分布式能源站的空調(diào)冷熱負(fù)荷預(yù)測和分析

高群偉 　朱晨光　郝徐進(jìn)　黃曉洋

分布式能源系統(tǒng)（ DES）是涵蓋各種發(fā)電、儲能和能源監(jiān)控的解決方案。分布式能源站是指功率不大（ 幾十千瓦到幾十兆瓦）、小型模塊化、分布于負(fù)荷附近的 清潔環(huán)保發(fā)電設(shè)施，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的發(fā)電形式 。冷熱電負(fù)荷綜合預(yù)測具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確度，是電力系 統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和能量管理的重要模塊。預(yù)測分布式能源站的空調(diào)冷熱負(fù)荷作為智慧能源建設(shè)的關(guān)鍵 點，通過設(shè)計建模，以達(dá)到較佳的智慧能源建設(shè)效果?，F(xiàn) 就分布式能源站的空調(diào)冷熱負(fù)荷預(yù)測分析如下：

當(dāng)前在智慧能源的建設(shè)領(lǐng)域，形成了一種以能 源產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)為手段，綜合 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)及可再生能源的建設(shè)方法，來滿足區(qū)域功 能目標(biāo)的現(xiàn)實需求。分布式能源站在傳統(tǒng)供能形式的基礎(chǔ) 上，形成了一種集合“電、熱、冷、水、氣”等多形式的 供能。在實現(xiàn)大范圍供能上，更符合行業(yè)業(yè)態(tài)要求，也更 能在供能區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的增長及其分期建設(shè)中，提升供能經(jīng) 濟(jì)性效果。分布式能源站冷熱負(fù)荷預(yù)測，能夠準(zhǔn)確預(yù)測各 地塊及各供能分區(qū)未來的負(fù)荷增長情況，且適用于對尚未 開發(fā)的地塊和區(qū)域的預(yù)測。

（一）預(yù)測方法

表1 分布式能源站冷熱負(fù)荷預(yù)測方法流程

（二）預(yù)測中的關(guān)鍵問題

由于分布式能源站的供能面積較大，供能范圍 內(nèi)道路、河流等分布情況復(fù)雜，為減少能源站和降低管 網(wǎng)施工難度，降低供能能耗，提高項目經(jīng)濟(jì)性，要嚴(yán)格遵 守《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》、《燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉?技術(shù)應(yīng)用手冊》等書籍規(guī)范。根據(jù)地塊建設(shè)進(jìn)度確定地塊 現(xiàn)狀，該建設(shè)進(jìn)度具體包括未拍地、已拍地、報建、設(shè)計 、施工和投產(chǎn)。對于已投產(chǎn)地塊，按照實際開始用能時間 計算。對于未投產(chǎn)地塊，根據(jù)地塊建設(shè)進(jìn)度按照下文公式 推算開始用能時間，并預(yù)測各地塊負(fù)荷的逐年增長情況。 對于不同業(yè)態(tài)，其負(fù)荷增長的速度不盡相同。逐年負(fù)荷 數(shù)據(jù)具體包括：用能分區(qū)數(shù)量、用能地塊數(shù)量、用能建筑 面積、用能負(fù)荷。分布式能源站項目通常需要根據(jù)供能區(qū) 域內(nèi)負(fù)荷的增長情況分期建設(shè)，其依據(jù)是供能分區(qū)內(nèi)各地 塊的逐年負(fù)荷增長情況，通過環(huán)路流量與水溫將兩者進(jìn)行 耦合，以總換熱量為指標(biāo)，對室外溫度逐時變化系數(shù)加以 配比（β）。對于總供能負(fù)荷較小、地塊數(shù)量較少的供能 分區(qū)，前期采用臨時供能或共用臨近分區(qū)供能設(shè)施的方式 ，待分區(qū)內(nèi)總供能負(fù)荷和用能地塊數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時， 則建設(shè)正式的供能設(shè)施，以此提高項目的經(jīng)濟(jì)性。

（三）涉及的預(yù)測公式

1.確定用能對象的熱/冷負(fù)荷公式：

QS=S×Q （1）

式中，Qs為用能對象的基準(zhǔn)負(fù)荷（單位：w） ;s為用能對象的用能面積（單位：m）;Q 為用能對象所屬的建筑業(yè)態(tài)的單位面積冷/熱負(fù)荷指標(biāo)（單位：w/ m）;

2.外界環(huán)境溫度相關(guān)的熱，冷負(fù)荷相關(guān)負(fù)荷， 公式為：

Qwh =awuw（t-t） （2）

式中，Qwh為圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷（單位：w）;aw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總的表面積（單位：m）; uw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（單位：w/（m·℃））; t為室內(nèi)設(shè)計溫度（單位：℃）;t為室外溫度（單位：℃ ）;

3.對公式（2）進(jìn)行變換簡化，結(jié)果為：

Qwh=aw×uw×（t- t）=awuwt- awuwt （3）

式中，k為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度變化系數(shù)（單位：w/ ℃），b為常數(shù)（單位：w）;當(dāng)外界環(huán)境溫度t等于室外設(shè) 計溫度t時的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷Qwh= pQs;當(dāng)外 界環(huán)境溫度t等于室內(nèi)設(shè)計溫度ta時圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷Qwh =0;

4二次校正通過熱/冷負(fù)荷逐時使用系數(shù)確定 ，具體公式為：

Qsn =Qwh，n×Ri+Qel，n×Ri （4）

式中，Qsn為n時刻的熱/冷負(fù)荷（單位：w） ;Qel，n為n時刻除圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱/冷負(fù)荷外的其他熱冷負(fù)荷 （單位：w）;Ri為一日中i時刻的逐時負(fù)荷系數(shù)。

（四）設(shè)計實現(xiàn)

本實驗通過應(yīng)用一種區(qū)域供能冷熱負(fù)荷預(yù)測方 法，充分考慮了建設(shè)進(jìn)度、業(yè)態(tài)類型、建成后用途等參數(shù) 的影響，更能準(zhǔn)確地預(yù)測各地塊及各供能分區(qū)未來的負(fù) 荷增長情況，并且適用于尚未開發(fā)的地塊和區(qū)域。該方法 物理意義清晰、簡單且易于實現(xiàn)。以優(yōu)選實施為例，通過 收集區(qū)域內(nèi)各地塊的地塊編號、建筑名稱、業(yè)主單位、計 劃開工時間、計劃用能時間、地塊建設(shè)進(jìn)度、業(yè)態(tài)、地塊 面積、容積率、計算建筑面積、設(shè)計建筑面積和建成后用 途等負(fù)荷相關(guān)參數(shù)，并以此選定各業(yè)態(tài)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)計 算各地塊的冷、熱負(fù)荷。受區(qū)域供能的供能面積較大，供 能范圍內(nèi)道路、河流等分布情況復(fù)雜，需根據(jù)設(shè)計規(guī)苑， 充分考慮經(jīng)濟(jì)供能半徑和負(fù)荷大小劃分供能分區(qū)，以減 少能源站及管網(wǎng)施工難度，降低供能能耗，提高項目經(jīng)濟(jì) 性。同時使用中的系數(shù)計算是根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手 冊》、《燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)應(yīng)用手冊》等書籍規(guī) 范，并結(jié)合同類型項目確定的經(jīng)驗取值。即首先根據(jù)地塊 建設(shè)進(jìn)度確定地塊現(xiàn)狀，該建設(shè)進(jìn)度具體包括未拍地、已 拍地、報建、設(shè)計、施工和投產(chǎn)。

以計算而得的開始用能時間為起點，根據(jù)各地 塊負(fù)荷相關(guān)參數(shù)預(yù)測各地塊負(fù)荷的逐年增長情況。對于已 投產(chǎn)并且已達(dá)到設(shè)計滿負(fù)荷地塊按照實際負(fù)荷記錄，在計 算期內(nèi)各年負(fù)荷相同。對于未投產(chǎn)地塊，以開始用能時間 為起點，分析業(yè)態(tài)影響具體因子如：居住、辦公、商業(yè) 、工業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、酒店、車站、航站樓和數(shù)據(jù)中心 等。對于不同業(yè)態(tài)，其負(fù)荷增長的速度不盡相同，例如醫(yī) 院和學(xué)校的負(fù)荷增長通常很快，而居住、辦公等業(yè)態(tài)負(fù)荷 增長相對較慢，因此其應(yīng)當(dāng)作為一個重要的影響因子。

（五）預(yù)測結(jié)果及其應(yīng)用可行性分析

分布式能源系統(tǒng)負(fù)荷分析以指標(biāo)法為基礎(chǔ)，通 過調(diào)研典型建筑業(yè)態(tài)具體冷/熱負(fù)荷特性，將指標(biāo)法與 用能特性、外界溫度變化特性相結(jié)合計算用能對象的逐時 熱/冷負(fù)荷，此方法計算簡便且準(zhǔn)確。對比現(xiàn)有的負(fù)荷計 算方法，分布式能源系統(tǒng)負(fù)荷分析在優(yōu)化其系統(tǒng)裝機(jī)、 提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性上更具應(yīng)用價值。

（六）實證分析

某地區(qū)規(guī)劃建設(shè)1棟供能面積 50000m的商場及1棟供能面積3000m的辦公樓，擬采用樓宇型分布式能 源供能，夏季冷負(fù)荷分析中，通過查詢該地區(qū)全年逐時 氣溫數(shù)據(jù)，夏季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度ts為34.4℃，商 場室內(nèi)設(shè)計溫度24℃、辦公樓室內(nèi)設(shè)計溫度26℃。依據(jù) 計算結(jié)果確定商場冷負(fù)荷指標(biāo)為300w/m 、辦公樓冷負(fù)荷指標(biāo)130w/m;確定商場圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷 占比0.17、辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占比0.34。商場冷負(fù)荷15mw，辦公樓冷 負(fù)荷為3.9mw。商場圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與溫度擬合曲線為 Qwh=0.2452t-5.8846;辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與溫度擬 合曲線為Qwh=0.1579t-4.1043;通過華電源、Dest等軟 件查詢a地區(qū)全年逐時氣溫數(shù)據(jù)，冬季空調(diào)室外設(shè)計干 球溫度為-2.2℃，商場室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃、辦公樓室 內(nèi)設(shè)計溫度為18℃。確定商場采暖熱指標(biāo)為 100w/m，辦公樓冷負(fù)荷指標(biāo)為60w/m;確定商場圍護(hù)結(jié)構(gòu) 負(fù)荷占比0.60，辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占比為0.75;將得到的商場逐時熱 負(fù)荷曲線、辦公逐時熱負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加，疊加后即為能 源站供能對象的全年熱負(fù)荷變化曲線。

分布式能源站冷熱負(fù)荷預(yù)測方法，充分考慮了 建設(shè)進(jìn)度、業(yè)態(tài)類型、建成后用途等參數(shù)的影響，能夠更 為準(zhǔn)確地預(yù)測各地塊及各供能分區(qū)未來的負(fù)荷增長情況， 并且適用于尚未開發(fā)的地塊和區(qū)域。該方法物理意義清晰、 簡單且易于實現(xiàn)。利用上述技術(shù)，以實現(xiàn)對負(fù)荷的有效預(yù)測 。

在分布式能源站的系統(tǒng)布局中，對比常規(guī)分供 系統(tǒng)，其采用單位面積法估算冷熱負(fù)荷，按照以冷熱 定電的方式確定發(fā)電設(shè)備容量。借鑒其在財務(wù)凈現(xiàn)值 、動態(tài)投資回收期、財務(wù)內(nèi)部收益率、節(jié)能上通過能量 當(dāng)量法，建筑業(yè)態(tài)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占總熱負(fù)荷比，圍護(hù)結(jié) 構(gòu)負(fù)荷占總冷負(fù)荷比：寫字樓0.55～0.75，0.25～0.35 賓館0.55～0.68，0.45—0.6，商場0.45～0.65，0.1～ 0.18，住宅0.75～0.9。為保證能源站技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的合理性 ，綜合考慮了能源利用效率、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、合規(guī)性、地區(qū) 限定政策等，確定了各部分能源形式的比例，并對其進(jìn) 行了合理規(guī)劃。在測評層面，采用了江水直接冷卻技術(shù) ，經(jīng)測評，該系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的供冷供熱系統(tǒng)，夏季節(jié)約 費用993.3萬元，冬季節(jié)約費用909.4萬元，具有良好的 經(jīng)濟(jì)性。以APEC低碳示范城鎮(zhèn)建設(shè)指標(biāo)體系為規(guī)劃導(dǎo)則， 依據(jù)基礎(chǔ)指標(biāo)和應(yīng)用指標(biāo)中的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化指標(biāo)評價 分?jǐn)?shù)項，從APEC低碳示范社區(qū)區(qū)域能源資源供能潛力計 算出發(fā)，結(jié)合區(qū)域能源負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行低碳社區(qū)的區(qū)域能 源規(guī)劃，結(jié)合整個社區(qū)的規(guī)劃，在該低碳生態(tài)示范區(qū)內(nèi) 設(shè)置四個能源站，基于能源供需比較和社區(qū)內(nèi)用能特點， 提供多種能源形式互為補(bǔ)充、綜合利用復(fù)合能源系統(tǒng)，優(yōu) 化區(qū)域低碳能源結(jié)構(gòu)，在不同季節(jié)保證系統(tǒng)長年高效的運(yùn) 行。采用地埋管與換熱水箱并聯(lián)的方式作為復(fù)合冷熱源 ，可同時實現(xiàn)紅外偽裝和節(jié)能要求。為探討該復(fù)合冷熱源 系統(tǒng)的運(yùn)行換熱特性，基于TRNSYS軟件建立地埋管、換熱 水箱數(shù)理模型，首先對流體流速、進(jìn)口溫度等影響因素 進(jìn)行模擬分析，證實只要滿足流量配比控制適當(dāng)，復(fù)合冷 熱源可滿足戰(zhàn)時空調(diào)系統(tǒng)的供冷需求，復(fù)合冷熱源之間 存在最佳流量配比，β值（β-室外空氣溫度逐時變化系 數(shù)）越大，最佳流量配比的值越小，且不受環(huán)路流量與進(jìn) 口水溫變化的影響，當(dāng)B為1.0、1.5、2.0時，最佳流量配 比依次為4/6、3/7、2/8。采用基于BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)能耗預(yù)測與監(jiān)控系統(tǒng)，將室外溫濕度、房 間冷熱負(fù)荷、空調(diào)維持溫濕度作為BP神經(jīng)的輸入，利用 DeST分析并仿真在不同環(huán)境條件下的空調(diào)能耗，證實兩者 誤差百分比在區(qū)間[-1.319%，1.270%]。

預(yù)計應(yīng)用后，根據(jù)空調(diào)運(yùn)行情況，收集每個時 間粒度空調(diào)負(fù)荷數(shù)據(jù)，粒度至少到小時級，換而言之，每 個空調(diào)在每個小時要有一條負(fù)荷記錄。收集空調(diào)參數(shù)記錄 ，包括以下基本信息：冷劑類型、定頻＼變頻、制冷量， 其中制冷劑（冷媒）類型包括：r22、r410、r32等多種類 型。根據(jù)所屬區(qū)域獲取環(huán)境溫度，建立環(huán)境溫度與時間關(guān)系 數(shù)據(jù)集，粒度至少到小時級。根據(jù)收集的具體參數(shù)，結(jié) 合獲取的環(huán)境溫度，基于多參數(shù)回歸模型訓(xùn)練負(fù)荷預(yù)測模 型，將訓(xùn)練模型參數(shù)記錄入庫;引入時間段維度，歷史同 期時間段內(nèi)，模型參數(shù)波動有一定閾值，通過檢查離群點 ，篩選去除離群點，將訓(xùn)練結(jié)果集進(jìn)行收斂，存儲預(yù)測模 型參數(shù)。具體所述的多參數(shù)回歸模型訓(xùn)練負(fù)荷預(yù)測模型 為：αx制冷劑類型+βX環(huán)境溫度+γx制冷量+δx定/ 變頻=y負(fù)荷，根據(jù)上述公式中收集的歷史空調(diào)負(fù)荷數(shù)據(jù)， 訓(xùn)練回歸模型，擬合得出參數(shù)α、β、γ、δ;完成訓(xùn)練 模型。完成的訓(xùn)練模型，結(jié)合待預(yù)測空調(diào)參數(shù)與環(huán)境溫度 ，將回歸模型參數(shù)做離群點檢測，進(jìn)一步優(yōu)化多元回歸預(yù) 測模型，完成未來一段時間空調(diào)負(fù)荷預(yù)測。根據(jù)影響空 調(diào)負(fù)荷的參數(shù)而建立的多元回歸模型，通過k-means算法 去除離群點，進(jìn)一步收斂，提升模型預(yù)測的準(zhǔn)確度。該預(yù)測 方法能夠簡明、有效、快速、準(zhǔn)確的完成空調(diào)負(fù)荷預(yù)測，能 夠為能源管理平臺用電能源預(yù)測與評估提供有效的數(shù)據(jù)支持 。

上文概述了分布式能源站的空調(diào)冷熱負(fù)荷預(yù)測 背景和意義，通過構(gòu)筑分布式能源站的空調(diào)冷熱負(fù)荷預(yù)測 模型及其實施細(xì)節(jié)，結(jié)果表明，分布式能源站的空調(diào)冷熱 負(fù)荷預(yù)測更能滿足智慧能源的建設(shè)要求。