基于分時電價的建筑虛擬儲能利用

石蔚杰, 劉青榮

(上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

全球變暖問題正在引起全世界的關(guān)注,能源需求正在從化石能源向可再生能源過渡。根據(jù)中國國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù),到2020年,煤炭仍將占能源消費總量的56.8%。推廣使用可再生能源已成為全球發(fā)展趨勢。但是,可再生能源大量接入電網(wǎng)會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性[1]。供給側(cè)和需求側(cè)的靈活性措施可以使綜合能源系統(tǒng)更加穩(wěn)定[2]。建筑能耗是能源消耗的重要組成部分,作為需求響應(yīng)資源的潛力在于其熱惰性[3]。當(dāng)前智慧建筑主要向環(huán)境友好型的綠色建筑方向發(fā)展[4]。智慧建筑應(yīng)充分利用其能源的靈活性,但要想利用建筑能源的靈活性,就需要分析其影響因素,如建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部熱增益、制冷末端等。甚至建筑所在的氣候區(qū)也會對建筑的能源靈活性產(chǎn)生影響[5]。同時,合理利用建筑虛擬儲能,還能為用戶側(cè)帶來一定的經(jīng)濟效益[6]。

如何量化建筑能源柔性是當(dāng)前建筑柔性資源最重要的關(guān)注點。文獻(xiàn)[7]定義了一個無量綱指數(shù)以反映建筑物的能量靈活性,該指數(shù)包含各種邊界條件的影響。文獻(xiàn)[8]提出了一個柔性函數(shù),通過使用懲罰信號來調(diào)節(jié)需求。文獻(xiàn)[9]提出了3個指標(biāo)來反映能源靈活性的特征。文獻(xiàn)[10]提出了2套靈活指標(biāo),以反映能源靈活性的5個特征。

建筑的熱惰性以及人體對于舒適溫度有一個可接受的范圍,均使建筑有著與蓄電池等實體儲能相似的負(fù)荷在時間尺度的遷移特性,將這部分特性稱為建筑的虛擬儲能。為了評價虛擬儲能在建筑能源靈活性上的可用能力,本文提出了填谷功率(Pvally-filling)和調(diào)峰功率(Ppeak-shaving)兩個指標(biāo),同時基于分時電價,定義了凈收益指標(biāo)來評價采用虛擬儲能的空調(diào)運行策略的經(jīng)濟性。

1 虛擬儲能的指標(biāo)量化

1.1 填谷功率和調(diào)峰功率

本文將建筑運行策略分為參考策略和虛擬儲能策略。其中:參考策略表示建筑日常辦公時的空調(diào)控制策略;虛擬儲能策略表示在參考策略基礎(chǔ)上依據(jù)分時電價作為信號,制定的利用建筑虛擬儲能特性的運行策略。本文定義的兩個評價指標(biāo)填谷時間(Δtvally-filling)和調(diào)峰時間(Δtpeak-shaving)分別為

(1)

(2)

式中:PVES,Preference——空調(diào)系統(tǒng)采用虛擬儲能控制策略運行的平均制冷功率和采用參考控制策略運行的平均制冷功率,kW。

t0,t1——虛擬儲能運行策略中填谷時段的起始時間和調(diào)峰時段的起始時間。

填谷時段結(jié)束時也就是調(diào)峰時段的起始時刻的計算公式為

t1=t0+Δtvally-filling

(3)

1.2 虛擬儲能策略經(jīng)濟性指標(biāo)

采用建筑虛擬儲能必將帶來建筑空調(diào)系統(tǒng)控制運行策略的改變。運行策略的改變將使業(yè)主在經(jīng)濟上有一定的收益,這些收益主要由兩個方面提供:一是虛擬儲能的低價充能、高價放能而產(chǎn)生的收益;二是改變運行策略而產(chǎn)生的空調(diào)耗電量的改變。因此,本文提出凈效益指標(biāo)來反映基于分時電價的虛擬儲能的經(jīng)濟性,即

ηtu=ηtotal-ηf

(4)

式中:ηtu——單純虛擬儲能充放能行為產(chǎn)生的收益率;

ηtotal——虛擬儲能策略相對參考策略的電費總節(jié)省率;

ηf——改變運行策略導(dǎo)致空調(diào)耗電量改變而產(chǎn)生的收益率。

2 建筑模型概述

2.1 建筑信息

本文使用EnergyPlus能耗模擬軟件模擬了一棟香港的二層辦公建筑,如圖1所示。由圖1可知,該辦公建筑總面積為1 940.95 m2,窗墻面積比為0.31,單位面積能耗為347.04 MJ/m2。每層樓分為22個區(qū)域。建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 辦公建筑模型

表1 建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

2.2 天氣條件

本文天氣數(shù)據(jù)來源于辦公建筑所在地的實測數(shù)據(jù)。模擬環(huán)境選取2021年7月12日的氣象數(shù)據(jù),當(dāng)日具體室外干球溫度如圖2所示。 由圖2可知,當(dāng)日上午7∶00室外達(dá)到最低溫度32.1 ℃,15∶00室外達(dá)到最高溫度34.8 ℃。

圖2 7月12日室外干球溫度

3 建筑運行策略

將建筑運行策略分為參考策略和虛擬儲能策略兩種模式。在整個辦公期間(6∶00～18∶00),參考策略溫度設(shè)定為24 ℃,并基于分時電價提出了虛擬儲能控制策略,如表2所示。該運行策略包含溫度設(shè)定和風(fēng)機盤啟停兩種控制模式,表中的數(shù)字“1”和“0”分別表示風(fēng)機盤管的開啟和關(guān)閉。

表2 基于各時間段的空調(diào)控制策略

分時電價示意如圖3所示。

圖3 分時電價示意

通過改變空調(diào)系統(tǒng)的控制策略,在低電價時段,增加空調(diào)的制冷功率,使建筑達(dá)到一個較低的溫度。本文利用的電價轉(zhuǎn)換時段為圖3中5∶00～6∶00谷電價時段和6∶00～7∶00平電價時段。在電價相對較高的時段,關(guān)閉風(fēng)機盤管,釋放建筑物自身的冷量,溫度升高但仍然保持在舒適區(qū)間。因此,在低電價時增大用能,較高電價時減少用能,在保證人體舒適的同時可以達(dá)到節(jié)約電費的效果。

類比于實體儲能電池的充放電過程,在低電價時段對建筑物進行預(yù)冷卻,將室內(nèi)設(shè)定溫度調(diào)整為20 ℃。如在上午5∶00,虛擬儲能策略室內(nèi)溫度呈現(xiàn)預(yù)冷卻的情況。這樣讓建筑物進行充電以實現(xiàn)類似實體儲能電池充電的過程。在電價高峰時段,風(fēng)機盤管關(guān)閉一段時間,讓建筑釋放冷量實現(xiàn)類似于實體儲能電池放電的過程。具體如圖4所示。

圖4 兩種運行策略下當(dāng)日室內(nèi)溫度變化情況

4 結(jié)果與討論

4.1 填谷功率與調(diào)峰功率

基于所研究的二層辦公樓,模擬了夏季7月21日一天內(nèi)的制冷功率。圖5顯示了在參考運行策略和虛擬儲能運行策略兩種模式下建筑空調(diào)系統(tǒng)的制冷功率差異。虛擬儲能策略與參考策略產(chǎn)生的制冷功率差異可以作為靈活性資源參與到需求響應(yīng)中。

圖5 兩種控制策略下的制冷功率差異

本文的需求響應(yīng)事件是根據(jù)分時電價作為響應(yīng)信號來制定的運行策略。其中,虛擬儲能策略的預(yù)冷時段與參考策略產(chǎn)生的制冷功率差異的平均功率為填谷功率,而虛擬儲能策略的關(guān)閉風(fēng)機盤管時段與參考策略的制冷功率差異的平均功率為調(diào)峰功率。例如,在虛擬儲能策略運行期間,產(chǎn)生了兩次需求響應(yīng)事件,分別為填谷事件和調(diào)峰事件。這兩個需求響應(yīng)事件同時又分別對應(yīng)了虛擬儲能的預(yù)冷時段和關(guān)閉風(fēng)機盤管時段。其中,第1個需求響應(yīng)事件發(fā)生在5∶00～6∶00,第2個需求響應(yīng)事件發(fā)生在6∶00～7∶00;其填谷功率為40.9 kW,調(diào)峰功率為43.8 kW。

4.2 虛擬儲能的經(jīng)濟性

虛擬儲能運行策略的經(jīng)濟性是影響用戶側(cè)考慮參與需求響應(yīng)的重要指標(biāo)。良好的經(jīng)濟性意味著更多的靈活性資源能夠參與到需求響應(yīng)事件中,為平抑大量可再生能源接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的間歇性波動提供保障。

本文主要分析兩種運行策略下的制冷電耗差異對應(yīng)分時電價的電費情況。由模擬結(jié)果可知,參考策略下的空調(diào)系統(tǒng)耗電量為276.14 kWh,虛擬儲能策略下的空調(diào)系統(tǒng)耗電量為245.98 kWh。根據(jù)分時電價,在虛擬儲能運行策略下建筑空調(diào)電費單日節(jié)省34.6元,節(jié)省率為12.7%。兩種運行策略下的電費節(jié)省來源于兩部分,一是不同運行策略產(chǎn)生的耗電量差異,二是由虛擬儲能低電價充能、高電價放能特性節(jié)省的費用,其中電耗影響占比10.9%。因此,本文辦公模型的虛擬儲能凈效益為1.8%。

5 結(jié) 語

本文使用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus模擬了一棟二層辦公樓,以量化基于分時電價的虛擬儲能的性能指標(biāo)和經(jīng)濟性。提出了填谷功率、調(diào)峰功率和基于分時電價的虛擬儲能凈經(jīng)濟效益3個指標(biāo)。前2個指標(biāo)反映了虛擬儲能作為需求響應(yīng)事件的調(diào)峰和填谷能力的大小,而第3個指標(biāo)則反映了虛擬儲能的經(jīng)濟性;并對模擬結(jié)果進行了分析和討論。模型得出了虛擬儲能的關(guān)鍵性指標(biāo),填谷功率為40.9 kW,調(diào)峰功率為43.8 kW。根據(jù)分時電價,在虛擬儲能運行策略下建筑空調(diào)電費單日節(jié)省34.6元,節(jié)省率為12.7%。虛擬儲能凈效益為1.8%。