基于柔性負荷調(diào)控的樓宇空調(diào)用能優(yōu)化研究

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司 顧麗玲

電力是民生工程中的關(guān)鍵部分，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對于電力的需求也逐漸提高。隨著“雙碳”理念的提出，我國電網(wǎng)也進行了多次改革，進一步明確用電高峰，按照季節(jié)、需求等進行電價、電負荷的控制。針對不同類型建筑、工業(yè)企業(yè)等采用錯峰輪休、控制電價等方式來緩解供需矛盾，降低環(huán)境影響。本次主要以樓宇建筑的空調(diào)用電柔性負荷調(diào)整潛力為研究重點，實現(xiàn)樓宇空調(diào)的用能優(yōu)化。

1 辦公樓宇空調(diào)系統(tǒng)仿真模型

1.1 模型

本次研究重點針對辦公樓宇空調(diào)電負荷展開分析，以江蘇某辦公建筑為原型，根據(jù)原型的層高、面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等為模型提供詳細參數(shù)，利用SketchUp軟件實現(xiàn)對相關(guān)物理量的設(shè)計，再輸出文件IDF，引入TRNBuild中。在TRNBuild可以輸入有關(guān)于氣象、圍護結(jié)構(gòu)以及辦公樓宇內(nèi)的熱源情況參數(shù)，進行全面化的仿真。最后利用其中的能耗仿真軟件進行負荷模擬，建設(shè)符合需求的空調(diào)系統(tǒng)。本次所研究的建筑為辦公業(yè)態(tài)，建筑面積5.2萬m2，其中地上27層地下3層，為積極響應(yīng)民生工程，設(shè)計空調(diào)使用面積為4.5萬m2。

由于辦公樓宇面積較大，內(nèi)部房間分布較多，因此在模型搭建階段對一些常規(guī)性、非必要性的內(nèi)容進行了簡化，并用OpenStudio插件搭建物理模型，進行對電力能耗的分析。其中，比較關(guān)鍵的模擬部分包括內(nèi)外墻、內(nèi)外門、內(nèi)外窗、屋頂、樓板等。同時，本次研究為了讓參數(shù)更加清晰，根據(jù)空間功能將樓宇分為8個區(qū)。相關(guān)人員在進行模擬時搜集樓宇建設(shè)階段的相關(guān)資料，針對圍護結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)見表1，并參照《實用空調(diào)供熱手冊》中的內(nèi)容分析室內(nèi)負荷參數(shù)，見表2。

表1 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 內(nèi)擾參數(shù)

在進行模型設(shè)計時，除了設(shè)計以上參數(shù)外，還對辦公樓宇電力技術(shù)運用的動態(tài)負荷進行了分析。本次研究利用TRNSYS平臺搭建電力負荷模型，配合氣象特點，夏季樓宇的制冷用電為7～9月，冬季為11月至次年4月，所研究樓宇的制冷熱負荷如圖1所示。

圖1 樓宇空調(diào)冷熱動態(tài)負荷

針對樓宇空調(diào)系統(tǒng)的模擬，本次研究根據(jù)實際工況進行模型設(shè)計，基于柔性負荷，選用2臺螺桿式冷水機組，制冷量為1880kW，選定變頻水泵實現(xiàn)對流量的計算，樓宇空調(diào)系統(tǒng)還搭配了兩臺橫流冷卻塔，其中冷卻水流量設(shè)計為400m3/h，詳細冷源系統(tǒng)參數(shù)見表3。

表3 冷源系統(tǒng)參數(shù)

1.2 結(jié)果分析

對本次所研究的辦公樓宇空調(diào)模擬結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)該建筑在夏季7～8月的冷負荷較大，電力消耗量較多，在運用空調(diào)時往往會開啟兩臺機組，而9月往往會開啟一臺機組。因此，在后續(xù)空調(diào)柔性負荷調(diào)控時主要以7～8月為關(guān)鍵月份。9月則為間歇運行階段，在調(diào)控時溫度波動相對較小。

2 辦公樓宇空調(diào)柔性負荷調(diào)控功能分析

2.1 系統(tǒng)框架分析

本次針對樓宇空調(diào)電力技術(shù)應(yīng)用的研究，從能源管理、電力轉(zhuǎn)換與分配、智能控制以及電力需求響應(yīng)的角度分析如何實現(xiàn)柔性負荷調(diào)控。對于能源管理方面，將樓宇的空調(diào)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相結(jié)合，通過收集數(shù)據(jù)并分析來實現(xiàn)對能源消耗量的計算。本次工程運用能源管理系統(tǒng)EMS實現(xiàn)能源監(jiān)控，通過（Pout/Pin）×100%計算能效，其中Pout表示輸出功率，Pin表示輸入功率，本次所研究樓宇超高螺桿式冷水機組輸入功率為163.1kW，想要提高效能，需要提高輸出功率，控制制冷的能效比。

對于電力轉(zhuǎn)換與分配的研究，電力系統(tǒng)需要根據(jù)樓宇空調(diào)系統(tǒng)的運用量來實現(xiàn)控制，本次樓宇中運用的電力技術(shù)為分布式發(fā)電技術(shù)，并配合可編程邏輯控制器PLC和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)智能控制。電力需求方面，則需利用需求響應(yīng)技術(shù)、需求側(cè)管理技術(shù)通過價格信號實現(xiàn)有效管理[1]。

本次針對該樓宇電力技術(shù)的應(yīng)用，致力于實現(xiàn)根據(jù)空調(diào)負荷進行柔性化的電力調(diào)度，利用模型實現(xiàn)對空調(diào)負荷的預(yù)測，通過感知層和采集層完成對樓宇內(nèi)部空調(diào)運用需求信息的收集，再通過網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)對應(yīng)用層的控制。本次針對樓宇空調(diào)負荷方面的電力技術(shù)包括溫度傳感器、流量傳感器、智能插座、用戶智能表以及電能管理系統(tǒng)。采集層設(shè)置現(xiàn)場通信接口和通信網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)對采集信息的數(shù)據(jù)存儲與計算。網(wǎng)絡(luò)層則包含Intermet、3G、4G、5G專網(wǎng)以及LoRa。應(yīng)用層包括空調(diào)末端設(shè)備監(jiān)視、用電量監(jiān)視、空調(diào)設(shè)備優(yōu)化調(diào)度等。

2.2 系統(tǒng)功能分析

對于系統(tǒng)功能方面，基于柔性負荷調(diào)控的模式可分為以下三點：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)信息互傳與指令下達功能，能夠自動完成環(huán)境參數(shù)收集、空調(diào)設(shè)備參數(shù)收集等功能；人工智能技術(shù)會對空調(diào)負荷情況進行計算與需求判斷，為后續(xù)的調(diào)度工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；與電力公司對接，電力公司可根據(jù)不同樓宇的空調(diào)模型分析來了解需求數(shù)據(jù)，為柔性調(diào)控工作提供資源參考。同時，電力公司還會根據(jù)空調(diào)負荷響應(yīng)模型來實現(xiàn)自動化的電力負荷調(diào)峰，實現(xiàn)有效節(jié)能，減少CO2排放。

3 辦公樓宇基于柔性調(diào)控的空調(diào)負荷調(diào)度控制

根據(jù)以往的樓宇空調(diào)柔性負荷調(diào)控情況，存在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計不合理、不符合辦公類樓宇的運用需求，以及電力技術(shù)節(jié)能方案設(shè)計無法實現(xiàn)節(jié)能降耗等多樣化問題。基于此，本次研究重點從柔性調(diào)控的角度出發(fā)，提出啟?？刂品桨浮Ｔ谵k公樓宇用電量計算中，空調(diào)負荷作為熱敏感負荷，用電量占比相對較大，尤其在夏季，在總用電量中占比甚至高達30%～60%。本次經(jīng)過對目標(biāo)辦公樓宇進行模型分析后，綜合來看表1、表2和圖1，發(fā)現(xiàn)其具有一定負荷調(diào)控潛力。根據(jù)所研究樓宇的模型以及當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，以典型氣象參數(shù)為參考，將最佳舒適溫度區(qū)間設(shè)計為24～27℃，人員服裝熱阻在1.2MET以下。

針對啟停方案的設(shè)計，本次研究通過對室內(nèi)溫度的控制與人工智能、分散控制系統(tǒng)等電力技術(shù)相配合，分析空調(diào)房間等效熱力學(xué)模型，基于電路模擬ETP建模進行分析。首先根據(jù)目標(biāo)研究樓宇的空調(diào)仿真系統(tǒng)設(shè)置啟停控制裝置，此步驟能夠有效減輕電網(wǎng)壓力，配合分散控制電力技術(shù)，實現(xiàn)對冷卻水泵、冷卻塔以及制冷機組的啟?？刂啤Ｔ谶@一步驟中，考慮到冷凍水管內(nèi)的剩余量，并提出采用最小頻率運轉(zhuǎn)末端風(fēng)機的想法。同時，針對裝置啟停的設(shè)置還應(yīng)與室內(nèi)外環(huán)境溫度相配合，避免在溫度最高端開始，以此來降低空調(diào)負荷，避免室內(nèi)溫度出現(xiàn)明顯的波動?？紤]到電費情況，盡可能在用電高峰期進行調(diào)度，保證人員舒適度的條件下實現(xiàn)成本控制。

為保證實現(xiàn)對電力技術(shù)的充分利用，本次研究在空調(diào)系統(tǒng)電力技術(shù)應(yīng)用中還采用熱等效參數(shù)法建立模型，結(jié)合所研究樓宇室內(nèi)溫度、設(shè)備參數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)及內(nèi)熱源功率等，代入到熱力學(xué)模型微積分方程中如下：

根據(jù)微積分公式利用軟件直接生成辦公樓宇內(nèi)空調(diào)的ETP可視化模型，進行離散處理，最終能夠得到目標(biāo)時刻內(nèi)的室內(nèi)溫度信息。而后，利用電力技術(shù)和相關(guān)自動化控制功能，來根據(jù)參數(shù)變化明確負荷實現(xiàn)柔性調(diào)控。以壓縮機為例，當(dāng)所研究的辦公樓宇內(nèi)空調(diào)處于制冷狀態(tài)，壓縮機正在運行，此時室內(nèi)溫度Ti（t）不斷下降。當(dāng)已經(jīng)處于最低溫度，則系統(tǒng)會向壓縮機發(fā)出指令，此時壓縮機會停止運行。反之，若壓縮機處于待機狀態(tài)，此時的室內(nèi)溫度會逐漸升高，當(dāng)Ti（t）上升到一定程度后，系統(tǒng)會向壓縮機發(fā)出指令使其重新啟動。

針對溫度上限和下限的設(shè)定是本方案的重點內(nèi)容，本次針對辦公樓宇內(nèi)部空調(diào)溫度偏差設(shè)計為δ=1℃，在配合表2、表3內(nèi)容中所提及的設(shè)備制冷參數(shù)進行計算，設(shè)定室內(nèi)空調(diào)區(qū)溫度為Tset，上下限分別為Tmax和Tmin，加上先前設(shè)計的溫度偏差，上下限和溫度需要“±0.5℃”，從而得出以下關(guān)系式：

當(dāng)S=1時，則表示空氣壓縮機在運行，當(dāng)S=0時，則表示空氣壓縮機處于待機，當(dāng)S=S（tk-1）時，則表示此刻并未發(fā)生狀態(tài)跳轉(zhuǎn)情況。

經(jīng)過對樓宇空調(diào)柔性負荷調(diào)控方案的調(diào)查，本次研究還分析了江蘇地區(qū)的工商業(yè)分時用電電價情況，配合電力轉(zhuǎn)換分配技術(shù)和啟停方案分析辦公樓宇內(nèi)相關(guān)機組的用電功率情況，發(fā)現(xiàn)在開啟階段耗電量明顯提高，由于間歇運作模式，在設(shè)備開啟時要求空調(diào)快速降低溫度，系統(tǒng)模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在11：00點時出現(xiàn)用電負荷峰值。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于樓宇內(nèi)冷量需求及人員作息的變化，使得用電負荷達到高峰。同時，在下午3:00點左右室外環(huán)境為日最高溫度，配合表1所提及的有關(guān)于建筑圍護結(jié)構(gòu)材料和熱傳導(dǎo)系數(shù)，加上熱惰性和空調(diào)時滯性的影響，使得4:00～5：00點再次出現(xiàn)高峰，經(jīng)過這一高峰后用電負荷開始逐漸降低。

除對用電峰值情況的研究外，本次針對樓宇空調(diào)柔性負荷調(diào)控的研究還對相關(guān)制冷設(shè)備的運用進行了分析[2-4]。所研究樓宇空調(diào)用電系統(tǒng)中，用電功率由大至小依次為冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔。從樓宇內(nèi)辦公人員舒適性的角度展開研究，若空調(diào)系統(tǒng)全部同時停止或啟動運作，會導(dǎo)致空調(diào)負荷浮動較大。因此，本次研究還根據(jù)當(dāng)?shù)胤謺r電價情況和人員用空調(diào)需求進行啟停調(diào)整，既保證節(jié)能控制又提供更佳的舒適感。在下午3：00點提前預(yù)冷，開啟冷水機組、冷凍水泵和冷卻水泵，預(yù)冷時間為1h，剛好符合下午4:00～5：00點樓宇人員對空調(diào)的需求，直至下午5:00，可逐步升溫，實現(xiàn)對電負荷的柔性調(diào)節(jié)。此時每提升1℃會降低0.9%～2.0%的電負荷。

綜上所述，本次研究以江蘇某辦公樓宇為例，通過構(gòu)建空調(diào)系統(tǒng)的模型來分析如何充分利用電力技術(shù)，實現(xiàn)對空調(diào)用能的柔性負荷調(diào)控。本次研究還有一定不足之處，在進行模擬仿真時所考慮的室外氣象和建筑圍護結(jié)構(gòu)等資料相對單一，缺乏對地域差異和建筑多樣性方面的思考，關(guān)于設(shè)備的啟停方案設(shè)計與電力技術(shù)應(yīng)用具有一定針對性，在日后研究中可適當(dāng)增加多組建筑進行多類型試驗。