公共建筑HVAC系統(tǒng)優(yōu)化調度研究

左楠楠，高桂革，王 洋

（上海電機學院 電氣學院，上海 201306）

0 引言

建筑的能源智能管理是智能樓宇以及智能電網(wǎng)相關技術的重要組成部分［1］，實現(xiàn)建筑的HVAC系統(tǒng)快速調整，可以提高電力系統(tǒng)運行的靈活性［2］，有效減少建筑正常運營期間的碳排放量［3］。文獻［4］和文獻［5］采用了模型預測控制的方法分析HVAC系統(tǒng)運行情況，從而優(yōu)化單個和多個建筑的需求側響應；文獻［6］和文獻［7］對HVAC系統(tǒng)的組成器件進行精細建模，提出了不同應用場景下的需求側響應控制策略；文獻［8］開發(fā)了一個兩層分布式能源交易算法，能夠降低HVAC系統(tǒng)能耗，同時也保護了用戶的隱私。上述文獻對HVAC系統(tǒng)進行高保真物理建模，得到的模型復雜，忽略了建筑本身的特點，不能直觀反映冷熱負荷供需關系。

文獻［9］訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡（artificial neural networks，ANN）算法得到HVAC運行模型，利用乘法器交替方向法排列出基于最優(yōu)價格的HVAC系統(tǒng)輸出功率；文獻［10］應用深度確定性策略梯度法與建筑環(huán)境連續(xù)交互學習，建立對應的HVAC系統(tǒng)熱力學模型，在保證建筑內人員舒適性的情況下最小化建筑空調運行成本，但是數(shù)據(jù)驅動的HVAC模型只能遵循歷史數(shù)據(jù)反映的熱負荷變化情況，不利于HVAC系統(tǒng)的靈活控制。文獻［11］采用HVAC 系統(tǒng)的等效熱參數(shù)（equivalent thermal parameters，ETP）模型和“樓對網(wǎng)”并網(wǎng)策略，對樓宇進行優(yōu)化調度，并將調度信號下發(fā)至HVAC 控制系統(tǒng)，而一階ETP 多用于集中負荷控制［12］，二階、三階ETP的參數(shù)過多、計算量大，對調度中心的數(shù)據(jù)處理能力和通信設備要求高［13］。

基于上述分析，本文對公共建筑能源系統(tǒng)進行建模，并且采用熱力學模型，結合EnergyPlus計算室內熱負荷，建立一種精細的HVAC 系統(tǒng)能耗模型。在此基礎上，本文提出一種兩階段優(yōu)化調度方案，既可在保證室內熱舒適度的同時降低建筑耗電成本，也可減少公共建筑正常運營期間的碳排放量，達到“供隨需動”的效果。

1 公共建筑能源模型

1.1 光伏發(fā)電模型

公共建筑配有光伏發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電量可以供給建筑使用，多余的電能可以出售給電網(wǎng)。光伏的發(fā)電量計算如下

式中:PPV,t為光伏系統(tǒng)的輸出功率；Ap為陣列面積；η為光電轉換效率；Rit為太陽輻射強度。

1.2 風力發(fā)電模型

建筑所處區(qū)域預設有風力發(fā)電機，風力發(fā)電量可用于維持建筑運行，多余的電力可以出售，表示為

式中:Pwind,t為風機的輸出功率；ρ為密度；vt為瞬時風速；Aw為捕風面積；Cp為最大風能利用系數(shù)。

1.3 儲能系統(tǒng)模型

考慮公共建筑有一定容量的儲能設備（energy storage system，ESS）配合光伏出力。已知ESS系統(tǒng)的初始能量為Eb(0)，則儲能設備出力可由式（3）得到

1.4 考慮能源交易的成本模型

公共建筑在多種新能源供電的情況下，依然需要從電網(wǎng)購入一部分電量，以保證建筑的正常安全運行。同時，考慮到風電光伏在正常運營的時候，也需要一定的維護。考慮能源交易的成本模型通過式（6）和式（7）計算

式中:CDG,t為多種新能源供電的維護成本；CGRID,t為公共建筑的購電成本；δi（i=1，2，3）分別為光伏發(fā)電、風力發(fā)電、ESS 系統(tǒng)的維護成本；Pgrid,t為從電網(wǎng)購入的電能；Cpur,t為電網(wǎng)的分時電價。

2 公共建筑熱平衡模型和HVAC系統(tǒng)模型

本文主要研究HVAC 系統(tǒng)的設定值和調度，故不考慮HVAC系統(tǒng)的內部結構。HVAC系統(tǒng)的能耗受室內外熱環(huán)境的影響，下文針對制冷情景進行HVAC 系統(tǒng)建模，使用SketchUp 搭建建筑的可視化界面，結合建筑能耗模擬軟件EnergyPlus 對建筑內變化的熱負荷進行模擬計算。

2.1 建筑熱平衡模型

建筑的內表面存在幾股特定的熱流，同時考慮到公共建筑室內有一定數(shù)量的開放性區(qū)域，故建筑熱平衡方程如式（8）所示

式中:m為建筑內的空氣質量；c為空氣比熱；T為建筑室內空氣溫度；Qinternal為建筑內部載荷；Qconvection為建筑圍護結構內外熱對流產(chǎn)生的熱負荷；QHVAC為暖通空調系統(tǒng)的熱傳遞；Qgap為室外滲入室內的得熱量。自然風形成的對流將徒增建筑內的熱負荷，與人的熱舒適需求相悖，故不考慮外界環(huán)境的自然風。公共建筑內的熱平衡關系如圖1所示。

Qsr,t

Qlight,t

Qairmix,t

QHVAC,t

Qconvection,t

Qbody,t

Qgap,t

Qequipment,t

2.1.1 建筑內部熱負荷

公共建筑內部熱載荷由人體、室內照明系統(tǒng)和設備產(chǎn)生的熱負荷組成，表示為

式中:Ns為建筑內表面的數(shù)量；hi為對流系數(shù)；Ai為建筑傳熱面積；Tout,t為室外溫度；Tin,t為建筑室內溫度；Qsr為太陽光照射建筑圍護結構產(chǎn)生的熱量，由EnergyPlus模擬得到。

2.1.3 HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的冷負荷

HVAC系統(tǒng)參與動態(tài)熱平衡過程時，一般是發(fā)出冷量抵消建筑內的顯熱負荷和一部分潛熱負荷，使得室內溫度降低。HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量表達式為

式中:Gs為HVAC 系統(tǒng)供給空氣的質量流量；cp為HVAC系統(tǒng)供給空氣的比熱容；Ts,t為HVAC系統(tǒng)的送風溫度。

2.1.4 室外滲入室內的熱負荷

公共建筑本身建筑面積大，同時需要保持長時間多區(qū)域的空間開放。但開放區(qū)域一般不會利用建筑圍護結構與外界環(huán)境形成有效的隔斷，故室內的動態(tài)熱平衡需要考慮到室外環(huán)境的滲入熱量，由具體建筑特性決定，如式（14）所示

式中:0.278為滲入系數(shù)；Nk為建筑內的開放區(qū)域數(shù)量；Lj為進入HVAC系統(tǒng)工作區(qū)域的空氣量；c為空氣的比熱；ρa為室外空氣密度。

2.2 HVAC系統(tǒng)模型

本文采用大型電制冷的HVAC系統(tǒng)。經(jīng)過一段時間，建筑內的“空氣場”整體溫度會下降，但是考慮到公共建筑中因為有較大開放區(qū)域，室內氣流“充分混合”的假設并不符合公共建筑室內的實際情況。設定熱量值Qairmix，用于增加能耗以及對流得熱量的緩沖，該值在SketchUp 上建立的建筑模型由EnergyPlus計算得出，表示為

式中:Qec,t為HVAC 系統(tǒng)的制冷量；Pec,t為HVAC 消耗的電功率；EERec為HVAC系統(tǒng)的能效比。

3 基于公共建筑的兩階段優(yōu)化調度方案

基于上述模型，本文提出一種新型優(yōu)化調度方案，分為日前調度和實時調度兩階段。調度方案的計算流程如圖2所示。

圖2 計算流程Fig.2 Calculation flow

3.1 日前調度階段

3.1.1 目標函數(shù)

建立的目標函數(shù)中包含4 個部分:新能源發(fā)電維護成本、電網(wǎng)購電成本、HVAC 系統(tǒng)耗電成本、因溫度超過設定值而產(chǎn)生的罰函數(shù)成本。表示為

式中:Pbasicload,t為公共建筑的基本負荷，表示除HVAC系統(tǒng)以外的其他用電負荷，例如給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、防雷安保消防系統(tǒng)、集成綜合布線系統(tǒng)等用電負荷。

（2）冷負荷平衡約束

滿足式（15）、式（16）。

（3）建筑熱平衡約束

滿足式（8）—式（14）。

（4）各部分功率上、下限約束

光伏發(fā)電功率上、下限約束

（6）舒適度約束

舒適度評價采用ASHRAE推薦的PMV-PPD評價體系，在ISO 7730:2005 熱舒適標準中，推薦值為-0.5 ≤PMV≤0.5，對應PPD≤10%。PMV-PPD評價推薦值在一定條件下，與溫度呈式（22）表述的線性關系，且對應青年人的溫度舒適帶Tcom。表示為

3.2 實時調度階段

實時調度階段的主要目標是最小化公共建筑正常運營期間的碳排放量，實際風電光伏功率、公共建筑內人員流動情況以及室外溫度均為已知。實際的風電光伏出力和室外溫度與日前預測階段的數(shù)據(jù)具有一定誤差，導致了電力線路上的功率波動，電功率需要滿足實時功率平衡約束，具體表示為

4 算例驗證

4.1 基本參數(shù)設置

選定中國南方典型夏季日（7月13日）的全天，上海市一個圖書館（公共建筑）的運行驗證所提出調度方案的有效性。圖書館開放時間為8:00—22:00，部分場館的開放時間為8:30，關閉時間為16:00，在館人群以青年人為主。在本節(jié)中，按照圖書館所處方位在SketchUp 中搭設建筑模型，便于結合Energy-Plus 進行了建筑能耗和熱負荷分析，隨后在MATLAB 中調用YALMIP/CPLEX 求解目標函數(shù)，決策的控制時間步長為15 min。

日前調度階段目標函數(shù)中的偏置系數(shù)σ取0.972 5。新能源發(fā)電設備以及ESS系統(tǒng)的固定維護成本δi取0.001元/kWh，測算碳排放因子ε取0.613 1 kgCO2/kWh。HVAC 系統(tǒng)送風溫度以及室內溫度設定為23 ℃，電網(wǎng)的分時電價具體見文獻［14］。7月13日，圖書館內實際人員流動情況以及正常運行時圖書館的基本負荷、室外實際溫度和實際風電光伏功率如圖3所示。

圖3 仿真所需數(shù)據(jù)Fig.3 Data required for simulation

4.2 仿真結果分析

4.2.1 優(yōu)化調度結果分析

結合上述公共建筑運營情況、公共建筑熱平衡模型和實際數(shù)據(jù)，對本文提出的兩階段目標函數(shù)進行求解，得到最優(yōu)運行方案。

圖4為優(yōu)化調度結果，從圖4中可以看出，電力線上交換的功率明顯減少，這表明新能源的消納良好，蓄電池能夠不跟隨電價進行充放電，維持建筑的正常運行。圖書館建筑空間大、人員進出頻繁，開放性區(qū)域面積大導致室內溫度不能維持在某一具體溫度，圖4顯示室內溫度在設定的溫度舒適帶內不斷波動，這表明室內溫度并沒有越限，保證了建筑內的熱舒適性。

圖4 優(yōu)化功率出力Fig.4 Optimized power output

4.2.2 日前調度階段和實時調度階段結果對比

日前調度階段、實時調度階段公共建筑從電網(wǎng)購電的情況對比如圖5所示，兩個階段電力線上的傳輸功率相差較小，實時調度階段的優(yōu)化函數(shù)有效地限制了電力傳輸線上的功率波動。公共建筑只運行基本負荷時，日前調度階段的電力線傳輸功率低于實時調度階段，新能源的多余電量被盡可能多地出售給電網(wǎng)；當公共建筑正常運營時，實時調度階段為了降低碳排放量，減少了從電網(wǎng)購電的需求，此時實時調度階段的電力傳輸線功率低于日前調度階段。

圖5 調度兩階段電力線傳輸功率對比Fig.5 Comparison of power line transmission power in two stages of dispatching

利用仿真結果和圖5中所示的分時電價計算得出，此優(yōu)化調度方案可將公共建筑典型夏季日的電費降低299.83元/d，具有良好的經(jīng)濟效益。

4.2.3 HVAC系統(tǒng)運行情況分析

與公共建筑能源系統(tǒng)可以直接配合優(yōu)化調度方案不同，HVAC系統(tǒng)配合電網(wǎng)的優(yōu)化調度主要通過直接負荷控制（direct load control，DLC）實現(xiàn)［15］，不同的HVAC系統(tǒng)調控策略對其運行性能和功耗影響較大，是優(yōu)化調度方案中不可忽視的因素。為了進一步說明本文提出的優(yōu)化調度方案有效性，保持調度方案不變，針對HVAC系統(tǒng)采用不同控制策略對比其運行情況。

HVAC系統(tǒng)的調控策略可分為開關控制和過程控制［16］兩類。開關控制是依據(jù)室內溫度對HVAC系統(tǒng)進行開關操作，過程控制是依據(jù)測量狀態(tài)控制HVAC系統(tǒng)的運行情況，保證建筑內的熱舒適度。本文提出的優(yōu)化調度方案中HVAC系統(tǒng)采用過程控制策略。

圖6是HVAC系統(tǒng)在各種情況下的運行功率對比圖，圖中呈現(xiàn)了未參與調度的HVAC 系統(tǒng)運行功率、HVAC 系統(tǒng)采用過程控制策略的優(yōu)化調度結果和HVAC系統(tǒng)采用開關控制策略的優(yōu)化調度結果。

圖6 不同情況下HVAC系統(tǒng)運行功率對比Fig.6 Comparison of HVAC system operating power under different conditions

對比原HVAC系統(tǒng)運行功率和以過程控制為策略的HVAC系統(tǒng)優(yōu)化調度功率可知，HVAC系統(tǒng)功率變化與圖書館各館的開放、關閉時間有密切的聯(lián)系，在8:30和16:00這兩個時間點HVAC系統(tǒng)的功率發(fā)生突然變化。經(jīng)過優(yōu)化調度后，HVAC系統(tǒng)在圖書館開館前提前開機對圖書館內的基本熱負荷和隨時間增加的熱負荷進行預冷，在閉館前一段時間內逐漸減少HVAC系統(tǒng)的功耗，使得負荷高峰時的HVAC系統(tǒng)運行功率耗量降低。優(yōu)化調度后HVAC系統(tǒng)運行功率耗量的相比原始運行功耗下降了9.29%，通過測算碳排放因子ε對耗電功率進行折算可知，建筑運營期間的CO2排放量減少了1 117.06 kg。

采用開關控制策略的情況下，為了實現(xiàn)調度方案，需要頻繁啟停HVAC 系統(tǒng)。短時間內反復開關對HVAC 系統(tǒng)的損傷較大，而且在關閉HVAC 系統(tǒng)期間室內溫度容易超出設定范圍。過程性控制HVAC系統(tǒng)，使其功耗靈活變化，既可以滿足室內熱平衡要求，也可以滿足減少能耗和降低碳排放的要求。同時，圖6 也說明了建立的優(yōu)化調度方案不僅有利于維持室內溫度在設定范圍內，還可以避免正常運行時出現(xiàn)短時間內HVAC系統(tǒng)功率陡增或陡降的情況，降低對HVAC系統(tǒng)實際設備的損耗。

5 結論

本文針對公共建筑，建立了與公共建筑特性相適應的能源模型、建筑熱平衡和HVAC系統(tǒng)模型，提出了基于上述建筑能源及HVAC系統(tǒng)模型的兩階段優(yōu)化調度方案，主要結論如下:

（1）公共建筑的熱平衡方程中，不能忽略由開放性空間大等特點帶來的熱對流，結合EnergyPlus可以提高建筑熱平衡模型的精確度；

（2）仿真結果表明此調度方案是經(jīng)濟有效的，通過對建筑能源和HVAC 系統(tǒng)能耗進行優(yōu)化調度，能夠降低其運行功率需求，達到“供隨需動”的效果，減少正常運行期間公共建筑的碳排放量，同時也能保障室內的熱舒適性，滿足人們的需求。D