劉 抒

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展和人民生活水平不斷提高,各類用電負(fù)荷持續(xù)迅速增長(zhǎng),造成電網(wǎng)尖峰負(fù)荷屢屢打破歷史記錄,商業(yè)尖峰負(fù)荷占比提升,開展商業(yè)樓宇負(fù)荷調(diào)節(jié)優(yōu)化迫在眉睫。亟需開展對(duì)商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷(如空調(diào)負(fù)荷)的調(diào)控技術(shù)研究,有助于降低電網(wǎng)尖峰負(fù)荷,提升電力在尖峰負(fù)荷時(shí)期的運(yùn)行可靠性與安全性。由于多數(shù)大型商業(yè)建筑存在管理不到位、用能浪費(fèi)和用能設(shè)備不合理的現(xiàn)象,需要進(jìn)一步采取科學(xué)合理的管理方法和用能優(yōu)化技術(shù),來(lái)降低整體能耗。

1 商業(yè)樓宇分類及用電構(gòu)成

建筑按照使用功能分為居住建筑、公共建筑、工業(yè)建筑、農(nóng)業(yè)建筑。

在建筑能耗中公共建筑的能耗占較大比重,而在公共建筑的能耗中商業(yè)樓宇的能耗占有較大比重,商業(yè)樓宇作為消費(fèi)中心有其獨(dú)具的能耗和用電負(fù)荷特點(diǎn),典型的商業(yè)樓宇主要為商業(yè)寫字樓、酒店、商場(chǎng)、商業(yè)綜合體。商業(yè)樓宇中用電系統(tǒng)主要包括:暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、冷庫(kù)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備[1-4]。

2 商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷系統(tǒng)

2.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)

暖通空調(diào)系統(tǒng)的用電負(fù)荷占樓宇總用電負(fù)荷的40%～50%?？照{(diào)系統(tǒng)是暖通空調(diào)系統(tǒng)中重要的組成部分,且是導(dǎo)致夏季樓宇用電負(fù)荷高峰的主要原因。

暖通空調(diào)主要分為空調(diào)系統(tǒng)(中央空調(diào)系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和分散式系統(tǒng))和電鍋爐供暖系統(tǒng)兩種。

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和冷卻塔組成。中央空調(diào)系統(tǒng)物理模型如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)物理模型

制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體,經(jīng)冷凝器放熱液化,經(jīng)膨脹閥減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中常溫水的熱量,產(chǎn)生制冷用的冷凍水,冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管中吸收周圍空氣的熱量,產(chǎn)生了低溫空氣,被風(fēng)機(jī)送到房間中去,達(dá)到降溫的目的。制冷劑在冷凝器中液化放出的熱量,通過(guò)冷卻循環(huán)系統(tǒng)吸收,冷卻水通過(guò)這次熱交換變成高溫水,進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行冷卻,變成常溫水,以便再次利用。經(jīng)蒸發(fā)器氣化后的制冷劑再次進(jìn)入壓縮機(jī)開始下一個(gè)循環(huán)。

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)主要由室外壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器和室內(nèi)機(jī)組成。多聯(lián)機(jī)空調(diào)物理模型如圖2所示。

圖2 多聯(lián)機(jī)空調(diào)物理模型

分散式空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)組成。分散式空調(diào)物理模型如圖3所示。

圖3 分散式空調(diào)物理模型

電鍋爐作為主要的蓄熱設(shè)備,可以與換熱器、蓄水箱組合,實(shí)現(xiàn)夜間蓄熱白天供暖。因此,針對(duì)采用加熱方式,結(jié)合電價(jià)的峰谷時(shí)段,分析用戶熱水負(fù)荷特性,與合理的蓄熱水箱容積相結(jié)合,電鍋爐可進(jìn)行一定范圍調(diào)節(jié)。

電鍋爐蓄熱供暖物理模型如圖4所示。

圖4 電鍋爐蓄熱供暖物理模型

2.2 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)主要由照明設(shè)備組成,照明設(shè)備主要包括白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈、鈉燈、汞燈、金屬鹵化物燈、LED燈等。

2.2.1 熒光燈

熒光燈物理模型如圖5所示。

圖5 熒光燈物理模型

要使熒光燈內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生弧光放電,必須具備兩個(gè)條件:讓燈絲預(yù)熱,使其能發(fā)射電子;需要產(chǎn)生一個(gè)較高的電壓,使燈管內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生弧光放電。接通電源時(shí),電源電壓同時(shí)加到燈管和啟輝器的兩端,對(duì)燈管而言此電壓太低,不能使管內(nèi)的氣體電離放電,但對(duì)于啟輝器而言,此電壓足以使其內(nèi)部的氬氖混合氣體產(chǎn)生輝光。啟輝器中的雙金屬動(dòng)觸片因氣體輝光放電而受熱伸長(zhǎng),從而與靜觸片接觸,于是電流流過(guò)鎮(zhèn)流器、燈絲和啟輝器,燈絲得到預(yù)熱。經(jīng)過(guò)1～3 s后,啟輝器內(nèi)的兩觸片因氣體輝光放電停止雙金屬片冷卻而分開,電路中的電流突然中斷,于是鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓,此電壓與電源電壓疊加后加在燈管兩端,將燈管內(nèi)的氣體電離而產(chǎn)生弧光放電。燈管發(fā)光以后,由于鎮(zhèn)流器的存在,燈管兩端的電壓比電源電壓低得多,此電壓不足以使啟輝器產(chǎn)生輝光,啟輝器中的觸點(diǎn)不再閉合,熒光燈正常工作。

2.2.2 LED燈

LED燈的核心是PN結(jié)。在正向偏壓時(shí),電子由N型層注入MQW,空穴由P型層注入MQW。電子和空穴在MQW內(nèi)復(fù)合,釋放出相應(yīng)波長(zhǎng)的光,實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換微光能。

2.3 給排水系統(tǒng)

建筑給排水系統(tǒng)主要包括給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、消火栓給水系統(tǒng)、中水系統(tǒng)以及景觀系統(tǒng)等。

商業(yè)樓宇給排水系統(tǒng)包含三個(gè)子系統(tǒng),分別為給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

給水系統(tǒng)主要包含生活供水系統(tǒng)、生產(chǎn)給水系統(tǒng)和消防給水系統(tǒng)。消防給水系統(tǒng)中的消防水泵通常不會(huì)使用,所以給水系統(tǒng)中主要了解生活給水系統(tǒng)。商業(yè)樓宇中的生活給水系統(tǒng)主要采用兩種形式,分別是無(wú)負(fù)壓供水和水箱供水。

無(wú)負(fù)壓供水物理模型如圖6所示。

圖6 無(wú)負(fù)壓供水物理模型

無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)中水泵運(yùn)行采用的是變頻控制,在滿足樓宇供水需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)用電負(fù)荷。

水箱供水物理模型如圖7所示。

圖7 水箱供水物理模型

水箱供水系統(tǒng)通過(guò)水箱中水位控制水泵啟停,通過(guò)水箱自上而下給樓宇供水,水泵運(yùn)行時(shí)為工頻運(yùn)行,但運(yùn)行方式為間歇式運(yùn)行。

排水系統(tǒng)的運(yùn)行方式與水箱供水運(yùn)行方式相同,生活熱水系統(tǒng)與無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)基本相同。

2.4 電梯系統(tǒng)

2.4.1 直 梯

直梯可以理解成一個(gè)兩端分別懸掛轎廂和配重的定滑輪組,起滑輪作用的曳引機(jī)實(shí)際上就是一部電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向或者反向旋轉(zhuǎn)時(shí),轎廂會(huì)相應(yīng)地上行或者下行,實(shí)現(xiàn)直梯運(yùn)送乘客或者貨物的目的。直梯物理模型如圖8所示。

圖8 直梯物理模型

2.4.2 扶 梯

扶梯是帶有循環(huán)運(yùn)行梯級(jí),用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。扶梯物理模型如圖9所示。

圖9 扶梯物理模型

2.5 冷庫(kù)系統(tǒng)

利用汽化溫度較低的液態(tài)制冷劑蒸發(fā),通過(guò)冷風(fēng)機(jī)吸收貯藏環(huán)境中的熱量,從而使冷庫(kù)溫度下降。通過(guò)壓縮機(jī)將高溫低壓的氣態(tài)制冷劑吸回并加壓,在冷凝器中制冷劑將吸收的熱量傳遞給冷卻介質(zhì),使自身溫度得以降低并冷凝成液體,然后再進(jìn)行蒸發(fā)吸熱,如此循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。制冷系統(tǒng)是由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥組成。配件之間用管道連接,組成封閉的制冷系統(tǒng),液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后,汽化成低溫低壓的蒸汽,被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器,在冷凝器中向冷卻介質(zhì)(水或空氣)放熱,冷凝為高壓液體,經(jīng)膨脹閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑,再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化,達(dá)到循環(huán)制冷的目的。

冷庫(kù)系統(tǒng)物理模型如圖10所示。

圖10 冷庫(kù)系統(tǒng)物理模型

3 商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化潛力分析

3.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

暖通空調(diào)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力如表1所示。

表1 暖通空調(diào)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

暖通空調(diào)系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力如表2所示。

表2 暖通空調(diào)系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力

3.2 照明系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力分析可以從照明功能區(qū)域的角度進(jìn)行,因?yàn)椴煌彰鞴δ軈^(qū)域,照明需求也不同。照明系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力如表3所示。

表3 照明系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

照明系統(tǒng)能耗可優(yōu)化潛力:主要設(shè)備為照明燈具,系統(tǒng)能耗占比為15%～20%,用能優(yōu)化方式是使用高效率燈具、智能照明控制策略,系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力6%～12%。

3.3 給排水系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

在滿足樓宇給排水需求的前提下,給排水系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力:主要設(shè)備為生活水泵、生活熱水泵、排污泵,不可調(diào)節(jié),總用電負(fù)荷占比5%～10%,可調(diào)負(fù)荷占比為0。

給排水系統(tǒng)主要設(shè)備為生活水泵、電熱水器。給排水系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力:主要設(shè)備為給水泵、熱水泵、排污泵,用能優(yōu)化方式為變頻控制,能耗占比5%～10%,用能優(yōu)化潛力3%～5%。

3.4 電梯系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

目前商業(yè)樓宇中的扶梯和直梯已基本采用變頻節(jié)能裝置,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)用電負(fù)荷的同時(shí)起到節(jié)能效果。商業(yè)樓宇中電梯系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際使用情況,合理調(diào)度電梯,關(guān)閉部分電梯運(yùn)行,增加電梯系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力。電梯系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力:主要設(shè)備為客梯、貨梯、扶梯、觀光梯,直控(剛性),總用電負(fù)荷占比2%～10%,可調(diào)負(fù)荷占比1%～5%。

目前電梯系統(tǒng)中自動(dòng)扶梯多采用感應(yīng)控制方法,客梯貨梯采用群控策略實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電梯系統(tǒng)能耗情況及可優(yōu)化潛力如表4所示。

表4 電梯系統(tǒng)能耗情況及可優(yōu)化潛力

3.5 冷庫(kù)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

冷庫(kù)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力如表5所示。

表5 冷庫(kù)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力

冷庫(kù)系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力如表6所示。

表6 冷庫(kù)系統(tǒng)用能優(yōu)化潛力

4 商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化建議

(1) 建立用戶參與的可調(diào)節(jié)負(fù)荷商業(yè)樓宇用能優(yōu)化的工作機(jī)制。國(guó)家層面明確各省政府可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用工作任務(wù)部署,提出強(qiáng)制性的工作量化指標(biāo),構(gòu)建常態(tài)化用能優(yōu)化實(shí)施流程,制定省市縣分級(jí)落實(shí)方案上報(bào)國(guó)家發(fā)改委備案;推動(dòng)國(guó)家發(fā)改委、住建部、工信部等行業(yè)主管部門出臺(tái)支持政策,依據(jù)相關(guān)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)及負(fù)荷分類標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備無(wú)縫對(duì)接接入用能優(yōu)化系統(tǒng);委托電網(wǎng)公司協(xié)助開展用戶側(cè)可調(diào)節(jié)能力調(diào)查,構(gòu)建用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源庫(kù)。

(2) 扎實(shí)開展公司商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷特性分析和調(diào)節(jié)能力建設(shè)。進(jìn)一步細(xì)分行業(yè)類別,深入研究商業(yè)樓宇的各類負(fù)荷特性,逐步建立各類負(fù)荷調(diào)控模型,挖掘商業(yè)樓宇行業(yè)的理論可調(diào)節(jié)潛力;針對(duì)商業(yè)樓宇中用能優(yōu)化較大潛力的用戶,逐戶開展上門調(diào)查,摸清用戶實(shí)際可調(diào)節(jié)能力,溝通用能優(yōu)化參與意愿,推動(dòng)簽訂實(shí)施協(xié)議。

(3) 加強(qiáng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與用能優(yōu)化的實(shí)用技術(shù)和相關(guān)裝置研究。完善可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與用能優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍,逐步規(guī)范用能優(yōu)化系統(tǒng)/終端建設(shè),提升相關(guān)產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)能力;加快探索與市場(chǎng)化交易相結(jié)合的用能優(yōu)化實(shí)施模式;研究用能優(yōu)化潛力分析、成本效益分析等關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步完善可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源普查軟件,支撐可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與用能優(yōu)化實(shí)施方案策略優(yōu)化。

(4) 推動(dòng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)示范,持續(xù)拓展擴(kuò)大影響力。針對(duì)已經(jīng)應(yīng)用成熟的地區(qū),應(yīng)加快開展資源普查及規(guī)模化推廣應(yīng)用;同步開展其他重點(diǎn)區(qū)域可調(diào)負(fù)荷資源用能優(yōu)化推廣,穩(wěn)步擴(kuò)大可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源池。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了商業(yè)樓宇的分類及用電構(gòu)成,分析了不同類別商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化潛力,并提出了商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)負(fù)荷用能優(yōu)化建議。