郭凌穎

上海建科建筑節(jié)能技術股份有限公司

1 研究背景

大型公共建筑能耗是區(qū)域綜合能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。建筑能源消耗總量巨大、能耗日益增長、分布分散且負荷特性多樣，可實現(xiàn)能量短時存儲及不同類型能源互相轉化，其自身也可產(chǎn)生能源。如：可再生能源、分布式發(fā)電裝置等[1]?？稍偕茉丛诮ㄖ械膽萌找鎻V泛。但是，可再生能源具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、低密度的特點，一般的做法是通過并網(wǎng)逆變器將可再生能源所發(fā)的電直接并入市政電網(wǎng)為建筑供電，但建筑用電的負荷多樣性和可再生能源的不穩(wěn)定性，會對電網(wǎng)的安全造成沖擊。能源互聯(lián)網(wǎng)技術能解決以上問題[2-3]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，每個用電主體既是能源的消費者，也是能源的生產(chǎn)者。信息技術作為一種監(jiān)測控制手段，使建筑內(nèi)的源（光伏、光熱、風電、化石能源和電網(wǎng)配電等）與荷（空調負荷、照明負荷和動力負荷等）之間實現(xiàn)供需平衡，最大限度利用可再生能源，在保障用戶的舒適性的同時，能有效降低建筑用能成本，提高整個能源網(wǎng)內(nèi)能源的安全性、高效利用和可持續(xù)性[4]。

2 研究目的

通過研究探討辦公類建筑內(nèi)可再生能源與常規(guī)能源的耦合應用的關鍵技術，在保證建筑內(nèi)用戶舒適度的前提下，減少用電負荷的波動性，減少建筑用電對電網(wǎng)的沖擊。

3 研究內(nèi)容

1）建立用戶用能預測模型。根據(jù)對建筑長期能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，掌握不同類型建筑內(nèi)用戶的用能特性，結合采集到的實時室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、室內(nèi)人員數(shù)量等數(shù)據(jù)，計算用戶用能預測曲線。

2）研究可再生能源與常規(guī)能源的耦合應用關鍵技術。研究基于模型預測的建筑能源系統(tǒng)控制策略，調整可再生能源及蓄能設施的運行控制策略，制定優(yōu)化的建筑能源系統(tǒng)的控制策略，進一步保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 研究模型

4.1 研究對象概況

研究對象為夏熱冬冷區(qū)域的大型辦公建筑，該建筑使用了以太陽能光伏發(fā)電為代表的可再生能源，建筑冷熱源來源為熱泵系統(tǒng)，輔助以燃氣鍋爐，儲能設備為冷/熱保溫水箱。圖1和圖2是該建筑夏季和冬季的能量模型圖，圖3是該建筑空調系統(tǒng)示意圖。

圖1 夏季能量模型圖

圖2 冬季能量模型圖

圖3 空調系統(tǒng)簡圖

4.2 負荷特性

辦公建筑的用電負荷隨時間的變化具有一定的規(guī)律性，圖4是某辦公建筑一典型周的電消耗曲線，由圖4可見，辦公建筑工作日電耗明顯高于休息日電耗，夏季電耗略高于冬季電耗。

圖4辦公建筑典型工作周能耗曲線

圖5 是某辦公建筑一個典型工作日24小時的用電曲線（分夏季和冬季），表明上午6:00至8:00能耗增長率最大，中午12:00能耗增長至峰值，然后緩慢下降，19:00至20:00的能耗下降率最大，23:00至凌晨5:00處于一天中的能耗低谷。

圖5辦公建筑典型工作日能耗柱狀圖

圖6 和圖7是辦公建筑用電的分項統(tǒng)計。夏季空調用電占總用電的51%，冬季空調用電占總用電的50%，均超過了照明和插座用電。在熱泵機組為建筑提供冷/熱量的案例中，當夏季和冬季冷/熱量需求量較大的情況下，空調用電量占總用電的50%以上，可見空調能耗對建筑能耗的影響較大。

圖6 夏季典型工作日分項能耗統(tǒng)計

圖7 冬季典型工作日分項能耗統(tǒng)計

4.3 能源間轉換

本研究對象為各類能源之間的轉換關系（圖8）包括：

（1）可再生能源轉變?yōu)殡娔埽汗夥l(fā)電裝置將光伏轉變?yōu)殡娔?，為用戶側供電?/p>

（2）電能轉變?yōu)槔淞浚ㄏ募荆和ㄟ^熱泵機組及水蓄冷裝置為用戶側提供冷量；

（3）電能轉變?yōu)闊崃浚ǘ荆和ㄟ^熱泵機組及水蓄熱裝置為用戶側提供熱量；

（4）燃氣轉變?yōu)闊崃浚ǘ荆和ㄟ^燃氣鍋爐輔助熱泵機組為用戶側提供熱量。

圖8 夏季和冬季建筑內(nèi)能量轉換示意圖

4.4 建筑能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

要實現(xiàn)研究對象的建筑內(nèi)能源互聯(lián)，需要安裝圖9所示的硬件設備架構。包括用戶負荷監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測設備、光伏發(fā)電監(jiān)控設備和主要用能設備的控制器。其中用戶負荷監(jiān)測設備可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時遠傳，包括用電能耗監(jiān)測、用氣量監(jiān)測、用水量監(jiān)測、冷熱量監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測儀表等。以上儀表通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關將建筑內(nèi)各項能耗數(shù)據(jù)及環(huán)境參數(shù)傳輸至建筑能源綜合管理系統(tǒng)；光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測包括系統(tǒng)電流、電壓、功率和發(fā)電量，以及現(xiàn)場及周邊的監(jiān)控和氣象監(jiān)測等；設備控制主要完成能源管理系統(tǒng)下達的各項控制指令，主要包括水箱三通閥的控制、熱泵及水泵的啟停控制等。

圖9 建筑能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

4.5 光伏發(fā)電預測模型

光伏發(fā)電的預測主要包括提前預測第二日的光伏發(fā)電曲線，以及光伏發(fā)電超短期預測。

1)日預測曲線

根據(jù)天氣預報信息，結合近日光伏發(fā)電狀況，繪制出第二天24小時的光伏發(fā)電預測曲線。

2)超短期預測

光伏陣列的輸出功率主要受太陽能輻射能量和電池板的工作溫度[4]的影響，具體關系為：

式中，PSTC為標準測試條件（太陽光入射強度GSTC：1000W/m2，環(huán)境參考溫度TSTC：25℃）下的最大功率；GT為入射到電池板的輻射量；kc為功率溫度系數(shù)，可取值為-0．0047；Tc為電池板的工作溫度。Tc的計算方法采用文獻[5]中的經(jīng)驗公式：

式中，Ta為當前環(huán)境溫度；βv=c1+c2ec3v為風速v的指數(shù)函數(shù)；c、c、c3分別為常數(shù)。

光伏發(fā)電量可根據(jù)以上公式，結合實時采集的輻照度、環(huán)境溫度、風速等參數(shù)，實時計算預測光伏發(fā)電功率。

4.6 用戶側需求預測模型

用戶側需求預測主要包括前日預測第二日的用戶用能需求，以及當前時刻預測下一時刻的用能需求，簡稱超短期預測。

1)日前負荷預測曲線

日前預測即前一日預測第二日的用戶用能需求，主要是根據(jù)第二日的天氣預報溫度T、濕度D、風速V等信息和預估的建筑內(nèi)人員數(shù)量P，檢索數(shù)據(jù)庫中不同的室外環(huán)境參數(shù)下的歷史負荷，估算出第二日的用戶負荷預測曲線。將以上各參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)提供給機器自學習程序，通過機器自學習和不斷與實際情況進行對比校正，最終形成無限接近實際情況的日前負荷預測曲線。

數(shù)據(jù)庫存儲的建筑室外環(huán)境參數(shù)見表1，一日用電能耗數(shù)據(jù)見表2。

表1 建筑室外環(huán)境參數(shù)表

表2 一日用電能耗數(shù)據(jù)

2)實時負荷預測

實時預測用戶負荷主要根據(jù)當前建筑內(nèi)空調通風和照明設備的實時運行情況，結合環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時用戶人數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、臨時下達的開關設備指令等，對日前用戶側需求預測曲線進行修正。

5 優(yōu)化控制策略及效果

優(yōu)化控制策略主要分為日前調度控制策略和實時修正控制策略，可以根據(jù)多種優(yōu)化目標和約束條件制定不同的策略。

5.1 日前調度控制策略

日前調度控制策略是根據(jù)第二天24小時光伏發(fā)電日預測曲線和負荷日預測曲線制定第二天24小時的靜態(tài)調度控制策略，在不同的時間段合理分配光伏出力，并確定合理的儲熱量或儲冷量以及空調運行的方式。

大樓總用電曲線、空調用電曲線、光伏發(fā)電量曲線和電網(wǎng)出力曲線見圖10。

圖10 大樓總用電曲線、空調用電曲線、光伏發(fā)電量曲線和電網(wǎng)出力曲線

從預測曲線計算出的電網(wǎng)出力曲線，可直觀看到電網(wǎng)出力曲線波動較大，電網(wǎng)穩(wěn)定性較差，電網(wǎng)出力每小時增長/減少率統(tǒng)計見圖11。

圖11 電網(wǎng)波動速率曲線

電網(wǎng)出力穩(wěn)定性即電網(wǎng)波動速率，記為PL’是由當前超短期時間單位內(nèi)電網(wǎng)出力減去上一時間單位內(nèi)電網(wǎng)出力，其占上一時間單位內(nèi)電網(wǎng)出力的比值來衡量。該比值作為判定電網(wǎng)實時穩(wěn)定性的參數(shù)，可通過調整閾值來改變建筑用能設備的調控策略。

在制定日前調度控制策略時，時間單位設定為1小時。當制定實時調度控制策略時，時間單位設定為15分鐘或30分鐘。根據(jù)設定的閾值，將電網(wǎng)波動率調整到理想范圍以內(nèi)，假設給定電網(wǎng)波動閾值為[-30%，30%]（可調）。

調整后的電網(wǎng)波動率如圖12所示：

圖12 調整后的電網(wǎng)波動速率曲線

通過計算初始用戶側總用電預測曲線UL(t)和反推的用戶用電修正曲線UL2(t)之間的差值，可得到優(yōu)化調控的節(jié)電目標量C(t)。具體的計算過程如圖13和圖14所示。

圖13 節(jié)電目標量計算流程圖

圖14 節(jié)電目標量曲線

根據(jù)日前預測曲線制定靜態(tài)調控策略的過程如圖15。

圖15 日前調控策略流程圖

節(jié)電有效措施：使用蓄冷/蓄熱水箱中提前儲存的冷/熱水對大樓進行供冷/熱，停止/降低熱泵機組運作功率從而達到節(jié)電的效果。

余電消耗采取蓄熱蓄冷策略：半夜使用谷電開啟熱泵機組，對蓄冷/熱水箱內(nèi)的介質進行制冷/加熱的操作，實現(xiàn)蓄冷/熱。

5.2 實時修正調度控制策略

實時修正控制策略是根據(jù)系統(tǒng)當前的實時運行狀況，以及光伏發(fā)電超短期預測、負荷超短期預測、儲熱/冷狀態(tài)等，對用戶需求預測曲線進行修正，然后對日前調度控制策略制定的日調度方案進行修正。

最終實現(xiàn)的空調系統(tǒng)運行策略如表3所示。

實施優(yōu)化控制前后用戶總用電曲線對比如圖16所示。優(yōu)化調控后，用戶用電量趨勢與光伏發(fā)電量曲線趨勢相近，光伏發(fā)電量峰值時用戶用電量也達到峰值。

表3 空調系統(tǒng)運行策略及調整

圖16 優(yōu)化調控前后用戶用電量

實施優(yōu)化控制前后電網(wǎng)出力曲線如圖17所示?？梢婋S著閾值范圍取值越小，電網(wǎng)出力的曲線越平緩，電網(wǎng)出力波動越小。

圖17 優(yōu)化調控后電網(wǎng)出力曲線對比

6 結束語

建筑作為用能主體，也是能源的生產(chǎn)者，可利用能源互聯(lián)網(wǎng)手段解決辦公類建筑內(nèi)可再生能源與常規(guī)能源的耦合。由于可再生能源的不穩(wěn)定性，容易對電網(wǎng)造成一定的沖擊，在保證用戶能源需求的前提下盡量減少用戶用電對電網(wǎng)的沖擊。研究使用熱泵機組及光伏發(fā)電系統(tǒng)的辦公建筑在實際運行中的能耗情況，提出了一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的建筑源荷一體式監(jiān)管系統(tǒng)，首先使用機器自學習法對建筑能耗及可再生能源發(fā)電量進行日預測，然后基于預測制定優(yōu)化運行日前調度控制策略，并在實際運行時進行超短期預測并實時修正控制策略，實施優(yōu)化調控后有效實現(xiàn)電網(wǎng)波動速率在設定閾值范圍內(nèi)，使電網(wǎng)出力趨于平緩。