gas}\) est les émissions de CO2 par unité de gaz naturel, et \(M_{grid}\) est les émissions de CO2 par unité de réseau électrique. Les émissions de CO2 du système de référence incluent la consommation d'énergie fossile par le réseau public d'électricité, et peuvent être exprimées comme suit.

où \(E_{GSHP,grid}^{n}\) est la consommation électrique par heure du système de référence. Par conséquent, le taux de réduction des émissions annuelles de CO2 peut être exprimé en éq. (33) spectacles.

Performance globale

Pour refléter la performance globale du système couplé, les indicateurs énergétiques, économiques et environnementaux sont combinés dans les expressions suivantes :

où \(\delta_{1}\), \(\delta_{2}\) et \(\delta_{3}\) sont des facteurs de pondération, qui nécessitent \(0 \le \delta_{1}\), \(\delta_{2} \le 1\), \(\delta_{3} \le 1\) et \(\delta_{1} + \delta_{2} + \delta_{3} \le 1\). Ces valeurs représentent respectivement l'importance des indicateurs énergétiques, économiques et environnementaux. Selon la littérature, \(\delta_{1}\), \(\delta_{2}\) et \(\delta_{3}\) sont fixés à 1/3 de manière égale, ce qui signifie que les indicateurs environnementaux et économiques sont d'égale importance. Le but de l'optimisation d'un modèle est de trouver la valeur maximale du modèle. Dans cet article, le problème de maximisation est transformé en un problème de minimisation. Par conséquent, l'objectif d'optimisation de ce modèle s'exprime par :

Un bâtiment hôtelier est choisi pour valider le modèle d'optimisation proposé. Le bâtiment de l'hôtel est situé dans la ville de Changsha. Le logiciel Energy Plus est utilisé pour simuler la charge horaire de chauffage et de refroidissement du bâtiment, et les résultats sont présentés à la Fig. 4.

Charges annuelles d'un bâtiment.

Les coûts du système et les prix de l'énergie sont présentés dans le tableau 1 ; les paramètres d'équipement du système sont indiqués dans le tableau 2 ; et les émissions de carbone liées à l'énergie sont présentées dans le tableau 3.

Comme le montrent les Fig. 5 et 6, lorsque le PGU utilise la stratégie de fonctionnement à deux points pour le système CCHP-GSHP, l'efficacité de la production d'énergie a le niveau le plus élevé et l'efficacité de la batterie est relativement élevée, ce qui est un bon ajustement pour le système. Le PGU a donné beaucoup de soutien avec une grande efficacité dans le travail d'intervalle. Par conséquent, l'espace de réapprovisionnement du réseau électrique diminue fortement et la capacité du PGU n'augmente pas de manière significative. Du point de vue des économies d'énergie et de la protection de l'environnement, les performances globales de l'ensemble du système sont améliorées.

Distributions électriques annuelles du système traditionnel CCHP-GSHP.

Distributions annuelles de puissance du système CCHP-GSHP à deux points de fonctionnement.

Comme le montre la comparaison entre les Fig. 7 et 8, le PGU fonctionne selon la stratégie de fonctionnement en deux points pour le système CCHP, ce qui améliore l'efficacité d'utilisation du réservoir de stockage de chaleur et joue un bon rôle dans la régulation et fournit plus de soutien pour le PGU fonctionnant à haut rendement. En raison du coût économique inférieur de la source d'alimentation dans le système CCHP-GSHP à fonctionnement à deux points, la capacité du GSHP a été encore améliorée. Le coût de refroidissement/chauffage est relativement réduit. Les performances globales du système sont améliorées.

Répartition annuelle de la quantité de chaleur du système CCHP-GSHP traditionnel.

Distributions annuelles de la quantité de chaleur du système CCHP-GSHP à fonctionnement à deux points.

Comme le montre la Fig. 9, par rapport au système de référence, le taux d'économie d'énergie primaire du système CCHP-GSHP traditionnel est de 27,7 %, le taux d'économie total annuel est de 37,5 %, le taux de réduction des émissions de CO2 est de 47,7 % et la performance globale est de 37,7 %. Le taux d'économie d'énergie primaire du système CCHP-GSHP avec batteries est de 33,2 %, le taux d'économie total annuel est de 38,5 %, le taux de réduction des émissions de CO2 est de 52,8 % et la performance globale est de 41,5 %. Par conséquent, le système CCHP-GSHP à fonctionnement à deux points avec batteries a un taux d'économie d'énergie primaire, un taux d'émission de CO2, un taux d'économie total annuel et une performance globale de 5,5 %, 1 %, 5,1 % et 3,9 % supérieurs à ceux du système CCHP-GSHP traditionnel, respectivement. Bien que le coût augmente en raison de l'augmentation des équipements de batterie, du point de vue de la réduction de la consommation de carburant, les performances de tous les aspects de l'ensemble du système ont été améliorées.

Valeurs cibles d'optimisation de deux systèmes.

Par rapport au système CCHP-GSHP traditionnel, le système CCHP-GSHP en mode de fonctionnement à deux points proposé présente des avantages dans tous les aspects, qui sont respectivement de 5,5 %, 1 %, 5,1 % et 3,9 % plus élevés en termes de taux d'économie d'énergie primaire, de taux d'émission de carbone, de taux d'économie total annuel et de performances globales. Les résultats montrent que le système de couplage optimisé peut fonctionner de manière plus économe en énergie, respectueuse de l'environnement et économique et prouve l'efficacité du système de couplage, de la stratégie de fonctionnement et de la méthode d'optimisation.

Pour satisfaire la fluctuation de la charge du bâtiment et renforcer les performances combinées du système couplé, cet article fournit une certaine référence et suggestion pour l'intégration et la stratégie d'exploitation du système CCHP-GSHP.

Les ensembles de données analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été financée par la National Natural Science Foundation of China (51776226) et soutenue par les Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University (1053320214535).

École des sciences et de l'ingénierie de l'énergie, Central South University, Changsha, 410083, Chine

Yu Zhang, Yan Deng, Zimin Zheng, Yao Yao et Yicai Liu

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YZ et YD ont conçu et dirigé les travaux de recherche et avec YZ ont rédigé le manuscrit avec la contribution de tous les auteurs. YZ, YD, ZZ et YY ont participé au travail de simulation et YL a révisé le manuscrit.

Correspondance à Yicai Liu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, Y., Deng, Y., Zheng, Z. et al. Optimisation de la stratégie de fonctionnement d'un système combiné de refroidissement, de chauffage et d'électricité basé sur la technologie de stockage d'énergie. Sci Rep 13, 2928 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29938-6

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Reçu : 10 novembre 2022

Accepté : 13 février 2023

Publié: 20 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29938-6

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