商業(yè)樓宇用能控制策略研究及應(yīng)用

龍 禹，阮文駿，朱宇超，甘春江

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南京供電分公司，南京 210000）

0 引言

近年來(lái)，江蘇省電力負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，用電峰谷差不斷擴(kuò)大，且新能源、分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)，電源側(cè)調(diào)峰調(diào)差能力減弱，所以電網(wǎng)安全性形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)建筑體總量和能耗強(qiáng)度在持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從建筑業(yè)房屋施工面積來(lái)看，2020年我國(guó)建筑總面積約為700億m2。其中，2020年商業(yè)樓宇建筑業(yè)房屋施工面積為149.5億m2，比上年增加5.35億m2，占建筑總面積的21%，單位能耗是其他建筑的2倍多。由此可見，商業(yè)樓宇用能占比較高，單位能耗也高。因此，建筑商業(yè)樓宇智能用能管理控制系統(tǒng)將樓宇群體用能設(shè)備整合為大規(guī)?？煽厝嵝载?fù)荷，可參與電網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)目前商業(yè)樓宇自動(dòng)化水平低，導(dǎo)致能源利用不充分、能耗高的普遍問(wèn)題，以建設(shè)商業(yè)樓宇用能控制系統(tǒng)為切入點(diǎn)，為客戶提供抑制需求側(cè)不合理能源消費(fèi)的整體解決方案，可推動(dòng)商業(yè)樓宇用能設(shè)備、系統(tǒng)間的泛在聯(lián)接，提升商業(yè)樓宇舒適度與智控能力，降低用能成本，提高綜合能效水平［1］。

為解決商業(yè)樓宇能源管理和需求響應(yīng)的問(wèn)題，文獻(xiàn)［2］提出了基于虛擬調(diào)峰管理中央空調(diào)系統(tǒng)的具體實(shí)施方法；文獻(xiàn)［3］提出了基于負(fù)荷聚合商業(yè)務(wù)的需求響應(yīng)資源整合方法及其商業(yè)模式的推廣途徑；文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］提出了計(jì)及規(guī)模化空調(diào)熱平衡慣性的空調(diào)負(fù)荷參與削峰模型；文獻(xiàn)［6］針對(duì)以往中央空調(diào)對(duì)終端整體調(diào)節(jié)的控制方法，提出了基于局部終端溫度調(diào)節(jié)的控制策略；文獻(xiàn)［7］提出了商務(wù)樓中央空調(diào)群輪停的市場(chǎng)運(yùn)作模式及策略優(yōu)化模型，不僅建立了滿足舒適度及調(diào)峰需求的中央空調(diào)柔性調(diào)控優(yōu)化決策模型，也建立了針對(duì)居民的同時(shí)考慮用電費(fèi)用指標(biāo)和用戶舒適度指標(biāo)的多目標(biāo)空調(diào)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［8］提出需求響應(yīng)（demand response，DR）可通過(guò)對(duì)用電負(fù)荷的靈活調(diào)整，達(dá)到削峰填谷的效果，緩解供需失衡的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于系統(tǒng)可靠性的改善具有極大作用；文獻(xiàn)［9］提出在區(qū)域能源互聯(lián)系統(tǒng)中，需求響應(yīng)改變了電力用戶的常規(guī)用電習(xí)慣，增加了預(yù)測(cè)環(huán)境的不確定因素。

但是，目前的商業(yè)樓宇用能系統(tǒng)各硬件組成彼此獨(dú)立，用能控制技術(shù)落后，優(yōu)化策略算法應(yīng)用不夠充分，與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展要求不匹配，主要存在以下問(wèn)題。

一是缺乏全域感知。對(duì)客戶設(shè)備、系統(tǒng)狀態(tài)的全面感知能力缺失，客戶用能信息感知不及時(shí)、不全面、不精細(xì)，設(shè)備狀態(tài)量、環(huán)境量感知覆蓋不足，無(wú)法滿足能效提升和各類資源參與電網(wǎng)互動(dòng)?？蛻粲媚芎Ａ繑?shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用還處于較低水平。

二是系統(tǒng)只監(jiān)不控。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)智能建筑中僅有34%能實(shí)現(xiàn)用能系統(tǒng)的全局或局部自動(dòng)優(yōu)化，大部分處于只監(jiān)不控狀態(tài)；僅有7%的智能建筑應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供冷、供熱、末端設(shè)備的協(xié)同優(yōu)化控制。手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制仍是普遍現(xiàn)象，難以適應(yīng)空調(diào)節(jié)能控制要求。

三是綜合能效水平普遍低下。2018年我國(guó)商業(yè)樓宇運(yùn)行能耗約占全社會(huì)能耗的1/8（約8000億kWh），單位面積能耗為其他建筑的2～3倍。商業(yè)樓宇用能管理普遍存在能效管理粗放、節(jié)能技術(shù)短缺、缺乏優(yōu)化調(diào)度等問(wèn)題，不滿足高質(zhì)量發(fā)展要求，能效管理存在較大提升空間。

四是與電網(wǎng)普遍缺乏互動(dòng)?，F(xiàn)有商業(yè)樓宇用能控制系統(tǒng)以能源自我管理為主要目標(biāo)，尚未建立需求響應(yīng)和市場(chǎng)交易業(yè)務(wù)模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)樓宇用戶與電網(wǎng)的友好互動(dòng)和參與電力市場(chǎng)交易。

本文基于CPS架構(gòu)技術(shù)，設(shè)計(jì)了商業(yè)樓宇CPS用能控制系統(tǒng)架構(gòu)，以客戶為中心，需求為導(dǎo)向，創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，安全為前提，以源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同服務(wù)為目標(biāo)，加強(qiáng)關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)用攻關(guān)，加快智能裝備和系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，做好網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)保障，推動(dòng)客戶側(cè)用能設(shè)備深度感知、運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化和電網(wǎng)友好互動(dòng)，促進(jìn)能源高效利用，提高終端用能效率、電網(wǎng)設(shè)備利用率和新能源消納水平。

1 電力市場(chǎng)環(huán)境下的商業(yè)樓宇用能現(xiàn)狀

自2015年發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體質(zhì)改革的若干意見（中發(fā)〔2015〕9號(hào)）》后，我國(guó)開啟了新一輪電力體制深化改革。電力供需互動(dòng)，以及客戶側(cè)需求響應(yīng)成為了當(dāng)下電力市場(chǎng)化改革、智能電網(wǎng)建設(shè)、可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)等電力系統(tǒng)新形勢(shì)下的發(fā)展趨勢(shì)，也是構(gòu)建完善、健全、高效電力市場(chǎng)的必要條件，這對(duì)系統(tǒng)安全、可靠、綠色運(yùn)行產(chǎn)生積極的影響。電力供需互動(dòng)是一個(gè)“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的過(guò)程，需要電力網(wǎng)與信息網(wǎng)相互作用、相互影響，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息物理融合過(guò)程。在電力供需互動(dòng)的要求下，提升能源利用率需要掌握客戶側(cè)商業(yè)樓宇的用能情況。

目前，商業(yè)樓宇各種類型的空調(diào)得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)一些大中城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份的空調(diào)負(fù)荷已占夏季最大負(fù)荷的30%以上，某些地區(qū)甚至已經(jīng)超過(guò)了40%，并且在未來(lái)幾年還將呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。受空調(diào)負(fù)荷影響，各電網(wǎng)用電負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，峰谷差進(jìn)一步拉大，空調(diào)負(fù)荷的急劇增長(zhǎng)已經(jīng)成為夏季電網(wǎng)負(fù)荷特性惡化和電力緊缺的重要原因。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)商業(yè)樓宇中央空調(diào)負(fù)荷占樓宇總負(fù)荷的40%左右，并且這些負(fù)荷主要集中在夏季用電高峰期的數(shù)百小時(shí)內(nèi)，其負(fù)荷的快速增長(zhǎng)和集中使用對(duì)電網(wǎng)安全和電力平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。如果單純依靠增加裝機(jī)容量來(lái)滿足短暫的尖峰用電，需要付出巨大的投資，同時(shí)導(dǎo)致設(shè)備利用率較低，能源的使用效率和整體經(jīng)濟(jì)性不高。因此通過(guò)技術(shù)手段在用電高峰期降低商業(yè)樓宇中央空調(diào)負(fù)荷，能夠起到削減電網(wǎng)尖峰負(fù)荷、減少發(fā)電設(shè)備投資，提高電網(wǎng)供電安全性的重要作用。

一些地方雖然利用商業(yè)樓宇中央空調(diào)負(fù)荷的可控性，在電網(wǎng)高峰時(shí)對(duì)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電網(wǎng)削峰起到了一定作用，但是存在著以下不足：

（1）計(jì)算商業(yè)樓宇中央空調(diào)負(fù)荷的可調(diào)整負(fù)荷容量缺乏科學(xué)的方法，沒(méi)有綜合考慮空調(diào)運(yùn)行和環(huán)境等多種因素，空調(diào)負(fù)荷調(diào)控缺乏客觀依據(jù)。

（2）商業(yè)樓宇中央空調(diào)與電網(wǎng)之間缺少信息的動(dòng)態(tài)交流和溝通，導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷調(diào)整的計(jì)劃和執(zhí)行孤立于電網(wǎng)，無(wú)法最大限度發(fā)揮商業(yè)樓宇中央空調(diào)對(duì)電網(wǎng)的削峰作用。

（3）由于在空調(diào)負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中沒(méi)有對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和計(jì)算，所以空調(diào)控制策略不能動(dòng)態(tài)隨環(huán)境條件變化，這樣很難保證空調(diào)負(fù)荷調(diào)整與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

因此，針對(duì)上述不足，結(jié)合當(dāng)下市場(chǎng)環(huán)境現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)電力供需互動(dòng)，利用信息物理融合理論（CPS理論），本文在此背景下對(duì)支撐電力供需的信息物理融合模型進(jìn)行研究，該模型稱為電力網(wǎng)與信息網(wǎng)融合模型或者電力CPS模型。

2 系統(tǒng)總體情況

通過(guò)調(diào)研，針對(duì)上述現(xiàn)有系統(tǒng)與技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)出如圖1所示的中央空調(diào)系統(tǒng)物理模型。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)物理模型Fig.1 Physical model of central air conditioning system

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷熱源主機(jī)系統(tǒng)（又稱“制冷劑循環(huán)系統(tǒng)”）、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及多個(gè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（又稱“末端空調(diào)箱系統(tǒng)”）組成，通常采用液體氣化制冷的原理，為空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供所需冷量，用以抵消室內(nèi)環(huán)境的熱負(fù)荷，通過(guò)將冷氣集中處理并分別送到不同的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的目的。常用的制冷劑有：氨（R717）、氟利代烷（R22、R134a、R410A等）。

工作原理主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）制冷劑相變制冷：制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，經(jīng)冷凝器放熱液化，經(jīng)膨脹閥減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中常溫水的熱量，產(chǎn)生制冷用的冷凍水，冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管中吸收周圍空氣的熱量，產(chǎn)生了低溫空氣，被風(fēng)機(jī)送到房間中去，達(dá)到降溫目的；

（2）冷卻塔對(duì)流換熱：制冷劑在冷凝器中液化放出的熱量，通過(guò)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)吸收，冷卻水通過(guò)這次熱交換變成高溫水，進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行冷卻，變成常溫水，以便再次利用。經(jīng)蒸發(fā)器氣化后的制冷劑再次進(jìn)入壓縮機(jī)，開始下一個(gè)循環(huán)。

模型特色有以下幾點(diǎn)。

（1）采用“點(diǎn)-線-面”的全局調(diào)控。與之前單體設(shè)備節(jié)能改造不同，該模型不是著眼于一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備或某一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，而是真正把主機(jī)、循環(huán)系統(tǒng)以及末端管網(wǎng)有效的整合在一起，充分的挖掘了空調(diào)的節(jié)能潛力；

（2）突破能效瓶頸，動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。本文搭建了熱慣量與基線預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)測(cè)溫度走向，動(dòng)態(tài)調(diào)整各子系統(tǒng)參數(shù)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與建設(shè)思路

3.1 總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)就是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)典型的“云-管-邊-端”的架構(gòu)體系，如圖2所示，具體含義如下。

圖2 CPS用能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of CPS energy consumption control system

云：應(yīng)用“大云物移智鏈”技術(shù)，部署省級(jí)客戶側(cè)智慧用能服務(wù)平臺(tái)，匯聚海量客戶側(cè)數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建數(shù)據(jù)聚集、快速迭代、融合共享的泛在物聯(lián)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)客戶用能狀態(tài)的全息感知、全域物聯(lián)以及多元化網(wǎng)荷互動(dòng)。

管：通過(guò)混合組網(wǎng)方式，搭建平臺(tái)與客戶側(cè)互聯(lián)資源的能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“多流合一”的交互樞紐。

邊：部署邊緣路由器，匯聚屬地物聯(lián)數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建自動(dòng)化、智能化、模塊化的屬地自洽系統(tǒng)，因地制宜結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景，提升客戶側(cè)物聯(lián)資源管理的精細(xì)化和靈活性。

端：通過(guò)部署不同類型的采集傳感器，實(shí)現(xiàn)客戶側(cè)設(shè)備資源的泛在互聯(lián)和即時(shí)感知。

3.2 建設(shè)思路

從上述架構(gòu)中可以看出主要硬件建設(shè)改造集中在“端”部，此部分各子系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)于CPS用能控制系統(tǒng)起到很重要的作用，具體建設(shè)思路見表1。

表1 系統(tǒng)建設(shè)思路Table 1 System construction idea

4 模型與策略

4.1 模型策略總體架構(gòu)

用能優(yōu)化控制CPS系統(tǒng)，針對(duì)能效提升場(chǎng)景，在滿足舒適度的前提上，通過(guò)熱慣量模型，實(shí)現(xiàn)用戶能效提升和運(yùn)行用能成本降低；針對(duì)需求響應(yīng)場(chǎng)景和現(xiàn)貨市場(chǎng)交易場(chǎng)景，通過(guò)基線預(yù)測(cè)模型以及價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)機(jī)制，在研判電網(wǎng)響應(yīng)能力、用戶用能成本以及舒適度的基礎(chǔ)上，采用柔性負(fù)荷調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)用能設(shè)備及負(fù)荷的調(diào)控。總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型策略總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of model strategy

4.2 能效提升模型及算法

能效提升方面應(yīng)用熱慣量模型，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)溫度及負(fù)荷走向，基于支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）算法對(duì)冷凍水循環(huán)子系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)子系統(tǒng)以及末端空調(diào)箱子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)控策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。模型內(nèi)置的學(xué)習(xí)模式實(shí)時(shí)更新迭代歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)冷熱源主機(jī)、循環(huán)管網(wǎng)以及末端空調(diào)箱的持續(xù)優(yōu)化控制。

冷凍水循環(huán)子系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備包括主機(jī)和冷凍水泵兩部分。為了能效提升，需要對(duì)冷凍水泵進(jìn)行改造，改造前冷凍水泵都是50 Hz定頻運(yùn)行。改造后通過(guò)冷凍水主管出水、回水溫度之間的溫差對(duì)水泵進(jìn)行變頻控制（水泵運(yùn)行頻率在35～50 Hz之間），通過(guò)“大溫差、小流量”的運(yùn)行方式，在滿足末端需冷量的前提下，降低水泵頻率，減少水泵能耗。

冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)主要耗能設(shè)備包括冷卻塔（冷卻風(fēng)機(jī)）和冷卻水泵兩部分，改造前只要冷水機(jī)組處于工作狀態(tài)，所有冷卻塔風(fēng)機(jī)就會(huì)全開，水泵也是全部運(yùn)行。為了提升能效，可通過(guò)加裝室外溫室度傳感器，以及加裝冷卻水循環(huán)出回水溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)以及冷卻水水泵的自動(dòng)啟?？刂?，減少能源浪費(fèi)。

末端空調(diào)箱子系統(tǒng)，針對(duì)商業(yè)樓宇的餐飲區(qū)域，改造前末端空調(diào)箱的電磁閥和風(fēng)機(jī)是全開的狀態(tài)，不但造成了能源浪費(fèi)，還造成了室內(nèi)溫度冷熱不均。因此需要對(duì)末端空調(diào)箱的電磁閥和風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，在風(fēng)管處加裝溫度傳感器；通過(guò)采集不同區(qū)域的出風(fēng)溫度，控制調(diào)整各個(gè)區(qū)域的末端空調(diào)箱電磁閥開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域溫度區(qū)間的合理匹配。在降低能耗的同時(shí)，用戶的舒適度也得到了大幅提升。

基于上述模型，利用各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各采集點(diǎn)信息、水泵頻率、電動(dòng)閥閥位以及環(huán)境參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，通過(guò)SVM算法，可得到調(diào)控的優(yōu)化策略，具體優(yōu)化策略如表2所示。

表2 策略表Table 2 Strategy table

5 成效分析

（1）項(xiàng)目商業(yè)模式

項(xiàng)目采用合同能源管理模式，由投資方投資500萬(wàn)元，前3年獲取節(jié)能收益的100%，從第4年起獲取40%的收益。經(jīng)推算，考慮客戶節(jié)能與參與需求響應(yīng)方面的收益，投資回收期約5年。未來(lái)，現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制完善后，可進(jìn)一步縮短投資回收期。

（2）能效收益分析

以某樓宇項(xiàng)目為例，目前年用電量超過(guò)3000萬(wàn)kW，年電費(fèi)約為2 000萬(wàn)元，其中空調(diào)系統(tǒng)用能占比30%以上，年電費(fèi)約為600萬(wàn)元。通過(guò)實(shí)施空調(diào)系統(tǒng)改造，冷凍水系統(tǒng)能效可提升30%、冷卻水系統(tǒng)能效可提升15%、末端空調(diào)系統(tǒng)能效可提升10%，整體系統(tǒng)能效可提升15%～25%。按照20%的平均能效提升率計(jì)算，該樓宇項(xiàng)目每年的能效提升收益約為120萬(wàn)元。

（3）需求響應(yīng)收益分析

以某實(shí)際樓宇項(xiàng)目為例，通過(guò)CPS參與自動(dòng)需求響應(yīng)，目前可調(diào)的最高負(fù)荷量達(dá)到2 800 kW。江蘇地區(qū)目前參與實(shí)時(shí)需求響應(yīng)的用戶，按照相關(guān)政策，可獲取30元/kW的補(bǔ)貼，依此測(cè)算，用戶每次需求響應(yīng)最高可獲得8.4萬(wàn)元，按照每年1至2次的需求響應(yīng)頻次，該樓宇項(xiàng)目每年的需求響應(yīng)收益約8萬(wàn)～16萬(wàn)元。

6 需求響應(yīng)節(jié)能控制實(shí)例分析

基于用能優(yōu)化控制CPS系統(tǒng)的實(shí)際計(jì)算方式，在接收調(diào)控需求指令后，自動(dòng)匹配策略，現(xiàn)以某實(shí)際樓宇項(xiàng)目為例，選取2019年5月26日和5月27日開展節(jié)能算法試運(yùn)行工作，一方面對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，另一方面通過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)算法進(jìn)行調(diào)優(yōu)，并驗(yàn)證各項(xiàng)功能是否正常。

6.1 冷卻塔控制整體分析

（1）控制理論：冷卻塔風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量通過(guò)冷機(jī)負(fù)載比算基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)，通過(guò)室外溫度和濕球溫度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2）5月26日最高室外溫度為28℃，最高室外濕球溫度為19.82℃，系統(tǒng)算出來(lái)需要維持在10～11臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)天氣溫較涼快時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行8臺(tái)左右即可。冷卻塔運(yùn)行情況如圖4所示。

圖4 5月26日商場(chǎng)冷卻塔運(yùn)行情況Fig.4 Operation situation of cooling tower in shopping mall on May 26

由圖4可知，主機(jī)（額定功率833 kW）穩(wěn)定運(yùn)行后負(fù)荷一直維持在680 kW上下并有逐步降低的趨勢(shì)，10:00打成自動(dòng)，冷卻塔風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)一直維持在10至11臺(tái)之間。冷卻塔出水溫度在25.8℃上下波動(dòng)，整體散熱效果較好，可適當(dāng)調(diào)低。

（3）5月27日最高室外溫度為31.2℃，最高濕球溫度為21.63℃，系統(tǒng)算出來(lái)需要維持在10至13臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，在傍晚18:00左右較涼快時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行8臺(tái)即可，把冷卻塔都打成了手動(dòng)，剩余2臺(tái)還是自動(dòng)，這時(shí)候系統(tǒng)認(rèn)為仍需要開13臺(tái)風(fēng)機(jī)，2臺(tái)自動(dòng)加上8臺(tái)手動(dòng)的，故實(shí)際運(yùn)行了10臺(tái)。冷卻塔運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 5月27日商場(chǎng)冷卻塔運(yùn)行情況Fig.5 Operation situation of cooling tower in shopping mall on May 27

由圖5可知，系統(tǒng)計(jì)算出10至13臺(tái)運(yùn)行是較為合理的，冷卻塔10:00打成自動(dòng)，一開始因?yàn)橹鳈C(jī)負(fù)載高所以冷卻塔風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)會(huì)上升，但受制于每次波動(dòng)的限制，上升較慢，之后上下波動(dòng)也較慢。當(dāng)主機(jī)功率下來(lái)時(shí)，室外溫度和濕球溫度上升了，故冷卻塔個(gè)數(shù)一直維持在12臺(tái)。因?yàn)橹鳈C(jī)在16:30—17:00停了0.5h。當(dāng)再運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于負(fù)荷較高，且室外濕球溫度沒(méi)怎么變化，溫度也在28℃以上，所以冷卻塔風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)并沒(méi)有減少。在傍晚溫度下降時(shí)，可把風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)調(diào)低。

（4）分析總結(jié)：該分析充分考慮了環(huán)境溫度等因素，有時(shí)系統(tǒng)溫度比經(jīng)驗(yàn)值高，因此不能僅從冷卻塔數(shù)量上來(lái)判斷冷卻塔是否節(jié)能。通過(guò)系統(tǒng)控制的冷卻塔風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)確實(shí)是略微偏大的，需要對(duì)調(diào)整因子略作優(yōu)化，使其更貼近商業(yè)樓宇的實(shí)際優(yōu)化需求。

6.2 冷凍水泵頻率控制整體分析

通過(guò)冷凍水出回水溫差，來(lái)對(duì)冷凍水泵頻率進(jìn)行比例、積分、微分（proportion integration differentia?tion，PID）調(diào)節(jié)。因商場(chǎng)壓力需要，水泵頻率暫不讓控制，仍舊是定頻運(yùn)行，2臺(tái)均以45 Hz運(yùn)行。具體數(shù)據(jù)如下（27日主機(jī)在16:30—17:00停了0.5 h，故出回水溫差出現(xiàn)較大變化）。

（1）控制理論：通過(guò)冷凍水出回水溫差，來(lái)對(duì)冷凍水泵頻率進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

（2）5月26日商場(chǎng)冷凍水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 5月26日商場(chǎng)冷凍水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)折線Fig.6 Broken line of operation data of chilled water pump in shopping mall on May 26

（3）5月27日商場(chǎng)冷凍水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖7。

圖7 5月27日商場(chǎng)冷凍水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)折線Fig.7 Broken line of operation data of chilled water pump in shopping mall on May 27

（4）分析總結(jié)：該分析充分考慮了環(huán)境溫度等因素，且考慮一些商業(yè)樓宇的壓力需要，水泵頻率暫不調(diào)整，保持定頻運(yùn)行，即2臺(tái)均以45 Hz運(yùn)行。具體數(shù)據(jù)27日主機(jī)在16:30—17:00停了0.5 h，故出回水溫差出現(xiàn)較大變化。

6.3 冷機(jī)出水溫度控制分析

（1）控制理論：通過(guò)室外溫濕度和冷量的歷史數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型，通過(guò)當(dāng)前室外溫濕度預(yù)測(cè)冷量，通過(guò)冷量需求、主機(jī)實(shí)際能效比情況、室內(nèi)溫度、當(dāng)前冷凍水出水溫度計(jì)算運(yùn)行主機(jī)的出水溫度。

（2）5月26日商場(chǎng)冷水機(jī)組數(shù)據(jù)如圖8。

圖8 5月26日商場(chǎng)冷水機(jī)組冷凍水溫度折線Fig.8 Broken line of chilled water temperature of chiller in shopping mall on May 26

5月26日該商場(chǎng)4號(hào)主機(jī)的運(yùn)行特性：9:00開機(jī)，設(shè)置冷凍水出水溫度12℃，剛開機(jī)時(shí)負(fù)荷會(huì)較高，會(huì)高出額定功率833 kW，主機(jī)冷凍水出水溫度在30 min內(nèi)從22.1℃降到13.4℃，再經(jīng)過(guò)30 min穩(wěn)定在12℃。系統(tǒng)在運(yùn)行期間算出來(lái)的數(shù)據(jù)一直維持原狀不控。

（3）5月27日商場(chǎng)冷水機(jī)組數(shù)據(jù)如圖9。

圖9 5月27日商場(chǎng)冷水機(jī)組冷凍水溫度折線Fig.9 Broken line of chilled water temperature of chiller in shopping mall on May 27

5月26日商場(chǎng)4號(hào)主機(jī)的運(yùn)行特性：8:45開機(jī)，初始冷凍水出水溫度為12℃，主機(jī)冷凍水出水溫度在60 min內(nèi)從22℃降到13.8℃，再用了90 min，從13.8℃降到12℃，相比較于26日在60 min就降到12℃。原因主要是室外溫度和濕球溫度都比26日同時(shí)段要高2～3℃左右，主機(jī)熱交換效率變低。

（4）分析總結(jié)：該分析充分考慮了環(huán)境溫度等因素，冷機(jī)的出水溫度設(shè)定范圍限定在7～12℃，因26日和27日的天氣情況，系統(tǒng)計(jì)算出的冷機(jī)出水溫度都在上限值12℃，或者不控，所以全天的冷機(jī)出水溫度從一開始就一直是12℃，能夠滿足運(yùn)行控制要求。

6.4 人工控制和系統(tǒng)智能化的對(duì)比

商業(yè)樓宇建筑面積較大，用電量很大，如空調(diào)系統(tǒng)全部通過(guò)人工操作的話，并不能控制好使用的時(shí)間段，能源浪費(fèi)情況嚴(yán)重。

圍繞客戶側(cè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)總構(gòu)架，以源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同服務(wù)為目標(biāo)，加強(qiáng)關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)用攻關(guān)，加快智能裝備和系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，做好網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)保障，推動(dòng)客戶側(cè)用能設(shè)備深度感知、運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化和電網(wǎng)友好互動(dòng)，促進(jìn)能源高效利用，提高終端用能效率、電網(wǎng)設(shè)備利用率和新能源消納水平，支撐公司綜合能源業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于電力市場(chǎng)環(huán)境下的商業(yè)樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了商業(yè)樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)。本文充分考慮江蘇省商業(yè)樓宇用能規(guī)模大、能耗強(qiáng)度高，能效提升及需求響應(yīng)空間大等情況，解決了由于缺乏自動(dòng)化系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)能源浪費(fèi)情況嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在采集監(jiān)測(cè)不足、系統(tǒng)孤立運(yùn)行、缺乏優(yōu)化調(diào)度等客戶痛點(diǎn)問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，需在電網(wǎng)互動(dòng)方面，細(xì)化可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源分類，完善需求響應(yīng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，應(yīng)用虛擬電廠、需求響應(yīng)及智能控制技術(shù)，加強(qiáng)模型算法研究和關(guān)鍵設(shè)備研制，為源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同服務(wù)提供智慧支撐，實(shí)現(xiàn)樓宇30%最大負(fù)荷響應(yīng)能力；在市場(chǎng)交易方面，采用自動(dòng)競(jìng)價(jià)投標(biāo)方式，參與電網(wǎng)自動(dòng)需求響應(yīng)和電力市場(chǎng)交易，根據(jù)中標(biāo)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)樓宇不同設(shè)備電量分配及用能調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)時(shí)結(jié)算對(duì)應(yīng)負(fù)荷的中標(biāo)收益，推動(dòng)商業(yè)樓宇用戶參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，指導(dǎo)用戶最優(yōu)化的響應(yīng)電力市場(chǎng)的價(jià)格機(jī)制，降低自身用能成本。