石蔚杰, 劉青榮

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

全球變暖問題正在引起全世界的關(guān)注,能源需求正在從化石能源向可再生能源過渡。根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù),到2020年,煤炭仍將占能源消費(fèi)總量的56.8%。推廣使用可再生能源已成為全球發(fā)展趨勢(shì)。但是,可再生能源大量接入電網(wǎng)會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性[1]。供給側(cè)和需求側(cè)的靈活性措施可以使綜合能源系統(tǒng)更加穩(wěn)定[2]。建筑能耗是能源消耗的重要組成部分,作為需求響應(yīng)資源的潛力在于其熱惰性[3]。當(dāng)前智慧建筑主要向環(huán)境友好型的綠色建筑方向發(fā)展[4]。智慧建筑應(yīng)充分利用其能源的靈活性,但要想利用建筑能源的靈活性,就需要分析其影響因素,如建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部熱增益、制冷末端等。甚至建筑所在的氣候區(qū)也會(huì)對(duì)建筑的能源靈活性產(chǎn)生影響[5]。同時(shí),合理利用建筑虛擬儲(chǔ)能,還能為用戶側(cè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益[6]。

如何量化建筑能源柔性是當(dāng)前建筑柔性資源最重要的關(guān)注點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]定義了一個(gè)無量綱指數(shù)以反映建筑物的能量靈活性,該指數(shù)包含各種邊界條件的影響。文獻(xiàn)[8]提出了一個(gè)柔性函數(shù),通過使用懲罰信號(hào)來調(diào)節(jié)需求。文獻(xiàn)[9]提出了3個(gè)指標(biāo)來反映能源靈活性的特征。文獻(xiàn)[10]提出了2套靈活指標(biāo),以反映能源靈活性的5個(gè)特征。

建筑的熱惰性以及人體對(duì)于舒適溫度有一個(gè)可接受的范圍,均使建筑有著與蓄電池等實(shí)體儲(chǔ)能相似的負(fù)荷在時(shí)間尺度的遷移特性,將這部分特性稱為建筑的虛擬儲(chǔ)能。為了評(píng)價(jià)虛擬儲(chǔ)能在建筑能源靈活性上的可用能力,本文提出了填谷功率(Pvally-filling)和調(diào)峰功率(Ppeak-shaving)兩個(gè)指標(biāo),同時(shí)基于分時(shí)電價(jià),定義了凈收益指標(biāo)來評(píng)價(jià)采用虛擬儲(chǔ)能的空調(diào)運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性。

1 虛擬儲(chǔ)能的指標(biāo)量化

1.1 填谷功率和調(diào)峰功率

本文將建筑運(yùn)行策略分為參考策略和虛擬儲(chǔ)能策略。其中:參考策略表示建筑日常辦公時(shí)的空調(diào)控制策略;虛擬儲(chǔ)能策略表示在參考策略基礎(chǔ)上依據(jù)分時(shí)電價(jià)作為信號(hào),制定的利用建筑虛擬儲(chǔ)能特性的運(yùn)行策略。本文定義的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)填谷時(shí)間(Δtvally-filling)和調(diào)峰時(shí)間(Δtpeak-shaving)分別為

(1)

(2)

式中:PVES,Preference——空調(diào)系統(tǒng)采用虛擬儲(chǔ)能控制策略運(yùn)行的平均制冷功率和采用參考控制策略運(yùn)行的平均制冷功率,kW。

t0,t1——虛擬儲(chǔ)能運(yùn)行策略中填谷時(shí)段的起始時(shí)間和調(diào)峰時(shí)段的起始時(shí)間。

填谷時(shí)段結(jié)束時(shí)也就是調(diào)峰時(shí)段的起始時(shí)刻的計(jì)算公式為

t1=t0+Δtvally-filling

(3)

1.2 虛擬儲(chǔ)能策略經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

采用建筑虛擬儲(chǔ)能必將帶來建筑空調(diào)系統(tǒng)控制運(yùn)行策略的改變。運(yùn)行策略的改變將使業(yè)主在經(jīng)濟(jì)上有一定的收益,這些收益主要由兩個(gè)方面提供:一是虛擬儲(chǔ)能的低價(jià)充能、高價(jià)放能而產(chǎn)生的收益;二是改變運(yùn)行策略而產(chǎn)生的空調(diào)耗電量的改變。因此,本文提出凈效益指標(biāo)來反映基于分時(shí)電價(jià)的虛擬儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性,即

ηtu=ηtotal-ηf

(4)

式中:ηtu——單純虛擬儲(chǔ)能充放能行為產(chǎn)生的收益率;

ηtotal——虛擬儲(chǔ)能策略相對(duì)參考策略的電費(fèi)總節(jié)省率;

ηf——改變運(yùn)行策略導(dǎo)致空調(diào)耗電量改變而產(chǎn)生的收益率。

2 建筑模型概述

2.1 建筑信息

本文使用EnergyPlus能耗模擬軟件模擬了一棟香港的二層辦公建筑,如圖1所示。由圖1可知,該辦公建筑總面積為1 940.95 m2,窗墻面積比為0.31,單位面積能耗為347.04 MJ/m2。每層樓分為22個(gè)區(qū)域。建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 辦公建筑模型

表1 建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

2.2 天氣條件

本文天氣數(shù)據(jù)來源于辦公建筑所在地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。模擬環(huán)境選取2021年7月12日的氣象數(shù)據(jù),當(dāng)日具體室外干球溫度如圖2所示。 由圖2可知,當(dāng)日上午7∶00室外達(dá)到最低溫度32.1 ℃,15∶00室外達(dá)到最高溫度34.8 ℃。

圖2 7月12日室外干球溫度

3 建筑運(yùn)行策略

將建筑運(yùn)行策略分為參考策略和虛擬儲(chǔ)能策略兩種模式。在整個(gè)辦公期間(6∶00～18∶00),參考策略溫度設(shè)定為24 ℃,并基于分時(shí)電價(jià)提出了虛擬儲(chǔ)能控制策略,如表2所示。該運(yùn)行策略包含溫度設(shè)定和風(fēng)機(jī)盤啟停兩種控制模式,表中的數(shù)字“1”和“0”分別表示風(fēng)機(jī)盤管的開啟和關(guān)閉。

表2 基于各時(shí)間段的空調(diào)控制策略

分時(shí)電價(jià)示意如圖3所示。

圖3 分時(shí)電價(jià)示意

通過改變空調(diào)系統(tǒng)的控制策略,在低電價(jià)時(shí)段,增加空調(diào)的制冷功率,使建筑達(dá)到一個(gè)較低的溫度。本文利用的電價(jià)轉(zhuǎn)換時(shí)段為圖3中5∶00～6∶00谷電價(jià)時(shí)段和6∶00～7∶00平電價(jià)時(shí)段。在電價(jià)相對(duì)較高的時(shí)段,關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管,釋放建筑物自身的冷量,溫度升高但仍然保持在舒適區(qū)間。因此,在低電價(jià)時(shí)增大用能,較高電價(jià)時(shí)減少用能,在保證人體舒適的同時(shí)可以達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的效果。

類比于實(shí)體儲(chǔ)能電池的充放電過程,在低電價(jià)時(shí)段對(duì)建筑物進(jìn)行預(yù)冷卻,將室內(nèi)設(shè)定溫度調(diào)整為20 ℃。如在上午5∶00,虛擬儲(chǔ)能策略室內(nèi)溫度呈現(xiàn)預(yù)冷卻的情況。這樣讓建筑物進(jìn)行充電以實(shí)現(xiàn)類似實(shí)體儲(chǔ)能電池充電的過程。在電價(jià)高峰時(shí)段,風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉一段時(shí)間,讓建筑釋放冷量實(shí)現(xiàn)類似于實(shí)體儲(chǔ)能電池放電的過程。具體如圖4所示。

圖4 兩種運(yùn)行策略下當(dāng)日室內(nèi)溫度變化情況

4 結(jié)果與討論

4.1 填谷功率與調(diào)峰功率

基于所研究的二層辦公樓,模擬了夏季7月21日一天內(nèi)的制冷功率。圖5顯示了在參考運(yùn)行策略和虛擬儲(chǔ)能運(yùn)行策略兩種模式下建筑空調(diào)系統(tǒng)的制冷功率差異。虛擬儲(chǔ)能策略與參考策略產(chǎn)生的制冷功率差異可以作為靈活性資源參與到需求響應(yīng)中。

圖5 兩種控制策略下的制冷功率差異

本文的需求響應(yīng)事件是根據(jù)分時(shí)電價(jià)作為響應(yīng)信號(hào)來制定的運(yùn)行策略。其中,虛擬儲(chǔ)能策略的預(yù)冷時(shí)段與參考策略產(chǎn)生的制冷功率差異的平均功率為填谷功率,而虛擬儲(chǔ)能策略的關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管時(shí)段與參考策略的制冷功率差異的平均功率為調(diào)峰功率。例如,在虛擬儲(chǔ)能策略運(yùn)行期間,產(chǎn)生了兩次需求響應(yīng)事件,分別為填谷事件和調(diào)峰事件。這兩個(gè)需求響應(yīng)事件同時(shí)又分別對(duì)應(yīng)了虛擬儲(chǔ)能的預(yù)冷時(shí)段和關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管時(shí)段。其中,第1個(gè)需求響應(yīng)事件發(fā)生在5∶00～6∶00,第2個(gè)需求響應(yīng)事件發(fā)生在6∶00～7∶00;其填谷功率為40.9 kW,調(diào)峰功率為43.8 kW。

4.2 虛擬儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性

虛擬儲(chǔ)能運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性是影響用戶側(cè)考慮參與需求響應(yīng)的重要指標(biāo)。良好的經(jīng)濟(jì)性意味著更多的靈活性資源能夠參與到需求響應(yīng)事件中,為平抑大量可再生能源接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的間歇性波動(dòng)提供保障。

本文主要分析兩種運(yùn)行策略下的制冷電耗差異對(duì)應(yīng)分時(shí)電價(jià)的電費(fèi)情況。由模擬結(jié)果可知,參考策略下的空調(diào)系統(tǒng)耗電量為276.14 kWh,虛擬儲(chǔ)能策略下的空調(diào)系統(tǒng)耗電量為245.98 kWh。根據(jù)分時(shí)電價(jià),在虛擬儲(chǔ)能運(yùn)行策略下建筑空調(diào)電費(fèi)單日節(jié)省34.6元,節(jié)省率為12.7%。兩種運(yùn)行策略下的電費(fèi)節(jié)省來源于兩部分,一是不同運(yùn)行策略產(chǎn)生的耗電量差異,二是由虛擬儲(chǔ)能低電價(jià)充能、高電價(jià)放能特性節(jié)省的費(fèi)用,其中電耗影響占比10.9%。因此,本文辦公模型的虛擬儲(chǔ)能凈效益為1.8%。

5 結(jié) 語

本文使用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus模擬了一棟二層辦公樓,以量化基于分時(shí)電價(jià)的虛擬儲(chǔ)能的性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性。提出了填谷功率、調(diào)峰功率和基于分時(shí)電價(jià)的虛擬儲(chǔ)能凈經(jīng)濟(jì)效益3個(gè)指標(biāo)。前2個(gè)指標(biāo)反映了虛擬儲(chǔ)能作為需求響應(yīng)事件的調(diào)峰和填谷能力的大小,而第3個(gè)指標(biāo)則反映了虛擬儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性;并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。模型得出了虛擬儲(chǔ)能的關(guān)鍵性指標(biāo),填谷功率為40.9 kW,調(diào)峰功率為43.8 kW。根據(jù)分時(shí)電價(jià),在虛擬儲(chǔ)能運(yùn)行策略下建筑空調(diào)電費(fèi)單日節(jié)省34.6元,節(jié)省率為12.7%。虛擬儲(chǔ)能凈效益為1.8%。