劉青榮, 葉家盛, 阮應(yīng)君, 錢凡悅, 孟 華

(1.上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090; 2.同濟大學 機械與能源工程學院, 上海 200092)

我國能源總體消耗量巨大,在電力需求不斷增大的情況下,開發(fā)太陽能等新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源,對于降低我國能源消耗,維持社會的持續(xù)發(fā)展意義重大。太陽能光伏制冷技術(shù)利用光伏裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,再以電能驅(qū)動設(shè)備進行制冷[1-2],但由于太陽能的不確定性,導(dǎo)致供需側(cè)存在不匹配現(xiàn)象。儲能技術(shù)可以實現(xiàn)能量的跨時段轉(zhuǎn)移從而可有效解決供需不匹配問題,但其造價較高不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟性。建筑虛擬儲能利用建筑的蓄熱屬性和熱惰性,可以對需求側(cè)能源進行優(yōu)化管理與調(diào)節(jié),通過一定的控制策略實現(xiàn)建筑對能源的存儲或者釋放,因此在太陽能波動較大的情況下,合理利用虛擬儲能可以發(fā)揮類似傳統(tǒng)儲能的作用[3-4]。目前,針對虛擬儲能的研究已有部分成果。童亦斌等人[5]分析了虛擬儲能的主要影響因素,建立了虛擬儲能能量功率模型,并根據(jù)實際測算結(jié)果表明空調(diào)負荷可以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。王怡嵐等人[6]根據(jù)熱力學模型和人體舒適度模型建立了虛擬儲能模型,以實際空調(diào)建筑為算例分析了虛擬儲能的性能。趙軍等人[7]采用虛擬儲能主動調(diào)控建筑的熱負荷,從而提高了太陽能供熱量和建筑負荷的匹配程度。靳小龍等人[8]基于樓宇蓄熱建立了建筑虛擬儲能模型并融合到分布式能源優(yōu)化調(diào)度模型當中,通過優(yōu)化調(diào)度的對比分析,表明了虛擬儲能的參與使系統(tǒng)經(jīng)濟性更優(yōu)。為進一步認識建筑虛擬儲能的應(yīng)用價值,本文以上海地區(qū)辦公建筑為研究對象,設(shè)計太陽能光伏制冷系統(tǒng),針對系統(tǒng)存在的供需不匹配問題,基于建筑虛擬儲能展開供需匹配性研究。具體工作為:建立了上海地區(qū)標準的辦公建筑,基于DeST軟件平臺完成了典型年能耗模擬并結(jié)合已有研究結(jié)果表明了所建模型的可靠性;為所建辦公建筑設(shè)計了一套太陽能光伏制冷系統(tǒng),建立了光伏預(yù)測模型并在典型日預(yù)測了當天的逐時發(fā)電量;針對系統(tǒng)的供需不匹配問題,展開基于建筑虛擬儲能的供需匹配性研究,模擬過程確定了當天建筑虛擬儲能對建筑負荷的額定消減電量以及釋能時間的估算,并利用建筑虛擬儲能技術(shù)使典型日系統(tǒng)供需匹配性大幅度提高。

1 典型辦公建筑建模及可靠性驗證

1.1 典型辦公建筑建模

基于DeST設(shè)計上海地區(qū)方形辦公建筑。該建筑長40 m,寬40 m,每層高4 m,高3層,總建筑面積4 800 m2。其標準層分為中心核心系統(tǒng)區(qū)域和核心系統(tǒng)外圍的辦公空間,東西南北4個方向各有一個內(nèi)區(qū)和一個外區(qū),外區(qū)的進深為5 m。其中:核心系統(tǒng)區(qū)域為非空調(diào)區(qū)域,該區(qū)域主要承擔洗手間、樓梯、開水間等功能,單層面積為400 m2,占總面積的25%;4個方向內(nèi)外區(qū)都為空調(diào)區(qū),占總面積的75%;建筑的朝向為正南方向。其典型代表層三維立體圖如圖1所示。

圖1 辦公建筑典型代表層三維立體圖

為使建筑材料物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)置符合實際情況,主要參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》《綠色建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》《外墻外保溫建筑構(gòu)造》《平屋面設(shè)計構(gòu)造》等規(guī)范與標準。外墻及平屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造最終結(jié)果及材料物性參數(shù)的設(shè)置分別如圖2和表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

圖2 外墻及平屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造

建筑東、西、南、北4個方向的窗墻比為0.45,窗戶的傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·K),太陽得熱系數(shù)取值0.348,遮陽系數(shù)取值0.4。參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》的推薦值,設(shè)置的人員、燈光熱擾、設(shè)備熱擾、通風次數(shù)如表2所示。

表2 人員、燈光、設(shè)備及通風次數(shù)設(shè)置情況

空調(diào)系統(tǒng)選擇風機盤管加新風系統(tǒng),設(shè)置房間溫度夏季上限為26 ℃,冬季下限為20 ℃。系統(tǒng)送風溫度上下限分別設(shè)置為18°和30°。冷源系統(tǒng)使用的冷機選擇內(nèi)置的螺桿式制冷機,其額定制冷系數(shù)(Coefficient Of Perfermance,COP)為5.85。熱源系統(tǒng)中熱源為燃氣鍋爐,采用兩管制水系統(tǒng),供水溫度夏季為7°,冬季為60°。設(shè)定全年雙休日和法定節(jié)假日空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 模擬結(jié)果分析與驗證

圖3顯示了上海地區(qū)辦公建筑典型年能耗模擬情況。

圖3 能耗模擬結(jié)果

已有文獻表明[9-10],上海地區(qū)大型辦公建筑單位面積能耗水平在37.6～234.1 kWh/(m2·a),統(tǒng)計平均值為114.0 kWh/(m2·a)。本文研究結(jié)果將燃氣消耗折算為電耗,最終結(jié)果表明建筑的單位面積能耗為100.53 kWh/(m2·a),接近統(tǒng)計平均值。各分項能耗運行參考指標,空調(diào)系統(tǒng)能耗占比40%～60%,本次模擬結(jié)果為38%;照明能耗占比13%～26%,一般為20%左右,本次模擬結(jié)果為19%;辦公設(shè)備能耗為20%～40%,本次模擬結(jié)果為25%。因此,所建典型辦公建筑及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置比較合理,具有一定的可靠性。

2 太陽能光伏制冷系統(tǒng)的設(shè)計與光伏預(yù)測

2.1 太陽能光伏制冷系統(tǒng)設(shè)計

對所建典型辦公建筑設(shè)計太陽能光伏制冷系統(tǒng)供應(yīng)建筑所需冷負荷,并在建筑屋頂設(shè)計一套光伏陣列。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 太陽能光伏制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

其基本工作原理為:光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供應(yīng)制冷機,系統(tǒng)不足部分電力由電網(wǎng)提供,光伏陣列為離網(wǎng)形式,多余電力存儲在蓄電池中。

2.2 光伏預(yù)測模型建立

光伏組件為獲得更優(yōu)出力需要傾斜放置,而DeST提供的輻射量為水平面上的輻射量,因此需要建立傾斜面太陽輻射模型。水平面上太陽總輻射包括:水平面直射輻射和水平面散射輻射。傾斜面太陽總輻射包括:傾斜面直射輻射、傾斜面散射輻射、傾斜面反射輻射。水平面到傾斜面輻射量的轉(zhuǎn)換關(guān)系的計算模型如下[11]。

直射輻射模型為

(1)

式中:IBT,IBH——傾斜面、水平面直射輻射;

θ——太陽入射角;

α——太陽高度角;

δ——當?shù)鼐暥?

β——傾斜面傾角;

λ——傾斜面方位角;

σ——赤緯角;

ω——時角。

散射輻射模型采用工程上常用的Hay模型,即

(2)

式中:IDT,IDH——傾斜面、水平面散射輻射;

I——水平面散射輻射與大氣層的上邊界面的太陽輻射量之比;

I0——大氣層上邊界面的太陽輻射量;

RB——折算因子;

N——天數(shù)。

反射輻射模型為

(3)

式中:IRT——傾斜面反射輻射;

IH——水平面上太陽總輻射;

ρ——地面平均反射率,取0.15。

結(jié)合太陽輻射模型,可以計算得到光伏預(yù)測模型[2]為

(4)

式中:ηPV,η0——光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率,標準測試條件下的光電轉(zhuǎn)換效率;

τPV,τPV0——太陽電池各層透過率和太陽電池輻射入射角為0°時的值,后者取0.81;

TCELL,TA——光伏電池的溫度和環(huán)境溫度,℃;

θ1——光伏板平面上的輻射入射角,°;

PPV——光伏組件的發(fā)電功率,kW;

ηI——逆變器效率,取值0.98;

SPV——光伏板的面積,m2。

光伏預(yù)測模型里面全天光伏板上的輻射入射角θ1計算公式如下

cosθ1=sinσsinδ+cosσcosδcosω

(5)

(6)

式中:Ts——真太陽時。

2.3 光伏組件設(shè)計與預(yù)測結(jié)果

為增強太陽能光伏制冷系統(tǒng)設(shè)計的可靠性,在上海地區(qū)辦公建筑典型年能耗模擬使用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,選擇7月份溫度最高日(7月20日)的氣象數(shù)據(jù)計算光伏總面積,以期光伏發(fā)電可以盡可能滿足制冷季制冷機的耗電量。光伏組件參考隆基樂葉公司型號為LR4-60HPH-380M的組件,在標準測試條件下組件效率為20.9%,單塊組件長175.5 cm、寬103.8 cm,根據(jù)已有研究結(jié)果[12],選擇光伏陣列的朝向為正南,傾角23°。

結(jié)合DeST提供的干球溫度和水平面輻射情況,可以計算當天光伏陣列逐時發(fā)電量。最終計算的典型日單塊光伏組件發(fā)電量計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型日單塊光伏組件逐時發(fā)電量變化曲線

根據(jù)光伏組件的全天發(fā)電量滿足螺桿制冷機當日耗電量的原則,計算光伏面積,取整可得需要光伏組件共436塊,則總光伏面積不超過795 m2,約占建筑屋頂面積的一半。因此,本文的設(shè)計滿足光伏陣列的外在條件。

3 基于建筑虛擬儲能的供需匹配性研究

3.1 虛擬儲能模型及工作原理介紹

虛擬儲能可以充分利用建筑的熱惰性和蓄熱屬性,因此和建筑負荷以及室內(nèi)溫度存在一種相互關(guān)系,合理的利用這種耦合關(guān)系,可以在實際情況中發(fā)揮一定的價值。由于涉及熱量的傳遞與室內(nèi)溫度的關(guān)系,因此從熱力學基本定律出發(fā),其基本模型為

(7)

式中:C——室內(nèi)空氣比熱容,J/(kg·K);

ρ0——室內(nèi)空氣密度,kg/m3;

V——室內(nèi)空氣體積,m3

t——溫度,℃;

∑Q(τ)——熱功率;

QWIN——通過窗的傳熱,kW;

QWALL——通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱,kW;

QF——室內(nèi)物體間得傳熱,kW;

QIN——室內(nèi)物體和人員等的發(fā)熱,kW;

QSUPPLY——內(nèi)部設(shè)備的供熱,kW。

其工作原理為:充分利用建筑本身的熱惰性和蓄熱屬性,在電量充裕時適當降溫,相當于給建筑充能,在發(fā)電量不足時將儲存在建筑里的能量釋放出來。利用建筑負荷與室內(nèi)溫度的相互關(guān)系,通過室溫調(diào)控的方法對建筑負荷進行優(yōu)化調(diào)節(jié),達到類似蓄電池的作用。

3.2 虛擬儲能對建筑負荷消減情況及釋能時間確定

為了解典型日建筑虛擬儲能對建筑負荷的最大消減幅度,以及建筑存儲和釋放冷量的快慢,首先要確定建筑房間舒適度區(qū)間。其基本思路是:對建筑進行最大充能,然后在某時刻關(guān)閉所有房間空調(diào),讓建筑存儲的冷量不斷釋放,釋放極限是室內(nèi)溫度達到房間溫度上限為止。在本次過程中,建筑存儲冷量導(dǎo)致的房間溫度下降,其溫度下限不得低于24 ℃,由于釋放冷量導(dǎo)致的溫度上升其溫度上線不得高于28 ℃。此段過程即建筑虛擬儲能釋放冷量的過程,結(jié)果是導(dǎo)致室內(nèi)溫度存在一個緩慢的滯后現(xiàn)象,使室內(nèi)溫度在一定時間段內(nèi)仍然保持在舒適度區(qū)間。具體操作情況如下:基于DeST平臺,在上午7時到8時,將所有房間開啟空調(diào),使室溫達到24 ℃,讓建筑完成最大充能;在上午8時到10時關(guān)閉空調(diào),觀察建筑釋放冷量過程的快慢以及超出室溫舒適度區(qū)間的時間點,通過這種方法可以大致確定建筑在典型日完全釋放冷量的時間;10時到12時打開空調(diào)繼續(xù)對建筑進行充能;下午時段再重復(fù)一次上述過程。

整個過程內(nèi)外區(qū)房間溫度和負荷變化情況如圖6所示。對比圖6的兩次結(jié)果是否差距明顯,如果差距很小,則說明所得結(jié)果具有一定的可靠性。

圖7為空調(diào)關(guān)閉最大時長為1 h(分別在上午的9時和下午的13時關(guān)閉空調(diào))的外區(qū)溫度和負荷變化情況。

由圖6和圖7可知:建筑房間由于內(nèi)外區(qū)的區(qū)別導(dǎo)致建筑釋放冷量的速率存在明顯不同,所以在2 h的時間,觀察溫度是否超出舒適度區(qū)間。外區(qū)溫度在1 h后已經(jīng)超出了溫度舒適范圍,而內(nèi)區(qū)溫度在2 h后依然在舒適度范圍,并且已經(jīng)接近釋放極限,故知在該典型日內(nèi)區(qū)完全釋能時間最快接近2 h,外區(qū)釋能時間最快接近1 h。內(nèi)區(qū)房間基本可以將存儲的冷量全部釋放出來,建筑虛擬儲能導(dǎo)致內(nèi)區(qū)房間冷量消減幅度最大不超過12 kWh,系統(tǒng)對內(nèi)區(qū)房間進行充能,最大接近15 kWh冷量;外區(qū)房間由于釋能時間明顯快于內(nèi)區(qū),在1 h內(nèi),建筑虛擬儲能釋能使房間冷量消減幅度最大不超過23 kWh,系統(tǒng)對外區(qū)房間進行充能,最大接近30 kWh冷量。

圖6 空調(diào)關(guān)閉最大時長為2 h時內(nèi)外區(qū)房間溫度和負荷變化情況

圖7 空調(diào)關(guān)閉最大時長為1 h時內(nèi)外區(qū)房間溫度和負荷變化情況

因此,在所得結(jié)果的基礎(chǔ)上估算整棟建筑在1 h內(nèi)由于虛擬儲能的作用使系統(tǒng)消減最大不超過420 kWh冷量,系統(tǒng)對建筑充能最大接近540 kWh冷量,如果按制冷機的額定COP折算成電負荷,則在典型日虛擬儲能1 h對系統(tǒng)的額定消減電量接近71.794 9 kWh,系統(tǒng)對建筑額定充電量最大接近92.307 7 kWh。

3.3 評價指標及供需匹配性研究

為研究太陽能光伏制冷系統(tǒng)的供需匹配性,選擇2個參數(shù)對系統(tǒng)供需匹配性進行評價:本址供能滿足負荷占比(On-site energy fraction,OEF),本址供能滿足自消費占比(On-site energy matching,OEM)[13]。其定義式如下

(8)

(9)

式中:FOE,MOE——OEF,OEM的值,取值范圍均為[0,1];

τ1,τ2——起始時間和終止時間;

G(i)——i時刻本址發(fā)電量,kW;

L(i)——i時刻建筑所需負荷,kW;

Δτ——時間步長。

為提高光伏陣列供需匹配性,充分發(fā)揮建筑虛擬儲能的使用價值,本文基于建筑虛擬儲能的工作原理調(diào)控室內(nèi)溫度,實現(xiàn)建筑冷負荷的釋放,并最終反應(yīng)在電力消耗上,結(jié)果如圖8所示。

圖8 虛擬儲能參與調(diào)控前后室溫及制冷機耗電情況

原系統(tǒng)OEF為75.76%,OEM為75.73%,最大余量電量為130.462 2 kWh。根據(jù)結(jié)果計算評價指標,得到采用虛擬儲能后,系統(tǒng)OEF為86.54%,OEM為91.05%,當日最大余量電量為58.955 9 kWh,當日最大余量電量削減幅度達54.81%。

4 結(jié) 論

本文以上海地區(qū)典型辦公建筑為研究對象,基于建筑虛擬儲能展開供需匹配性研究,結(jié)果表明了虛擬儲能的應(yīng)用價值,對于上海地區(qū)辦公建筑虛擬儲能提供了借鑒意義。具體研究結(jié)論如下:

(1)所建辦公建筑內(nèi)外區(qū)的釋能時間有較大差別,內(nèi)區(qū)釋能時間接近2 h,而外區(qū)釋能時間接近1 h。

(2)典型日虛擬儲能在1 h內(nèi)對系統(tǒng)的額定消減電量接近71.794 9 kWh,系統(tǒng)對建筑額定充電量最大接近92.307 7 kWh。

(3)為提高系統(tǒng)的供需匹配性,采用虛擬儲能技術(shù)對建筑進行合理充放電進而優(yōu)化系統(tǒng)電耗曲線,使評價指標OEF從75.76%提升到86.54%,OEM從75.73%提升到91.05%,并且當日最大余量電量削減幅度可達54.81%。這對于降低蓄電池的初始投資意義重大。