艾凇卉 吳成斌

建筑負荷參與電力需求響應的可行性及效果研究

艾凇卉1吳成斌2

（1.北京首鋼建設投資有限公司 北京 100041；2.優(yōu)刻得科技股份有限公司 上海 200090）

電力需求響應是提高電網(wǎng)效率的關鍵方式。采用建筑環(huán)境與暖通空調系統(tǒng)模擬軟件Dest建立了一座典型辦公建筑模型，對建筑動態(tài)負荷特性進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑負荷的調控作為電力需求響應和虛擬儲能的一種重要手段，具有較高的可行性和良好的效果。對室內溫度進行全天或者短時的調控，都可以起到降低建筑電力負荷的效果；在電力需求響應時段前對建筑進行預冷，可以增強在響應時段降低電力負荷的效果。

建筑負荷；電力需求響應；虛擬儲能

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)更加注重“發(fā)電、配電、儲電、用電”的一體化管理和統(tǒng)籌優(yōu)化。電力需求側響應就是指對用電負荷的管理，用戶根據(jù)電價信號或激勵機制進行響應，改變常規(guī)電力消費行為[1]。通過電力需求側響應，可以實現(xiàn)對現(xiàn)有電源的充分利用，減少系統(tǒng)裝機容量和輸配電設施，提高設備利用率和用電效率。能源互聯(lián)網(wǎng)中對光伏、風電等各類可再生能源的接入更加開放，但這類電源往往具有不穩(wěn)定和可控性低的特點[2]，因此，對用電負荷的控制和管理是能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵需求。同時，能源互聯(lián)網(wǎng)中的各種設備的互聯(lián)互通，為電力需求側響應提供了物理基礎和信息基礎。

拉閘限電是一種傳統(tǒng)常見的電力需求側管理手段，可以起到緩解供電不足壓力、降低電力負荷峰均比的作用，但是其是以損害各方利益為代價的。近年來，針對可控負荷和可中斷負荷的管理成為電力需求側響應的重要手段。建筑冷熱負荷作為一種可控負荷，占全社會用電負荷的比例較大，對其參與電力需求響應的研究也收到日益增多的關注。建筑本身具有一定的熱慣性，在空調設備關閉時，墻體和家具中的冷量或熱量會逐漸釋放出來，起到減緩室內環(huán)境變化的效果[3]。另外，建筑內部的人和設備都具有一定的環(huán)境適應性，在一定范圍內的室內溫度變化不會影響人體的熱舒適性和設備的正常運行。

全年電力負荷的最高峰往往出現(xiàn)在夏季高溫天氣，這主要是由于建筑空調用電與氣溫有較強相關關系。以北京為例，夏季日負荷最大值達到1776萬kW，其中空調負荷達到675萬kW，占最大負荷的38%[4]。利用空調系統(tǒng)進行電力需求側響應始于美國，2008年，美國太平洋天然氣和電力公司在加州開展智能空調項目，在負荷高峰期對15萬戶居民的空調采取周期性暫停措施[5]。高賜威等提出了基于空調負荷的直接負荷控制雙層優(yōu)化調度和控制模型，從兩個層面進行優(yōu)化調度以實現(xiàn)用電方和供電方利益的協(xié)同[6]。2013年中國電力科學院提出一種與電網(wǎng)互動的商業(yè)樓宇中央空調負荷調控系統(tǒng)，將某地區(qū)內的中央空調進行集中管控，在電力高峰負荷期，調整空調的運行參數(shù)，降低室內設定溫度，在不影響人體舒適性的前提下，可以降低建筑的用電負荷[7]。丁小葉建立了變頻空調負荷的數(shù)學模型，提出變頻空調參與虛擬調峰的優(yōu)化調控模型，并且準確量化了空調參與需求響應的效果[8]。

目前關于空調負荷參與電力需求側響應的研究，建筑負荷模型都是采用的一階等效熱參數(shù)模 型[8,9]，這種模型考慮了建筑的熱阻和熱容，是一種考慮因素較少、基于經驗系數(shù)的簡化模型。而建筑負荷是受實時變化的氣溫、通風、日照、內熱源等眾多因素共同影響，采用一階等效熱參數(shù)模型計算得到的建筑負荷一定是不準確、不符合實際情況的。

本文將采用建筑環(huán)境及暖通空調系統(tǒng)模擬軟件Dest對典型建筑的動態(tài)負荷特性進行模擬，通過調整室內環(huán)境設定參數(shù)，判斷各種工況下建筑負荷的變化情況，從而判斷建筑負荷參與電力需求側響應的可行性和響應能力，為能源互聯(lián)網(wǎng)體系下的電力需求側響應措施的深入研究提供參考。

1 建筑模型建立

本文利用清華大學建筑技術科學系開發(fā)的Dest軟件，以北京地區(qū)為例，建立一棟參考辦公建筑的模型[10]，分別模擬該建筑在制冷季節(jié)空調運行時間的逐時負荷。本文建立的參考建筑如圖1所示，建筑模型的設定參數(shù)如表1所示。

該辦公建筑模型中，室內發(fā)熱量（包括人員、用電設備、照明器具等）的設定如表2所示[11]。

圖1 參考建筑示意圖

表1 建筑模型設定參數(shù)表

表2 建筑模型室內發(fā)熱量設定

2 模擬結果

2.1 建筑逐時負荷

通過Dest模擬，可以獲取在典型氣象年數(shù)據(jù)下整個制冷季節(jié)的建筑逐時冷負荷。為了便于分析，本文截取典型氣象年7月2日—7月6日（周一至周五）計算結果進行分析。圖2是在建筑空調溫度設定在25℃時單位面積建筑負荷以及此時段的室外空氣干球溫度。

圖2 室外溫度與建筑逐時負荷圖

通過結果可以看出：

（1）在空調運行時間（8:00—19:00）建筑負荷在一定范圍內波動，在非空調運行時段，建筑負荷為零。

（2）周一（7月2日）空調工作時間的最初一個小時是建筑冷負荷最高的時刻，這是由于在此之前的周末時段空調沒有運行，室內外溫差、光照等因素造成了室內空氣溫度較高，同時墻壁、家具等蓄存了較多熱量，在空調開始運行的最初時段，將室溫在較短時間內調控到設定溫度，需要消耗較多的冷量。在其他工作日的空調運行初始時段，建筑負荷也會由于前夜非空調時段的熱量累積而相對較高，但沒有出現(xiàn)周一那樣的高值。

（3）建筑負荷與室外溫度有較強的正相關關系，當其他條件不變時，室外溫度越高，建筑負荷越高，反之亦然。

（4）室內發(fā)熱量的變化對建筑負荷有較大的影響，中午（12:00—13:00）和傍晚（17:00—19:00）室內人員和設備運行數(shù)量相對正常工作時間較低，室內發(fā)熱量也隨之較低，建筑負荷在這些時段內也相對較低。

2.2 室內設定溫度對負荷的影響

建筑負荷中的一部分是由于圍護結構的傳熱造成的，圍護結構的傳熱量是由室內外的溫差決定的。當室內溫度越高，其與室外溫度的溫差就越小，圍護結構的傳熱量也就隨之越小，反之亦然。

新風負荷也是建筑負荷的一部分，其是與室內設定空氣溫度呈負相關的。室內設定溫度越高，新風從室外溫度降低到室內設定溫度需要消耗的冷量就越少，即新風負荷越小，反之亦然。

在上文室內設定溫度25℃的基礎上，提高和降低1，2，3℃，分別模擬各種設定溫度下的建筑動態(tài)負荷。圖3是7月3日在室內溫度不同設定值下的建筑逐時負荷曲線。由圖可知，各個室內設定溫度下，建筑逐時負荷曲線的趨勢是一致的，但室內設定溫度越高，單位面積建筑負荷就越低。

圖3 不同室內設定溫度下建筑逐時負荷圖

根據(jù)表3的統(tǒng)計結果，相對于25℃，室內設定溫度降低1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負荷會增加6.4%、12.7%、19.0%；室內設定溫度提高1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負荷會降低6.6%、13.3%、20.1%。這表明，在電力負荷高峰時段，通過負荷側管理，將全天的建筑室內設定溫度提高3℃，可以使建筑的空調用電量降低約20%。

表3 不同室內設定溫度下建筑負荷統(tǒng)計表

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》[12]，人員長期逗留區(qū)空調供冷工況的室內設計溫度為Ⅰ級熱舒適度24～26℃，Ⅱ級熱舒適度26～28℃（Ⅰ級熱舒適度較高，Ⅱ級熱舒適度一般）。室內溫度在一定幅度內變化，符合設計標準的規(guī)定。因此，建筑負荷的調控可以作為電力需求響應和虛擬儲能的一種重要手段。

2.3 室內溫度短時調控

電力需求響應的時長通常是小時級的。在電力需求響應的短時間內調整室內設定溫度，然后在電力需求響應結束后可以將室內設定溫度調整回原值。

本文設定12:00—13:00為電力需求響應時段，分別模擬三種空調模式下的建筑逐時負荷變化情況：模式一是正常的空調模式，室內溫度設定為25℃；模式二是短時調控模式，在電力需求響應時段將室內溫度設定為28℃，其余時間室內溫度設定為25℃；模式三是提前預冷、短時調控模式，在電力需求響應時段的前一個小時，將室內溫度設定為22℃，在電力需求響應時段將室內溫度設定為28℃，其余時間室內溫度設定為25℃。

圖4是三種模式下空調運行時間內建筑逐時負荷圖，表4是電力需求響應時段三種模式下建筑負荷的對比分析。從中可以看出，在電力需求響應時段（12:00—13:00），模式二（短時調控）相比于模式一（正?？照{）建筑負荷降低了63.9%，而模式三（提前預冷、短時調控）相比于模式一（正常空調）建筑負荷降低了80.0%，但在提前預冷時段（11:00—12:00），模式三的建筑負荷會有較大幅度的增加；模式二和模式三在電力需求響應之后的一小時，建筑負荷相對于模式一會略有增加。

從模擬結果可以看出，在電力需求響應時段對室內溫度進行短時調控，具有良好的降低電力負荷的效果；提前預冷可以增強在電力需求響應時段降低電力負荷的效果，但在預冷時段會增加電力負荷。

圖4 不同模式下建筑逐時負荷圖

表4 不同模式下電力需求響應效果

3 結論

本文采用建筑環(huán)境與暖通空調系統(tǒng)模擬軟件Dest建立了一座典型辦公建筑，對建筑動態(tài)負荷特性進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑負荷的調控作為電力需求響應和虛擬儲能的一種重要手段，具有較高的可行性和良好的效果。

（1）通過改變室內溫度，可以調控建筑負荷，進而調控建筑用電量。在本文算例中，全天的室內設定溫度降低1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負荷會增加6.4%、12.7%、19.0%；室內設定溫度提高1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負荷會降低6.6%、13.3%、20.1%。

（2）在電力需求響應時段對室內溫度進行短時調控，具有良好的降低電力負荷的效果；提前預冷可以增強在電力需求響應時段降低電力負荷的效果，但在預冷時段會增加電力負荷。在本文算例中，對室內溫度短時調控可以降低建筑負荷63.9%，提前預冷后對室內溫度短時調控可以降低建筑負荷80.0%。

[1] 伍偉華,龐建軍,陳廣開,等.電力需求側響應發(fā)展研究綜述[J].電子測試,2014,(3):86-94.

[2] 鄧益,王軍.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在西南高校的應用實踐與效果評估研究[J].制冷與空調,2018,32(2):137-140.

[3] 杜前洲,姜梅,剛文杰,等.基于實測數(shù)據(jù)的夏熱冬暖地區(qū)校園建筑負荷分析[J].制冷與空調,2019,33(2): 135- 142.

[4] 劉文.北京地區(qū)的電力供需預警和負荷優(yōu)化研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[5] Pacific Gas and Electric Company. Smart ACTM program [EB/OL].http://www.pge.com/en/myhome/saveenergymoney/ energysavingprograms/smartac/index.page. 2018.

[6] 高賜威,李倩玉,李揚,等.基于DLC的空調負荷雙層優(yōu)化調度和控制策略[J].中國電機工程學報,2014,(10): 1546-1555.

[7] 葉劍斌,陳新賀,李天陽,等.一種與電網(wǎng)互動的商業(yè)樓宇中央空調負荷調控系統(tǒng)[P].中國:CN202904332U, 2013-4-24.

[8] 丁小葉.變頻空調參與需求響應的調控策略與效果評估[D].南京:東南大學,2016.

[9] 劉利兵,劉天琪.參與需求側響應的空調負荷群調節(jié)控制方法及優(yōu)化調度策略[J].工程科學與技術,2017,49 (增刊1):175-182.

[10] 吳成斌.空調用制冷設備季節(jié)性能評價方法研究[D].北京:清華大學,2013.

[11] 石文星,顏承初,趙偉.單元式空氣調節(jié)機APF性能評價相關問題研究[J].冷凍空調標準與檢測,2006,(6):4-33.

[12] GB 50736—2012,民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

Feasibility and Effect of Building Load Participating in Power Demand Response

Ai Songhui1Wu Chengbin2

( 1.Beijing Shougang Construction Investment Co., Ltd, Beijing, 100041;2.Ucloud Technology Co., Ltd, Shanghai, 200090 )

Power Demand Response is a key method to improve the efficiency of power grid.In this paper, a typical office building model is established with Dest, a building environment and HVAC system simulation software. Dynamic characteristics of building load is simulated and analyzed. It is found that the regulation of building load is an important means of power demand response and virtual energy storage, and it shows high feasibility and great results. The power demand will be reduced by full-day or short-term control of the indoor temperature. The effect of reducing the power load during the response period can be enhanced by pre-cooling the building.

Building load; Power demand response; Virtual energy storage

TU831

A

1671-6612（2020）03-321-05

艾凇卉（1990.12-），女，博士，工程師，E-mail：hu_tu_tu@126.com

2019-11-04