李 昌
(1. 上海申瑞繼保電氣有限公司,上海 200233;2. 上海卓源節(jié)能科技有限公司,上海 200233)
電力需求側(cè)管理(demand side management,DSM),是指通過(guò)提高終端用電效率和優(yōu)化用電方式,在完成同樣用電功能的同時(shí)減少電量消耗和電力需求,達(dá)到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)低成本電力服務(wù)所進(jìn)行的用電管理活動(dòng)[1]。DSM目標(biāo)主要集中在資源和能源的節(jié)約上,要求控制電網(wǎng)最大負(fù)荷的增長(zhǎng)速度,減少新增裝機(jī)容量,在滿足能源服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)減少負(fù)荷用電量。減少新增裝機(jī)容量基本措施是減少用戶在電網(wǎng)高峰時(shí)段電力需量。在公共建筑中,總能耗中電耗比例為96%,其中空調(diào)能耗比例為 40%左右,單位面積耗能平均值為114.0kWh/m2a[2]。控制空調(diào)負(fù)荷、減少空調(diào)高峰時(shí)段的需量:對(duì)電力企業(yè)而言,不僅可減少用電需量,起到削峰填谷作用,還可以減少輸配電設(shè)備備用容量[3]。
空調(diào)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),是空調(diào)機(jī)組負(fù)荷最優(yōu)分配、最優(yōu)運(yùn)行的先決條件,同時(shí)動(dòng)態(tài)的負(fù)荷預(yù)測(cè)也有利于減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,改善空調(diào)的自動(dòng)控制性能和調(diào)節(jié)精度,提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。
文獻(xiàn)[4]采用遞歸 BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)建筑輻射分量,建立輻射和散射逐日、逐時(shí)預(yù)測(cè)模型,結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行空調(diào)冷負(fù)荷預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[5]把冰蓄冷空調(diào)作為預(yù)測(cè)對(duì)象,采用季節(jié)性時(shí)間序列模型,對(duì)連續(xù)運(yùn)行的空調(diào)、負(fù)荷波動(dòng)有規(guī)律的建筑空調(diào)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,易于工程實(shí)際運(yùn)用。文獻(xiàn)[6]提出了基于滑差同調(diào)等值的負(fù)荷建模方法和模型,用阻尼最小二乘法對(duì)含空調(diào)啟動(dòng)特性的空調(diào)群綜合負(fù)荷進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[7]分析了空調(diào)負(fù)荷的高溫季節(jié)和低溫季節(jié)累積效應(yīng)的基本規(guī)律,建立了量化的累積效應(yīng)后評(píng)估模型;文獻(xiàn)[8]提出人體舒適度、空調(diào)指數(shù)等概念,分析空調(diào)負(fù)荷的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[9]提出了氣溫影響電力負(fù)荷的累積效應(yīng),及一日高溫可對(duì)連續(xù)多日的電力空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生比較顯著的影響,并提出了考慮累積效應(yīng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[10]采取數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析電力負(fù)荷的變化規(guī)律,研究了不同負(fù)荷類型對(duì)氣溫的敏感度,文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析多種氣象因子與電網(wǎng)負(fù)荷的相關(guān)性,找出氣象因素與電網(wǎng)負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系,得出針對(duì)氣象因素的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)修正模型。
公共建筑本體具備蓄能和散熱(冷)的特點(diǎn),根據(jù)這一特性,公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)可以在一定時(shí)間上進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性控制。在DSM負(fù)荷需求管理下,公共建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線可能不滿足需量管理要求,或者客戶有進(jìn)一步降低負(fù)荷需量的需求,管理者就必須采取修正措施對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移,以滿足客戶減少負(fù)荷需量的需求,從而減少購(gòu)電成本。修正后的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果,直接作為空調(diào)運(yùn)行的控制負(fù)荷曲線,可以提前安排空調(diào)開(kāi)啟機(jī)組臺(tái)數(shù)和一、二次水泵的運(yùn)行方式,對(duì)用電設(shè)備的組合進(jìn)行尋優(yōu),可以適時(shí)、適量的開(kāi)啟空調(diào),滿足客戶舒適度的需求。本文把公共建筑制冷空調(diào)作為研究對(duì)象,基于歷史空調(diào)溫度-功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,把空調(diào)負(fù)荷分解為固定負(fù)荷、氣溫負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷,對(duì)這三種負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)合需求側(cè)的負(fù)荷管理,加入需量控制來(lái)修正結(jié)果,以滿足限制負(fù)荷需量目的。
公共建筑空調(diào)本體面積較大,可以充當(dāng)儲(chǔ)能體,同時(shí)建筑外立面較大,具備能量散失特點(diǎn),即使建筑空調(diào)使用者不需空調(diào)制冷熱的功能,空調(diào)也必須維持能量散失平衡。根據(jù)公共建筑空調(diào)用電負(fù)荷特點(diǎn),把空調(diào)負(fù)荷分解為固定負(fù)荷、氣溫負(fù)荷和能量交換負(fù)荷三部分。固定負(fù)荷包括空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行必須的能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、空調(diào)最小運(yùn)行方式下的一二次水泵冷凍、冷卻等基本動(dòng)力系統(tǒng),這部分負(fù)荷幾乎固定不變,實(shí)現(xiàn)空調(diào)最基本的正常運(yùn)行。氣溫負(fù)荷指建筑本體散失的能量,與室內(nèi)外溫度差密切相關(guān),這部分負(fù)荷用來(lái)以抵消空調(diào)場(chǎng)所外部冷熱交換量,和空調(diào)場(chǎng)所內(nèi)是否有冷熱需求者無(wú)關(guān);動(dòng)態(tài)負(fù)荷用以建筑內(nèi)部的空調(diào)供冷熱對(duì)象的能量消耗,其用電負(fù)荷和建筑內(nèi)空調(diào)制冷熱量的需求正相關(guān),能耗包括空調(diào)冷凍介質(zhì)與供冷對(duì)象的能量交換,供冷對(duì)象包括公共建筑辦公及流動(dòng)人員、有生命動(dòng)物等,空調(diào)機(jī)組包括制冷機(jī)組、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)。
建筑空調(diào)日用電負(fù)荷由建筑空調(diào)用電固定負(fù)荷、空調(diào)用電氣溫負(fù)荷、空調(diào)用電動(dòng)態(tài)負(fù)荷三部分組成。
式中,Wall為建筑空調(diào)用電負(fù)荷,Wsta為建筑空調(diào)用電固定負(fù)荷,Wtmp為建筑空調(diào)用電氣溫負(fù)荷,Wchg為建筑內(nèi)部空調(diào)用電動(dòng)態(tài)負(fù)荷。
負(fù)荷數(shù)據(jù)采用空調(diào)溫度-負(fù)荷曲線歷史數(shù)據(jù),建筑空調(diào)日用電負(fù)荷采用等間隔數(shù)據(jù)點(diǎn),通常選擇分鐘間隔的數(shù)據(jù)曲線,以完成空調(diào)運(yùn)行方式的精確、及時(shí)控制。
建筑空調(diào)用電固定負(fù)荷由能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、空調(diào)最小運(yùn)行方式下的空調(diào)機(jī)組、一二次冷凍、冷卻水泵等動(dòng)力。
式中,Wsta1為空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)用電負(fù)荷,Wsta2為空調(diào)照明系統(tǒng)負(fù)荷,Wsta3為空調(diào)輸送系統(tǒng)負(fù)荷,Wsta4為最小運(yùn)行方式下空調(diào)機(jī)組、一二次冷凍、冷卻水泵系統(tǒng)負(fù)荷,Wsta5為其他消防、應(yīng)急等固定負(fù)荷。
Wsta1、Wsta2、Wsta3、Wsta5由用電設(shè)備所在的分項(xiàng)計(jì)量表計(jì)讀取,Wsta4指在空調(diào)最小運(yùn)行方式下的耗電量,數(shù)值從空調(diào)的分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)或者空調(diào)設(shè)備銘牌參數(shù)獲得。
建筑本體需要耗費(fèi)空調(diào)部分負(fù)荷以抵消建筑散失的能量,這部分能量通過(guò)輻射、對(duì)流方式流失。流失的速度于建筑本體與室外溫差有關(guān),在空調(diào)啟動(dòng)過(guò)程和空調(diào)恒溫過(guò)程中負(fù)荷大小也不一樣。
式中,β為熱量-電能換算系數(shù),λ為導(dǎo)熱系數(shù),S為建筑本體散熱面積,ΔT為建筑本體與環(huán)境溫差,β、λ、S為常量,建筑表面積的多樣性,難以取得精確值,則定義k1為空調(diào)散熱系數(shù),令k1=βλS,根據(jù)歷史空調(diào)溫度-功率曲線,可計(jì)算出建筑本體空調(diào)面積的k1值。
用以建筑內(nèi)部的空調(diào)供冷對(duì)象的能量消耗,其用電負(fù)荷和建筑內(nèi)空調(diào)制冷熱量的需求正相關(guān)。負(fù)荷完全用于建筑體內(nèi)部的能源消耗者的冷熱源交換。當(dāng)建筑內(nèi)部流動(dòng)人員、辦公人員數(shù)量增加,則此部分負(fù)荷增加,當(dāng)人員減少此部分負(fù)荷減少,甚至為0。
建筑內(nèi)部空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷Wchg為
式中,m為建筑空調(diào)面積內(nèi),時(shí)刻t的人員或者動(dòng)物體數(shù)目,單位為千人(個(gè)),k2為空調(diào)內(nèi)部人員單位分鐘熱交換系數(shù),單位為kW/千人·min,Tm為統(tǒng)計(jì)時(shí)間,積分步長(zhǎng)可采用1min,如果m取平均值,則式(4)為
需求側(cè)負(fù)荷管理指標(biāo)要求客戶終端負(fù)荷必須低于購(gòu)買(mǎi)的契約需量值,此契約需量值通常按月申報(bào)??蛻艄芾斫K端根據(jù)契約需量進(jìn)行分項(xiàng)分?jǐn)?,最終實(shí)現(xiàn)終端負(fù)荷的需量控制。
需求側(cè)負(fù)荷管理下空調(diào)負(fù)荷約束為
式中,Wlim為空調(diào)契約需量,根據(jù)負(fù)荷管理要求對(duì)申報(bào)的契約需量進(jìn)行分項(xiàng)分?jǐn)偤蟮玫健?/p>
如果t時(shí)刻出現(xiàn)不滿足式(6)的不等式約束,必須將t時(shí)刻的空調(diào)負(fù)荷向t′=t-1時(shí)刻的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
轉(zhuǎn)移負(fù)荷只能轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)負(fù)荷部分,其他兩部分負(fù)荷不可轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移最大值為Wchg,如果Wchg=0,式(6)成立,表示即使空調(diào)失去建筑內(nèi)制冷功能也不能滿足負(fù)荷控制要求。負(fù)荷轉(zhuǎn)移后t時(shí)刻不等式約束情況如下:
式中,ΔWchg為空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移量,轉(zhuǎn)移部分全部分?jǐn)偟浇ㄖ?nèi)部空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷部分。負(fù)荷轉(zhuǎn)移后t′時(shí)刻不等式約束情況如下:
轉(zhuǎn)移后t′時(shí)刻負(fù)荷如果不滿足式(7),則繼續(xù)向t′-1時(shí)刻轉(zhuǎn)移,直到滿足式(7)為止。
空調(diào)用電日負(fù)荷為
式中,Wsta為建筑空調(diào)功能常量,m、ΔT為建筑內(nèi)部時(shí)變量,為一個(gè)時(shí)間變化曲線,通過(guò)物業(yè)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)氣象系統(tǒng)可以獲取;k1、k2為該建筑空調(diào)功能常量。在一定時(shí)間內(nèi)Wsta、k1、k2可以通過(guò)歷史溫度-負(fù)荷數(shù)據(jù)求解。
預(yù)測(cè)過(guò)程為:獲取建筑內(nèi)日人員數(shù)目曲線、日氣象預(yù)測(cè)曲線、建筑空調(diào)內(nèi)部空調(diào)期望溫度、空調(diào)最小運(yùn)行方式的能值,由式(9)可計(jì)算出日建筑空調(diào)用電1440點(diǎn)負(fù)荷曲線,采用式(6)的負(fù)荷管理約束進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,完成空調(diào)用電負(fù)荷預(yù)測(cè)。
完整空調(diào)用電負(fù)荷預(yù)測(cè)流程圖如圖1所示。
圖1 空調(diào)用電負(fù)荷預(yù)測(cè)流程圖
算例選取上海虹橋樞紐某商務(wù)小區(qū)中央空調(diào)用電數(shù)據(jù),空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行3年。該小區(qū)有能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng),分項(xiàng)能耗空調(diào)需量為40000kW,空調(diào)系統(tǒng)有 4臺(tái)離心式冷水機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組額定功率7350kW,一次冷卻、冷凍水泵功率8×200kW,二次冷卻、冷凍水泵功率16×150kW,其他輔助用電設(shè)備 8000kW,最小運(yùn)行方式為一臺(tái)冷水機(jī)組 40%功率運(yùn)行,固定功率 40%×7350kW+2×200kW+4×150kW=3940kW,用戶建筑管理規(guī)定的辦公時(shí)間09∶00—18∶00空調(diào)溫度26℃。物業(yè)管理信息小區(qū)常駐辦公人員 16800人,日流動(dòng)人口 5000人,共21800人。
機(jī)組運(yùn)行規(guī)程中,每臺(tái)冷水機(jī)組配置一次冷卻、冷凍水泵各一臺(tái),二次水泵各2臺(tái),冷水機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間為 06∶00—17∶00,一二次水泵啟動(dòng)時(shí)間為06∶00—18∶00,空調(diào)機(jī)組、一二次冷凍、冷卻水泵等所有用電額定功率為41400kW。
歷史日中,選取進(jìn)入建筑內(nèi)人員少(少于正常人員的10%)的日期作為求解常量k1的樣本日期,其他日期作為求解常量k2的樣本日期。歷史日數(shù)據(jù)為溫度-功率曲線數(shù)據(jù)。歷史日2014年7月、8月共18個(gè)休息日,辦公人數(shù)少于1000人,可作為計(jì)算k1的樣本日期,其他44個(gè)日期作為計(jì)算k2的樣本日期。
由式(2),從分項(xiàng)用電計(jì)量系統(tǒng)直接讀取歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行Wsta1、Wsta2、Wsta3、Wsta4、Wsta5統(tǒng)計(jì)計(jì)算。時(shí)間選擇2014年7—8月,建筑外部平均溫度小于26℃的時(shí)間段,數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 固定負(fù)荷7—8月平均值/kW
可得出固定負(fù)荷Wsta1=4002.6kW。
對(duì)7—8月18個(gè)休息日,選擇建筑內(nèi)部平均溫度在25~27℃的10∶00—16∶00時(shí)間段作為計(jì)算k1的樣本日期。把室外溫度和空調(diào)平均用電負(fù)荷Wall繪制成曲線如圖2所示。
忽略Wchg,則Wall=Wsta+Wtmp,令Wsta=4002.6kW,則在氣溫在 25℃~35℃之間氣溫負(fù)荷Wtmp的表達(dá)式為
式中,Wtmp,35、Wtmp,25為氣溫 35℃、25℃的氣溫負(fù)荷,Wall,35、Wall,25為氣溫 35℃、25℃的空調(diào)用電負(fù)荷。計(jì)算出7月k1為508kW,8月k1為456kW,平均值k1=482kW。
圖2 室外溫度及空調(diào)負(fù)荷Wall曲線圖
對(duì)7—8月44個(gè)工作日,選擇建筑內(nèi)部平均溫度在 25~27℃的 10∶00—16∶00時(shí)間段,并且時(shí)間段內(nèi)辦公人數(shù)能夠相對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為計(jì)算k2的樣本。為方便計(jì)算,空調(diào)氣溫負(fù)荷Wtmp歸一化到氣溫為30℃的氣溫負(fù)荷Wtmp,30。
式中,x為氣溫,Wtmp,x為氣溫x的氣溫負(fù)荷。
建筑內(nèi)的辦公人數(shù)和空調(diào)平均用電負(fù)荷Wall,30繪制成曲線如圖3所示。
圖3 室內(nèi)辦公人數(shù)及空調(diào)負(fù)荷Wall曲線圖
在m=1時(shí),7月Wall,30=6748,8月Wall,30=6364,m=15,7月Wall,30=35897,8月Wall,30=34861,由式(5)得
計(jì)算出7月、8月k2分別為2082kW和2035kW,取平均值k2=2058kW。
計(jì)算出固定用電負(fù)荷Wsta、氣溫負(fù)荷散熱系數(shù)k1、動(dòng)態(tài)負(fù)荷熱交換系數(shù)k2后,由式(9)計(jì)算建筑空調(diào)日用電負(fù)荷預(yù)測(cè)表達(dá)式為
該大樓空調(diào)需量Wlim為40000kW,當(dāng)室內(nèi)外氣溫差10℃,m=15.5時(shí),Wall=40733kW,空調(diào)負(fù)荷超過(guò)空調(diào)需量,需要進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。
對(duì)8月5日進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 8月5日負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果/kW
由式(9)可知,誤差結(jié)果受到建筑內(nèi)外溫差及建筑內(nèi)的辦公人數(shù)影響,建筑內(nèi)外溫差可以選取建筑內(nèi)若干關(guān)鍵點(diǎn)作為室內(nèi)溫度參考值,關(guān)鍵點(diǎn)可能需要調(diào)整。如果室內(nèi)外溫差誤差為 1℃,則建筑內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果將偏離k1數(shù)值。建筑空調(diào)面積內(nèi)的辦公人數(shù)包括各種熱能交換的動(dòng)物,需要參照人類活動(dòng)量進(jìn)行換算,目前尚無(wú)特別公式,建議按照體重進(jìn)行換算。
建筑內(nèi)部辦公人員熱交換和辦公時(shí)間有關(guān),時(shí)間長(zhǎng)熱交換量多,反之則少。精確統(tǒng)計(jì)辦公人員的時(shí)長(zhǎng)是難以實(shí)現(xiàn)的,但在出入口裝設(shè)傳感器,由物業(yè)管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析可以獲得大致的 24h的人流值,逐分鐘計(jì)算辦公人員數(shù)目,以減少預(yù)測(cè)誤差。
室內(nèi)外溫差變化和人員變化,并不能及時(shí)反饋到空調(diào)負(fù)荷,需要考慮空調(diào)負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間由物業(yè)系統(tǒng)給出,通常在30~60min之間,因此負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果需要進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間處理,才能精確完成空調(diào)運(yùn)行方式的切換。
在需求側(cè)管理下,建筑需量不允許突破,空調(diào)負(fù)荷超過(guò)需量后,采取措施有:轉(zhuǎn)移時(shí)間段負(fù)荷和限制時(shí)間段負(fù)荷。前者可以提前控制空調(diào)運(yùn)行方式,后者采用限制其他照明、動(dòng)力等分項(xiàng)需量,增加空調(diào)需量做法,保證總的需量滿足要求。
容納辦公人員m計(jì)算如下:
當(dāng)氣溫差在1~14℃時(shí),辦公人員m計(jì)算如下。
表3 容納辦公人員分析計(jì)算/千人
由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)氣溫差達(dá)到 14℃時(shí),m=14.2,要滿足辦公環(huán)境舒適度,極限辦公人員為14200人,要增加建筑內(nèi)流動(dòng)人員,就必須減少氣溫差,不能保證環(huán)境的舒適度。
本文提出公共建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,采用固定負(fù)荷、氣溫負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型,根據(jù)需求側(cè)負(fù)荷管理要求,進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,最終實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)。該預(yù)測(cè)方法輸入量為氣溫和建筑內(nèi)的辦公人數(shù),實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)。算例采用上海虹橋樞紐商務(wù)區(qū)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例,計(jì)算結(jié)果表明,該方法具備較好的可行性,可實(shí)現(xiàn)分鐘空調(diào)負(fù)荷預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)精度較高,計(jì)算出的空調(diào)用電負(fù)荷對(duì)空調(diào)運(yùn)行方式的安排和需求管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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