建筑負(fù)荷參與電力需求響應(yīng)的可行性及效果研究

艾凇卉 吳成斌

建筑負(fù)荷參與電力需求響應(yīng)的可行性及效果研究

艾凇卉1吳成斌2

（1.北京首鋼建設(shè)投資有限公司 北京 100041；2.優(yōu)刻得科技股份有限公司 上海 200090）

電力需求響應(yīng)是提高電網(wǎng)效率的關(guān)鍵方式。采用建筑環(huán)境與暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬軟件Dest建立了一座典型辦公建筑模型，對(duì)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑負(fù)荷的調(diào)控作為電力需求響應(yīng)和虛擬儲(chǔ)能的一種重要手段，具有較高的可行性和良好的效果。對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行全天或者短時(shí)的調(diào)控，都可以起到降低建筑電力負(fù)荷的效果；在電力需求響應(yīng)時(shí)段前對(duì)建筑進(jìn)行預(yù)冷，可以增強(qiáng)在響應(yīng)時(shí)段降低電力負(fù)荷的效果。

建筑負(fù)荷；電力需求響應(yīng)；虛擬儲(chǔ)能

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)更加注重“發(fā)電、配電、儲(chǔ)電、用電”的一體化管理和統(tǒng)籌優(yōu)化。電力需求側(cè)響應(yīng)就是指對(duì)用電負(fù)荷的管理，用戶(hù)根據(jù)電價(jià)信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制進(jìn)行響應(yīng)，改變常規(guī)電力消費(fèi)行為[1]。通過(guò)電力需求側(cè)響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電源的充分利用，減少系統(tǒng)裝機(jī)容量和輸配電設(shè)施，提高設(shè)備利用率和用電效率。能源互聯(lián)網(wǎng)中對(duì)光伏、風(fēng)電等各類(lèi)可再生能源的接入更加開(kāi)放，但這類(lèi)電源往往具有不穩(wěn)定和可控性低的特點(diǎn)[2]，因此，對(duì)用電負(fù)荷的控制和管理是能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵需求。同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)中的各種設(shè)備的互聯(lián)互通，為電力需求側(cè)響應(yīng)提供了物理基礎(chǔ)和信息基礎(chǔ)。

拉閘限電是一種傳統(tǒng)常見(jiàn)的電力需求側(cè)管理手段，可以起到緩解供電不足壓力、降低電力負(fù)荷峰均比的作用，但是其是以損害各方利益為代價(jià)的。近年來(lái)，針對(duì)可控負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的管理成為電力需求側(cè)響應(yīng)的重要手段。建筑冷熱負(fù)荷作為一種可控負(fù)荷，占全社會(huì)用電負(fù)荷的比例較大，對(duì)其參與電力需求響應(yīng)的研究也收到日益增多的關(guān)注。建筑本身具有一定的熱慣性，在空調(diào)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，墻體和家具中的冷量或熱量會(huì)逐漸釋放出來(lái)，起到減緩室內(nèi)環(huán)境變化的效果[3]。另外，建筑內(nèi)部的人和設(shè)備都具有一定的環(huán)境適應(yīng)性，在一定范圍內(nèi)的室內(nèi)溫度變化不會(huì)影響人體的熱舒適性和設(shè)備的正常運(yùn)行。

全年電力負(fù)荷的最高峰往往出現(xiàn)在夏季高溫天氣，這主要是由于建筑空調(diào)用電與氣溫有較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。以北京為例，夏季日負(fù)荷最大值達(dá)到1776萬(wàn)kW，其中空調(diào)負(fù)荷達(dá)到675萬(wàn)kW，占最大負(fù)荷的38%[4]。利用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行電力需求側(cè)響應(yīng)始于美國(guó)，2008年，美國(guó)太平洋天然氣和電力公司在加州開(kāi)展智能空調(diào)項(xiàng)目，在負(fù)荷高峰期對(duì)15萬(wàn)戶(hù)居民的空調(diào)采取周期性暫停措施[5]。高賜威等提出了基于空調(diào)負(fù)荷的直接負(fù)荷控制雙層優(yōu)化調(diào)度和控制模型，從兩個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度以實(shí)現(xiàn)用電方和供電方利益的協(xié)同[6]。2013年中國(guó)電力科學(xué)院提出一種與電網(wǎng)互動(dòng)的商業(yè)樓宇中央空調(diào)負(fù)荷調(diào)控系統(tǒng)，將某地區(qū)內(nèi)的中央空調(diào)進(jìn)行集中管控，在電力高峰負(fù)荷期，調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行參數(shù)，降低室內(nèi)設(shè)定溫度，在不影響人體舒適性的前提下，可以降低建筑的用電負(fù)荷[7]。丁小葉建立了變頻空調(diào)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型，提出變頻空調(diào)參與虛擬調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)控模型，并且準(zhǔn)確量化了空調(diào)參與需求響應(yīng)的效果[8]。

目前關(guān)于空調(diào)負(fù)荷參與電力需求側(cè)響應(yīng)的研究，建筑負(fù)荷模型都是采用的一階等效熱參數(shù)模 型[8,9]，這種模型考慮了建筑的熱阻和熱容，是一種考慮因素較少、基于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的簡(jiǎn)化模型。而建筑負(fù)荷是受實(shí)時(shí)變化的氣溫、通風(fēng)、日照、內(nèi)熱源等眾多因素共同影響，采用一階等效熱參數(shù)模型計(jì)算得到的建筑負(fù)荷一定是不準(zhǔn)確、不符合實(shí)際情況的。

本文將采用建筑環(huán)境及暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬軟件Dest對(duì)典型建筑的動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性進(jìn)行模擬，通過(guò)調(diào)整室內(nèi)環(huán)境設(shè)定參數(shù)，判斷各種工況下建筑負(fù)荷的變化情況，從而判斷建筑負(fù)荷參與電力需求側(cè)響應(yīng)的可行性和響應(yīng)能力，為能源互聯(lián)網(wǎng)體系下的電力需求側(cè)響應(yīng)措施的深入研究提供參考。

1 建筑模型建立

本文利用清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開(kāi)發(fā)的Dest軟件，以北京地區(qū)為例，建立一棟參考辦公建筑的模型[10]，分別模擬該建筑在制冷季節(jié)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的逐時(shí)負(fù)荷。本文建立的參考建筑如圖1所示，建筑模型的設(shè)定參數(shù)如表1所示。

該辦公建筑模型中，室內(nèi)發(fā)熱量（包括人員、用電設(shè)備、照明器具等）的設(shè)定如表2所示[11]。

圖1 參考建筑示意圖

表1 建筑模型設(shè)定參數(shù)表

表2 建筑模型室內(nèi)發(fā)熱量設(shè)定

2 模擬結(jié)果

2.1 建筑逐時(shí)負(fù)荷

通過(guò)Dest模擬，可以獲取在典型氣象年數(shù)據(jù)下整個(gè)制冷季節(jié)的建筑逐時(shí)冷負(fù)荷。為了便于分析，本文截取典型氣象年7月2日—7月6日（周一至周五）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖2是在建筑空調(diào)溫度設(shè)定在25℃時(shí)單位面積建筑負(fù)荷以及此時(shí)段的室外空氣干球溫度。

圖2 室外溫度與建筑逐時(shí)負(fù)荷圖

通過(guò)結(jié)果可以看出：

（1）在空調(diào)運(yùn)行時(shí)間（8:00—19:00）建筑負(fù)荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，在非空調(diào)運(yùn)行時(shí)段，建筑負(fù)荷為零。

（2）周一（7月2日）空調(diào)工作時(shí)間的最初一個(gè)小時(shí)是建筑冷負(fù)荷最高的時(shí)刻，這是由于在此之前的周末時(shí)段空調(diào)沒(méi)有運(yùn)行，室內(nèi)外溫差、光照等因素造成了室內(nèi)空氣溫度較高，同時(shí)墻壁、家具等蓄存了較多熱量，在空調(diào)開(kāi)始運(yùn)行的最初時(shí)段，將室溫在較短時(shí)間內(nèi)調(diào)控到設(shè)定溫度，需要消耗較多的冷量。在其他工作日的空調(diào)運(yùn)行初始時(shí)段，建筑負(fù)荷也會(huì)由于前夜非空調(diào)時(shí)段的熱量累積而相對(duì)較高，但沒(méi)有出現(xiàn)周一那樣的高值。

（3）建筑負(fù)荷與室外溫度有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)其他條件不變時(shí)，室外溫度越高，建筑負(fù)荷越高，反之亦然。

（4）室內(nèi)發(fā)熱量的變化對(duì)建筑負(fù)荷有較大的影響，中午（12:00—13:00）和傍晚（17:00—19:00）室內(nèi)人員和設(shè)備運(yùn)行數(shù)量相對(duì)正常工作時(shí)間較低，室內(nèi)發(fā)熱量也隨之較低，建筑負(fù)荷在這些時(shí)段內(nèi)也相對(duì)較低。

2.2 室內(nèi)設(shè)定溫度對(duì)負(fù)荷的影響

建筑負(fù)荷中的一部分是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱造成的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量是由室內(nèi)外的溫差決定的。當(dāng)室內(nèi)溫度越高，其與室外溫度的溫差就越小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量也就隨之越小，反之亦然。

新風(fēng)負(fù)荷也是建筑負(fù)荷的一部分，其是與室內(nèi)設(shè)定空氣溫度呈負(fù)相關(guān)的。室內(nèi)設(shè)定溫度越高，新風(fēng)從室外溫度降低到室內(nèi)設(shè)定溫度需要消耗的冷量就越少，即新風(fēng)負(fù)荷越小，反之亦然。

在上文室內(nèi)設(shè)定溫度25℃的基礎(chǔ)上，提高和降低1，2，3℃，分別模擬各種設(shè)定溫度下的建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷。圖3是7月3日在室內(nèi)溫度不同設(shè)定值下的建筑逐時(shí)負(fù)荷曲線。由圖可知，各個(gè)室內(nèi)設(shè)定溫度下，建筑逐時(shí)負(fù)荷曲線的趨勢(shì)是一致的，但室內(nèi)設(shè)定溫度越高，單位面積建筑負(fù)荷就越低。

圖3 不同室內(nèi)設(shè)定溫度下建筑逐時(shí)負(fù)荷圖

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，相對(duì)于25℃，室內(nèi)設(shè)定溫度降低1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負(fù)荷會(huì)增加6.4%、12.7%、19.0%；室內(nèi)設(shè)定溫度提高1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負(fù)荷會(huì)降低6.6%、13.3%、20.1%。這表明，在電力負(fù)荷高峰時(shí)段，通過(guò)負(fù)荷側(cè)管理，將全天的建筑室內(nèi)設(shè)定溫度提高3℃，可以使建筑的空調(diào)用電量降低約20%。

表3 不同室內(nèi)設(shè)定溫度下建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，人員長(zhǎng)期逗留區(qū)空調(diào)供冷工況的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為Ⅰ級(jí)熱舒適度24～26℃，Ⅱ級(jí)熱舒適度26～28℃（Ⅰ級(jí)熱舒適度較高，Ⅱ級(jí)熱舒適度一般）。室內(nèi)溫度在一定幅度內(nèi)變化，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。因此，建筑負(fù)荷的調(diào)控可以作為電力需求響應(yīng)和虛擬儲(chǔ)能的一種重要手段。

2.3 室內(nèi)溫度短時(shí)調(diào)控

電力需求響應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)通常是小時(shí)級(jí)的。在電力需求響應(yīng)的短時(shí)間內(nèi)調(diào)整室內(nèi)設(shè)定溫度，然后在電力需求響應(yīng)結(jié)束后可以將室內(nèi)設(shè)定溫度調(diào)整回原值。

本文設(shè)定12:00—13:00為電力需求響應(yīng)時(shí)段，分別模擬三種空調(diào)模式下的建筑逐時(shí)負(fù)荷變化情況：模式一是正常的空調(diào)模式，室內(nèi)溫度設(shè)定為25℃；模式二是短時(shí)調(diào)控模式，在電力需求響應(yīng)時(shí)段將室內(nèi)溫度設(shè)定為28℃，其余時(shí)間室內(nèi)溫度設(shè)定為25℃；模式三是提前預(yù)冷、短時(shí)調(diào)控模式，在電力需求響應(yīng)時(shí)段的前一個(gè)小時(shí)，將室內(nèi)溫度設(shè)定為22℃，在電力需求響應(yīng)時(shí)段將室內(nèi)溫度設(shè)定為28℃，其余時(shí)間室內(nèi)溫度設(shè)定為25℃。

圖4是三種模式下空調(diào)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)建筑逐時(shí)負(fù)荷圖，表4是電力需求響應(yīng)時(shí)段三種模式下建筑負(fù)荷的對(duì)比分析。從中可以看出，在電力需求響應(yīng)時(shí)段（12:00—13:00），模式二（短時(shí)調(diào)控）相比于模式一（正?？照{(diào)）建筑負(fù)荷降低了63.9%，而模式三（提前預(yù)冷、短時(shí)調(diào)控）相比于模式一（正常空調(diào)）建筑負(fù)荷降低了80.0%，但在提前預(yù)冷時(shí)段（11:00—12:00），模式三的建筑負(fù)荷會(huì)有較大幅度的增加；模式二和模式三在電力需求響應(yīng)之后的一小時(shí)，建筑負(fù)荷相對(duì)于模式一會(huì)略有增加。

從模擬結(jié)果可以看出，在電力需求響應(yīng)時(shí)段對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行短時(shí)調(diào)控，具有良好的降低電力負(fù)荷的效果；提前預(yù)冷可以增強(qiáng)在電力需求響應(yīng)時(shí)段降低電力負(fù)荷的效果，但在預(yù)冷時(shí)段會(huì)增加電力負(fù)荷。

圖4 不同模式下建筑逐時(shí)負(fù)荷圖

表4 不同模式下電力需求響應(yīng)效果

3 結(jié)論

本文采用建筑環(huán)境與暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬軟件Dest建立了一座典型辦公建筑，對(duì)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑負(fù)荷的調(diào)控作為電力需求響應(yīng)和虛擬儲(chǔ)能的一種重要手段，具有較高的可行性和良好的效果。

（1）通過(guò)改變室內(nèi)溫度，可以調(diào)控建筑負(fù)荷，進(jìn)而調(diào)控建筑用電量。在本文算例中，全天的室內(nèi)設(shè)定溫度降低1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負(fù)荷會(huì)增加6.4%、12.7%、19.0%；室內(nèi)設(shè)定溫度提高1℃、2℃、3℃，單位面積的平均建筑負(fù)荷會(huì)降低6.6%、13.3%、20.1%。

（2）在電力需求響應(yīng)時(shí)段對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行短時(shí)調(diào)控，具有良好的降低電力負(fù)荷的效果；提前預(yù)冷可以增強(qiáng)在電力需求響應(yīng)時(shí)段降低電力負(fù)荷的效果，但在預(yù)冷時(shí)段會(huì)增加電力負(fù)荷。在本文算例中，對(duì)室內(nèi)溫度短時(shí)調(diào)控可以降低建筑負(fù)荷63.9%，提前預(yù)冷后對(duì)室內(nèi)溫度短時(shí)調(diào)控可以降低建筑負(fù)荷80.0%。

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Feasibility and Effect of Building Load Participating in Power Demand Response

Ai Songhui1Wu Chengbin2

( 1.Beijing Shougang Construction Investment Co., Ltd, Beijing, 100041;2.Ucloud Technology Co., Ltd, Shanghai, 200090 )

Power Demand Response is a key method to improve the efficiency of power grid.In this paper, a typical office building model is established with Dest, a building environment and HVAC system simulation software. Dynamic characteristics of building load is simulated and analyzed. It is found that the regulation of building load is an important means of power demand response and virtual energy storage, and it shows high feasibility and great results. The power demand will be reduced by full-day or short-term control of the indoor temperature. The effect of reducing the power load during the response period can be enhanced by pre-cooling the building.

Building load; Power demand response; Virtual energy storage

TU831

A

1671-6612（2020）03-321-05

艾凇卉（1990.12-），女，博士，工程師，E-mail：hu_tu_tu@126.com

2019-11-04