综合能源系统通过对能量生产、传递、转换、存储和消费全过程的有机协调,优化整合热能、电力、天然气等多种形式能源,实现不同类型能量的耦合协同互补与梯级高效利用。综合能源系统可满足用户的多元化用能需求,并且具有高效、环保、经济、可靠和灵活等特点,是实现清洁低碳、安全高效供能的有效途径。然而,在综合能源系统的设计与运行方面仍存在许多科学难题需要开展深入研究。在此背景下,本文针对楼宇型与区域型综合能源系统,从设备、单元、网络三个系统层级角度,开展对其优化设计方法与运行特性的相关研究,旨在为综合能源系统的优化配置与系统协调运行提供理论基础与关键技术支撑。本文首先建立了综合能源系统各功能单元的变工况热力学模型和以年总成本最小为目标的楼宇型综合能源系统优化模型,提出了以经济成本为导向的自适应运行策略,基于穷举搜索法对系统分别采用以电定热、以热定电、自适应三种运行策略时的设备优化配置与系统运行优化进行了研究,得到了不同优化变量组合、供能面积、建筑容积率、供能距离等与系统年总成本之间的定量关系。研究表明,楼宇型综合能源系统按自适应策略运行可有效降低年总成本。其次,针对常规集中式循环泵供热系统能耗大、经济效益低的缺点,提出了分布式变频水泵供热系统,并针对供热系统提出了用于确定能源站最佳位置的相对成本等势线方法。开展了基于分布式变频水泵供热单元的综合能源系统运行特性、经济效益、回收期等方面的研究。结果表明,分布式变频水泵供热系统较常规集中式循环泵供热系统能耗小、经济成本低,综合能源系统按照以电定热策略运行相比于按照以热定电策略运行的回收期明显要短,且回收期受热价影响更加显著。然后,构建了包含内燃机和有机朗肯循环两种动力循环、光热单元、压缩空气储能的综合能源系统。研究得到了不同系统集成结构下的供能特点与运行特性,通过开展以运行成本最小为目标的运行参数优化,得到了典型集成结构的系统经济性运行方式。结果表明,含多元能量转换单元与储能单元的综合能源系统可灵活调节电热输出比,减少废热产生量,所提出的经济性运行方式能够显著降低系统的单位供能面积成本,提高系统能源利用率。最后,针对区域级非线性协同优化模型求解耗时长的问题,提出了将正交试验法与遗传算法结合的三层嵌套循环寻优方法,基于该方法得到了区域型综合能源系统年总成本、站间能源交互量、不同供能面积的供能成本等,并将其与楼宇型综合能源系统的结果进行对比分析,揭示了区域型与楼宇型综合能源系统的成本差异规律。通过案例研究发现,所提出的三层嵌套循环寻优方法解决了网络层次下多个能源站内设备配置与运行状态,以及站间能量交互方式的协同优化问题。