需求側(cè)管理下的公共建筑空調(diào)用電負荷預測

李 昌

（1. 上海申瑞繼保電氣有限公司，上海 200233；2. 上海卓源節(jié)能科技有限公司，上海 200233）

電力需求側(cè)管理（demand side management，DSM），是指通過提高終端用電效率和優(yōu)化用電方式，在完成同樣用電功能的同時減少電量消耗和電力需求，達到節(jié)約能源和保護環(huán)境，實現(xiàn)低成本電力服務所進行的用電管理活動[1]。DSM目標主要集中在資源和能源的節(jié)約上，要求控制電網(wǎng)最大負荷的增長速度，減少新增裝機容量，在滿足能源服務質(zhì)量的同時減少負荷用電量。減少新增裝機容量基本措施是減少用戶在電網(wǎng)高峰時段電力需量。在公共建筑中，總能耗中電耗比例為96%，其中空調(diào)能耗比例為 40%左右，單位面積耗能平均值為114.0kWh/m2a[2]?？刂瓶照{(diào)負荷、減少空調(diào)高峰時段的需量：對電力企業(yè)而言，不僅可減少用電需量，起到削峰填谷作用，還可以減少輸配電設備備用容量[3]。

空調(diào)負荷的準確預測，是空調(diào)機組負荷最優(yōu)分配、最優(yōu)運行的先決條件，同時動態(tài)的負荷預測也有利于減少空調(diào)系統(tǒng)的運行費用，改善空調(diào)的自動控制性能和調(diào)節(jié)精度，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

文獻[4]采用遞歸 BP網(wǎng)絡對建筑輻射分量，建立輻射和散射逐日、逐時預測模型，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)進行空調(diào)冷負荷預測。文獻[5]把冰蓄冷空調(diào)作為預測對象，采用季節(jié)性時間序列模型，對連續(xù)運行的空調(diào)、負荷波動有規(guī)律的建筑空調(diào)進行負荷預測，該方法實現(xiàn)簡單，易于工程實際運用。文獻[6]提出了基于滑差同調(diào)等值的負荷建模方法和模型，用阻尼最小二乘法對含空調(diào)啟動特性的空調(diào)群綜合負荷進行建模。文獻[7]分析了空調(diào)負荷的高溫季節(jié)和低溫季節(jié)累積效應的基本規(guī)律，建立了量化的累積效應后評估模型；文獻[8]提出人體舒適度、空調(diào)指數(shù)等概念，分析空調(diào)負荷的變化規(guī)律；文獻[9]提出了氣溫影響電力負荷的累積效應，及一日高溫可對連續(xù)多日的電力空調(diào)負荷產(chǎn)生比較顯著的影響，并提出了考慮累積效應的負荷預測模型。文獻[10]采取數(shù)學統(tǒng)計方法進行分析電力負荷的變化規(guī)律，研究了不同負荷類型對氣溫的敏感度，文獻[11]通過分析多種氣象因子與電網(wǎng)負荷的相關性，找出氣象因素與電網(wǎng)負荷的對應關系，得出針對氣象因素的短期負荷預測修正模型。

公共建筑本體具備蓄能和散熱（冷）的特點，根據(jù)這一特性，公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)可以在一定時間上進行預見性控制。在DSM負荷需求管理下，公共建筑空調(diào)負荷預測曲線可能不滿足需量管理要求，或者客戶有進一步降低負荷需量的需求，管理者就必須采取修正措施對負荷預測結(jié)果進行轉(zhuǎn)移，以滿足客戶減少負荷需量的需求，從而減少購電成本。修正后的負荷預測結(jié)果，直接作為空調(diào)運行的控制負荷曲線，可以提前安排空調(diào)開啟機組臺數(shù)和一、二次水泵的運行方式，對用電設備的組合進行尋優(yōu)，可以適時、適量的開啟空調(diào)，滿足客戶舒適度的需求。本文把公共建筑制冷空調(diào)作為研究對象，基于歷史空調(diào)溫度-功率數(shù)據(jù)進行分析，把空調(diào)負荷分解為固定負荷、氣溫負荷和動態(tài)負荷，對這三種負荷分別進行預測，結(jié)合需求側(cè)的負荷管理，加入需量控制來修正結(jié)果，以滿足限制負荷需量目的。

1 公共建筑空調(diào)用電負荷建模

公共建筑空調(diào)本體面積較大，可以充當儲能體，同時建筑外立面較大，具備能量散失特點，即使建筑空調(diào)使用者不需空調(diào)制冷熱的功能，空調(diào)也必須維持能量散失平衡。根據(jù)公共建筑空調(diào)用電負荷特點，把空調(diào)負荷分解為固定負荷、氣溫負荷和能量交換負荷三部分。固定負荷包括空調(diào)系統(tǒng)運行必須的能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、空調(diào)最小運行方式下的一二次水泵冷凍、冷卻等基本動力系統(tǒng)，這部分負荷幾乎固定不變，實現(xiàn)空調(diào)最基本的正常運行。氣溫負荷指建筑本體散失的能量，與室內(nèi)外溫度差密切相關，這部分負荷用來以抵消空調(diào)場所外部冷熱交換量，和空調(diào)場所內(nèi)是否有冷熱需求者無關；動態(tài)負荷用以建筑內(nèi)部的空調(diào)供冷熱對象的能量消耗，其用電負荷和建筑內(nèi)空調(diào)制冷熱量的需求正相關，能耗包括空調(diào)冷凍介質(zhì)與供冷對象的能量交換，供冷對象包括公共建筑辦公及流動人員、有生命動物等，空調(diào)機組包括制冷機組、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)。

1.1 公共建筑負荷模型建立

建筑空調(diào)日用電負荷由建筑空調(diào)用電固定負荷、空調(diào)用電氣溫負荷、空調(diào)用電動態(tài)負荷三部分組成。

式中，Wall為建筑空調(diào)用電負荷，Wsta為建筑空調(diào)用電固定負荷，Wtmp為建筑空調(diào)用電氣溫負荷，Wchg為建筑內(nèi)部空調(diào)用電動態(tài)負荷。

負荷數(shù)據(jù)采用空調(diào)溫度-負荷曲線歷史數(shù)據(jù)，建筑空調(diào)日用電負荷采用等間隔數(shù)據(jù)點，通常選擇分鐘間隔的數(shù)據(jù)曲線，以完成空調(diào)運行方式的精確、及時控制。

1.2 空調(diào)用電固定負荷模型建立

建筑空調(diào)用電固定負荷由能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、空調(diào)最小運行方式下的空調(diào)機組、一二次冷凍、冷卻水泵等動力。

式中，Wsta1為空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)用電負荷，Wsta2為空調(diào)照明系統(tǒng)負荷，Wsta3為空調(diào)輸送系統(tǒng)負荷，Wsta4為最小運行方式下空調(diào)機組、一二次冷凍、冷卻水泵系統(tǒng)負荷，Wsta5為其他消防、應急等固定負荷。

Wsta1、Wsta2、Wsta3、Wsta5由用電設備所在的分項計量表計讀取，Wsta4指在空調(diào)最小運行方式下的耗電量，數(shù)值從空調(diào)的分項計量系統(tǒng)或者空調(diào)設備銘牌參數(shù)獲得。

1.3 空調(diào)用電氣溫負荷模型建立

建筑本體需要耗費空調(diào)部分負荷以抵消建筑散失的能量，這部分能量通過輻射、對流方式流失。流失的速度于建筑本體與室外溫差有關，在空調(diào)啟動過程和空調(diào)恒溫過程中負荷大小也不一樣。

式中，β為熱量-電能換算系數(shù)，λ為導熱系數(shù)，S為建筑本體散熱面積，ΔT為建筑本體與環(huán)境溫差，β、λ、S為常量，建筑表面積的多樣性，難以取得精確值，則定義k1為空調(diào)散熱系數(shù)，令k1=βλS，根據(jù)歷史空調(diào)溫度-功率曲線，可計算出建筑本體空調(diào)面積的k1值。

1.4 空調(diào)用電動態(tài)負荷模型建立

用以建筑內(nèi)部的空調(diào)供冷對象的能量消耗，其用電負荷和建筑內(nèi)空調(diào)制冷熱量的需求正相關。負荷完全用于建筑體內(nèi)部的能源消耗者的冷熱源交換。當建筑內(nèi)部流動人員、辦公人員數(shù)量增加，則此部分負荷增加，當人員減少此部分負荷減少，甚至為0。

建筑內(nèi)部空調(diào)動態(tài)負荷Wchg為

式中，m為建筑空調(diào)面積內(nèi)，時刻t的人員或者動物體數(shù)目，單位為千人（個），k2為空調(diào)內(nèi)部人員單位分鐘熱交換系數(shù)，單位為kW/千人·min，Tm為統(tǒng)計時間，積分步長可采用1min，如果m取平均值，則式（4）為

1.5 需求側(cè)負荷管理約束及負荷轉(zhuǎn)移

需求側(cè)負荷管理指標要求客戶終端負荷必須低于購買的契約需量值，此契約需量值通常按月申報。客戶管理終端根據(jù)契約需量進行分項分攤，最終實現(xiàn)終端負荷的需量控制。

需求側(cè)負荷管理下空調(diào)負荷約束為

式中，Wlim為空調(diào)契約需量，根據(jù)負荷管理要求對申報的契約需量進行分項分攤后得到。

如果t時刻出現(xiàn)不滿足式（6）的不等式約束，必須將t時刻的空調(diào)負荷向t′=t-1時刻的空調(diào)負荷進行轉(zhuǎn)移。

轉(zhuǎn)移負荷只能轉(zhuǎn)移動態(tài)負荷部分，其他兩部分負荷不可轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移最大值為Wchg，如果Wchg=0，式（6）成立，表示即使空調(diào)失去建筑內(nèi)制冷功能也不能滿足負荷控制要求。負荷轉(zhuǎn)移后t時刻不等式約束情況如下：

式中，ΔWchg為空調(diào)負荷轉(zhuǎn)移量，轉(zhuǎn)移部分全部分攤到建筑內(nèi)部空調(diào)動態(tài)負荷部分。負荷轉(zhuǎn)移后t′時刻不等式約束情況如下：

轉(zhuǎn)移后t′時刻負荷如果不滿足式（7），則繼續(xù)向t′-1時刻轉(zhuǎn)移，直到滿足式（7）為止。

1.6 空調(diào)需量預測流程

空調(diào)用電日負荷為

式中，Wsta為建筑空調(diào)功能常量，m、ΔT為建筑內(nèi)部時變量，為一個時間變化曲線，通過物業(yè)系統(tǒng)和實時氣象系統(tǒng)可以獲??；k1、k2為該建筑空調(diào)功能常量。在一定時間內(nèi)Wsta、k1、k2可以通過歷史溫度-負荷數(shù)據(jù)求解。

預測過程為：獲取建筑內(nèi)日人員數(shù)目曲線、日氣象預測曲線、建筑空調(diào)內(nèi)部空調(diào)期望溫度、空調(diào)最小運行方式的能值，由式（9）可計算出日建筑空調(diào)用電1440點負荷曲線，采用式（6）的負荷管理約束進行負荷轉(zhuǎn)移，完成空調(diào)用電負荷預測。

完整空調(diào)用電負荷預測流程圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)用電負荷預測流程圖

2 算例分析

算例選取上海虹橋樞紐某商務小區(qū)中央空調(diào)用電數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)運行3年。該小區(qū)有能耗監(jiān)控和照明系統(tǒng)，分項能耗空調(diào)需量為40000kW，空調(diào)系統(tǒng)有 4臺離心式冷水機組，每臺機組額定功率7350kW，一次冷卻、冷凍水泵功率8×200kW，二次冷卻、冷凍水泵功率16×150kW，其他輔助用電設備 8000kW，最小運行方式為一臺冷水機組 40%功率運行，固定功率 40%×7350kW+2×200kW+4×150kW=3940kW，用戶建筑管理規(guī)定的辦公時間09∶00—18∶00空調(diào)溫度26℃。物業(yè)管理信息小區(qū)常駐辦公人員 16800人，日流動人口 5000人，共21800人。

2.1 模型初始化及樣本選擇

機組運行規(guī)程中，每臺冷水機組配置一次冷卻、冷凍水泵各一臺，二次水泵各2臺，冷水機組啟動時間為 06∶00—17∶00，一二次水泵啟動時間為06∶00—18∶00，空調(diào)機組、一二次冷凍、冷卻水泵等所有用電額定功率為41400kW。

歷史日中，選取進入建筑內(nèi)人員少（少于正常人員的10%）的日期作為求解常量k1的樣本日期，其他日期作為求解常量k2的樣本日期。歷史日數(shù)據(jù)為溫度-功率曲線數(shù)據(jù)。歷史日2014年7月、8月共18個休息日，辦公人數(shù)少于1000人，可作為計算k1的樣本日期，其他44個日期作為計算k2的樣本日期。

2.2 建筑固定負荷求解

由式（2），從分項用電計量系統(tǒng)直接讀取歷史數(shù)據(jù)，進行Wsta1、Wsta2、Wsta3、Wsta4、Wsta5統(tǒng)計計算。時間選擇2014年7—8月，建筑外部平均溫度小于26℃的時間段，數(shù)據(jù)見表1。

表1 固定負荷7—8月平均值/kW

可得出固定負荷Wsta1=4002.6kW。

2.3 建筑氣溫負荷散熱系數(shù)k1求解

對7—8月18個休息日，選擇建筑內(nèi)部平均溫度在25～27℃的10∶00—16∶00時間段作為計算k1的樣本日期。把室外溫度和空調(diào)平均用電負荷Wall繪制成曲線如圖2所示。

忽略Wchg，則Wall=Wsta+Wtmp，令Wsta=4002.6kW，則在氣溫在 25℃～35℃之間氣溫負荷Wtmp的表達式為

式中，Wtmp,35、Wtmp,25為氣溫 35℃、25℃的氣溫負荷，Wall,35、Wall,25為氣溫 35℃、25℃的空調(diào)用電負荷。計算出7月k1為508kW，8月k1為456kW，平均值k1=482kW。

圖2 室外溫度及空調(diào)負荷Wall曲線圖

2.4 建筑動態(tài)負荷熱交換系數(shù)k2求解

對7—8月44個工作日，選擇建筑內(nèi)部平均溫度在 25～27℃的 10∶00—16∶00時間段，并且時間段內(nèi)辦公人數(shù)能夠相對穩(wěn)定，此時間段內(nèi)的負荷數(shù)據(jù)作為計算k2的樣本。為方便計算，空調(diào)氣溫負荷Wtmp歸一化到氣溫為30℃的氣溫負荷Wtmp,30。

式中，x為氣溫，Wtmp,x為氣溫x的氣溫負荷。

建筑內(nèi)的辦公人數(shù)和空調(diào)平均用電負荷Wall,30繪制成曲線如圖3所示。

圖3 室內(nèi)辦公人數(shù)及空調(diào)負荷Wall曲線圖

在m=1時，7月Wall,30=6748，8月Wall,30=6364，m=15，7月Wall,30=35897，8月Wall,30=34861，由式（5）得

計算出7月、8月k2分別為2082kW和2035kW，取平均值k2=2058kW。

2.5 空調(diào)需量預測計算

計算出固定用電負荷Wsta、氣溫負荷散熱系數(shù)k1、動態(tài)負荷熱交換系數(shù)k2后，由式（9）計算建筑空調(diào)日用電負荷預測表達式為

該大樓空調(diào)需量Wlim為40000kW，當室內(nèi)外氣溫差10℃，m=15.5時，Wall=40733kW，空調(diào)負荷超過空調(diào)需量，需要進行負荷轉(zhuǎn)移。

對8月5日進行負荷預測，結(jié)果見表2。

表2 8月5日負荷預測結(jié)果/kW

3 預測結(jié)果分析

由式（9）可知，誤差結(jié)果受到建筑內(nèi)外溫差及建筑內(nèi)的辦公人數(shù)影響，建筑內(nèi)外溫差可以選取建筑內(nèi)若干關鍵點作為室內(nèi)溫度參考值，關鍵點可能需要調(diào)整。如果室內(nèi)外溫差誤差為 1℃，則建筑內(nèi)的負荷預測結(jié)果將偏離k1數(shù)值。建筑空調(diào)面積內(nèi)的辦公人數(shù)包括各種熱能交換的動物，需要參照人類活動量進行換算，目前尚無特別公式，建議按照體重進行換算。

3.1 誤差分析

建筑內(nèi)部辦公人員熱交換和辦公時間有關，時間長熱交換量多，反之則少。精確統(tǒng)計辦公人員的時長是難以實現(xiàn)的，但在出入口裝設傳感器，由物業(yè)管理系統(tǒng)統(tǒng)計分析可以獲得大致的 24h的人流值，逐分鐘計算辦公人員數(shù)目，以減少預測誤差。

3.2 熱能交換滯后問題

室內(nèi)外溫差變化和人員變化，并不能及時反饋到空調(diào)負荷，需要考慮空調(diào)負荷的響應時間，響應時間由物業(yè)系統(tǒng)給出，通常在30～60min之間，因此負荷預測結(jié)果需要進行響應時間處理，才能精確完成空調(diào)運行方式的切換。

3.3 負荷轉(zhuǎn)移問題

在需求側(cè)管理下，建筑需量不允許突破，空調(diào)負荷超過需量后，采取措施有：轉(zhuǎn)移時間段負荷和限制時間段負荷。前者可以提前控制空調(diào)運行方式，后者采用限制其他照明、動力等分項需量，增加空調(diào)需量做法，保證總的需量滿足要求。

3.4 極端氣溫下容納辦公人員計算

容納辦公人員m計算如下：

當氣溫差在1～14℃時，辦公人員m計算如下。

表3 容納辦公人員分析計算/千人

由計算結(jié)果可知，當氣溫差達到 14℃時，m=14.2，要滿足辦公環(huán)境舒適度，極限辦公人員為14200人，要增加建筑內(nèi)流動人員，就必須減少氣溫差，不能保證環(huán)境的舒適度。

4 結(jié)論

本文提出公共建筑空調(diào)負荷預測模型，采用固定負荷、氣溫負荷和動態(tài)負荷模型，根據(jù)需求側(cè)負荷管理要求，進行負荷轉(zhuǎn)移,最終實現(xiàn)負荷預測。該預測方法輸入量為氣溫和建筑內(nèi)的辦公人數(shù)，實現(xiàn)方法簡單，易實現(xiàn)。算例采用上海虹橋樞紐商務區(qū)空調(diào)運行數(shù)據(jù)為例，計算結(jié)果表明，該方法具備較好的可行性，可實現(xiàn)分鐘空調(diào)負荷預報，預報精度較高，計算出的空調(diào)用電負荷對空調(diào)運行方式的安排和需求管理具有重要的現(xiàn)實意義。

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