低碳建筑能源系统分层耦合优化方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明涉及低碳建筑能源系统规划技术领域，特别是涉及一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.城市能源系统在低碳转型过程中，由于规划方法和模型粒度不一致，建筑和能源部门协同规划所需的优化决策工具在建模复杂性、优化精度和计算成本方面存在较多问题。
3.实现建筑和能源部门协同的低碳建筑能源系统规划问题主要有两种方法。一种是数学规划方法，另一种是迭代优化搜索方法。能源部门通常采用的数学规划方法侧重于供能系统规划设计方案的整体优化，其中所需满足的负荷常用历史数据外推进行模拟。这种方法较少考虑到建筑暖通负荷随建筑环境变化的能量模拟动力学和准确性，而且该方法通常面临低预测精度和依赖历史数据等难题。而建筑部门目前常用的暖通负荷计算方法的是通过计算围护结构非稳态传热动态特性，具体有直接寻根法(rfm)、时域法(tdm)和状态空间法(ssm)。上述方法中传统的不稳定传热计算存在复杂传递函数的求解困难。例如，rfm存在根丢失、效率低、无法保证计算结果的可靠性等问题。tdm本质上类似于传统的寻找寻根的方法，它需要进行15万次迭代来计算两层墙的前10次滞后时间。而ssm可以解决多输入、多输出、多变量的系统问题。
4.能源部门规划设计采用的另一种优化方法是迭代优化搜索方法，其思想是对巨量可行方案进行迭代模拟，然后逐个搜索最优解。然而，这种方法需要一个从数百个预模拟计算中获得数据，其中包含用于构建元模型的设计变量和参数。从实际的角度来看，当跨部门的技术仿真和系统优化都在单个模型中进行时，它对备选方案的迭代或最优解决方案的搜索都不利。


技术实现要素：

5.本发明提供一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法、装置、设备及介质，解决跨部门在仿真和优化中的精度和尺度差问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，包括以下步骤：
7.采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；
8.建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；
9.将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。
10.所述室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式为：其中，是房间中所有节点的比热容矩阵，是描述所有节点之间热传递的n
×
n矩阵，i(t)是描述建筑内部所有节点温度的n维列向量，是描述室内内外热源和冷源对室内温度扰动的n
×
m矩阵，γ(t)是描述室内外热源和冷源的m维列向量。
11.所述负荷计算模型为：其中，q(t)为建筑物的全年分时冷负荷和热负荷，qv是空气渗透通风的能量，q
sum
是通过窗户进入室内并对流到室内的太阳辐射能量，q
indoor
是内部负载产生的热量，hi表示围护结构内侧的对流传热系数，ti表示室内温度、t0表示室外温度tz表示该区域温度，m表示空气质量流量，a表示暴露于环境温度下的表面积，ρ表示空气密度，c
p
表示空气的定压比热容。
12.所述综合能源系统模拟模型通过热电联产机组、光伏面板、风力涡轮机和外部电网满足电力需求，通过热电联产机组、太阳能集热器、燃气锅炉、地源热泵以及吸收式热泵满足供热需求，通过地源热泵和吸收式热泵满足供冷需求，通过储能电池和水储热技术满足储能需求。
13.所述将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，具体为：基于所述综合能源系统模拟模型建立一个实现供需协同优化的milp模型，所述milp模型的供应侧是所述综合能源系统模拟模型，需求侧是模拟不同建筑围护结构改造方案的负荷计算模型；所述milp模型将负荷计算模型计算出的不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷作为输入，所述milp模型以改造方案对需求侧的贡献最大为目标函数，所述milp模型以综合能源系统模拟模型的能量平衡和各个设备在额定条件下运行为约束条件。
14.所述milp模型的目标函数为其中，d
s,h
为改造方案对需求侧的贡献，为不采用任何改造方案的基准能源需求，χ
stra
为是否选择改造策略的二进制变量，为改造方案下的需求削减量。
15.对所述分层耦合优化模型进行求解时，采用多维偏好线性规划法来确定全局最优解。
16.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低碳建筑能源系统分层耦合优化装置，包括：
17.第一建模模块，用于采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；
18.第二建模模块，用于建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；
19.第三建模模块，用于将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。
20.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的步骤。
21.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的步骤。
22.有益效果
23.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
24.本发明通过状态空间建模模拟不同建筑在各种围护条件下的逐时冷热负荷，通过综合能源系统建模建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型，通过协同优化模块结合上述不同模拟模块。
25.本发明将基于状态空间方法的需求侧节能改造措施的热负荷模拟与整个能源系统供需协同规划的混合整数线性规划相结合。该方法通过对时变多维过程降阶描述的同时保持需求侧的动态特性，以解决跨部门在仿真和优化中的精度和尺度差问题。
26.本发明将需求侧节能策略和供应侧减排技术划分为两个独立的模拟层次。在该分层方法相比，需求侧节能策略的决策是一个静态过程，不需要很多时间重复搜索，大大降低了规划模型运行过程的空间成本。分层耦合优化方法关注了单个建筑围护结构的微观特征，同时将研究规模扩展到整个能源系统，并考虑了不同围护结构改造策略对能源系统的宏观经济和环境影响。在有限的计算能力条件下，该方法既保证了建筑热环境动态模拟的仿真精度和速度，又解决了不同尺度模型耦合的失配问题。
27.与基准条件相比，本发明的协同优化解决方案可实现24.22％成本净现值削减和50.35％碳排放总量削减。这种分级方法有助于设计有效的跨部门协同解决方案，实现整个系统的经济效益和环境可持续性的合理权衡。总体而言，本发明可为建筑和能源部门协同的涵盖低碳建筑改造和低碳供能系统设计及运行管理方案的低碳建筑能源系统规划提供决策辅助。
附图说明
28.图1是本发明第一实施方式低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的流程图；
29.图2是本发明第一实施方式中供应侧能源系统模型示意图；
30.图3是本发明实施例的社区布局示意图；
31.图4是本发明实施例中聚类生成的典型负荷曲线图；
32.图5是本发明实施例中多目标优化的帕累托前沿示意图；
33.图6是本发明实施例中典型优化方案和基准情景的环境和经济指标对比图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定
的范围。
35.本发明的第一实施方式涉及一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法。该方法将基于状态空间方法的需求侧节能改造措施的热负荷模拟与整个能源系统供需协同规划的混合整数线性规划相结合，通过对时变多维过程降阶描述的同时保持需求侧的动态特性，以解决跨部门在仿真和优化中的精度和尺度差问题。如图1所示，具体包括以下步骤：
36.步骤一，采用传热特性参数建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷。
37.本步骤基于现代控制理论的状态空间原理计算传递函数系数，将室内外热扰对室内空气温度的影响用传热特性参数描述，在此基础上进行建筑房间室温和社区全年基准负荷计算。
38.在动态传热计算过程中，状态空间方法通过将房间离散为一系列温度节点来描述建筑物的动态热过程，其表达式如下：
[0039][0040]
其中，是房间中所有节点的比热容矩阵，是描述所有节点之间热传递的n
×
n矩阵，i(t)是描述建筑内部所有节点温度的n维列向量，是描述室内内外热源和冷源对室内温度扰动的n
×
m矩阵，γ(t)是描述室内外热源和冷源的m维列向量。
[0041]
本步骤中的负荷计算模型可分为两部分，即空气传热模型和围护结构模型。空气传热模型描述了建筑内外表面的温度平衡、建筑主体的热平衡和室内空气的热平衡。围护结构模型可以通过维护结构内温度分布的热导率的偏微分方程和热流密度与维护结构内的温度场之间的关系的傅里叶定律来表示。最后，选择室外天气模型，然后结合空气和围护结构的传热平衡方程，来计算建筑物的全年分时冷负荷和热负荷。
[0042][0043]
其中，q(t)为建筑物的全年分时冷负荷和热负荷，qv是空气渗透通风的能量，q
sum
是通过窗户进入室内并对流到室内的太阳辐射能量，q
indoor
是内部负载产生的热量，hi表示围护结构内侧的对流传热系数，ti表示室内温度、t0表示室外温度tz表示该区域温度，m表示空气质量流量，a表示暴露于环境温度下的表面积，ρ表示空气密度，c
p
表示空气的定压比热容。
[0044]
上述负荷计算模型是以为一般表达式(初始原型)建立的，是基于状态空间方法进行动态建模获得的，而状态空间方法通过将房间离散成一系列温度节点来描述建筑的动态热过程。将具有非均匀内部空间温度场的模拟对象微分划分为多个温度节点，将均匀模拟对象视为单一温度节点，并对所有节点建立一组热平衡方程。
[0045]
在优化计算的时间复杂度方面，本步骤可以以季节典型日的粒度计算，而构建热环境动力学模型可以采取任何时间步长，大到一小时或小到几秒。此外，在具有大量跨时方程的优化模型中，非平稳过程的简化高度依赖于专业知识，设计者必须承担着有关系统交
互的信息丢失的风险。因此，很难获得理想的简化方法，这将导致规划模型从能够快速求解的线性模型转变为具有高阶微分项和冗余变量的复杂模型。然而，本实施方式可以很容易求解高阶微分方程，这主要是因为ctf可以灵活地处理多个房间中多个表面之间的长波辐射、各种热边界条件和各种热扰动，以低迭代次数收敛到最优结果。因此，将状态空间模型作为一个独立的动态负荷模拟模块具有明显的优势。
[0046]
步骤二，建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型。本步骤中建立的综合能源系统模拟模型需要考虑多种替代能源和储能技术，如图2所示，该综合能源系统模拟模型通过热电联产机组、光伏面板、风力涡轮机和外部电网满足电力需求；除热电联产机组外，其他供热技术包括太阳能集热器、燃气锅炉、地源热泵以及吸收式热泵，以满足供热需求；其中，地源热泵和吸收式热泵还用于满足供冷需求。该综合能源系统模拟模型还通过储能电池和水储热技术满足储能需求。
[0047]
步骤三，将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。
[0048]
本步骤采用一种基于混合整数线性规划模型的供需规划协同方法，来平衡仿真精度和计算成本。将在步骤一中基于动态性能特征对需求侧建筑围护结构实施改造的多钟改造方案的仿真结果作为本步骤中优化模型的输入参数。
[0049]
供需协同规划需要根据建筑和能源部门间的耦合关系和协同机制进行建模。基于图2所示的系统配置，建立一个实现供需协同优化的milp模型，其中，供应侧是综合能源系统模拟模型，由产能技术和储能技术组成。需求侧是模拟不同建筑围护结构改造方案的负荷计算模型。模型中的供需协同优化设计变量包括需求侧节能改造策略，其影响建筑冷、热节能效果，以及供给侧各设备的装机容量，优化运行变量为各设备在不同时刻的能量输入和输出。
[0050]
能量平衡是构建分层耦合优化模型的最基本约束条件，其主要涉及电平衡、热平衡和冷平衡。考虑到大多数设备在实际运行中需要在额定条件下运行，因此还需要引入最小部分负荷约束。
[0051]
各种围护结构的节能改造策略在不同时刻对建筑热损失和终端能耗的影响不同，本实施方式特别考虑了协同规划模型在供需两方面的耦合约束条件。建筑围护结构在不同改造策略下对建筑热量损失和终端用户能耗的影响不断变化。不同的节能策略对需求方面的贡献可以用下式来描述。
[0052][0053]
其中，d
s,h
为改造方案对需求侧的贡献，为不采用任何改造方案的基准能源需求，χ
stra
为是否选择改造策略的二进制变量，为改造方案下的需求削减量。。
[0054]
本实施方式将需求侧节能策略和供应侧减排技术划分为两个独立的模拟层次。在该分层方法相比，需求侧节能策略的决策是一个静态过程，不需要很多时间重复搜索，大大降低了规划模型运行过程的空间成本。分层耦合优化方法关注了单个建筑围护结构的微观特征，同时将研究规模扩展到整个能源系统，并考虑了不同围护结构改造策略对能源系统
的宏观经济和环境影响。在有限的计算能力条件下，该方法既保证了建筑热环境动态模拟的仿真精度和速度，又解决了不同尺度模型耦合的失配问题。
[0055]
模型的目标函数可以以改造方案对需求侧的贡献最大以及改造方案成本最小为目标。由于多目标优化的帕累托前沿是一个非支配解集，很难直接确定哪种解决方案更好或更差。因此，本步骤在对模型求解时可以通过多维偏好线性规划法(linmap)来确定全局最优解，而这些非支配解通过几个评估指标来定量评估，选择供需协同优化解决方案的成本节约率(csr)作为经济评价指标。
[0056]
以中国上海的一个老旧社区青年公寓的改造项目为例，采用本实施方式提出的供需侧跨部门协同规划的分层耦合优化方法，研究建筑能源系统的需求侧建筑节能策略和供应侧低碳供能技术，探索供需协同规划下最优的综合节能方案和系统运行策略。
[0057]
该社区建筑面积35280平方米，有10栋公寓楼。图3为社区的布局示意图。社区依靠电网和旧锅炉为居民提供能源，但传统的能源供应系统已不能满足社区低碳用能需要。
[0058]
本实施例研究的基准建筑围护结构的详细热工参数见表1，并使用k-medoids聚类方法将全年分为夏季、过渡季和冬季，针对冷、热、电负荷各生成4类代表性需求场景。一共选取20个典型日作代表估算全年的能源需求，其典型负荷曲线如图4所示。
[0059]
表1基准情景下的围护结构材料参数
[0060][0061]
表2需求侧节能改造策略
[0062][0063]
a节能改造等级随策略序号递增，等级越高，保温隔热性能越好。
[0064]
b围护材料和人工成本
[0065]
c内外层玻璃(gl)厚度为6mm，中间空气层(ai)为12mm的中空玻璃
[0066]
d内外玻璃(gl)厚度5mm，中间氩层(ar)为16mm的中空玻璃
[0067]
对围护结构的计算是通过选取相应的建筑材料逐层累加负荷而成，计算中需要考虑各建筑材料的导热系数、厚度、密度、比热容、粗糙程度、热吸收率、太阳光吸收率、可见光吸收率等参数。本实施例针对外墙、屋顶和窗户可分别采纳不同的节能改造策略，形成隔热和节能策略的各种组合，共有90种组合(no.01-no.90:a1b1c1-a6b5c3)需要模拟，详细设计见表2。编号1-30是较为基础的节能改造策略，成本较低但节能效果也相对较弱，编号31-60是相对中等水平的改造策略，成本适中而节能效果也有所提升，编号61-90是相对较高等级的节能改造策略。
[0068]
本实施例社区的经济和环境双目标优化结果如图5所示。随着减碳需求的增加，供需协同优化要求采取具有更高水平节能潜力的建筑改造策略。在帕累托边界上的29个非支配解中，a和j分别是经济和环境最优解。g是根据linmap决策方法的经济环境折衷解决方案。b是其中的一种典型方案，其供能端投资和维护成本最低的，但能耗高于任意其他经济-环境优化方案。
[0069]
图6进一步展示上述典型优化方案的经济环境指标构成情况。与基准情景相比，各多目标优化方案均可实现良好的减排，但在追求极致減排的情况下，环境最优方案的总体经济性可能不及基准方案。总体而言，减排要求较高的方案中燃气碳排所占比重较大，而电力当量碳排比重较小。总碳排放较低的方案倾向于采用更积极的冷热电多联供和储能技术以实现能源梯级利用，从而降低对当量碳排相对较高的电网电力的需求。这种情况意味着需要较高的设备投资和维护成本，而能源成本则可相应得到明显削减。
[0070]
本实施例表明，在需求侧采用最优节能策略可实现48.20％的建筑节能，而在供给侧采用最优供能技术组合可实现全年36.77％的减排。被动和主动节能手段相结合后，整个系统的减排率可进一步提高6.16％～30.42％。同时，与基准条件相比，协同优化解决方案
可实现24.22％成本净现值削减和50.35％碳排放总量削减。这种分级方法有助于设计有效的跨部门协同解决方案，实现整个系统的经济效益和环境可持续性的合理权衡。总体而言，本实施方式可为建筑和能源部门协同的涵盖低碳建筑改造和低碳供能系统设计及运行管理方案的低碳建筑能源系统规划提供决策辅助。
[0071]
本发明的第二实施方式涉及一种低碳建筑能源系统分层耦合优化装置，包括：
[0072]
第一建模模块，用于采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；
[0073]
第二建模模块，用于建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；
[0074]
第三建模模块，用于将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。
[0075]
所述室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式为：其中，是房间中所有节点的比热容矩阵，是描述所有节点之间热传递的n
×
n矩阵，i(t)是描述建筑内部所有节点温度的n维列向量，是描述室内内外热源和冷源对室内温度扰动的n
×
m矩阵，γ(t)是描述室内外热源和冷源的m维列向量。
[0076]
所述负荷计算模型为：其中，q(t)为建筑物的全年分时冷负荷和热负荷，qv是空气渗透通风的能量，q
sum
是通过窗户进入室内并对流到室内的太阳辐射能量，q
indoor
是内部负载产生的热量，hi表示围护结构内侧的对流传热系数，ti表示室内温度、t0表示室外温度tz表示该区域温度，m表示空气质量流量，a表示暴露于环境温度下的表面积，ρ表示空气密度，c
p
表示空气的定压比热容。
[0077]
所述综合能源系统模拟模型通过热电联产机组、光伏面板、风力涡轮机和外部电网满足电力需求，通过热电联产机组、太阳能集热器、燃气锅炉、地源热泵以及吸收式热泵满足供热需求，通过地源热泵和吸收式热泵满足供冷需求，通过储能电池和水储热技术满足储能需求。
[0078]
所述第三建模模块基于所述综合能源系统模拟模型建立一个实现供需协同优化的milp模型，所述milp模型的供应侧是所述综合能源系统模拟模型，需求侧是模拟不同建筑围护结构改造方案的负荷计算模型；所述milp模型将负荷计算模型计算出的不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷作为输入，所述milp模型以改造方案对需求侧的贡献最大为目标函数，所述milp模型以综合能源系统模拟模型的能量平衡和各个设备在额定条件下运行为约束条件。
[0079]
本发明的第三实施方式涉及一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一实施方式的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的步骤。
[0080]
本发明的第四实施方式涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一实施方式的低碳建筑能源系统分层耦合优化方
法的步骤。
[0081]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0082]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0083]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0084]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0085]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0086]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。2.根据权利要求1所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，所述室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式为：其中，l是房间中所有节点的比热容矩阵，是描述所有节点之间热传递的n
×
n矩阵，i(t)是描述建筑内部所有节点温度的n维列向量，是描述室内内外热源和冷源对室内温度扰动的n
×
m矩阵，γ(t)是描述室内外热源和冷源的m维列向量。3.根据权利要求1所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，所述负荷计算模型为：其中，q(t)为建筑物的全年分时冷负荷和热负荷，q
v
是空气渗透通风的能量，q
sum
是通过窗户进入室内并对流到室内的太阳辐射能量，q
indoor
是内部负载产生的热量，h
i
表示围护结构内侧的对流传热系数，t
i
表示室内温度、t0表示室外温度t
z
表示该区域温度，m表示空气质量流量，a表示暴露于环境温度下的表面积，ρ表示空气密度，c
p
表示空气的定压比热容。4.根据权利要求1所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，所述综合能源系统模拟模型通过热电联产机组、光伏面板、风力涡轮机和外部电网满足电力需求，通过热电联产机组、太阳能集热器、燃气锅炉、地源热泵以及吸收式热泵满足供热需求，通过地源热泵和吸收式热泵满足供冷需求，通过储能电池和水储热技术满足储能需求。5.根据权利要求1所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，所述将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，具体为：基于所述综合能源系统模拟模型建立一个实现供需协同优化的milp模型，所述milp模型的供应侧是所述综合能源系统模拟模型，需求侧是模拟不同建筑围护结构改造方案的负荷计算模型；所述milp模型将负荷计算模型计算出的不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷作为输入，所述milp模型以改造方案对需求侧的贡献最大为目标函数，所述milp模型以综合能源系统模拟模型的能量平衡和各个设备在额定条件下运行为约束条件。6.根据权利要求5所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，所述milp模型的目标函数为其中，d
s,h
为改造方案对需求侧的贡献，为不采用任何改造方案的基准能源需求，χ
stra
为是否选择改造策略的二进制变量，为改造方案下的需求削减量。
7.根据权利要求1所述的低碳建筑能源系统分层耦合优化方法，其特征在于，对所述分层耦合优化模型进行求解时，采用多维偏好线性规划法来确定全局最优解。8.一种低碳建筑能源系统分层耦合优化装置，其特征在于，包括：第一建模模块，用于采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；第二建模模块，用于建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；第三建模模块，用于将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一所述低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述低碳建筑能源系统分层耦合优化方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种低碳建筑能源系统分层耦合优化方法、装置、设备及介质，其中，方法包括：采用状态空间原理建立室内外热扰对室内空气温度的影响的关系式，并通过所述关系式建立负荷计算模型，通过负荷计算模型计算不同改造方案下的建筑物的全年分时冷负荷和热负荷；建立考虑分时运行条件的综合能源系统模拟模型；将负荷计算模型和综合能源系统模拟模型相结合，建立结合建筑热环境动态模拟的分层耦合优化模型，并通过预设算法对所述分层耦合优化模型进行求解，得到实现供需协同的综合能源系统规划方案。本发明能够解决跨部门在仿真和优化中的精度和尺度差问题。的精度和尺度差问题。的精度和尺度差问题。


技术研发人员：张智慧 马韵婷 周珊 宋天琦 吕志鹏 宋振浩 李昊 杨飞 史超 杨晓霞 刘锋 薛琳
受保护的技术使用者：国网上海能源互联网研究院有限公司
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/7/19