公共建筑參與電力需求響應(yīng)策略及應(yīng)用研究*

閻 俏， 張桂青， 袁銀雪， 陳 浩

(1. 山東建筑大學(xué)， 濟南 250101；2. 山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室，濟南 250101；3. 山東省建筑設(shè)計研究院有限公司，濟南 250001；4. 濟南歷下控股集團有限公司， 濟南 250014)

0 引言

未來的智慧建筑不再僅僅局限于建立舒適的建筑內(nèi)部環(huán)境，而是更加關(guān)注與城市公共信息進行互動。 電力需求響應(yīng)(Demand Response)通過改變用戶的用電行為，調(diào)動負荷資源參與電網(wǎng)調(diào)峰，是電網(wǎng)和用戶之間構(gòu)建能量和信息流動的典型應(yīng)用，體現(xiàn)了智慧建筑的社會效益。 在調(diào)動空調(diào)負荷參與電力需求響應(yīng)方面，國內(nèi)外都開展了大量研究和實證工作。 文獻[1-4]調(diào)研了美國電力市場開展需求響應(yīng)的實施情況，并對其關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備進行了研究。 Mark Goldsworthy 分析了澳大利亞境內(nèi)空調(diào)負荷的規(guī)模、地域分布等特性，為開展需求響應(yīng)做出了有益的評估[5]。 文獻[6]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(ANN)將舒適性參數(shù)和需求響應(yīng)市場的投標(biāo)價格關(guān)聯(lián)建模，提出了一種基于價格的空調(diào)末端控制策略。 文獻[7-8]從負荷聚合商的角度提出了空調(diào)集群優(yōu)化控制模型，既滿足響應(yīng)功率的需求，又兼顧溫度控制。 文獻[9-10]給出了江蘇電網(wǎng)開展大規(guī)模非生產(chǎn)性空調(diào)負荷參與電網(wǎng)有序調(diào)峰、需求響應(yīng)的系統(tǒng)框架和應(yīng)用效果。

現(xiàn)有研究大多集中在電網(wǎng)層面分析空調(diào)負荷的集群調(diào)控以及電網(wǎng)需求響應(yīng)的頂層設(shè)計，但從用戶角度分析建筑或園區(qū)參與響應(yīng)的技術(shù)手段、調(diào)控策略以及開展實例驗證的工作還遠遠不足。大型公共建筑體量大、單位能耗強度高、負荷調(diào)控方式靈活，是參與電力需求響應(yīng)的優(yōu)質(zhì)資源。 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)供應(yīng)缺口，需要啟動響應(yīng)時，在響應(yīng)前向電力用戶發(fā)出響應(yīng)邀約，告知其需要增加(或削減)的負荷值和響應(yīng)時段。 對于參與響應(yīng)的公共建筑用戶來說，可以采取多種策略去響應(yīng)這一數(shù)值，如關(guān)停某些設(shè)備、調(diào)整設(shè)備的運行參數(shù)等等。執(zhí)行不同的響應(yīng)策略會給建筑運維管理帶來不同程度的影響。 如何在這些策略中選取適當(dāng)?shù)牟呗越M合，以及如何調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，使之既能滿足電網(wǎng)的要求，又盡量降低對用戶的不利影響，是亟待解決的問題。

本文在對公共建筑內(nèi)的空調(diào)、動力、照明等各類電力負荷綜合分析的基礎(chǔ)上，形成不同設(shè)備的響應(yīng)控制策略，并計算策略的響應(yīng)功率，提出了一種基于響應(yīng)優(yōu)先級的雙層優(yōu)化方法來得到建筑的綜合響應(yīng)能力，極大地提高了響應(yīng)負荷的控制精度，為智慧建筑參與電網(wǎng)調(diào)度，助力碳中和目標(biāo)積累了寶貴經(jīng)驗。

1 響應(yīng)控制策略及響應(yīng)能力評估

1.1 響應(yīng)負荷分類

為便于需求響應(yīng)管理，首先需要分析建筑對象的負荷特點和用電規(guī)律，將可控容量較大、響應(yīng)模式運行下對用戶的工作和生活影響較小的用電設(shè)備作為參與需求響應(yīng)的調(diào)控對象。 本文按照能否參與需求響應(yīng)的程度將公共建筑內(nèi)用電負荷分為三個類別，如表1 所示，推薦第一、二類負荷參與響應(yīng)。

表1 公共建筑內(nèi)參與響應(yīng)的用電負荷分類

1.2 響應(yīng)策略

設(shè)備的響應(yīng)控制方式可以分為剛性和柔性兩種。 剛性控制是直接關(guān)停全部或部分設(shè)備；柔性調(diào)節(jié)是通過改變單一或多個設(shè)備運行參數(shù)或運行方式等手段調(diào)整設(shè)備的運行情況。 對于公共建筑來說，照明負荷和動力負荷的控制方式基本采用剛性控制；相比之下，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量大、參數(shù)多，調(diào)控方式多樣，最終可以形成多種需求響應(yīng)策略。表2 給出了中央空調(diào)系統(tǒng)在電網(wǎng)削峰指令下主要的需求響應(yīng)策略。

表2 中央空調(diào)系統(tǒng)需求響應(yīng)(削峰)策略

1.3 響應(yīng)能力評估

響應(yīng)能力評估是指在需求響應(yīng)的情況下，與基線負荷相比較，對用戶能夠削減的實際負荷大小進行計算。 每個建筑的響應(yīng)能力根據(jù)調(diào)控策略的不同而存在差異。

基線負荷是指用戶如果沒有參加需求響應(yīng)時的有功功率負荷曲線，是進行響應(yīng)能力計算和補償結(jié)算的依據(jù)。 國內(nèi)外學(xué)者對于用戶基線負荷預(yù)測的方法進行了大量的研究，大致可分為兩大類:基于傳統(tǒng)模型的基線負荷計算[11-12]和基于人工智能的基線負荷預(yù)測[13-14]。 本文采用基于CNN-LSTM模型[15]來進行基線負荷的預(yù)測，根據(jù)調(diào)控設(shè)備的不同，此處的基線負荷可分為制冷(制熱)主機、送風(fēng)機、新風(fēng)機、整個建筑等基線負荷。

此處重點討論暖通空調(diào)系統(tǒng)在柔性調(diào)控策略下的響應(yīng)能力。 空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)能力可以采用建筑能耗軟件模擬[16]或數(shù)學(xué)模型計算[17]的方法來確定。 在建筑能耗模擬軟件中，首先建立建筑圍護結(jié)構(gòu)、暖通空調(diào)系統(tǒng)及其他環(huán)境控制系統(tǒng)等的仿真模型，然后通過模擬各種控制方式，得到空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)能耗以及建筑環(huán)境的變化情況。 采用能耗模擬軟件在離線情況下進行仿真分析；利用數(shù)學(xué)模型在線運行來計算空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)能力。 下面給出中央空調(diào)系統(tǒng)幾種柔性調(diào)控策略下的響應(yīng)能力的數(shù)學(xué)模型。

(1)提高機組冷凍水的供水溫度

當(dāng)中央空調(diào)主機采用冷水機組時，在制冷量不變的情況下，機組功率在一定范圍內(nèi)會隨著蒸發(fā)溫度的提高而減小。 因此，本文采用與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度以及制冷負荷相關(guān)聯(lián)的能耗模型[18]來計算功率的變化，模型的表達式如式(1)所示:

式中，P為冷水機組的能耗，kW；tcwj為冷卻水進水溫度，℃；tchws為冷凍水供水溫度，℃；Qe為制冷負荷，kW；β0～β5為能耗模型系數(shù)。

采用二次完全回歸模型對式(1)進行擬合，可得到系數(shù)βi的數(shù)值。

在制冷負荷不變的情況下，當(dāng)改變冷凍水出水溫度時，機組功率相應(yīng)變化，與基線負荷比較后就得到響應(yīng)功率。 另外，模型使用時要考慮冷凍水出水溫度變化的約束條件，其下限受機組制冷能力限制，上限受末端除濕要求的限制，則響應(yīng)功率為:

式中，Pra1為本條策略下機組的響應(yīng)能力，kW。Pchiller為冷水機組的基線負荷均值，kW。

(2)提高送風(fēng)溫度的設(shè)定值[17]

對于變風(fēng)量空調(diào)機組的控制過程中，空調(diào)風(fēng)機的響應(yīng)能力可按能保證最末端房間送風(fēng)量的變頻電機的最低頻率來考慮，同時還需考慮末端空調(diào)機組負荷的改變對于主機功率的影響，用影響系數(shù)δ來表示。 則響應(yīng)功率為:

式中，fmin.i為第i臺變頻風(fēng)機響應(yīng)時段允許的最低頻率，Hz；fbase.i為第i臺變頻風(fēng)機正常運行時的頻率，Hz；PFAN.i為第i臺風(fēng)機正常運行時的基線負荷，kW；δ為空調(diào)末端負荷變化對主機的影響系數(shù)；Pchiller為制冷主機正常運行的功率，kW。

(3)提高房間溫度的設(shè)定值

風(fēng)機盤管的溫控器通過傳感器測得室內(nèi)溫度，與設(shè)定溫度比較，當(dāng)室溫低于設(shè)定值時，控制器關(guān)閉冷凍水管路上的電動閥和風(fēng)機，風(fēng)機盤管停止對室內(nèi)空氣的制冷。 當(dāng)設(shè)定溫度提高后，風(fēng)機盤管關(guān)閉的次數(shù)增多，用電量減少。 根據(jù)文獻[16]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，室內(nèi)設(shè)定溫度提高1℃，單位面積的平均建筑負荷會降低6.6%。 則響應(yīng)能力如式(4)所示:

式中，Δtda為房間溫度提高差值；δ2為風(fēng)機盤管負荷變化對基線負荷的影響系數(shù)，可取0.06；Pbase為建筑的基線負荷均值，kW。

2 基于響應(yīng)優(yōu)先級的綜合響應(yīng)能力雙層優(yōu)化

2.1 確定響應(yīng)優(yōu)先級

對于每個公共建筑，經(jīng)過分析后形成的響應(yīng)策略較多，為便于后期的綜合決策，需要為每條策略確定響應(yīng)優(yōu)先級。 假定某個建筑共有n條響應(yīng)策略，將最先執(zhí)行的那條策略的優(yōu)先級確定為1 級，1即為最高級，然后向后逐條遞增，直至最后n級。 每條策略的優(yōu)先級唯一，響應(yīng)時根據(jù)優(yōu)先級由高到低執(zhí)行策略。

確定優(yōu)先級的基本原則是對用戶的工作或生活影響越小的策略具有越高的優(yōu)先級。 空調(diào)負荷對于用戶的影響主要體現(xiàn)在室內(nèi)溫度變化對人體舒適度的影響。 為了量化這種影響，此處引入舒適度評價因子Dcomf[19]，如式(5)所示:

其中n表示某建筑內(nèi)帶有空調(diào)末端的房間總個數(shù)；δi由式(6)確定:

式中，δi為單個房間的舒適度偏差因子；θi為室內(nèi)實際溫度，℃；θset為室內(nèi)溫度的設(shè)定值，℃，也是每個房間內(nèi)用戶對室內(nèi)溫度的期望值。 考慮到室內(nèi)溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)小范圍波動不影響人體舒適性，因此，引入了溫度上波動偏差Δθ1和下波動偏差Δθ2。 由式(5)可以看出，舒適度評價因子Dcomf越小，用戶的舒適度越高。

對應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的每個響應(yīng)策略，都可以通過建筑能耗模擬軟件，調(diào)整控制參數(shù)得到系統(tǒng)的響應(yīng)能力并模擬出執(zhí)行響應(yīng)后室內(nèi)溫度的變化，然后由式(5)和(6)來確定每條響應(yīng)策略的舒適度評價因子，因子越小，說明對用戶的影響越小，可以賦予較高的需求響應(yīng)優(yōu)先級。

2.2 綜合響應(yīng)能力的雙層優(yōu)化方法

當(dāng)每條策略的響應(yīng)能力和優(yōu)先級確定以后，系統(tǒng)需要根據(jù)認(rèn)繳負荷(目標(biāo)值Pgoal)的大小，確定策略執(zhí)行的具體方案，此時僅執(zhí)行一種策略并不能滿足要求，需要綜合考慮多個策略的組合結(jié)果。 本文提出一種雙層決策優(yōu)化方法以得到最優(yōu)的策略組合。 雙層決策分為兩部分，第一層為某一種響應(yīng)策略內(nèi)部運行參數(shù)的調(diào)整，第二層為多種策略類型的組合優(yōu)化。 流程圖如圖1 所示。 具體過程如下。

圖1 綜合響應(yīng)能力雙層決策優(yōu)化方法流程圖

(1)在計算得到每種策略響應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，首先考慮對用戶影響較小的第1 優(yōu)先級的策略，即i＝1，i為優(yōu)先級，最大值為n。 此時運行參數(shù)j按該參數(shù)可調(diào)整的最大值m 考慮；例如對于表2 中“提高冷水機組出水溫度”策略，本條策略是通過提高中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水出水溫度來降低空調(diào)機組的用電量，假定出水溫度的可調(diào)范圍為3℃，如果當(dāng)前的出水溫度為7℃，則最大可調(diào)整上限為10℃。 按10℃來計算，可以得到該優(yōu)先級策略的響應(yīng)能力Pi.j。

(2)將Pi.j和目標(biāo)值Pgoal比較，如果Pi.j大于目標(biāo)值，則下調(diào)一級參數(shù)數(shù)值，j＝j(luò)-1，重新計算Pi.j，再進行比較。 這種單一策略的內(nèi)層參數(shù)調(diào)整直至可調(diào)參數(shù)達到下限為止，此時得到的Pi.j即是和目標(biāo)值最匹配的系統(tǒng)綜合響應(yīng)能力Pi.sum。

(3)如果Pi.j小于目標(biāo)值，說明單一策略的響應(yīng)能力不足以滿足電網(wǎng)需要，還需進一步考慮對用戶影響次之的第2 優(yōu)先級的策略，并根據(jù)式(7)得到系統(tǒng)的綜合響應(yīng)能力Pi.sum。 當(dāng)多種策略實施時，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的響應(yīng)能力并不是每種策略實施效果的直接相加，因此，考慮同時系數(shù)kΣ來體現(xiàn)這種影響。

式中，Pl.j為不同策略的響應(yīng)能力，可以通過前文描述的響應(yīng)能力評估模型得到。

(4)將Pi.sum和目標(biāo)值Pgoal比較，如果Pi.sum大于目標(biāo)值，則將第i優(yōu)先級的參數(shù)下調(diào)，重新進行優(yōu)化計算。 否則，再疊加第i+1 優(yōu)先級的策略，直至達到或剛剛超過電網(wǎng)調(diào)峰的目標(biāo)值，優(yōu)化過程結(jié)束。

通過運行參數(shù)的調(diào)整(第一層優(yōu)化)以及多種策略的組合(第二層優(yōu)化)，就能找到公共建筑最終的綜合響應(yīng)能力Pi.sum，這個數(shù)值與電網(wǎng)需要的目標(biāo)負荷最為匹配，并且也是建筑自身多種響應(yīng)策略的最優(yōu)組合。 因為在方法中考慮了用戶的響應(yīng)意愿以及對用戶舒適度的影響，在滿足電網(wǎng)要求的同時，可將用戶的工作或生活帶來的影響降到最低。

3 需求響應(yīng)的效果評價指標(biāo)

每次需求響應(yīng)事件執(zhí)行后，可以從響應(yīng)負荷的精確度和響應(yīng)延遲時間兩方面進行評價，以判定響應(yīng)事件的有效性。 響應(yīng)負荷的精確度指標(biāo)可分為:絕對指標(biāo)和相對指標(biāo)。 絕對指標(biāo)就是以響應(yīng)時段內(nèi)用戶實際用電曲線與基線負荷的差值作為最終結(jié)算的實際響應(yīng)負荷。 通常電網(wǎng)企業(yè)將絕對指標(biāo)作為補償結(jié)算的依據(jù)。 相對指標(biāo)又稱為認(rèn)繳性能指標(biāo)(subscribed performance index，SPI)，為用戶削減的平均負荷與其認(rèn)繳負荷削減量之比，是評價響應(yīng)結(jié)果的重要指標(biāo)。 響應(yīng)延遲時間指標(biāo)可以從響應(yīng)事件開始計時直到達到或接近削減的平均負荷時的時間，是衡量響應(yīng)事件執(zhí)行快慢的參考指標(biāo)。

4 應(yīng)用實例

4.1 項目簡介

本文選取山東省濟南市某公共建筑為對象，設(shè)計并開發(fā)了電力需求響應(yīng)系統(tǒng)。 該大樓建筑面積5.46 萬m2，主要作辦公用途。 夏季采用水冷式中央空調(diào)機組制冷，其中包含螺桿式冷水機組2 臺，每臺額定制冷量1 504.41kW，額定電功率為282kW；定風(fēng)量風(fēng)機盤管約為310 個。 該建筑已經(jīng)安裝了建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)BAS(Building Automation System)，因此，可將BAS 主控制器接入需求響應(yīng)系統(tǒng)，即可實現(xiàn)對空調(diào)、照明、熱水器、電梯等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；同時選取合適地點安裝物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，與照明控制器、電能表和室內(nèi)溫控器進行信息通信。

4.2 效果分析

針對本工程的實際情況，確定了三條電力調(diào)峰響應(yīng)策略，分別是:提高冷凍水供水溫度、減少運行機組數(shù)量、關(guān)閉樓層電熱水器；其中，前兩條響應(yīng)策略的執(zhí)行都會影響室內(nèi)的溫度。 圖2 為TRNSYS 軟件模擬2020 年夏季某日該建筑平均室內(nèi)熱負荷變化情況。

圖2 室內(nèi)熱負荷仿真圖

可以看出，與27℃的室溫相比，要將室內(nèi)溫度維持在25℃時，所需冷負荷更多，最大差值為1 734kW。

通過采集一段時間的冷凍水出水溫度、冷卻水出水溫度及制冷量，將冷水機組的能耗模型進行參數(shù)擬合，能夠得到式(1)中系數(shù)β0～β5的數(shù)值，如表3 所示。

表3 冷水機組能效模型擬合參數(shù)

圖3 是利用機組的能耗模型得到的功率和實測功率的對比，兩組數(shù)據(jù)的均方根誤差RMSE 為9.53，可以滿足工程應(yīng)用的需要。

圖3 冷水機組實際能耗與模型預(yù)測能耗對比圖

根據(jù)舒適度評價因子Dcomf的大小來確定前兩條策略的響應(yīng)優(yōu)先級，計算結(jié)果如表4 所示。

表4 濟南市某建筑需求響應(yīng)(調(diào)峰)策略實施情況

對應(yīng)于第一條策略的舒適度評價因子數(shù)值較小，說明執(zhí)行本條策略給室內(nèi)溫度帶來的影響小于第二條策略。 此時，室內(nèi)溫度設(shè)定值θset為25℃，上下波動偏差都為2℃。 按冷機出水溫度可調(diào)整參數(shù)的最上限4℃來計算，響應(yīng)時長為60min。

圖4 為公共建筑需求響應(yīng)管理系統(tǒng)進行電網(wǎng)互動的人機界面。

圖4 電網(wǎng)互動界面

系統(tǒng)可在當(dāng)日對電網(wǎng)的需求邀約進行響應(yīng)，功率采集時間為10min。 界面上顯示接收到的電網(wǎng)邀約指令，包含響應(yīng)類型、容量、響應(yīng)時間及最高限價等信息，根據(jù)電網(wǎng)的響應(yīng)時間，計算出基線負荷并以曲線形式展示。 同時將經(jīng)過決策后的調(diào)控策略和響應(yīng)能力顯示在界面上，最終系統(tǒng)操作員將參與響應(yīng)的信息上報給電網(wǎng)。 進行調(diào)試工作時，將響應(yīng)目標(biāo)確定為150kW，經(jīng)過優(yōu)化決策后，確定了前兩條響應(yīng)優(yōu)先級的策略，即:“關(guān)閉樓層電熱水器”和“提高冷凍水出水溫度”，參與最后的執(zhí)行，這兩條策略的綜合響應(yīng)能力能達到184kW。

為了查看某次響應(yīng)事件的詳細信息，系統(tǒng)還設(shè)計了響應(yīng)追蹤功能，如圖5 所示，可以通過選擇時間查詢到歷史上執(zhí)行過的響應(yīng)事件，查看事件詳細參數(shù)，基線負荷、響應(yīng)后負荷以曲線形式直觀展示。

圖5 響應(yīng)追蹤界面

圖6 為基線負荷和響應(yīng)后實際的負荷曲線，響應(yīng)時間為12 ∶30-13 ∶30，考慮到水空調(diào)系統(tǒng)有較大的熱慣性，實際執(zhí)行策略的時間比響應(yīng)時間提前了10min，因此響應(yīng)延遲時間指標(biāo)處于理想值0min。

圖6 響應(yīng)前后的負荷曲線

從曲線圖中可以看出，響應(yīng)期間，該建筑的用電負荷從平均值1 217kW 降至987kW，負荷下降達175kW，完全滿足認(rèn)繳負荷的目標(biāo)要求。

為了追蹤響應(yīng)策略對建筑內(nèi)環(huán)境的影響，圖7對比了兩種策略實施情況下的室內(nèi)溫度的變化。

圖7 室內(nèi)溫度的變化曲線

可以看到，在實施“關(guān)停機組”策略后，室內(nèi)溫度上升較快，溫度偏差在3.5℃，舒適性下降嚴(yán)重，且響應(yīng)結(jié)束后的溫度恢復(fù)過程也較慢；在“提高冷凍水溫度”策略實施情況下，室內(nèi)溫度的波動很小，在1℃左右，對于建筑環(huán)境的不利影響較小。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計和開發(fā)了一套面向公共建筑的電力需求響應(yīng)管理系統(tǒng)，提出了一種確定建筑綜合響應(yīng)能力的雙層決策方法，該方法通過為每條策略建立響應(yīng)優(yōu)先級，來保證策略執(zhí)行的先后順序。 通過工程實例，驗證了這種方法的可行性和有效性，既能夠在多個響應(yīng)策略中優(yōu)選出與響應(yīng)目標(biāo)值最匹配的執(zhí)行策略，又盡可能降低對用戶的不利影響。 目前，對于部分策略的響應(yīng)優(yōu)先級的確定主要依賴用戶的主觀意愿，客觀評價標(biāo)準(zhǔn)還有待于完善，需要進一步對需求響應(yīng)給建筑用戶帶來的影響進行深入研究。