梁海文 楊麗琴 沈俐

明陽智慧能源集團(tuán)股份公司

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來了公共建筑能耗的快速增加。在商業(yè)密集的中心城區(qū)，樓宇能耗占區(qū)域總能耗的65%以上[1]。通過建立建筑能耗大數(shù)據(jù)平臺，開展需求響應(yīng)管理，對于緩解公共建筑高峰用電負(fù)荷和實現(xiàn)社會整體節(jié)能增效具有重要意義。

需求響應(yīng)的綜合效益評估有助于準(zhǔn)確量測需求響應(yīng)的作用，從而精確指導(dǎo)制定科學(xué)合理的電價和激勵措施。本文首先探討了評估需求響應(yīng)效益的指標(biāo)體系，進(jìn)一步，對支持該指標(biāo)體系計算的基線負(fù)荷關(guān)鍵預(yù)測技術(shù)進(jìn)行了分析?；诠步ㄖ芎牡木_計量和監(jiān)測，本文給出了公共建筑綜合效益評價的實例。基于評價結(jié)果，對需求響應(yīng)的效益進(jìn)行了綜合評價，并對需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行了探討。

1 需求響應(yīng)評價指標(biāo)體系

需求響應(yīng)的指標(biāo)評價對于需求響應(yīng)策略、電力市場競價等非常重要[2]。對于非供暖區(qū)域的大型公共建筑，暖通、動力和照明是主要的負(fù)荷類型。本章節(jié)主要從建筑能耗指標(biāo)、需求響應(yīng)效益指標(biāo)兩個方面，探索評價需求響應(yīng)綜合效益的指標(biāo)體系。

1.1 建筑能耗指標(biāo)

對于非供暖區(qū)域的大型公共建筑，根據(jù)《民用建筑能效測評標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)》[3]（DG/TJ08-2078-2010）的相關(guān)規(guī)定，其典型的建筑能耗指標(biāo)可以進(jìn)一步定義和提煉，如表1 所示。

表1 大型公共建筑能耗指標(biāo)

表1 中：

1）總體指標(biāo)反應(yīng)建筑的總體能耗、容量以及單位面積的能耗、容量水平。

2）分項指標(biāo)中，主要計及暖通、照明、動力等主要負(fù)荷類型的分項總能耗，以及各分類負(fù)荷在建筑總能耗的占比水平。

3）負(fù)荷水平中，主要是建筑最大負(fù)荷系數(shù)、各分類負(fù)荷的最大負(fù)荷系數(shù)，以及分類負(fù)荷對總負(fù)荷的貢獻(xiàn)水平。其中，負(fù)荷系數(shù)是實際負(fù)荷與該分項負(fù)荷所有時刻最大負(fù)荷的比值，負(fù)荷貢獻(xiàn)度是該項實時負(fù)荷與所有時刻建筑最大負(fù)荷的比值。

1.2 需求響應(yīng)效益指標(biāo)

根據(jù)《需求響應(yīng)效果監(jiān)測與綜合效益評價導(dǎo)則》（GB/T 32127-2015）和相關(guān)研究和實踐成果[5]，需求響應(yīng)效益的典型指標(biāo)可以進(jìn)一步定義和提煉，具體如表2 所示。

表2 需求響應(yīng)效益指標(biāo)

需求響應(yīng)的成本指標(biāo)如表3 所示。

表3 需求響應(yīng)成本指標(biāo)

2 基線負(fù)荷預(yù)測

基線負(fù)荷預(yù)測是決定需求響應(yīng)效益評估精確度的核心內(nèi)容[6]。在工程上，最常用的方法包括平均法、回歸法[7]。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘方法也正在得到越來越多的應(yīng)用。

2.1 平均值法

平均值法本質(zhì)上是對需求響應(yīng)時間前幾天的時刻負(fù)荷值進(jìn)行線性擬合[8]。對于受外部環(huán)境影響較大的用戶類型，多采用典型比例因子方法進(jìn)行二次修正。

平均值法的典型計算方法包括：

1）確定典型日，分為工作日、非工作日。

2）計算基線負(fù)荷：取典型日響應(yīng)時段內(nèi)各時刻的用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)，求取不同典型日中同一時刻負(fù)荷數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)一步，將各負(fù)荷平均值按時間順序排列，獲得未修正基線負(fù)荷Pb’。

3）進(jìn)行負(fù)荷修正

計算修正系數(shù)，見式（1）。

式中：P2b是需求響應(yīng)日，響應(yīng)期前2 h 內(nèi)各采集時刻的負(fù)荷平均值，kW；P2b’是所有典型日中，與上述采集時刻對應(yīng)歷史負(fù)荷平均值，kW。

則修正后的基線負(fù)荷見式（2）。

2.2 回歸法

一些用戶的負(fù)荷特性與影響因素（溫度、濕度等）的波動特性存在明顯的類似性。在數(shù)據(jù)條件較好的情況下，可以通過建立用戶負(fù)荷與影響因素之間的回歸分析，獲得更精確的預(yù)測結(jié)果[8]。

利用回歸法進(jìn)行基線負(fù)荷預(yù)測的主要方法：

1）確定典型日并獲得對應(yīng)時段的負(fù)荷數(shù)據(jù)、影響因素數(shù)據(jù)。

2）進(jìn)行負(fù)荷分量分解

將每一個用電負(fù)荷拆分為基本分量、敏感分量（容易受氣溫、濕度等影響的分量），見式（3）。

式中：Ptj是響應(yīng)期tj時刻基線負(fù)荷，kW；Ptj,b是tj時刻負(fù)荷值基本分量，kW，Ptj,s是tj時刻負(fù)荷值敏感分量，kW。tj是響應(yīng)期的按周期T0分割的時刻。

然后確定分解比例，見式（4）。

式中：k 是分解比例；Ws是受影響因素影響的用電系統(tǒng)額定負(fù)荷容量，kW；Wb是不受影響因素影響的用電系統(tǒng)額定負(fù)荷容量，kW。

則每一個歷史負(fù)荷可以被分解為：

式中：pn-1,j是響應(yīng)期dn-1天j 時刻的基線負(fù)荷值，kW。

則響應(yīng)期各時刻基線負(fù)荷值的基本分量為：

進(jìn)一步，計算敏感分量的敏感因素加權(quán)指標(biāo)：

式中：WTHIt是用戶第t 時刻的影響因素加權(quán)指標(biāo)；Tt是第t 時刻的氣溫；RHt是第t 時刻的濕度；pt是氣溫權(quán)重；qt是濕度權(quán)重，且pt＋qt=1。

對響應(yīng)期第1 時刻歷史負(fù)荷敏感分量序列P1s、權(quán)重序列WTHI1進(jìn)行回歸分析，得到：

式中：β0、β1是回歸參數(shù)。

依次計算負(fù)荷響應(yīng)日dn第1、2、…、j 時刻對應(yīng)的WTHIn,j、pn,js。

在實際的工程應(yīng)用中，可以根據(jù)實際需要確定采用合適的方法來確定響應(yīng)日的基線負(fù)荷，也可以采用其他經(jīng)過驗證的具有良好效果的方法確定響應(yīng)日的基線負(fù)荷[9]。

3 實例分析

3.1 研究對象

以上海某大型綜合性商業(yè)建筑為例，選取其#1、#2 中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行需求響應(yīng)。對7 月1 日（工作日）的12:00～14:00 時段進(jìn)行需求響應(yīng)。

采用平均值法計算得到其需求響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)，如表4 所示。響應(yīng)日的空調(diào)負(fù)荷和建筑總負(fù)荷曲線具體見圖1。

表4 典型商業(yè)建筑的需求響應(yīng)結(jié)果

圖1 建筑需求響應(yīng)負(fù)荷曲線

3.2 指標(biāo)及分析

3.2.1 效益指標(biāo)

需求響應(yīng)的效益指標(biāo)見表5。需求響應(yīng)為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時，減少化石燃料消耗，降低二氧化碳排放2.18 噸。

表5 需求響應(yīng)效益指標(biāo)

3.2.2 能耗指標(biāo)

以需求響應(yīng)日為對象，進(jìn)行和不進(jìn)行需求響應(yīng)的能耗指標(biāo)見表6。從表6 可以看出，需求響應(yīng)將當(dāng)日建筑的能耗水平降低了8.46%。

表6 需求響應(yīng)日的建筑能耗指標(biāo)

3.2.2 基于負(fù)荷水平的有效性評價

建筑總負(fù)荷及分負(fù)荷的最大負(fù)荷曲線見圖3。從圖3 可以看出，需求響應(yīng)策略有效降低了空調(diào)的最大負(fù)荷系數(shù)，進(jìn)而降低了建筑的最大負(fù)荷系數(shù)，有助于平抑尖峰負(fù)荷。同時，需求響應(yīng)期內(nèi)的動力、照明最大負(fù)荷系數(shù)較高，存在一定的優(yōu)化空間。

圖3 最大負(fù)荷系數(shù)曲線

以建筑最大負(fù)荷為基準(zhǔn)，空調(diào)、照明和動力設(shè)備的最大負(fù)荷貢獻(xiàn)率曲線見圖4。從圖4 可以看出，空調(diào)負(fù)荷對最大負(fù)荷的貢獻(xiàn)度最高。需求響應(yīng)期空調(diào)負(fù)荷的“凹”型趨勢表明，需求響應(yīng)有效削弱了空調(diào)負(fù)荷的高峰同向性，起到了顯著的削峰作用。照明、動力負(fù)荷的貢獻(xiàn)度水平較低，但高峰期間的同向性較強(qiáng)。

圖4 最大負(fù)荷貢獻(xiàn)率曲線

4 結(jié)論

本文給出了綜合能耗指標(biāo)、需求響應(yīng)效益成本指標(biāo)在內(nèi)的綜合評價指標(biāo)體系，總結(jié)了支持該指標(biāo)計算的基線負(fù)荷預(yù)測工程方法。以某大型公共建筑為例，本文給出了實例分析，結(jié)果表明：

1）綜合指標(biāo)評價可以比較全面地評估公共建筑需求響應(yīng)帶來的能耗優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提升。

2）綜合指標(biāo)評價可以準(zhǔn)確分析各分項負(fù)荷的組成、趨勢以及對尖峰負(fù)荷的貢獻(xiàn)，負(fù)荷的同向性特點。

3）綜合指標(biāo)評價可以客觀評價需求響應(yīng)策略的有效性，并可用于獨棟、建筑群在內(nèi)的需求響應(yīng)策略優(yōu)化決策指導(dǎo)。