呂寶龍 鄭承新 李鎮(zhèn)東 趙鴻飛
(1、武漢光谷綠動能源有限公司,湖北 武漢 430073 2、國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 102209)
以醫(yī)院為場景的智慧能源系統(tǒng)通常以分布式能源為主要形式。分布式能源站不但能夠提供電、熱、冷、汽、水“一籃子”的能源解決方案,而且能夠通過融合先進的感知、通訊、運行優(yōu)化及控制技術(shù),實現(xiàn)能耗和能效提升[1]。分布式能源能夠從源側(cè)以及源荷互動的角度優(yōu)化建筑能耗。同時在建筑領(lǐng)域,近年來我國的建筑節(jié)能政策、相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟,不論是新建的民用建筑工程還是建筑節(jié)能環(huán)保的改造工程均有較高的能耗質(zhì)量[2]。
湖北省某新建醫(yī)院采用了分布式能源站作為能源解決方案,19 年底完成整體搬遷后,19~20 年冬季的供暖出現(xiàn)了能耗過大的問題,本文嘗試從建筑節(jié)能理論和醫(yī)院建筑設(shè)計材料以及醫(yī)院所屬能源站的實際運行數(shù)據(jù)入手,對該建筑的整體能耗進行分析,同時結(jié)合能源站工況尋優(yōu)軟件,分析找尋能耗偏高原因并給出運行指導(dǎo)。
本節(jié)基于醫(yī)院現(xiàn)場的用能現(xiàn)狀和能源站運行數(shù)據(jù),從環(huán)境溫度、通風(fēng)(含新風(fēng)系統(tǒng))量、用能習(xí)慣等方面,對醫(yī)院熱負荷偏高的現(xiàn)象給出分析。
根據(jù)傳熱學(xué)原理,換熱量與室內(nèi)外溫差成正比,其中維持合理的室內(nèi)溫度是供熱效果的核心指標。根據(jù)《城市集中供熱管理辦法》規(guī)定第二十三條:用戶室內(nèi)采暖溫度為18℃±2℃,且不低于16℃。此處我們選取醫(yī)院的室內(nèi)溫度為18℃進行分析。
同時,從中央氣象臺獲取當?shù)氐奶鞖鈿v史數(shù)據(jù)如下:
表1 當?shù)厥覂?nèi)外溫度表
從數(shù)據(jù)可知,20 年冬季的氣溫較19 年低是導(dǎo)致熱負荷升高的原因之一。由于19 年和20 年的平均風(fēng)速值近似相等,空氣流速對對流換熱系數(shù)的影響可忽略。由此可知其他條件不變,由于氣溫差異導(dǎo)致20 年12 月的冬季熱負荷比19 年同期升高16.2%。
根據(jù)樓宇傳熱計算的習(xí)慣,按照換熱方式和換熱系數(shù)不同,將換熱量進行拆分計算:
【總傳熱量】=【外墻傳熱量】+【外窗傳熱量】+【屋頂傳熱量】+【滲透傳熱量】
由于門窗通風(fēng)、新風(fēng)系統(tǒng)均是將戶外的空氣進入室內(nèi),從而帶來散熱損失,他們直接影響【滲透傳熱量】。同時根據(jù)有關(guān)規(guī)定,公共場所需保持開窗通風(fēng),其中帶有新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的有關(guān)建筑建議保持全開狀態(tài),下文將基于此對其影響進行計算分析。
1.2.1 新風(fēng)系統(tǒng)能量計算
對于醫(yī)院,新風(fēng)系統(tǒng)- 空調(diào)系統(tǒng)的耗能占整個樓宇25%-50%(甚至更高)。根據(jù)設(shè)計圖紙中的新風(fēng)系統(tǒng)選型、空氣參數(shù)等數(shù)據(jù),可得到20 年12 月,新院區(qū)新風(fēng)系統(tǒng)的實際制熱功率,以及在19 年同期的環(huán)境條件下,同等建筑的新風(fēng)系統(tǒng)制熱功率。
表2 新風(fēng)系統(tǒng)能耗表
由表可知,20 年12 月在新風(fēng)系統(tǒng)全開的情況下,單機制冷功率近似等于額定功率,驗證了該估算方式的可行性。同時比19 年的氣象條件,同樣在新風(fēng)系統(tǒng)全開的情況下,20 年的新風(fēng)熱負荷提高了25.9%。
1.2.2 通風(fēng)量影響分析
通過測試房間的溫度和建筑供暖能耗,定量分析了開窗造成的熱損失大小,利用示蹤氣體法得到了不同窗戶開度下房間的通風(fēng)換氣次數(shù)[4]。所測試的7 個小區(qū)的開窗熱損失最高達到0.05GJ/(m2·a),占建筑耗熱量的15 %左右,開窗熱損失量超過了其他熱損失環(huán)節(jié)。
醫(yī)院從2020 年11 月供暖開始,收疫情政策的影響門窗開啟,同時許多通道封閉措施不嚴等現(xiàn)象導(dǎo)致采暖熱損失增大,估計建筑耗熱量損失增加10%以上。
本文選取并采集了醫(yī)院能源站12 月21 日的運行數(shù)據(jù),作為典型日數(shù)據(jù),并對比參考能源站“可行性研究報告”中的設(shè)計參數(shù),對醫(yī)院- 能源站的系統(tǒng)進行分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總、清洗、計算,得到醫(yī)院的典型日實際負荷曲線與設(shè)計熱負荷曲線。
圖1 熱負荷負荷曲線對比
12 月21 日醫(yī)院的實際日熱負荷總量:231.35GJ,同時,設(shè)計報告中院冬季典型日熱負荷總量:279.36GJ,二者量級一致。通過對比分析,發(fā)現(xiàn):實際熱負荷在日內(nèi)的峰谷差距不明顯,日內(nèi)最高10.6Gj/h,最低9.1 Gj/h,即工作時間負荷與夜間負荷基本相同。
為驗證此現(xiàn)象,從能源站DCS 系統(tǒng)中截取12 月6 日(星期日)和12 月15 日(星期二),此時能源站采暖出水溫度均設(shè)定在55℃左右,通過觀察回水溫度,發(fā)現(xiàn)醫(yī)院供暖曲線平滑,工作日下班時段采暖負荷下降不明顯。
分析原因,可能是醫(yī)院的住院負載較門診偏高,同時非工作時間,有人忘記關(guān)閉空調(diào),導(dǎo)致熱量無差別浪費。
綜上所述,通過分析醫(yī)院2020 年的用能現(xiàn)狀和能源站運行數(shù)據(jù),嚴寒天氣、不良的用能習(xí)慣共同造成醫(yī)院熱負荷偏高的現(xiàn)象。
本節(jié)從能源站運行尋優(yōu)的角度,利用工況尋優(yōu)系統(tǒng),對其運行參數(shù)進行優(yōu)化分析,挖掘其能耗、經(jīng)濟性空間,對能源站的后續(xù)運行提供指導(dǎo)。
能源站包含800kw燃氣內(nèi)燃機2 臺、煙氣熱水型溴化鋰2臺(與燃機一拖一部署,額定制冷功率930kw、制熱功率800kw)、900RT 電制冷4 臺、3.5mw 燃氣真空供熱鍋爐2 臺、2.8mw 燃氣真空熱水鍋爐1 臺、2t/h 燃氣蒸汽鍋爐2 臺、156kwp屋頂光伏。能夠為用戶提供電、熱、冷、熱水、蒸汽等多類型能源。能源站供熱設(shè)備于2020 年11 月投運供暖,內(nèi)燃機及發(fā)電機組于2020 年12 月正式供電。
本文所使用的的工況尋優(yōu)系統(tǒng),是運用機理建模與基于能源站傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的大數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù),實現(xiàn)能源系統(tǒng)動態(tài)尋優(yōu)模型的構(gòu)建及在線自演進、自優(yōu)化。同時,運用AI 尋優(yōu)技術(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性與能耗優(yōu)化提升的動態(tài)尋優(yōu)目標。
尋優(yōu)系統(tǒng)主要分為5 個功能模塊:(按照運行的調(diào)用流程)日前的負荷預(yù)測和生產(chǎn)計劃,實時的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟性評估,利用歷史數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練。5 個模塊組成了一個閉環(huán),預(yù)測結(jié)果是生產(chǎn)計劃的條件、生產(chǎn)計劃作為調(diào)度指令的參考,實時尋優(yōu)的結(jié)果作為經(jīng)濟性評估的標桿工況,同時經(jīng)濟性結(jié)果是模型訓(xùn)練迭代的目標,模型自演進為后續(xù)的模塊提供更準確的模型,最終形成一個循環(huán)上升的效果。
尋優(yōu)系統(tǒng)平臺使用Orleans 微服務(wù)架構(gòu)、底層Linux 系統(tǒng)、應(yīng)用Docker 容器化部署,與DCS 系統(tǒng)的通訊接口采用Modbus實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和下控,在硬件方面關(guān)鍵設(shè)備的熱備、物理隔離等,共同保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可用、可拓展。
由于醫(yī)院冬季的典型日電負荷數(shù)據(jù)未采集,所以本文選用設(shè)計電、熱負荷作為邊界條件進行尋優(yōu)計算,按照能源站傳統(tǒng)的“以熱定電”模式進行運行模擬,得到設(shè)備負荷分配指令,作為尋優(yōu)模式的對比。
圖2 用戶冬季典型日電負荷及“以熱定電”工況運行曲線圖
圖3 用戶冬季典型日熱負荷及“以熱定電”工況運行曲線圖
同時,根據(jù)能源站與業(yè)主方、燃氣公司等公司簽訂的采購合同,梳理出能源單價如表3 所示,作為計算的關(guān)鍵邊界條件。
表3 單位能耗及售能價格
將用戶負荷曲線導(dǎo)入計算模型,同時將系統(tǒng)設(shè)置為測試模式進行離線計算,通過工況尋優(yōu)算法計算得到能效最高的設(shè)備出力指令。
圖4 冬季負荷及設(shè)備理想出力圖
圖5 冬季運行成本對比圖
通過對結(jié)果可知,首先,分布式能源站能夠降低系統(tǒng)的運行成本,而運用尋優(yōu)算法可以比“以熱定電”模式進一步節(jié)約運行成本。同時,智能尋優(yōu)對比“以熱定電”模式的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)智能尋優(yōu)的燃機出力很低,并維持在基本出力。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),是當時的燃機價格較高,導(dǎo)致內(nèi)燃機發(fā)電的能效較低,所以尋優(yōu)算法主動降低了燃機的出力。
我國已經(jīng)全面推行綠色建筑理念,通過技術(shù)創(chuàng)新和施工管理的有效結(jié)合,切實提升了建筑的保溫性能、降低了單位供暖能耗[5]。但是不能忽略的是,在實際的生產(chǎn)生活過程中,嚴寒天氣、相關(guān)政策、不良的用能習(xí)慣同樣會造成建筑能耗偏高的現(xiàn)象。
因此,在源側(cè)的供暖單位(如分布式能源站)需要采取合理的運行控制策略,通過融合機器學(xué)習(xí)。人工智能尋優(yōu)等數(shù)字化技術(shù),控制優(yōu)化供熱量,使其隨著供暖負荷的變化及時調(diào)整,減少過量供熱的情況。同時在用戶側(cè),尤其是公共場所,如辦公區(qū)、商業(yè)建筑、學(xué)校醫(yī)院等,應(yīng)優(yōu)化能耗管理模式,減少能源的浪費現(xiàn)象,共同推進并實現(xiàn)綠色建筑理念。