2017年10月，國家電網發布了《關于在各省公司開展綜合能源服務業務的意見》，指出開展綜合能源服務業務的重要意義，并提出了開展綜合能源服務業務的總體要求。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務的重點任務。

多能互補綜合能源系統(以下簡稱綜合能源系統)的核心是分布式能源及圍繞其開展的區域能源供應，是一種將公共冷、熱、電、燃氣乃至水務整合在一起的形式[1]。綜合能源系統一方面通過實現多能源協同優化和互補提高可再生能源的利用率;另一方面通過實現能源梯級利用，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，其規劃問題較傳統能源規劃問題更為復雜。

國內外學者對綜合能源系統的規劃問題展開了研究，獲得了豐富的研究成果。本文針對綜合能源系統設計與優化問題的研究現狀進行了梳理，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規劃問題提出了展望。

1、綜合能源系統結構

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

2、綜合能源系統初步設計

綜合能源系統的配置牽涉到確定系統部件的類型和大小問題，系統配置是影響聯供系統節能經濟性的核心因素[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還須在經濟性及環境效益之間作出平衡。在綜合能源系統的設計初期，設計人員通常會先選擇系統的主要設備及容量，再選擇與之匹配系統的運行策略。

2.1負荷預測與分析

冷熱電負荷預測根據電力負荷、經濟、社會、氣象等歷史數據，尋求電力負荷與各種相關因素之間的內在聯系，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規劃初期進行方案比較的基礎，其準確度直接影響系統的配置。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]包括基于建筑結構的經典計算方法、基于建筑結構的簡約計算方法、基于軟件模擬的逐時負荷因子法、基于歷史數據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據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、墻的傳熱系數等多個因素對冷負荷的影響規律，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]結合了上海某能源中心項目的情況，采用空調負荷計算軟件HDY-SMAD和DeST軟件對功能區域的設計日空調冷熱負荷及全年空調冷熱負荷進行了預測。鄭衛東[6]使用DeST軟件對北京地區某辦公樓和五星級賓館進行了冷、熱、電負荷動態模擬，并對其全年逐時、逐月和典型日的負荷及熱電比變化規律進行了分析和總結。楊木和[7]基于對建筑冷熱電負荷調查研究的基礎，采用日本三聯供設計手冊中的相關數據，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建筑的冷、熱、電負荷進行調研和測試，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、變化規律以及變化同步性進行了分析。分析結果表明，在建筑負荷特性的基礎上設計的綜合能源系統與常規系統相比更具節能效益和經濟效益。

2.2系統配置

由于綜合能源系統向用戶直接供能，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，有四種常用的系統配置方法[9]即采用補電子系統集成方法、采用補熱子系統集成方法、電-熱轉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，可以采用并網補充電能或使用可再生能源補充電能。當綜合能源系統的供熱容量不能滿足需求時，則采用補熱子系統供熱。此外，當用戶熱(冷)電比大于系統輸出比時，可以采用電-熱轉換，將熱需求轉換為電需求。當用戶需求存在峰谷差時，將蓄能手段引入綜合能源系統，可有效緩解非同步引起的供需矛盾，提高系統變工況調節能力。

根據公共電網接入方式的不同可分為三種配置模式：孤島運行模式、并網不上網模式、并網上網模式。孤島運行模式下，綜合能源系統處于獨立運行模式，與公共電網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，可為公共電力網絡尚未覆蓋完全的偏遠地區提供多種能量保證。第二種為并網不上網模式，即發電全部自用，不足時從公共電網購買，已被廣泛應用于大型工業園區、新型住宅區以及醫院等人流量較高的場所，是最為典型的冷熱電多聯供系統應用模式。第三種為并網上網模式，不僅可從電網購電，也可將富余電力出售給電網以獲取收益。此種模式對電能質量、穩定性及安全性要求高，且控制系統設計也較為復雜，實際電網建設中尚未得到應用[10]。

2.3綜合能源系統設備

綜合能源系統較傳統供能系統利用的能源種類、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

原動機或發電單元是綜合能源系統的核心部件之一。為了實現多能系統所設計的性能指標，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供系統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燃機，燃氣輪機，微型燃氣輪機，燃料電池，光伏電池、風力發電機等。

內燃機將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點火引其爆炸，產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動發電機發電。內燃機發電效率較高，功率范圍廣，適應性能好，結構緊湊、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，加熱工質的設備(燃燒室)控制系統和其他輔助設備等組成，壓氣機為燃燒室提供高壓空氣，燃料在燃燒室內燃燒釋放出熱量加熱空氣，產生高溫高壓氣體在透平中膨脹做功，將熱能轉化為機械能。目前燃氣輪機技術成熟，商業化應用廣，效率高，體積小，質量輕，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化為電能，不經過燃燒過程，不受卡諾循環效應的限制，效率高;沒有機械傳動部件，沒有噪聲。目前國內燃料電池主要用于傳統發電，在冷熱電聯供系統中尚未大規模使用[10]。

光伏電池將太陽光照轉化為直流電能，無污染，不受資源分布地域的限制，可在用戶側就近發電;缺點是受到氣象條件限制，能量輸出不穩定。光伏電池適用于光照資源充足、傳統電網接入困難的偏遠地區。

風力發電機將風能轉化為電能，優點是能源清潔、環境效益好，缺點是噪聲大，對風場選址要求高，發電不穩定。適用于風能資源豐富、人口稀疏的地區。

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動，采用溴化鋰或氨水等制冷工質制冷，是余熱利用常用的制冷設備。表1根據工質、驅動熱源、利用方式和用途對吸收式制冷機進行分類[13]。

余熱鍋爐利用工業過程產生的余熱及可燃物質燃燒后產生的熱量將水加熱，用于工業利用或采暖。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能的空調技術。冬季時可通過熱泵機組將室外熱量輸送進室內供熱，夏季時可將室內熱量輸送到室外降溫。根據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。