基于光伏建筑一體化的綜合能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宗 龍，趙亞典

（國華能源投資有限公司綠色能源與建筑研究中心，北京 102211）

0 引言

隨著國內(nèi)對清潔能源的日益重視，各項(xiàng)光伏政策的下發(fā)帶動了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以分布式光伏發(fā)電為基礎(chǔ)的綜合能源應(yīng)用獲得廣泛應(yīng)用。綜合能源系統(tǒng)是一種新型能源供應(yīng)、管理技術(shù)，具有源網(wǎng)荷儲一體化、多能互補(bǔ)、供需協(xié)調(diào)等特點(diǎn)。綜合能源系統(tǒng)利用各種能源子系統(tǒng)在時(shí)間和空間上的耦合特性，促進(jìn)可再生能源消納、減少區(qū)域內(nèi)化石能源用量、降低溫室氣體排放強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展[1]。

分布式綜合能源系統(tǒng)具有清潔高效、靈活接入、就地消納等特點(diǎn)，通過多種能源形式綜合利用，減少能源網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)營成本，從而提高能源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排與碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV），作為新興起的光伏發(fā)電應(yīng)用形式，充分利用了建筑房頂和外立面，減少了地面電站征地環(huán)節(jié)，一方面充分利用了清潔能源，同時(shí)為建筑能源找到了一種就地生產(chǎn)就地消納的能源形式[3]。本文基于某BIPV 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，結(jié)合儲能系統(tǒng)、一體化幕墻空腔取熱系統(tǒng)、建筑空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)包括能源供給智能控制、能源消耗智能控制、能效分析管理、智慧能源優(yōu)化調(diào)度、智能報(bào)警及樓宇智控系統(tǒng)等在內(nèi)的基于BIPV 的綜合能源管控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)簡介

基于BIPV 的綜合能源管控系統(tǒng)基于光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，以光伏發(fā)電、建筑節(jié)能應(yīng)用為核心，融合智能光伏發(fā)電、多能源綜合利用、建筑能源互聯(lián)、低碳節(jié)能、多元化智能樓宇等新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)基于BIPV 的綠色建筑能源綜合管控，充分利用建設(shè)的BIPV建筑能源集控中心（以下簡稱BIPV中心）設(shè)計(jì)功能和應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)BIPV建筑的多能源管理與控制，及建筑綠色用能與節(jié)能降耗深度耦合。

基于BIPV 的綜合能源管控系統(tǒng)主要功能包括信息數(shù)據(jù)采集、對產(chǎn)能/耗能設(shè)備的控制、能源調(diào)度系統(tǒng)三個(gè)層級，通過過程控制自驅(qū)優(yōu)、數(shù)據(jù)診斷自學(xué)習(xí)、故障處理自恢復(fù)、多能互補(bǔ)自適應(yīng)、決策管理自組織的解決方案，實(shí)現(xiàn)綠色能源建筑的能源管控精準(zhǔn)分析。

2 系統(tǒng)組成

綜合能源管控系統(tǒng)對建筑供能及用能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)監(jiān)控對象主要包括光伏幕墻、屋面光伏、電化學(xué)儲能、混凝土蓄熱、空氣源熱泵、熱泵熱水機(jī)組、新風(fēng)系統(tǒng)、智能照明等，充分利用邊緣數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，并根據(jù)建筑功能和應(yīng)用場景，對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。整套系統(tǒng)由采集層、控制層、策略層三部分組成[4]。

2.1 采集層

本地?cái)?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過MODBUS TCP/IP、IEC104、UDP 等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的方式，將建筑內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等運(yùn)行數(shù)據(jù)采集到綜合能源管控系統(tǒng)中，同時(shí)綜合能源管控系統(tǒng)具備與上級平臺數(shù)據(jù)庫交互的接口。

2.2 控制層

控制層根據(jù)光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)電狀態(tài)、儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)和建筑室內(nèi)場景設(shè)置，對數(shù)據(jù)進(jìn)行能流數(shù)據(jù)分析，根據(jù)設(shè)定的程序及參數(shù)對設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)啟?？刂?、溫濕度及光照等能效優(yōu)化控制等。

2.3 策略層

策略層對能源供給系統(tǒng)及耗能系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對產(chǎn)能及耗能進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)發(fā)電量智能控制用能設(shè)備的能源供給來源，實(shí)現(xiàn)建筑能源的多能互補(bǔ)和用能優(yōu)化調(diào)度。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

綜合能源管控系統(tǒng)將采集到的大量設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)采樣存儲。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接各子系統(tǒng)或直接通過DCS連接各種現(xiàn)場設(shè)備，將建筑內(nèi)所有設(shè)備監(jiān)控進(jìn)行集成，形成一個(gè)完整的自動化綜合管控系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用三級架構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)[4]，綜合能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[5]。

3.1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由各供能和耗能端的采集器與控制系統(tǒng)柜組成，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上送至管理系統(tǒng)。通過邊緣數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至虛擬分散處理單元（Virtual Distributed Processing Unit，VDPU）處理后，將數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)柜通過分散處理單元（Distributed Processing Unit，DPU）與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接。

3.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制層通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與管理層連接，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)與管理工作站之間的信息交互。

3.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)指由工作人員向管理工作站發(fā)出指令或設(shè)定預(yù)定操作，使系統(tǒng)向執(zhí)行端下發(fā)指令，從而使設(shè)備執(zhí)行相關(guān)操作。人機(jī)交互工作站按功能設(shè)計(jì)工程師站、操作員站、歷史數(shù)據(jù)記錄站、計(jì)算站、接口工作站等。設(shè)計(jì)允許在一臺計(jì)算機(jī)內(nèi)可同時(shí)安裝多種功能的人機(jī)交互工作站軟件，構(gòu)建綜合性人機(jī)交互工作站。

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對光伏電站地理位置、光伏陣列、匯流箱、逆變器等關(guān)鍵設(shè)備的各種數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測，并進(jìn)行匯總。包括顯示系統(tǒng)框架、項(xiàng)目總貌、電站電氣綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)、電氣系統(tǒng)圖、設(shè)備運(yùn)行詳細(xì)信息及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視總圖等內(nèi)容。

4.2 光伏幕墻控制系統(tǒng)

在BIPV建筑中，光伏組件替代傳統(tǒng)幕墻成為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生電能的同時(shí)為建筑提供保溫及遮陽效果[6]。光伏幕墻控制系統(tǒng)可根據(jù)太陽角度變化對屋面光伏板開啟角度進(jìn)行控制，根據(jù)建筑展示場景進(jìn)行立面活動光伏組件角度控制，同時(shí)設(shè)置多種模式，在不同條件下自動觸發(fā)控制系統(tǒng)動作。遇雨或其他特殊情況下，自動觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù)信號關(guān)閉光伏板，情況嚴(yán)重時(shí)光伏組件及光伏開啟裝置斷電，確保設(shè)備安全。

4.3 空腔取熱控制系統(tǒng)

光伏組件在發(fā)電的過程中不斷散熱，背板溫度升高，加熱了幕墻空腔內(nèi)的空氣。采用對組件背板取熱，并對其產(chǎn)生的熱量（余熱）加以利用，可以與建筑采暖、通風(fēng)及空調(diào)（Heating，Ventiliating and Air Conditioning，HVAC）和生活熱水系統(tǒng)完美結(jié)合，從而使建筑光伏一體化內(nèi)容更加豐富[7]。

通過電動百葉窗、空腔熱利用機(jī)組等的聯(lián)動，采用自然通風(fēng)、強(qiáng)制通風(fēng)、空腔密閉、光伏板開啟相結(jié)合的方式，根據(jù)不同的時(shí)間、季節(jié)或其他要求采取不同的運(yùn)行策略與模式，實(shí)現(xiàn)空腔的運(yùn)行模式智能化主動式控制?？涨蝗嵯到y(tǒng)工作條件下，光伏板需要散熱時(shí)，通風(fēng)百葉窗打開一定角度使空腔取熱系統(tǒng)強(qiáng)制通風(fēng)；冬季室內(nèi)需要保暖時(shí)，通風(fēng)百葉窗關(guān)閉，空腔取熱系統(tǒng)密閉。夜晚或其他條件下，通風(fēng)百葉窗返回到關(guān)閉狀態(tài)。將空腔數(shù)據(jù)加以分析，可以通過排出或回收熱量，提高光伏組件的發(fā)電效率，同時(shí)將光伏余熱作為熱源應(yīng)用于多聯(lián)機(jī)組，提升機(jī)組能效比（Coeffieient of Performance，COP）[8]。

4.4 空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)

隨著冷熱設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，多聯(lián)機(jī)、熱泵、新風(fēng)等設(shè)備可進(jìn)行更精準(zhǔn)的采集與遠(yuǎn)程調(diào)控?？照{(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，為模擬計(jì)算不同時(shí)令、各個(gè)時(shí)段的室內(nèi)冷熱負(fù)荷，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測提供了重要前提[9]。

綜合能源管控系統(tǒng)將空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)通過溫濕度、CO2濃度等傳感器，根據(jù)人員存在與否提供了供暖、通風(fēng)、空調(diào)之間的功能聯(lián)動和相互作用，智能控制溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度和風(fēng)門開度，優(yōu)化空氣質(zhì)量。此外，綜合能源管控系統(tǒng)可提供現(xiàn)場端手動調(diào)節(jié)以及瀏覽器、平板電腦或智能手機(jī)等終端進(jìn)行操作調(diào)節(jié)[10]。

4.5 智能照明

智能照明系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場光照強(qiáng)度、是否有人等，通過設(shè)定的程序，對LED 燈進(jìn)行光照強(qiáng)度及色溫調(diào)節(jié)。系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能LED照明，太陽能照明系統(tǒng)故障時(shí)，市政電照明可以滿足照明要求，夜間優(yōu)先使用存儲的光伏系統(tǒng)發(fā)電。此外，系統(tǒng)還提供現(xiàn)場端手動調(diào)節(jié)以及瀏覽器、平板電腦等終端進(jìn)行操作調(diào)節(jié)[10]。

5 綜合能源管理

基于光伏發(fā)電的波動性特點(diǎn)，合理分配負(fù)荷，使其充分利用新能源電力，通過調(diào)節(jié)負(fù)荷間多種能源的交換，以穩(wěn)定安全的方式消納新能源電力，將有效提高BIPV建筑的供需平衡，大幅提升光伏發(fā)電整體利用效率。因此，綜合能源管理是本文設(shè)計(jì)的建筑能源綜合管控系統(tǒng)的核心[11]。建筑能源主要涉及電、冷、熱、水、氣等，因此，通過技術(shù)手段對上述能源進(jìn)行智能管控可有效促進(jìn)建筑能源整體利用效率[12]。其對建筑內(nèi)部各用能設(shè)施進(jìn)行能流檢測，并建立多能源協(xié)調(diào)控制中心，在負(fù)載側(cè)設(shè)調(diào)控裝置，在負(fù)荷需調(diào)度時(shí)對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)目供能側(cè)/用能側(cè)自動監(jiān)測分析、所有用能設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、負(fù)荷追隨優(yōu)化控制；實(shí)現(xiàn)供能和用能的動態(tài)匹配、追隨控制，并提高電力供應(yīng)的可靠性與安全性，提升能源綜合利用率[13]。

5.1 能源優(yōu)化控制

傳統(tǒng)建筑能源管理系統(tǒng)（Energy Management System for Intelligent Building，EMS）主要是由樓宇自動化系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）來實(shí)現(xiàn)，對建筑的電力（含光伏發(fā)電等新能源）、采暖、燃?xì)?、水等能耗?shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并對建筑能耗狀況、新能源使用比例及節(jié)能量進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能應(yīng)用[14]。

本文設(shè)計(jì)的綜合能源管控系統(tǒng)除以上功能外，根據(jù)設(shè)計(jì)場景對電負(fù)荷、照明、空調(diào)及儲能等設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)化的管理，并最大限度地使用光伏發(fā)電、光伏熱等綠色能源，從而達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)啟停功能和室溫回設(shè)功能，可根據(jù)室內(nèi)溫濕度以及是否有人確定最佳啟動、停止時(shí)間；智能控制空調(diào)系統(tǒng)和冷熱水溫度，節(jié)約能源；以電力系統(tǒng)的最大需求控制和優(yōu)化調(diào)節(jié)為目標(biāo)，充分利用光伏電力等新能源，減少外供電量，尤其是減少高峰電力負(fù)荷。綜合能源管控系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 建筑能源綜合管控系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of building energy integrated control system

綜合能源管控系統(tǒng)通過光伏發(fā)電、空腔取熱及儲能調(diào)度等能源供給系統(tǒng)的產(chǎn)能歷史數(shù)據(jù)形成產(chǎn)能預(yù)測模型，根據(jù)所在地的地理位置、天氣情況智能預(yù)測產(chǎn)能量；再通過當(dāng)?shù)靥鞖?、溫度、照度、建筑?nèi)人數(shù)及其他安排等，根據(jù)建筑內(nèi)環(huán)境的預(yù)設(shè)參數(shù)智能預(yù)測耗能量[15]。當(dāng)有額外用能需求時(shí)，系統(tǒng)智能分析用能策略，并將不同策略的能耗進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)用能方式。系統(tǒng)用能時(shí)優(yōu)先使用光伏發(fā)電、空腔取熱的直接產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能就地消納，充分利用儲能，在負(fù)荷無法及時(shí)消納產(chǎn)生電能時(shí)進(jìn)行存儲，以便產(chǎn)能不足時(shí)調(diào)配使用[16]。

5.2 多智能體協(xié)同控制

基于多智能體協(xié)同理論，設(shè)計(jì)頂層協(xié)調(diào)控制策略。將光伏系統(tǒng)、空腔取熱系統(tǒng)、空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)及各類熱電冷負(fù)荷設(shè)備視為一個(gè)個(gè)智能體, 從而構(gòu)造一個(gè)由一群具有通信、計(jì)算、感知、交流以及執(zhí)行能力的智能體連接而形成的網(wǎng)絡(luò)[17]。通過上層交互，產(chǎn)生出整體大于部分和的效果，是一種分布式協(xié)調(diào)合作系統(tǒng)，具有協(xié)調(diào)性、自主性和智能性的特征。在功率或者負(fù)荷變化條件下，各部件可以自發(fā)調(diào)整自身狀態(tài)，以適應(yīng)外界條件變化，處理運(yùn)行環(huán)境的不確定性和多變性，采用實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)全過程優(yōu)化，給出設(shè)備的最優(yōu)動態(tài)運(yùn)行參考軌跡。該系統(tǒng)通過自抗擾控制來控制熱泵及加熱量，實(shí)現(xiàn)對溫度、流量及壓力參數(shù)的高精度快速跟蹤控制，并提高對于不確定參數(shù)及外界干擾的魯棒性[18]。

構(gòu)建平臺運(yùn)維管理系統(tǒng)，通過內(nèi)置的設(shè)備全生命周期模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警，從而觸發(fā)一系列流程，實(shí)現(xiàn)多能運(yùn)管。

5.3 智能預(yù)警

綜合能源管控系統(tǒng)可針對組件上的熱斑、癮裂、積灰等問題快速定位報(bào)警并分析原因，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)、故障樹推理、模式識別等相關(guān)算法，綜合分析歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對組件及逆變器等異常工況和異常狀態(tài)進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，避免工況進(jìn)一步惡化。

6 系統(tǒng)應(yīng)用

設(shè)計(jì)的綜合能源管控系統(tǒng)在北京某BIPV 建筑進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該建筑總裝機(jī)容量為112.6 kW，并部署一套100 kW/180 kWh的儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與負(fù)荷柔性調(diào)控。綜合能源管控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)在該建筑的部署與實(shí)際運(yùn)行，可通過對建筑內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能調(diào)控，結(jié)合建筑產(chǎn)能及用能情況，實(shí)現(xiàn)建筑能源的智慧調(diào)度。

6.1 空腔熱利用系統(tǒng)

空腔熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與輻照度、環(huán)境溫度、室內(nèi)環(huán)境、室內(nèi)冷熱源需求等息息相關(guān)[19]。綜合能源管控系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際需求，對空腔熱利用系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控，主要包括對幕墻百葉、空腔熱利用機(jī)組、排風(fēng)機(jī)等進(jìn)行實(shí)際控制。

通過空腔溫度、蓄熱混凝土溫度、空氣流速等數(shù)據(jù)，結(jié)合天氣因素、自然環(huán)境等變化，智能計(jì)算百葉開合狀態(tài)、空腔熱利用機(jī)組及風(fēng)機(jī)的頻率等。此外，系統(tǒng)設(shè)置冬、夏季運(yùn)行模式，根據(jù)不同季節(jié)及環(huán)境智能調(diào)整運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)空腔余熱的有效利用。提升建筑整體能源利用效率?？涨粺崂脵C(jī)組控制邏輯見圖3。

圖3 空腔熱利用機(jī)組控制邏輯Fig.3 Control logic of cavity heat utilization unit

6.2 空調(diào)、新風(fēng)控制

該建筑占地面積750.78 m2，共安裝5組多聯(lián)機(jī)，共計(jì)22臺室內(nèi)機(jī)，均已接入綜合能源管控系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)度。系統(tǒng)結(jié)合建筑內(nèi)多點(diǎn)位布置的24 臺六合一傳感器、人員運(yùn)動傳感器及人流統(tǒng)計(jì)攝像頭，對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合測算，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)室內(nèi)冷熱負(fù)荷及空調(diào)、新風(fēng)出力情況，并智能調(diào)節(jié)空調(diào)及新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

為充分利用綠色能源，減少市電供給，綜合能源管控系統(tǒng)根據(jù)建筑發(fā)電情況及儲能系統(tǒng)電能儲備，智能分配電力供需，在一定范圍內(nèi)以供定需，智能調(diào)節(jié)空調(diào)及新風(fēng)機(jī)組風(fēng)量及溫度，最大限度提升建筑新能源利用率。

此外，根據(jù)該建筑展示與實(shí)驗(yàn)需求，綜合能源管控系統(tǒng)將能源應(yīng)用場景劃分為參觀模式、工作模式、會議模式、離開模式等，并通過多個(gè)控制終端一鍵切換。參觀模式下，室內(nèi)空調(diào)、照明按照最大能耗運(yùn)行，按照預(yù)約時(shí)間，空調(diào)預(yù)約運(yùn)行，電能充分利用光伏發(fā)電和前一天儲能系統(tǒng)電源，減少市電使用占比。工作模式下，室內(nèi)空調(diào)、照明按照節(jié)能策略運(yùn)行，充分利用光伏發(fā)電，啟用儲能充放電功能，光伏余電優(yōu)先給儲能系統(tǒng)充電。會議模式下，按舒適模式運(yùn)行，優(yōu)先使用光伏電，利用儲能系統(tǒng)進(jìn)行電能調(diào)節(jié)，減少使用市電。離開模式下，整個(gè)建筑處于最低能耗運(yùn)行，除應(yīng)急照明所有照明關(guān)閉，空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)調(diào)整，冬季保持最低溫度不低于14 ℃，夏季設(shè)置室內(nèi)溫度不超過30 ℃。同時(shí)系統(tǒng)支持預(yù)約功能，對于未來的使用需求，可設(shè)置預(yù)約啟停及模式切換，在操作便捷的同時(shí)最大化滿足室內(nèi)人員需求，降低能耗。具體空調(diào)控制邏輯如圖4 所示。

圖4 空調(diào)控制邏輯Fig.4 Air conditioning control logic

6.3 光伏發(fā)電與儲能調(diào)節(jié)

本項(xiàng)目采用了配備儲能系統(tǒng)的低壓直流配電系統(tǒng)，儲能與直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)均接入綜合能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測發(fā)用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、存儲和分析運(yùn)行數(shù)據(jù)、優(yōu)化調(diào)度電能等功能，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電利用最大化、削峰填谷等目標(biāo)。

并網(wǎng)模式下，由市電經(jīng)整流器穩(wěn)定直流母線電壓，直流負(fù)荷優(yōu)先由光伏系統(tǒng)供電，光伏發(fā)電不足的部分由電網(wǎng)補(bǔ)充，多余的電能存入蓄電池組。通過控制蓄電池的充放電功率，能以恒定功率或者跟隨電網(wǎng)給定功率大小的方式從電網(wǎng)取電，從而減少建筑交流配電容量、降低配電初始投資成本；解決電力負(fù)荷峰谷差等問題，提高光伏建筑接入電網(wǎng)的友好性，以最大程度消納可再生能源[20]。

當(dāng)電網(wǎng)計(jì)劃停電或意外斷電時(shí)，切除非重要負(fù)荷，蓄電池組通過雙向變流器穩(wěn)定直流母線電壓，由光伏發(fā)電和蓄電池組共同供電給負(fù)荷，提高了供電的可靠性及穩(wěn)定性[21]。

6.4 用能預(yù)測與負(fù)荷調(diào)度

綜合能源管控系統(tǒng)建設(shè)以提高整體能源利用效率、降低能耗為主要目標(biāo)，因此，用能預(yù)測成為能源綜合管控的重要環(huán)節(jié)。對于該建筑而言，用能主要包括電、冷、熱，因其不涉及燃?xì)馐褂茫评?、制熱主要依靠空調(diào)機(jī)組，而其所處環(huán)境使得在冬夏季對冷熱設(shè)備的需求較大，因此，對空調(diào)、新風(fēng)機(jī)組的用能預(yù)測及調(diào)控作為重點(diǎn)方向[22]。

綜合能源管控系統(tǒng)對各用能子系統(tǒng)分別進(jìn)行建模，通過數(shù)據(jù)模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對建筑能耗進(jìn)行大量數(shù)據(jù)分析，結(jié)合北京地區(qū)溫度變化規(guī)律及相似日數(shù)據(jù)情況，計(jì)算當(dāng)日用能預(yù)測曲線，同時(shí)與實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行擬合，不斷優(yōu)化算法模型，計(jì)算出更加準(zhǔn)確的產(chǎn)能、用能預(yù)測，為負(fù)荷智能調(diào)控、供需匹配提供重要依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐[18]。具體用能預(yù)測曲線見圖5[23-24]。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測結(jié)果及產(chǎn)能、用能實(shí)時(shí)狀態(tài)，對建筑內(nèi)設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)度，在光伏大發(fā)時(shí)段充分利用綠電，在產(chǎn)能有限時(shí)盡可能降低負(fù)荷，從而有效利用新能源電力，降低棄光率，減少市電供給，提升建筑整體能源利用效率。

圖5 用能預(yù)測曲線Fig.5 Energy consumption prediction curves

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比分析，綜合能源管控系統(tǒng)提升了建筑能源的綜合利用率，使建筑整體能效提高5%～10%。

7 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于BIPV 的綜合能源管控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)建筑的供配電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將BIPV建筑特點(diǎn)與建筑節(jié)能相結(jié)合，對建筑產(chǎn)能、用能和設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行了統(tǒng)一的調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)了建筑節(jié)能與優(yōu)化[25]，為建筑智能化、能源自主化提供了更好的能源供給方式，提升建筑采暖、通風(fēng)及空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)能效比，降低了建筑能源消耗。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比分析，綜合能源管控系統(tǒng)可有效提升建筑能源的綜合利用率，降低建筑整體能耗。

將建筑光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)與樓宇自控系統(tǒng)融合，開發(fā)的全新的綠色建筑能源綜合管控系統(tǒng)將進(jìn)一步對光伏發(fā)電監(jiān)控、樓宇自動化控制、能源調(diào)控提出更高要求，為綠色建筑或零碳建筑的大力發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。