冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀綜述

摘 要：冷熱電負(fù)荷綜合預(yù)測(cè)具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，是電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和能量管理的重要模塊。本文對(duì)常用的冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法有基于建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)典算法和簡(jiǎn)約算法、基于軟件模擬的逐時(shí)負(fù)荷因子法、基于歷史數(shù)據(jù)的逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤ê蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等進(jìn)行了研究和分析。

關(guān)鍵詞：冷熱電負(fù)荷 建筑結(jié)構(gòu) 逐時(shí)因子 分?jǐn)偙壤?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0004-02

負(fù)荷預(yù)測(cè)是根據(jù)電力負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、氣象等的歷史數(shù)據(jù)，探索電力負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律對(duì)未來(lái)負(fù)荷的影響，尋求電力負(fù)荷與各種相關(guān)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而對(duì)未來(lái)的負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是能量管理系統(tǒng)（EMS）的一個(gè)重要模塊，負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度直接影響調(diào)度計(jì)劃和能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，人工智能算法的涌現(xiàn)和冷熱電負(fù)荷的綜合預(yù)測(cè)的研究都是為了提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

本文介紹各種常用的冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，下面介紹冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、濕負(fù)荷和電負(fù)荷的概念。

冷負(fù)荷：為了保持建筑物或物體低于周圍環(huán)境溫度，在時(shí)間單位內(nèi)所需要排除的熱量，包括顯熱量和潛熱量?jī)刹糠?。潛熱量可以表示為單位時(shí)間內(nèi)排除的水分，又稱為濕負(fù)荷。因此冷負(fù)荷包括顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷兩部分。

熱負(fù)荷：為了保持建筑物高于周圍環(huán)境的溫度，滿足生產(chǎn)過(guò)程加熱、烘干、蒸煮等或生活熱水需求等熱濕參數(shù)，在單位時(shí)間內(nèi)所需加入的熱量。它同樣包括顯熱量和潛熱量?jī)刹糠帧?/p>

濕負(fù)荷：為了維持某空間的相對(duì)濕度，在單位時(shí)間內(nèi)所需除去的濕量。

電負(fù)荷：為了保持建筑物內(nèi)電器設(shè)備的正常運(yùn)行，在單位時(shí)間內(nèi)所需要的電力，不包括制冷制暖等空調(diào)設(shè)備。

1 冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法介紹

目前，建筑物逐時(shí)冷熱負(fù)荷的模擬計(jì)算，已發(fā)展的較為成熟?，F(xiàn)在，研究人員提出的各種研究方法或研發(fā)的各種模擬計(jì)算軟件很多已經(jīng)投入使用。

建筑冷負(fù)荷的經(jīng)典計(jì)算方法有冷負(fù)荷系數(shù)法、諧波反應(yīng)法等，熱負(fù)荷的經(jīng)典計(jì)算方法為傳熱系數(shù)法。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中除了經(jīng)典計(jì)算方法外，應(yīng)用比較成熟的有逐時(shí)負(fù)荷因子法、逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤ā?/p>

歐美有很多成熟的專業(yè)模擬計(jì)算軟件，如美國(guó)的DOE-2、BLAST、EnergyPlus，英國(guó)的ESP-r。日本對(duì)于冷熱電三聯(lián)供的研究應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代，專業(yè)模擬軟件如HASP等也已經(jīng)很成熟了[2]。中國(guó)對(duì)于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究很早，但是直到步入21世紀(jì)以來(lái)才得到重視。清華大學(xué)李輝等提出的基于負(fù)荷因子的算法已相當(dāng)成熟，開發(fā)的DeST專門模擬計(jì)算軟件已經(jīng)開始應(yīng)用。這些模擬計(jì)算軟件大多數(shù)是基于大量的典型建筑物和設(shè)備模型，一般應(yīng)用難度較大。

2 基于建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)典計(jì)算方法

2.1 冷負(fù)荷計(jì)算

冷負(fù)荷量的大小與除熱量與除熱方式有關(guān)。如果熱源只有對(duì)流散熱，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和室內(nèi)各設(shè)備表面的溫差很小，則冷負(fù)荷基本等于得熱量。如果有顯著的輻射得熱存在，由于各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和建筑內(nèi)物體的蓄熱作用，冷負(fù)荷與得熱量之間就存在著一定的延遲，幅度也有衰減。因此冷負(fù)荷與得熱量之間的關(guān)系取決于建筑物的構(gòu)造、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性和熱源特性。

若計(jì)算冷負(fù)荷時(shí)只考慮室內(nèi)外瞬時(shí)溫差與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、傳熱面積的積來(lái)求取冷負(fù)荷的值，不考慮建筑物以前時(shí)刻傳熱過(guò)程的影響，此種方法稱為穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，CL=KAΔt。

若在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)和室內(nèi)外各種因素的影響，則此時(shí)建筑冷負(fù)荷由室外因素引起的負(fù)荷、室內(nèi)因素引起的負(fù)荷和室內(nèi)空氣濕含量的散濕形成的濕負(fù)荷組成。此時(shí)需要考慮太陽(yáng)輻射、外界環(huán)境、通風(fēng)、室內(nèi)人員、室內(nèi)照明設(shè)備散熱、室內(nèi)電器設(shè)備散熱及室內(nèi)濕負(fù)荷等多種因素所帶來(lái)的顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷，此時(shí)冷負(fù)荷為各項(xiàng)影響因素帶來(lái)的負(fù)荷之和，此種計(jì)算方法為動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，CL=CL內(nèi)擾+CL外擾，CL外擾=CL太陽(yáng)輻射+CL溫差+CL通風(fēng)，CL內(nèi)擾=CL人員+CL照明+CL電器+CL濕負(fù)荷。

2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，熱量經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由室內(nèi)傳到室外，為保證室內(nèi)溫度維持在穩(wěn)定值，必須保持建筑物失熱量與得熱量的平衡。建筑熱負(fù)荷在計(jì)算時(shí)需要考慮采暖熱負(fù)荷（即經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)出去的熱量）、通風(fēng)熱負(fù)荷和熱水供應(yīng)熱負(fù)荷及生產(chǎn)工藝熱負(fù)荷等。在計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)，往往忽略室內(nèi)人員和設(shè)備的熱干擾和濕干擾HL=HL采暖+HL通風(fēng)+HL熱水。

2.3 電負(fù)荷計(jì)算

建筑有各種功能區(qū)，如辦公區(qū)、電梯區(qū)、會(huì)議室、走道、機(jī)房、生活區(qū)等，功能區(qū)不同對(duì)應(yīng)的電指標(biāo)要求也不同，根據(jù)功能區(qū)的細(xì)分計(jì)算逐時(shí)電負(fù)荷，電負(fù)荷E=∑EiFi，Ei為功能區(qū)i的電指標(biāo)，F(xiàn)i為功能區(qū)i的面積。

3 基于建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)約計(jì)算

建筑物總冷負(fù)荷的簡(jiǎn)約計(jì)算以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)人員兩部分為基礎(chǔ)，把整個(gè)建筑物看成一個(gè)大空間，按各朝向計(jì)算冷負(fù)荷，再加上人員的人體散熱（按116 W計(jì)算），CL=CL傳導(dǎo)+CL人員。計(jì)算時(shí)若考慮通風(fēng)的影響，則在此計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)新風(fēng)系數(shù)，一般取1.2～1.5。

熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)以熱負(fù)荷指標(biāo)的形式進(jìn)行，主要考慮建筑結(jié)構(gòu)與室內(nèi)外溫差，若考慮新風(fēng)影響，則同樣計(jì)算結(jié)果乘以新風(fēng)系數(shù)，一般取1.2～1.5?？偪諝庹{(diào)節(jié)熱負(fù)荷等于熱負(fù)荷指標(biāo)乘以建筑的面積。建筑總熱負(fù)荷等于空氣調(diào)節(jié)熱負(fù)荷加生活熱水負(fù)荷，獲取建筑生活熱水熱負(fù)荷指標(biāo)或建筑生活熱水熱負(fù)荷數(shù)據(jù)展開計(jì)算。

電負(fù)荷簡(jiǎn)略計(jì)算時(shí)采用細(xì)分功能區(qū)形式，與經(jīng)典算法類似。

此方法實(shí)在經(jīng)典計(jì)算方法的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而來(lái)的，是基于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的、主要是利用傳熱系數(shù)法和諧波分析法等簡(jiǎn)化后進(jìn)行計(jì)算。算法的優(yōu)點(diǎn)有根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)即可展開計(jì)算；由于跟建筑結(jié)合的比較密切，算法所得出的準(zhǔn)確度也較高。

4 基于軟件模擬的逐時(shí)負(fù)荷因子法

逐時(shí)負(fù)荷因子法是由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系的李輝、付林等人提出并開展研究，目前研究已比較成熟。逐時(shí)負(fù)荷因子法是根據(jù)模擬計(jì)算模擬軟件DeST計(jì)算負(fù)荷因子，負(fù)荷指標(biāo)通過(guò)參考查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)或借鑒工程實(shí)例獲得。

逐時(shí)負(fù)荷因子法的計(jì)算分為兩步：動(dòng)態(tài)冷熱負(fù)荷計(jì)算和動(dòng)態(tài)電負(fù)荷計(jì)算。

4.1 冷熱負(fù)荷的計(jì)算

冷熱負(fù)荷分為建筑負(fù)荷和內(nèi)擾負(fù)荷兩部分。建筑負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、太陽(yáng)輻射和新風(fēng)負(fù)荷等，該類負(fù)荷與外界氣候條件關(guān)系密切。內(nèi)擾負(fù)荷包括室內(nèi)設(shè)備、照明、人員負(fù)荷等，其大小一般不隨外界氣候條件變化，而主要與建筑功能特性及作息時(shí)間相關(guān)。

對(duì)于第類建筑，逐時(shí)負(fù)荷因子有：

（1）

為第類建筑負(fù)荷因子，即時(shí)刻建筑負(fù)荷與設(shè)計(jì)建筑負(fù)荷之比。反映室外氣象參數(shù)、新風(fēng)量以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等對(duì)建筑負(fù)荷的影響，整個(gè)空調(diào)季在0～1之間變化；

為第類建筑空調(diào)負(fù)荷系數(shù)，即設(shè)計(jì)工況下建筑占總熱負(fù)荷的比例；

為第類建筑的內(nèi)擾負(fù)荷因子，即時(shí)刻內(nèi)擾負(fù)荷與設(shè)計(jì)內(nèi)擾負(fù)荷之比。由建筑物的使用狀況決定，一天內(nèi)隨時(shí)間在0～1之間變化；

為面積因子，反映不同時(shí)間投入空調(diào)運(yùn)行的面積比例，因而也與建筑物使用狀況有關(guān)。

這四個(gè)參數(shù)或因子是要通過(guò)負(fù)荷計(jì)算模擬軟件如DeST計(jì)算典型建筑而獲得的。

然后，查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)或者工程實(shí)例確定該類建筑單位面積的冷熱負(fù)荷指標(biāo)，即設(shè)計(jì)負(fù)荷，單位。

因此，對(duì)于第i類建筑物，單位面積逐時(shí)負(fù)荷可計(jì)算為：

（2）

最后確定冷熱負(fù)荷，可計(jì)算為：

（3）

其中，為第i類建筑物占總空調(diào)面積的比例；

為空調(diào)總面積，單位。

4.2 電負(fù)荷的模擬計(jì)算

電力負(fù)荷主要由不同類型建筑物或不同建筑功能房間內(nèi)各種用電設(shè)備所造成。電力負(fù)荷的大小與建筑物內(nèi)各種用電設(shè)備的安裝功率、設(shè)備的耗電使用性能及作息時(shí)間直接相關(guān)。常見的用電設(shè)備有照明、空調(diào)、動(dòng)力運(yùn)輸（主要指電梯）、電腦和打印機(jī)等辦公設(shè)備、其它損耗等，實(shí)時(shí)計(jì)算公式如下：

（4）

式中，為逐時(shí)電負(fù)荷；

i，n為i為設(shè)備類型，n為不同建筑功能區(qū)域；

l為利用系數(shù)，最大實(shí)耗功率與安裝功率之比；

為負(fù)荷系數(shù)，每小時(shí)的平均實(shí)耗功率與最大實(shí)耗功率之比；

為同時(shí)使用系數(shù)，反映設(shè)備同時(shí)投入的相對(duì)量；

N為設(shè)備的安裝功率；

為用電設(shè)備的額定功率與輸入容量之比；

為功耗系數(shù)，l和的乘積，每小時(shí)的實(shí)耗功率與安裝功率之比；

為與的乘積，該建筑功能區(qū)域內(nèi)該設(shè)備的逐時(shí)負(fù)荷因子。

電負(fù)荷的逐時(shí)計(jì)算關(guān)鍵在于確定用電設(shè)備的安裝功率、功耗系數(shù)及同時(shí)使用系數(shù)，這三項(xiàng)可基于同類型建筑的統(tǒng)計(jì)調(diào)研數(shù)據(jù)獲得，或在此基礎(chǔ)上進(jìn)行充實(shí)修正。

5 基于歷史數(shù)據(jù)的逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤?/p>

此方法是建立在對(duì)建筑冷熱電負(fù)荷調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采用日本三聯(lián)供設(shè)計(jì)手冊(cè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤姆椒?，?lái)模擬計(jì)算三聯(lián)供系統(tǒng)中的全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷。此方法在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)的介紹，論文還給出了算例。

冷熱負(fù)荷主要包括空調(diào)冷負(fù)荷、空調(diào)熱負(fù)荷以及生活熱水負(fù)荷。

電力負(fù)荷主要由建筑物內(nèi)各種用電設(shè)備造成。電力負(fù)荷的大小及逐時(shí)變化特征與建筑物內(nèi)各種用電設(shè)備的安裝功率、設(shè)備的耗電性能及作息時(shí)間直接相關(guān)。由于建筑物內(nèi)用電設(shè)備的使用及人員的作息時(shí)間具有很大的隨機(jī)性，我們很難根據(jù)耗電設(shè)備來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)逐時(shí)電負(fù)荷。因此，在進(jìn)行逐時(shí)冷熱電負(fù)荷計(jì)算時(shí)，不考慮耗電設(shè)備的直接影響，而是在針對(duì)建筑類型進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的。其步驟如以下幾點(diǎn)。

（1）對(duì)建筑使用功能進(jìn)行分析。

（2）對(duì)該氣候區(qū)域內(nèi)的同類建筑的能耗狀況進(jìn)行調(diào)查，得到單位面積的平均耗能量。

（3）查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的同類型經(jīng)典數(shù)據(jù)，利用小時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤姆椒?，根?jù)調(diào)查到的數(shù)據(jù)，對(duì)逐時(shí)冷熱電負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算。

6 基于歷史數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法

國(guó)外冷熱電聯(lián)供CCHP或冷熱聯(lián)供CHP系統(tǒng)的研究開始的較早，現(xiàn)研究狀況已較成熟。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，負(fù)荷預(yù)測(cè)通常冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)與電負(fù)荷是分開的，一般給出了冷熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)。冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)通常采用的都是些比較經(jīng)典的基于歷史數(shù)據(jù)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、向量機(jī)發(fā)等，文獻(xiàn)正是采用的這兩種方法。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或向量機(jī)法時(shí)需要建立數(shù)學(xué)模型或編程，輸入歷史數(shù)據(jù)后模型進(jìn)行學(xué)習(xí)和計(jì)算，最后得出預(yù)測(cè)結(jié)果。

7 結(jié)語(yǔ)

建筑冷熱負(fù)荷跟地區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、樓層、窗墻比、人員密度、新風(fēng)取值、動(dòng)力照明負(fù)荷、房屋使用性質(zhì)等有關(guān)，在預(yù)測(cè)時(shí)需要綜合考慮這些因素。

電負(fù)荷主要與建筑功能、建筑內(nèi)人員的作息時(shí)間、建筑的使用情況相關(guān)，比冷熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)難度低。

基于建筑結(jié)構(gòu)、綜合考慮室內(nèi)外各種干擾因素的冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高，但同時(shí)需要采集的數(shù)據(jù)多、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量較大。

參考文獻(xiàn)

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