樓宇用戶(hù)基于移動(dòng)人流量的需求響應(yīng)管理模型

劉 暉，姚 方

（山西大學(xué) 電力工程系，太原030013）

商業(yè)樓宇用電類(lèi)型較集中并且方便控制，但需求響應(yīng)研究不多。結(jié)合樓宇的實(shí)際情況，中央空調(diào)系統(tǒng)研究尤為重要。文獻(xiàn)[1]驗(yàn)證了中央空調(diào)的風(fēng)扇在不造成室內(nèi)溫度波動(dòng)大的前提下可以快速提供調(diào)頻服務(wù)；文獻(xiàn)[2]解決了在中央空調(diào)優(yōu)化控制過(guò)程中關(guān)于雙線性變量的問(wèn)題；文獻(xiàn)[3]研究各種暖通空調(diào)的物理參數(shù)以及它們的重要性和分布；上述研究只考慮了各種物理?xiàng)l件。文獻(xiàn)[4]考慮了天氣和樓宇用電的關(guān)系；文獻(xiàn)[5]提出并驗(yàn)證預(yù)測(cè)商業(yè)樓宇人流量對(duì)平滑商業(yè)樓宇負(fù)荷用電曲線具有積極意義；文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了人流量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制模型，通過(guò)對(duì)能源消耗預(yù)測(cè)來(lái)對(duì)耗能大戶(hù)提前控制。以上文章都沒(méi)有對(duì)人流量變化下的樓宇需求響應(yīng)進(jìn)行研究。

對(duì)于樓宇用戶(hù)而言，空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)耗能與移動(dòng)人流量等因素密切相關(guān)，所以考慮人流量對(duì)樓宇需求響應(yīng)的影響具有重要的意義。

1 商業(yè)樓宇用戶(hù)供用電系統(tǒng)

商業(yè)樓宇需要向電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足中央空調(diào)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、照明負(fù)荷和非彈性負(fù)荷的需求。樓宇內(nèi)太陽(yáng)光輻射的熱量、室內(nèi)外溫差傳熱、照明系統(tǒng)散熱、新風(fēng)系統(tǒng)散熱、室內(nèi)其他非彈性負(fù)荷散熱、室內(nèi)人群散熱構(gòu)成了主要熱量來(lái)源，由于相鄰房間傳熱量比較小，在此忽略不計(jì)。

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)模型

中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是空氣調(diào)節(jié)氣閥將室內(nèi)返回氣體和外界清新空氣混合，經(jīng)過(guò)冷卻線圈冷卻，然后變頻裝置將這些氣體送到變風(fēng)量箱，最后冷氣的供應(yīng)流速由調(diào)節(jié)氣閥來(lái)調(diào)節(jié)。冷卻溫度和供應(yīng)流速主要影響中央空調(diào)的制冷功率，本文就由這兩個(gè)因素作為控制變量。

空調(diào)的作用是將室內(nèi)溫度維持在舒適的范圍內(nèi)，因?yàn)榻ㄖ锞哂袃?chǔ)熱特性，可控制空調(diào)實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，樓宇內(nèi)的熱動(dòng)態(tài)平衡式為

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；C 為空氣比熱容；V 為建筑物的體積；θt為時(shí)刻t 的室內(nèi)溫度；B 為墻體的傳熱系數(shù)；時(shí)刻t 的室外溫度；Qsolar，t為 時(shí)刻t 的太陽(yáng)輻射熱功率；Qinfle，t為時(shí)刻t 的非彈性電負(fù)荷發(fā)熱功率；Qlight，t為時(shí)刻t 的照明負(fù)荷發(fā)熱功率；Qcrowd，t為時(shí)刻t 的人體散熱功率；Qnew，t為時(shí)刻t 新風(fēng)系統(tǒng)散熱功率；QAC，t為時(shí)刻t 空調(diào)的制冷功率。

式中：Fwin為窗戶(hù)的總面積；Et為時(shí)刻t 單位面積內(nèi)太陽(yáng)輻射功率；Sshe為樓宇的遮陽(yáng)系數(shù)。

當(dāng)照明系統(tǒng)工作時(shí)，大部分電力能量轉(zhuǎn)換成熱能，有以下約束條件，可以表示為

式中：λligth為照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)換熱量的系數(shù)；Plight，t為時(shí)刻t 的照明系統(tǒng)需求功率。

非彈性負(fù)荷散熱約束條件可表示為

式中：λinfle為非彈性負(fù)荷系統(tǒng)轉(zhuǎn)換熱量的系數(shù)；為時(shí)刻t 的非彈性負(fù)荷需求功率。

人群的散熱對(duì)空調(diào)制冷能力有一定影響，人群的散熱包括顯熱和潛熱，可以表示為

式中：ncrowd，t為時(shí)刻t 樓宇內(nèi)的總?cè)藬?shù)；φ 為聚類(lèi)系數(shù)；k 為人體顯熱的冷卻負(fù)荷系數(shù)；qsen為人體的顯熱率；qlat為人體的潛熱率。

新風(fēng)系統(tǒng)中空氣對(duì)流產(chǎn)生的冷熱量交換增加了對(duì)空調(diào)的負(fù)荷要求，故可以表示為

式中：Fi為新風(fēng)量；E 為每個(gè)人必須滿足的新風(fēng)供應(yīng)量。

空調(diào)制冷，可以表示為

式中：PAC，t為時(shí)刻t 的空調(diào)制冷功率；λAC和分別是空調(diào)的性能系數(shù)（COP）和最大制冷能力。

空調(diào)系統(tǒng)的功率為

式中：PAC，t為時(shí)刻t 中央空調(diào)系統(tǒng)的功率；Pcoil，t為時(shí)刻t 冷卻線圈的功率；Pfan，t為時(shí)刻t 變頻驅(qū)動(dòng)裝置的功率；η 為冷卻線圈的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)；COP 為冷卻線圈的性能系數(shù)；k0，k1，k2為變頻驅(qū)動(dòng)裝置功率等式的系數(shù)；為進(jìn)入冷卻線圈前混合氣體的溫度。

每個(gè)時(shí)間段中央空調(diào)系統(tǒng)的控制變量是冷氣流速和冷卻線圈的冷卻溫度，即，下面給出每個(gè)控制變量的約束條件：

1.2 照明系統(tǒng)模型

在維持室內(nèi)亮度滿足需要的情況下，可以在白天電價(jià)高時(shí)，減少照明設(shè)備的使用功率。

式中：Plight，t為時(shí)刻t的照明系統(tǒng)總功率；Rlight為 單位照明亮度所需的功率；Fin為樓宇的室內(nèi)面積；ILin，t為時(shí)刻t 的照明系統(tǒng)提供的亮度。

約束條件：

式中：ILmin為室內(nèi)允許的最小照明亮度；ILmax為室內(nèi)允許的最大照明亮度；ILout，t為時(shí)刻t 室外光照強(qiáng)度。

1.3 新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)系統(tǒng)的工作功率和人流量密切相關(guān)，可表示為

式中：Pnew，t為時(shí)刻t 的新風(fēng)系統(tǒng) 總功率；ncrowd，t為時(shí)刻t 樓宇的總?cè)藬?shù)；Rnew為單位新風(fēng)量所需的功率；E 為每人必須滿足的新風(fēng)供應(yīng)量。

約束條件：

2 人流量負(fù)荷控制思路

人群的散熱對(duì)空調(diào)制冷和新風(fēng)系統(tǒng)有一定影響，因此樓宇內(nèi)部人數(shù)是該模型的重要因素。

2.1 人流量計(jì)算

對(duì)人流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)，要確定在時(shí)刻t樓宇內(nèi)一共有多少人，考慮到樓宇運(yùn)營(yíng)區(qū)域的不穩(wěn)定性，為進(jìn)一步貼合樓宇總的人流量，有全天營(yíng)業(yè)的開(kāi)放區(qū)域和不定時(shí)的營(yíng)業(yè)區(qū)域，可表示為

2.2 人流負(fù)荷控制的思路

在樓宇中，通過(guò)根據(jù)人流量的變化來(lái)實(shí)時(shí)判斷冷負(fù)荷和所需新風(fēng)量的變化，對(duì)中央空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)采取相應(yīng)的控制策略，以達(dá)到用電量最小的目的。

3 樓宇需求響應(yīng)優(yōu)化控制模型

樓宇內(nèi)包含中央空調(diào)，新風(fēng)和照明系統(tǒng)。移動(dòng)人流量對(duì)系統(tǒng)是一個(gè)重要的影響因素，人流量的多少影響了空調(diào)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)的工作功率。

為更好地調(diào)度進(jìn)行需求響應(yīng)，以樓宇用戶(hù)購(gòu)電費(fèi)用最小為目標(biāo)建立需求響應(yīng)優(yōu)化模型：

4 模型求解

每個(gè)輔助變量有如下輔助條件：

通過(guò)上述方法，模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，所提出的最優(yōu)操作可以使用YALMIP 建模環(huán)境中的CPLEX 求解器來(lái)求解。

5 案例分析

以某機(jī)場(chǎng)為例，工作時(shí)間為全天24 h 和部分區(qū)域不確定時(shí)間。由光照強(qiáng)度得到輻射強(qiáng)度為如圖1所示。

圖1 典型24 h 由光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)輻射強(qiáng)度曲線圖Fig.1 Typical 24 h predicted radiation intensity curve from light intensity

某機(jī)場(chǎng)內(nèi)全天人流量總量和吞吐量變化如圖2所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)內(nèi)各時(shí)段客流和吞吐總量Fig.2 Total passenger flow and throughput at various times in the airport

由圖2 和式（20）得到不同時(shí)刻機(jī)場(chǎng)人流總量如圖3所示。

圖3 各時(shí)刻機(jī)場(chǎng)內(nèi)人流數(shù)Fig.3 Number of people in the airport at each moment

室內(nèi)溫度適宜范圍為21 ℃～24.5 ℃；最大可購(gòu)買(mǎi)功率為800 kW；在機(jī)場(chǎng)內(nèi)，默認(rèn)一般逗留時(shí)間為3 h，Ts=3；其它的系統(tǒng)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

最優(yōu)運(yùn)營(yíng)模型的結(jié)果與樓宇需求響應(yīng)管理密切相關(guān)，考慮到這一點(diǎn)，研究了以下兩種情況，以分析樓宇需求響應(yīng)優(yōu)化控制的的效果。因?yàn)榉菑椥载?fù)荷對(duì)需求響應(yīng)系統(tǒng)無(wú)影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算，所以?xún)蓚€(gè)方案都假定任一時(shí)刻t 非彈性負(fù)荷相同，為100 kW。

方案1實(shí)施了建議的樓宇需求響應(yīng)管理，在分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下，積極地參與需求響應(yīng)。

方案2未實(shí)施建議的樓宇需求響應(yīng)管理。未考慮一天不同時(shí)段人流量不同對(duì)空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)的影響，也未考慮光照對(duì)照明系統(tǒng)的影響。認(rèn)為樓宇內(nèi)的人流量是恒定的；照明亮度由于10：00-16：00光照強(qiáng)烈而恒定一個(gè)值為160 lx，由于17：00-9：00光照較弱而恒定一個(gè)值為260 lx。由圖2 求出一天內(nèi)某時(shí)刻人流量平均數(shù)為17555 人。

5.1 兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較與分析

方案1 的每日最佳運(yùn)營(yíng)為9954.98 元，方案2的每日最佳運(yùn)營(yíng)為11550.29 元?？芍肴肆髁康男枨箜憫?yīng)管理更有助于降低成本多少，圖4 和圖5是關(guān)于功率調(diào)度的詳細(xì)息。

圖4 方案1 下的樓宇電力需求Fig.4 Building electricity demand under scenario 1

圖5 方案2 下的樓宇電力需求Fig.5 Building electricity demand under scenario 2

圖4 在分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下，中央空調(diào)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)將主要的工作時(shí)段轉(zhuǎn)移到凌晨和中午的低電價(jià)時(shí)段，對(duì)房間提前制冷換氣，減少了高電價(jià)時(shí)段的工作負(fù)荷。

5.2 算例結(jié)果分析

樓宇用戶(hù)的需求響應(yīng)管理使高電價(jià)時(shí)段的用電量可以有效減少，降低購(gòu)電花費(fèi)，使得用電更具經(jīng)濟(jì)性。

人流量對(duì)模型的影響較大，考慮人流量的情況下，用戶(hù)的需求響應(yīng)結(jié)果更好。

6 結(jié)語(yǔ)

人流量對(duì)空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)有一定的影響，所以考慮人流量并對(duì)負(fù)荷做出預(yù)測(cè)具有實(shí)際意義。通過(guò)對(duì)彈性負(fù)荷的預(yù)測(cè)，令用電量比較大的設(shè)備根據(jù)電價(jià)引導(dǎo)提前控制或?qū)崟r(shí)控制，也可以適當(dāng)放寬舒適度要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)購(gòu)電費(fèi)用最小。在本文中根據(jù)實(shí)時(shí)人流量檢測(cè)和預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種控制思路。