李 昌， 夏湘洪， 徐宏飛

（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）

基于需求側(cè)管理的辦公建筑空調(diào)需量控制

李 昌1，2， 夏湘洪1， 徐宏飛1

（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）

李 昌（1974-），男，高級(jí)工程師，從事電力能源管理與節(jié)能分析方面的工作。

提出一種辦公建筑的需量控制方法。根據(jù)建筑空調(diào)的能耗特性，建立負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，結(jié)合需求側(cè)管理要求進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移和調(diào)節(jié)，以完成需量控制?；谏虾：鐦蚰成虅?wù)小區(qū)辦公空調(diào)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算了動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，加入需求側(cè)管理的需量約束以便實(shí)現(xiàn)負(fù)荷需量控制。最后探討了負(fù)荷需量控制與節(jié)能問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果表明，需量控制方法無(wú)需復(fù)雜模型，具有顯著的實(shí)用性。

需求側(cè)管理；建筑空調(diào)；需量控制；負(fù)荷

0 引 言

電力需求側(cè)管理(Demand Side Management, DSM)的基本目標(biāo)是通過(guò)推行高效設(shè)備改造或節(jié)能建筑減少總能源的使用,通過(guò)改變用電方式進(jìn)行負(fù)荷整型移峰填谷。需量控制是減少用戶對(duì)負(fù)荷的容量要求,在高峰時(shí)降低負(fù)荷需求,可以減少電網(wǎng)配電設(shè)備的投資,同時(shí)減少負(fù)荷波動(dòng)。在辦公建筑中,總能耗中電能耗比例為96%,其中空調(diào)能耗占40%左右。控制空調(diào)負(fù)荷、減少空調(diào)高峰時(shí)段的需量,不僅可減少用電需量費(fèi)用,還可以減少輸配電設(shè)備備用容量［1_3］。

建立負(fù)荷模型,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)［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］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)［6］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)［7］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)［8］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。

辦公建筑本體具備蓄能和散熱(冷)的特點(diǎn),辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)可以在一定時(shí)間上進(jìn)行預(yù)見性控制。在DSM負(fù)荷需求管理下,辦公建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線可能不滿足需量管理要求,或客戶有進(jìn)一步降低負(fù)荷需量的需求,管理者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。

本文研究對(duì)象為辦公建筑制冷空調(diào),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)荷分解為輔助負(fù)荷和制冷負(fù)荷,結(jié)合需求側(cè)的負(fù)荷管理,加入需量約束來(lái)修正結(jié)果,以滿足負(fù)荷需量控制目的。

1 辦公建筑空調(diào)用電負(fù)荷建模

辦公建筑空調(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,具有能量散失的特點(diǎn),即使建筑空調(diào)使用者無(wú)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)辦公建筑空調(diào)用電負(fù)荷特點(diǎn),把空調(diào)負(fù)荷分解為輔助負(fù)荷和制冷負(fù)荷兩部分。輔助負(fù)荷不僅包括空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行必需的能耗監(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)能耗,而且包括建筑本體散失的能量,這部分負(fù)荷和空調(diào)運(yùn)行與環(huán)境溫度有關(guān),是實(shí)現(xiàn)空調(diào)的需要。制冷負(fù)荷用于建筑內(nèi)部的空調(diào)供冷熱對(duì)象的能量消耗,其用電負(fù)荷大小與建筑內(nèi)空調(diào)制冷熱量的需求正相關(guān),其能耗包括空調(diào)冷凍介質(zhì)與供冷對(duì)象的能量交換,供冷對(duì)象包括建筑辦公及流動(dòng)人員、有生命動(dòng)物等,空調(diào)冷凍介質(zhì)包括制冷機(jī)組、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)。

1.1 辦公建筑負(fù)荷模型建立

建筑空調(diào)日用電負(fù)荷由建筑空調(diào)用電輔助負(fù)荷、制冷負(fù)荷兩部分組成。

式中：Wall－－－建筑空調(diào)日用電負(fù)荷；

Wtmp－－－建筑空調(diào)用電輔助負(fù)荷；

Wchg－－－建筑內(nèi)部空調(diào)用電制冷負(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。

1.2 空調(diào)用電輔助負(fù)荷求解

建筑空調(diào)用電輔助負(fù)荷由建筑體散失負(fù)荷、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/冷卻水泵等組成。同時(shí)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。流失的速度與建筑本體與室外溫差有關(guān),在空調(diào)起動(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：k0－－－常數(shù)項(xiàng)；

β－－－熱量－電能換算系數(shù)；

λ－－－導(dǎo)熱系數(shù)；

S－－－建筑本體散熱面積；

ΔT－－－建筑本體與環(huán)境溫差；

k1－－－空調(diào)散熱系數(shù),k1＝βλS。

查找辦公人數(shù)小于額度辦公人數(shù)少的樣本曲線數(shù)據(jù),令Wchg＝0,有Wtmp＝Wall,則

選擇多個(gè)樣本,可求出k1和k0。

1.3 空調(diào)用電制冷負(fù)荷模型求解

用于建筑內(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)荷為

式中：m－－－時(shí)刻t的人員或動(dòng)物體數(shù)目,單位為千人(個(gè))；

k2－－－空調(diào)內(nèi)部人員單位分鐘熱交換系數(shù)；

Tm－－－統(tǒng)計(jì)時(shí)間,積分步長(zhǎng)可采用1 min。

如果m取平均值,則式(4)為

1.4 建筑空調(diào)負(fù)荷需量計(jì)算

根據(jù)日小時(shí)辦公人數(shù)和小時(shí)氣溫預(yù)測(cè),由式(3)、式(5)可計(jì)算出空調(diào)負(fù)荷用電,采用15 min的滑差數(shù)據(jù)窗口可計(jì)算出空調(diào)需量。

1.5 需求側(cè)負(fù)荷管理約束

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－－－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_1時(shí)刻的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

1.6 空調(diào)需量控制流程

空調(diào)用電日負(fù)荷為

需量控制過(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(7)可計(jì)算出日建筑空調(diào)用電1440點(diǎn)負(fù)荷曲線,計(jì)算出空調(diào)負(fù)荷需量值,采用式(6)的負(fù)荷管理約束進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,直到所有需量滿足式(6),完成空調(diào)用電需量控制。

空調(diào)用電負(fù)荷需量控制流程圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)用電負(fù)荷需量控制流程圖

2 算例分析

選取上海虹橋樞紐某商務(wù)小區(qū)中央空調(diào)辦公建筑用電數(shù)據(jù),空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行3 a。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40 000 kW,空調(diào)系統(tǒng)有4臺(tái)離心式冷水機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組額定功率為7 350 kW,用戶建筑管理規(guī)定的辦公時(shí)間為9：00～18：00,空調(diào)溫度為26℃。物業(yè)管理信息小區(qū)常駐辦公人員為16 800人,日流動(dòng)人口為5 000人,共21 800人。

2.1 模型初始化及樣本選擇

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k0、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1 000人,可作為計(jì)算k1的樣本日期,其他38個(gè)日期作為計(jì)算k2的有效樣本日期。

2.2 建筑輔助負(fù)荷k0，k1求解

對(duì)7、8月18個(gè)休息日,選擇建筑內(nèi)部平均溫度在30～35℃的10：00～16：00時(shí)間段作為計(jì)算k0、k1的樣本日期。7,8月負(fù)荷用電如表1所示。

表1 7，8月負(fù)荷用電kW

由表1可得出,k0＝4 390 kW,k1＝474 kW。

2.3 建筑制冷負(fù)荷熱交換系數(shù)k2求解

對(duì)7、8月38個(gè)有效工作日樣本,選擇建筑內(nèi)部平均溫度在25～27℃的10：00～15：00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)荷為

式中：x－－－氣溫；

Wtmp,x－－－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)荷曲線如圖2所示。

在m＝3 000時(shí),7月Wall,30＝10 494,8月Wall,30＝9 858；m＝15 000時(shí),7月Wall,30＝35 772, 8月Wall,30＝36 831。由式(5)得

圖2 室內(nèi)辦公人數(shù)及空調(diào)負(fù)荷Wall曲線圖

計(jì)算出7、8月k2分別為2 106 kW和2 247 kW,取平均值k2＝2 177 kW。

2.4 空調(diào)需量計(jì)算

計(jì)算出輔助用電k0、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)：

該大樓空調(diào)需量Wlim＝40 000 kW,當(dāng)室內(nèi)外氣溫差為10℃,m＝15 000時(shí),Wall＝41 785 kW,空調(diào)負(fù)荷超過(guò)空調(diào)需量,需要進(jìn)行需量控制。

對(duì)8月5日進(jìn)行負(fù)荷需量預(yù)測(cè),結(jié)果如表2所示,需要把9：00后的負(fù)荷進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)移到8：00,使空調(diào)負(fù)荷提前啟動(dòng),在9：00減小空調(diào)制冷負(fù)荷,達(dá)到需量控制目的。

表2 8月5日需量預(yù)測(cè)結(jié)果

3 需量控制效果分析

由式(10)可知,需量控制依賴于負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果,預(yù)測(cè)誤差結(jié)果受建筑內(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)可能根據(jù)季節(jié)變化需要調(diào)整。

3.1 預(yù)測(cè)方法誤差分析

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。該方法要求精確統(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24 h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。

3.2 空調(diào)調(diào)節(jié)滯后問(wèn)題

空調(diào)調(diào)節(jié)和空調(diào)效果并非同步,時(shí)間差通常為30～60min,因此負(fù)荷需量預(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。

3.3 控制設(shè)備尋優(yōu)問(wèn)題

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)間段空調(diào)負(fù)荷和限制其他分項(xiàng)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,保證總需量滿足要求。

3.4 需量控制與節(jié)能

采用負(fù)荷轉(zhuǎn)移方式,并沒(méi)有兼顧節(jié)能要求,由于負(fù)荷的時(shí)間段轉(zhuǎn)移,在某些情況下會(huì)導(dǎo)致局部能源浪費(fèi),電能增加。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō),需量費(fèi)用減少,實(shí)際情況需要平衡二者關(guān)系,方能實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出辦公建筑空調(diào)需量控制模型,采用輔助負(fù)荷、制冷負(fù)荷模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),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)荷需量控制預(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)。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)荷需量控制,計(jì)算出的空調(diào)用電需量對(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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Demand Control Method of Air Conditioning Load for Office BuildingS BaSed on Demand Side M anagement

LIChang1,2, XIA Xianghong1, XU Hongfei1
(1.Shanghai Sunrise Relay Electric Co.,Ltd.,Shanghai200233,China；2.Shanghai ZhuoYuan Energy Saving Technology Co.,Ltd.,Shanghai200233,China)

A load demand control method of air conditioning was proposed in office buildings.According to the energy consumption characteristics of air conditioner,the dynamic load modelwasbuilt,and the air conditioning load was forecasted.Combining by the demand side management(DSM)requirements,the load transfer and ad justment were carried out to complete the demand control.Based on the historical load data of Hongqiao's buildings in Shanghai,the dynamic load model was calculated,and the demand constraint on DSM was added to control the load demand.Finally, the load demand control and energy saving problems were discussed.The test case results show that themethod has the significant practicability without the complex model.

demand Sidemanagement（DSM）；building air conditioner；demand control；load

TU 855

A

1674-8417(2015)12-0058-05

2015- 08- 21

夏湘洪（1980-），男，工程師，從事電力能源監(jiān)控、分布式發(fā)電技術(shù)方面的工作。

徐宏飛（1982-），男，工程師，從事智能電網(wǎng)用戶端能耗分析、新能源技術(shù)方面的工作。