分布式冷热电联供系统协同集成与主动调控方法研究（清华大学优秀博士学位论文丛书）

本书以系统与用户负荷供需匹配为核心，突破传统案例研究的局限性，揭示了二者负荷耦合与解耦机制，获得了普适性的系统协同集成与主动调控方法。

供需协同集成方面：提炼出反映用户负荷需求大小与波动的负荷特征参数，建立了用户负荷普适性模型，并提出用户归类方法。提出了无量纲供需匹配参数和普适性供需匹配图，明确了不同供能情景下系统构型设计方法、装机方法、节能边界及适合的用户范围。此外，定量分析了系统分别耦合蓄热、蓄电和协同蓄能单元的集成系统与用户负荷供需匹配关系，对比分析了不同蓄能形式在不同供能情景下的装机方法及对系统相对节能率的提高空间，从而明确了适合耦合蓄能单元的供能情景及蓄能形式。

主动调控方面：基于系统与用户的供需匹配关系，明确了电跟随（FEL）和热跟随（FTL）两种常规调控方式的适用情景；同时，提出了能主动改变系统与用户负荷供需比例的FOL优化运行策略，从而针对不同供能情景构筑了包含FEL、FTL、FOL三种系统变工况调控方式的普适性运行策略选择图。此外，对比分析了位于系统不同蓄能位置的主动与被动蓄能调控的本质区别，揭示了蓄能对系统冷热电负荷的解耦机制，提出了耦合中温蓄热单元的系统主动蓄能调控方法。

冯乐军,2013年7月本科毕业于齐齐哈尔大学化学与工程学院化学工程与工艺专业并获得工学学士学位。2013年9月考入北京化工大学化学与工程学院化学工程与技术专业，师从郑丹星教授，2016年7月硕士毕业并获得工学硕士学位。2016年9月考入清华大学能源与动力工程系动力工程及工程热物理专业，师从史琳教授，2020年1月博士毕业并获得工学博士学位。研究方向为：分布式能源系统、中温相变储能、吸收式动力循环。目前已发表论文25篇，其中一作SCI论文9篇，EI3篇，授权发明专利4项。

本书以系统与用户负荷供需匹配为核心，突破传统案例研究的局限性，揭示了二者负荷耦合与解耦机制，获得了普适性的系统协同集成与主动调控方法。

　　国家“双碳”战略的提出是为应对气候变化向世界做出的庄重承诺，也是我国建设生态文明、寻求高质量发展和建设社会主义现代化强国深思熟虑的重大抉择。这意味着要进行一场深刻、系统的社会变革，能源供给侧碳减排是这场变革的主战场，而突破口就在于能源结构的深刻变革。能源结构的转变必将带来供能方式的变革，终端用能将通过分布式与集中式供能方式的有机结合来保障。分布式能源系统作为能源领域的前沿技术，在节能、经济和碳排放方面较传统供能模式均具有较大的优势。同时，系统临近用户，减少了能量输送损失，具有高效、可靠和灵活等特点，是新型能源系统的支撑技术，也是将来智慧能源网的主要能源组成形式。然而，由于对系统与用户间的负荷供需匹配机制尚不清楚，缺乏量化认识，从而面对不同类型和气候区域内的用户负荷需求，无法给出通用性的系统集成设计和变工况调控指导。

　　在这样的研究背景下，依托于国家重点研发项目《多能互补与综合梯级利用的分布式能源系统》，冯乐军建立了分布式能源系统与用户通用数学模型，提出了无量纲供需匹配参数，构建了普适性供需匹配图，揭示了不同类型用户与系统的负荷供需匹配机制，明确了不同供能情景下系统构型、节能边界、装机及用户筛选模式，获得了普适性协同集成方法； 同时，构筑了普适性运行策略选择图，明确了系统不同运行策略的适用情景，提出了能主动改变系统与用户负荷供需比例的优化运行策略。研制了中温复合相变材料及实验平台，获得了不同调控参数下的蓄/释能实验数据，建立了普适性相变蓄能热阻模型，揭示了不同调控参数下主动蓄能解耦机制，明确了系统耦合不同蓄能形式的适用情景及节能率提高空间。以上创新成果已在Energy Conversion and Management、Applied Thermal Engineering等重要学术期刊发表。

　　本书值得从事分布式能源系统与储能研究的科研人员深度阅读，不仅可以使读者了解到当前分布式能源系统研究的热点与难点，亦可引领读者思考该领域的未来趋势及相关研究方法。也衷心希望本书描述的一些新思路、新方法、新手段能够惠及更多创新者，本书字里行间所体现的冯乐军博士的辛勤耕耘能够鼓舞更多探索者。

　　是为序。

史琳

清华大学能源与动力工程系

2023年10月

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2分布式冷热电联供系统研究现状

1.2.1分布式冷热电联供系统概述

1.2.2分布式冷热电联供系统国外研究现状

1.2.3分布式冷热电联供系统国内研究现状

1.3分布式冷热电联供系统集成方法现状与分析

1.3.1系统构型： 内部单元的耦合集成

1.3.2系统装机容量设计

1.3.3系统的应用情景： 服务对象

1.3.4系统集成方法现状小结

1.4分布式冷热电联供系统调控方法现状与分析

1.4.1设备参数调控

1.4.2运行策略调控

1.4.3蓄能调控

1.4.4系统调控方法现状小结

1.5本书的研究内容和拟解决的问题

第2章CCHP系统与用户负荷普适性供需匹配耦合机制

2.1本章引论

2.2用户负荷特征及简化模型建立

2.2.1不同类型用户负荷特征及影响因素

2.2.2用户负荷特征参数提炼及普适性模型建立

2.2.3普适性用户类型归纳

2.3CCHP系统全工况模型及评价指标

2.3.1系统描述

2.3.2系统全工况模型

2.3.3系统冷热电负荷输出比例关系

2.3.4系统评价指标

2.4CCHP系统与用户负荷普适性供需匹配关系

2.4.1无量纲供需匹配参数

2.4.2无量纲供需匹配图

2.4.3基于供需匹配图的普适性供需匹配情景

2.4.4基于供需匹配图的系统集成与调控初步指导

2.5本章小结

第3章CCHP系统与用户协同集成设计研究

3.1本章引论

3.2基于不同供能情景下的系统构型与装机容量研究

3.2.1不同供能情景下的系统构型描述

3.2.2“以电定热”和“以热定电”装机模式下的供需匹配性

3.2.3不同供能情景下系统装机容量及构型对比分析

3.2.4针对不同类型用户的装机容量方法分析

3.2.5案例分析

3.3不同构型系统节能边界及适合的用户范围

3.3.1系统节能边界及我国现有CCHP系统节能性调研

3.3.2适合安装CCHP系统的用户分析

3.4本章小结

第4章基于运行策略的CCHP系统主动调控方法研究

4.1本章引论

4.2系统余热解耦方式及FEL和FTL运行策略适用情景分析

4.2.1两种不同制冷方式下的系统描述

4.2.2运行策略调控与用户负荷需求的内在耦合

4.2.3不同运行策略下系统余热的解耦分析

4.2.4不同供能情景下FEL和FTL运行策略对比分析

4.3基于优化运行策略的主动调控方法

4.4变工况调控后的用户适用范围

4.4.1FEL和FTL运行策略调控后的用户适用范围

4.4.2FOL运行策略调控后的用户适用范围

4.5案例分析

4.6本章小结

第5章CCHP系统与理想蓄能单元的集成设计研究

5.1本章引论

5.2理想蓄能假设及4种不同的CCHP集成构型

5.2.1理想蓄能系统假设

5.2.24种不同的CCHP系统集成构型

5.3负荷无量纲供需匹配参数及普适性匹配情景

5.3.1负荷无量纲供需匹配参数

5.3.2普适性供需匹配情景

5.4耦合不同蓄能单元的CCHP系统装机方法研究

5.4.1装机方法分析

5.4.2案例分析

5.5耦合蓄能单元的系统节能边界及适合的用户范围

5.5.1不同蓄能形式下的供需匹配性及系统节能边界

5.5.2不同蓄能形式下适合的用户范围

5.6本章小结

第6章CCHP系统主动蓄能调控方法研究

6.1本章引论

6.2主动与被动蓄能调控特点对比分析

6.3中温蓄热单元对系统负荷的解耦机制及主动蓄能调控

6.3.1耦合ORC及蓄热单元后的系统构型

6.3.2系统负荷的解耦机制及主动蓄能调控方法

6.3.3案例分析

6.4本章小结

第7章中温相变蓄热材料制备及实验台搭建

7.1本章引论

7.2中温相变材料制备及热物性测试

7.2.1中温相变材料遴选

7.2.2热导率改善材料制备

7.2.3复合相变材料及其热物性测试

7.3中温相变蓄热实验台设计与搭建

7.3.1相变蓄热实验台蓄/释热流程设计

7.3.2蓄能罐设计

7.3.3中温相变实验系统搭建与调试

7.4实验结果与分析

7.4.1蓄/释热特性评价指标

7.4.2换热流体温度和流量的影响规律

7.4.3蓄能周期内蓄热和释热特性分析

7.5本章小结

第8章基于热阻模型的蓄能系统蓄/释能特性及其调控规律

8.1本章引论

8.2相变蓄能系统蓄/释热特性及调控研究思路

8.3管壳式蓄热装置热阻模型

8.3.1管壳式蓄热装置蓄能功率关联参数

8.3.2管壳式蓄热装置热阻模型建立

8.3.3管壳式蓄热装置热阻模型验证

8.4管壳式蓄能单元相变蓄/释热特性及设计和调控参数分析

8.4.1管壳式蓄能单元相变蓄/释热特性

8.4.2设计参数对蓄/释能特性的影响规律

8.4.3调控参数对蓄/释能特性的影响规律

8.5串并联式相变蓄能系统调控分析

8.5.1串联式相变蓄能系统及其调控

8.5.2并联式相变蓄能系统调控分析

8.5.3串联及并联式相变蓄能系统对比分析

8.6本章小结

第9章结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢