王甜甜,于 非,楊玉龍
(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.吉電未來(lái)智維能源科技(吉林)有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000)
能源枯竭和環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻,能源轉(zhuǎn)型發(fā)展和大氣污染防治是當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)工作的重點(diǎn).隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重,世界范圍內(nèi)均在不斷提高電能使用占比,由于電能的清潔性,使得大規(guī)模的電能使用可以有效緩解環(huán)境污染問(wèn)題.近年來(lái),我國(guó)“三北地區(qū)”不斷推進(jìn)“煤改電”工程建設(shè).在解決北方冬季環(huán)境污染問(wèn)題的同時(shí),改進(jìn)了居民生活質(zhì)量,促進(jìn)了能源轉(zhuǎn)型[1-5].
“煤改電”措施主要以電采暖方式進(jìn)行推廣,對(duì)于“三北地區(qū)”的“煤改電”工程,較多采用分布式電采暖方式,分布式電采暖是傳統(tǒng)的集中式供暖的一種補(bǔ)充,其在運(yùn)行過(guò)程中可以直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能,實(shí)現(xiàn)電-熱能直接轉(zhuǎn)化.分布式電采暖以其較大的調(diào)節(jié)、控制與保證能力被用戶所接受.建筑物的儲(chǔ)熱特性使分布式電采暖負(fù)荷具有時(shí)移性.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)分布式電采暖問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,文獻(xiàn)[6]制定了分散式電采暖負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行策略,提出智能電采暖網(wǎng)絡(luò)的概念、架構(gòu)以及優(yōu)化指標(biāo),該策略在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí),間接響應(yīng)電網(wǎng)削峰填谷.文獻(xiàn)[7]通過(guò)物理模型研究和負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式,針對(duì)不同類型的電采暖設(shè)備所產(chǎn)生的諧波含量進(jìn)行了差異化分析,研究了規(guī)模化電采暖設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響問(wèn)題.文獻(xiàn)[8]利用聚類分組控制的方法實(shí)現(xiàn)異質(zhì)電采暖負(fù)荷聚類,在此基礎(chǔ)上建立基于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差區(qū)間的備用計(jì)劃優(yōu)化模型,并驗(yàn)證了備用優(yōu)化模型的可行性及經(jīng)濟(jì)性.但目前針對(duì)分布式電采暖研究多采用恒定溫度上下限(恒溫限)模型進(jìn)行分析,在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中難以有效保證經(jīng)濟(jì)性及人體舒適度.
本文針對(duì)分布式電采暖設(shè)備溫度上下限進(jìn)行研究,首先建立分布式電采暖設(shè)備運(yùn)行模型,分析環(huán)境溫度影響因素.進(jìn)一步,對(duì)人體舒適度模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,并建立人體舒適度評(píng)價(jià)量化指標(biāo),在此基礎(chǔ)上,以人體舒適度及經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),建立分布式電采暖設(shè)備溫度范圍多目標(biāo)優(yōu)化模型,采用多目標(biāo)粒子群算法(Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO)求解多目標(biāo)模型,并采用加權(quán)多目標(biāo)決策方法確定最優(yōu)解.最后,通過(guò)算例仿真,對(duì)比分布式電采暖設(shè)備恒溫限及變溫限結(jié)果,驗(yàn)證本文所提方法的有效性,為分布式電采暖設(shè)備溫度范圍研究與制定提供新的思路.
分布式電采暖設(shè)備包含直熱式及蓄熱式兩類,本文主要針對(duì)電直熱設(shè)備進(jìn)行分析.由于電直熱設(shè)備安裝過(guò)程中綜合考慮房屋結(jié)構(gòu)及地區(qū)溫度情況,因此針對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中房間及環(huán)境之間的熱場(chǎng)變化特性常采用能量守恒原理建立其電-熱特性關(guān)系.考慮到電采暖設(shè)備復(fù)合傳熱過(guò)程,常采用二階熱參數(shù)模型[9].分布式電采暖功率-環(huán)境系統(tǒng)等效熱參數(shù)模型如圖1所示.
圖1 分布式電采暖功率-環(huán)境系統(tǒng)等效熱參數(shù)模型
分布式電采暖功率-環(huán)境系統(tǒng)熱參數(shù)模型包含空氣及環(huán)境物質(zhì)兩部分,對(duì)應(yīng)溫度分別為T(mén)1、T2,室外溫度為T(mén)od.對(duì)于分布式電采暖單元模型而言,其空間狀態(tài)方程為:
(1)
公式中:C1、C2分別為室內(nèi)空氣及物質(zhì)熱容;R1、R2分別為室內(nèi)空氣及物質(zhì)熱阻;P為分布式電采暖設(shè)備功率.
在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi),考慮到測(cè)量過(guò)程中分布式電采暖設(shè)備的啟停時(shí)間,可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化分布式電采暖單元模型,設(shè)備啟停過(guò)程中,室內(nèi)溫度Tid變化分別由公式(2)、公式(3)計(jì)算.
(2)
(3)
公式中:Tod為室外溫度;i為仿真步長(zhǎng),考慮到分布式電采暖設(shè)備特性及溫度變化速度,本文取步長(zhǎng)i為60秒.
針對(duì)分布式電采暖恒溫范圍時(shí)所存在的經(jīng)濟(jì)性、舒適性難以保證問(wèn)題,本文綜合考慮舒適性及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題,以一天內(nèi)各時(shí)段分布式電采暖設(shè)定溫度上下限為決策變量,以舒適度最優(yōu)及電采暖費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù),建立分布式電采暖多目標(biāo)模型.
目前廣泛采用的人體舒適度評(píng)價(jià)方法為基于預(yù)測(cè)平均投票數(shù)(Predicted Mean Vote,PMV)指標(biāo)的方法.該方法下,影響人體熱舒適度的因素主要包含空氣參數(shù)及人體參數(shù),其中空氣參數(shù)包含空氣溫、濕度、氣體流速;人體參數(shù)包含衣著熱阻及新陳代謝率.但PMV方法必須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)建立及調(diào)查研究,因此電采暖設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)針對(duì)人體舒適度的實(shí)時(shí)響應(yīng),因此,本文采用簡(jiǎn)化的人體熱舒適度模型,以可快速量測(cè)的室內(nèi)溫度、濕度為基本變量,建立簡(jiǎn)化的人體熱舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)[9].
PMV=m(Tid-Tod)+nPv-c,
(4)
公式中:m、n、c為統(tǒng)計(jì)參數(shù);Pv為空氣濕度.其計(jì)算方法為采用傳統(tǒng)熱舒適度模型進(jìn)行PMV7階尺度評(píng)價(jià)并建立相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)一步以房間內(nèi)空氣溫濕度為變量,采用雙線性回歸方法,擬合計(jì)算m、n、c數(shù)值.
結(jié)合長(zhǎng)春某小區(qū)室內(nèi)相關(guān)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)[10]計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)PMV指標(biāo)如表1所示:
表1 PMV計(jì)算結(jié)果
在此基礎(chǔ)上,建立溫濕度計(jì)PMV的二元線性回歸方程為
PMV=0.18×Ta+0.03×Pv-4.04.
(5)
由于PMV指數(shù)為定性指標(biāo),在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需將其轉(zhuǎn)化為可定量表征熱舒適度的指標(biāo),本文選取預(yù)計(jì)不滿意率(Predicted percentage dissatisfied,PPD)為量化參數(shù),以表征人體熱舒適度,其中,PMV確定后,可通過(guò)下式計(jì)算PPD.
PPD=100-95×e(-0.033 53×PMV4-0.217 9×PMV2).
(6)
由公式(6)可以看出,當(dāng)PPD指標(biāo)最小時(shí),可以獲得最優(yōu)舒適度.
恒定溫度上下限的分布式電采暖設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中難以響應(yīng)電價(jià)變化,因此需針對(duì)取暖期間所執(zhí)行的居民峰谷分時(shí)電價(jià),制定以電費(fèi)表征的經(jīng)濟(jì)型目標(biāo).以吉林省為例,峰、谷時(shí)分別對(duì)應(yīng)8:00-21:00、21:00-次日8:00,電價(jià)分別為0.562、0.329元,在此基礎(chǔ)上建立以用戶采暖費(fèi)用最低的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)
(7)
公式中:J為用戶電價(jià);t為用戶用電時(shí)間;Pt為用電時(shí)間所用功率;Ct為用戶用電時(shí)段電價(jià).
(1)分布式電采暖設(shè)備電-熱特性數(shù)學(xué)模型為
Php.t=Qhp.t/COPt,
COPt=f(Qhp.t/Qhp_rate),
(8)
公式中:COPt為對(duì)應(yīng)時(shí)段分布式電采暖設(shè)備能耗比,可根據(jù)具體設(shè)備進(jìn)行確定;Qhp.t、Qhp_rate分別為分布式電采暖設(shè)備額定功率及額定制熱功率.
(2)電采暖設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的運(yùn)行功率約束為
0.5Php_rate≤Php.t≤Php_rate,
(9)
公式中:Php_rate為分布式電采暖設(shè)備額定輸出電功率.
(3)舒適度指標(biāo)約束:
考慮到相關(guān)規(guī)范要求,設(shè)置舒適度指標(biāo)約束為
5%≤PPD≤95%.
(10)
多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題為在設(shè)定的多目標(biāo)下的求解問(wèn)題,一般而言,多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題包含n個(gè)決策變量及m個(gè)目標(biāo)函數(shù)為
min/maxy=f(x)=(f1(x),f1(x),…,fm(x)),
s.t.gk(x)≤0,k=1,2,…,P,
hh(x)=0,j=1,2,…,Q,
(11)
公式中:x=(x1,x2,…xn)為n個(gè)決策變量;y=(y1,y2,…ym)為m個(gè)目標(biāo)向量;gk(x)、hk(x)分別為需要滿足的P、Q個(gè)不等式約束及等式約束.
針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題傳統(tǒng)的求解思路主要有兩種,一個(gè)是多目標(biāo)經(jīng)過(guò)加權(quán)變成單目標(biāo)問(wèn)題(可以采用PSO算法)但是這種方法對(duì)于權(quán)重的處理問(wèn)題難以得到解決,另外一種方法是以MOPSO及遺傳算法為代表的多目標(biāo)優(yōu)化方法,該方法不用考慮加權(quán)問(wèn)題,可以實(shí)現(xiàn)更好的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題.
(12)
公式中:1≤j≤d,1≤c≤A.
當(dāng)?shù)赽次迭代結(jié)束后,其對(duì)應(yīng)的個(gè)體最優(yōu)位置pbest與全局最優(yōu)位置gbest分別為
(13)
公式中:第c個(gè)粒子迭代計(jì)算過(guò)程中速度及位置的更新過(guò)程可通過(guò)公式(14)、公式(15)進(jìn)行計(jì)算.
(14)
(15)
公式中:r1、r2為加速因子,其決定粒子群算法中種群經(jīng)驗(yàn)和個(gè)體經(jīng)驗(yàn)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響;w為慣性權(quán)值,表征個(gè)體在更新速度時(shí)對(duì)原有速度的保持程度.MOPSO算法基本流程如圖2所示.
圖2 MOPSO流程圖
由于MOPSO方法求解結(jié)果為多目標(biāo)條件下的非劣解集,因此需要針對(duì)非劣解集進(jìn)行多目標(biāo)決策分析以獲得最終解.本文綜合考慮[11]舒適度及經(jīng)濟(jì)性的情況,采用加權(quán)多目標(biāo)綜合滿意度決策方法,其中,舒適度及經(jīng)濟(jì)性的綜合滿意度權(quán)重分別為0.7、0.3,定義綜合滿意度為[11]
S=0.3u1+0.7u2,
(16)
公式中:S為綜合滿意度;u1、u2分別為經(jīng)濟(jì)性及舒適度滿意度指標(biāo),采用模糊隸屬度方法計(jì)算,即
(17)
公式中:fmax及fmin分別為非劣解集中所對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的最大值及最小值.
(1)采集房間結(jié)構(gòu)參數(shù),熱力學(xué)參數(shù),并在歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到簡(jiǎn)化PMV指標(biāo)相關(guān)系數(shù).
(2)根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),采用MOPSO方法求解非劣解,在非劣解的基礎(chǔ)上采用加權(quán)多目標(biāo)綜合滿意度決策方法,求解最優(yōu)解,獲得最優(yōu)溫度及時(shí)段電費(fèi).
(3)根據(jù)最優(yōu)溫度及時(shí)段電費(fèi)控制分布式電采暖設(shè)備的啟停時(shí)間及輸入功率,實(shí)現(xiàn)分布式電采暖設(shè)備溫控范圍實(shí)時(shí)變化.
本文針對(duì)長(zhǎng)春某小區(qū)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析,考慮到分布式電采暖設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受房屋情況影響,因此本文根據(jù)房屋不同類型,將房間分為I~V類,結(jié)合房屋類型及溫控方式,對(duì)分布式電采暖設(shè)備運(yùn)行效果進(jìn)行分析,其中房間結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,房間熱力學(xué)參數(shù)及房屋結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2、表3所示.
圖3 房屋結(jié)構(gòu)示意圖
表2 房屋熱力學(xué)參數(shù)
表3 房屋結(jié)構(gòu)參數(shù)
結(jié)合表2、表3及圖3可以看出,不同類型房間熱力學(xué)參數(shù)受到房屋結(jié)構(gòu)的影響存在一定差異,在傳統(tǒng)的恒溫范圍情況下,熱力學(xué)參數(shù)的差異性將會(huì)影響分布式電采暖設(shè)備使用情況及人體舒適度.
進(jìn)一步,通過(guò)房屋內(nèi)外所設(shè)置的溫度采集裝置,監(jiān)測(cè)室內(nèi)外溫度變化情況,III類房間室內(nèi)外溫度變化情況如圖4所示.
由圖4(a)可知,當(dāng)天室外最高溫度為-6.3 ℃,出現(xiàn)在14:49,最低溫度為-20.3 ℃,出現(xiàn)在7:09,室外溫度隨著時(shí)間變化較為明顯,呈現(xiàn)中午溫度較高、夜晚溫度較低的變化情況.
圖4(b)所示為分布式電采暖設(shè)備傳統(tǒng)恒定溫度上下限控制方法,溫度上、下限分別為25 ℃、19 ℃.不難看出,恒溫限模式下分布式電采暖設(shè)備開(kāi)啟時(shí),設(shè)備輸入功率不隨時(shí)間變化,對(duì)電價(jià)無(wú)響應(yīng),經(jīng)濟(jì)性較差;恒溫限模式下分布式電采暖設(shè)備無(wú)法針對(duì)室外環(huán)境變化做出相應(yīng)調(diào)整,人體熱舒適度在該模式下較差.
圖4 III類房間室內(nèi)外溫度變化
采用MOPSO算法,以經(jīng)濟(jì)性及舒適度為目標(biāo),進(jìn)行仿真計(jì)算,并進(jìn)行最優(yōu)解的選取,分別以PPD及相應(yīng)時(shí)刻電費(fèi)(用電量與對(duì)應(yīng)時(shí)刻電價(jià)乘積)為橫、縱坐標(biāo),不同房間不同時(shí)段結(jié)果如圖5所示.
圖5 MOPSO算法仿真結(jié)果
由圖5可知,粒子群算法能夠較好的計(jì)算出不同房間不同時(shí)段多目標(biāo)條件下的非劣解,并在采用加權(quán)多目標(biāo)綜合滿意度決策方法后,可求得最優(yōu)解.結(jié)合圖5可以看出,不同房間不同時(shí)段用戶分布式電采暖設(shè)備所需電費(fèi)不同,即在考慮舒適度最優(yōu)的情況下,分布式電采暖設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(啟停時(shí)間、運(yùn)行功率)不同.在MOPSO算法求解并確定最優(yōu)解的同時(shí),進(jìn)行分布式電采暖設(shè)備變溫范圍分析結(jié)果如圖6所示.
圖6 分布式電采暖設(shè)備變溫限結(jié)果
圖6所示仿真結(jié)果均從設(shè)備第一次開(kāi)啟進(jìn)行分析,忽略分布式電采暖設(shè)備溫度累積影響[12],結(jié)合圖6(a)可以看出中午時(shí)段設(shè)備開(kāi)啟0 min~5 min內(nèi)變溫限模型相較于恒溫限模型升溫速度較快且溫度上限較高,這是由于設(shè)備初次開(kāi)啟時(shí)變溫限方法及恒溫限方法初始溫度及輸入功率一致,但變溫限方法受到室外溫度的影響,致使其升溫速度較快且溫度上限略高于恒溫限方法.
5 min~8.6 min時(shí)段,變溫限方法下設(shè)備升溫速度變緩且設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間縮短,溫度上限相比于設(shè)備初次開(kāi)啟降低.分析其主要原因,中午時(shí)段人體最適溫度受到室外溫度影響從而降低,變溫限方法考慮最適溫度及分時(shí)電價(jià)影響,降低輸入功率,縮短設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間,從而可提高人體熱舒適度及經(jīng)濟(jì)性.
8.6 min~13.6 min時(shí)段,設(shè)備關(guān)閉,自然降溫,在設(shè)備下一階段的啟停過(guò)程中,設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)一步縮短,關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng),分析其主要原因,中午時(shí)段屋內(nèi)熱量散失較慢,因此,人體最適溫度相比于設(shè)備初次開(kāi)啟時(shí)逐步降低,從而使得設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間逐步縮短,輸入功率下降,設(shè)備溫度上限緩慢降低.
結(jié)合圖6(a)、圖6(b)可以看出,相同啟停次數(shù)(4次)下,變溫限方法中午、夜間時(shí)段啟??偤臅r(shí)分別為35.6 min、25.4 min,相較于中午時(shí)段,夜間時(shí)段設(shè)備單次啟停時(shí)間更短.與此同時(shí),夜間時(shí)段分布式電采暖設(shè)備開(kāi)啟后室溫升高速度變緩,設(shè)備關(guān)閉后室溫下降速度變快,溫度上下限逐步升高,分析其主要原因,夜間室內(nèi)外溫差較大,人體最適溫度相較于中午時(shí)段有所增加,且由于降溫速度加快,熱量散失增加,為了維持人體最適溫度,設(shè)備單次啟停時(shí)間縮短.
對(duì)不同類型房間恒溫限方法及變溫限方法下人體舒適度、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,并采用線性插值方法擬合各指標(biāo),其中房間類型如表2所示,仿真結(jié)果如圖7所示.
圖7 不同溫度上、下限制定方法仿真結(jié)果
由圖7(a)可以看出恒溫限方法PPD明顯高于變溫限方法,且恒溫限方法中午時(shí)段PPD較高,其中中午時(shí)段II、III、V類房間PPD明顯高于I、IV類房間.結(jié)合圖4、圖7分析其主要原因,恒溫限方法在中午時(shí)段難以對(duì)室外溫度變化做出反應(yīng),因此中午時(shí)段采用恒溫限方法人體舒適度較差,并且II、III、V類房間朝陽(yáng),因此中午時(shí)段溫升明顯,致使II、III、V類房間PPD指標(biāo)高于I、IV類房間.由圖7(b)可以看出,變溫限方法在8~21時(shí)各時(shí)段電費(fèi)明顯低于恒溫限方法.分析其主要原因,變溫限方法考慮分時(shí)電價(jià)影響,在室外溫度較高時(shí)段降低設(shè)備輸入功率,縮短設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間,從而減少分布式電采暖設(shè)備用電費(fèi)用,提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)性.
在此基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合滿意度指標(biāo)S,以兩小時(shí)為一分析時(shí)段,計(jì)算綜合滿意度指標(biāo)S均值,對(duì)恒溫限及變溫限方法綜合滿意度結(jié)果進(jìn)行分析,如表4所示.
表4 綜合滿意度結(jié)果
由表4可以看出,不同時(shí)段、不同類型房屋綜合滿意度不同,其中采用恒溫限方法時(shí)0:00~8:00、16:00~24:00時(shí)段下的綜合滿意度相比于8:00~16:00時(shí)段較高,而采用變溫限方法時(shí)一天內(nèi)綜合滿意度變化較小,對(duì)比恒溫限方法及變溫限方法可以明顯看出8:00~16:00時(shí)段變溫限方法綜合滿意度明顯高于恒溫限方法.分析其主要原因,綜合滿意度為考慮經(jīng)濟(jì)性及舒適度的線性加權(quán)結(jié)果,變溫限方法經(jīng)濟(jì)型及舒適度指標(biāo)在8:00~16:00時(shí)段明顯高于恒溫限方法,因此其綜合滿意度也較高.
綜合圖6、7及表4可以看出,分布式電采暖設(shè)備采用變溫限方法后能夠?qū)Ψ謺r(shí)電價(jià)及室外溫度變化做出響應(yīng),使得設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間、輸入功率、溫度上下限做出相應(yīng)調(diào)整,能夠更好的滿足人體熱舒適度及經(jīng)濟(jì)性的要求.
本文針對(duì)分布式電采暖設(shè)備溫度上下限設(shè)定方法問(wèn)題,綜合考慮分布式電采暖設(shè)備經(jīng)濟(jì)性及人體舒適度目標(biāo),建立基于多目標(biāo)優(yōu)化的分布式電采暖設(shè)備變溫限方法,采用MOPSO算法求解多目標(biāo)模型,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,對(duì)比傳統(tǒng)恒溫限方法,結(jié)果表明:基于MOPSO的分布式電采暖溫度范圍多目標(biāo)優(yōu)化方法可以實(shí)時(shí)響應(yīng)室外溫度及分時(shí)電價(jià),通過(guò)改變?cè)O(shè)備輸入功率、啟停時(shí)間達(dá)到改變?cè)O(shè)備溫度上下限的目的,滿足人體舒適度及經(jīng)濟(jì)性要求,為分布式電采暖設(shè)備溫度上下限制定提供新的思路.