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中央空調(diào)降負(fù)荷潛力建模及影響因素分析
摘要：空調(diào)負(fù)荷由于其熱慣性,負(fù)荷聚合商可在較小影響用戶舒適度的前提下,通過需求側(cè)管理手段對其實施有效管理,降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷。而中央空調(diào)相對于傳統(tǒng)分體式空調(diào)具有控制手段靈活、可控性強、單體功率大等特點,其參與需求響應(yīng)項目潛力巨大。文中建立了基于直接負(fù)荷控制的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力模型和指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型。通過仿真算例定量分析了需求響應(yīng)事件中室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、預(yù)制冷方式下提前通知時長、需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷增長幅度以及室外溫度這5個方面的因素對中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力的影響規(guī)律,為負(fù)荷聚合商將中央空調(diào)負(fù)荷納入電網(wǎng)調(diào)度提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：中央空調(diào);需求側(cè)管理;室溫時變模型;降負(fù)荷潛力;預(yù)制冷;
引言
近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，全社會的電力需求也呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢，全國電力供需總體偏緊，部分地區(qū)、部分時段缺電比較嚴(yán)重［１］。而在國內(nèi)的大中城市中，空調(diào)負(fù)荷容量已經(jīng)占到較大比重，尤其是在夏季高峰負(fù)荷時期，空調(diào)負(fù)荷比重高達(dá)３０％～５０％［２］。
這類負(fù)荷將導(dǎo)致峰谷差進(jìn)一步拉大［３］，出現(xiàn)顯著的負(fù)荷尖峰現(xiàn)象，而低谷電力富余，導(dǎo)致部分發(fā)電容量處于閑置狀態(tài)［４］，電力設(shè)備利用率降低，給電網(wǎng)運行帶來了隱患［５］。因此，空調(diào)負(fù)荷對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運行具有重要影響。
空調(diào)負(fù)荷具有一定的熱慣性［６］，負(fù)荷聚合商通過合理利用需求側(cè)管理［７］的手段對空調(diào)負(fù)荷實施有效管理，能夠在對用戶舒適度影響較小的前提下，使空調(diào)負(fù)荷快速響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)調(diào)度，降低高峰時段的電力需求，有利于緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾，保障電網(wǎng)安全運行。國內(nèi)外學(xué)者在此方面已進(jìn)行了大量研究。
文獻(xiàn)［８］針對空調(diào)集群，利用等效熱參數(shù)模型分析了傳統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)造成聚合負(fù)荷波動的機理，提出了一種改進(jìn)的溫度調(diào)節(jié)方式，并設(shè)計了基于該溫度調(diào)節(jié)方式的空調(diào)負(fù)荷調(diào)度決策模型；文獻(xiàn)［９］則研究了通過直接負(fù)荷控制（ｄｉｒｅｃｔｌｏａｄｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＬＣ）對空調(diào)負(fù)荷運行進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到削減負(fù)荷的目的；文獻(xiàn)［１０－１１］則提出根據(jù)控制目標(biāo)利用溫度優(yōu)先級列表模型對空調(diào)進(jìn)行啟?？刂疲C明了空調(diào)負(fù)荷提供輔助服務(wù)的可行性。
而在空調(diào)負(fù)荷中，大型商場、寫字樓等商業(yè)樓宇的中央空調(diào)負(fù)荷占據(jù)了較大比重，其可控性較強，參與需求響應(yīng)潛力巨大，是實現(xiàn)削減高峰負(fù)荷的理想對象。對此，國內(nèi)學(xué)者也已做了大量研究。文獻(xiàn)［１２－１３］研究了中央空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的方式，并為中央空調(diào)制定了調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度設(shè)定值、控制主機啟停、關(guān)閉部分新風(fēng)機組、關(guān)閉末端風(fēng)機盤管、大樓空調(diào)提前蓄冷等一系列調(diào)控手段，但并未提出具體的控制策略；文獻(xiàn)［１４］詳細(xì)建立了中央空調(diào)系統(tǒng)中各子設(shè)備能耗的數(shù)學(xué)模型及各子設(shè)備之間的耦合關(guān)系，獲得了中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化模型，通過優(yōu)化各子設(shè)備的運行點，實現(xiàn)中央空調(diào)負(fù)荷的節(jié)能節(jié)支；文獻(xiàn)［１５］中基于中央空調(diào)系統(tǒng)運行原理建立了商場冷負(fù)荷需求模型，利用此模型設(shè)計了中央空調(diào)負(fù)荷節(jié)能運行控制策略。文獻(xiàn)［１６－１８］研究了中央空調(diào)輪停控制策略，并分別從輪停控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能、技術(shù)方案及計入舒適度約束的分檔控制策略等方面進(jìn)行研究，并對中央空調(diào)輪?？刂撇呗缘墓?jié)電削峰效益進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［１９］則在滿足人體熱舒適要求的前提下，通過建立冷負(fù)荷需求模型，確立空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)的實現(xiàn)策略，并對利用分體式空調(diào)實現(xiàn)錯峰運行進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［２０－２１］均對商業(yè)樓宇空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)［２０］對實際的示范工程中應(yīng)用到的空調(diào)負(fù)荷調(diào)控策略及調(diào)控效果進(jìn)行了總結(jié)，并明確了調(diào)控流程；文獻(xiàn)［２１］則通過試點應(yīng)用，驗證了商業(yè)樓宇空調(diào)負(fù)荷調(diào)控技術(shù)的可行性及削峰效果。然而，針對中央空調(diào)參與需求響應(yīng)項目方面的研究，學(xué)者們研究較多的是優(yōu)化中央空調(diào)運行方式，從而實現(xiàn)中央空調(diào)的節(jié)能降耗；在合理調(diào)度中央空調(diào)負(fù)荷參與激勵型需求響應(yīng)項目，從而在短時間內(nèi)實現(xiàn)電網(wǎng)高峰負(fù)荷的削減方面則研究較少，更何況中央空調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)的高峰負(fù)荷削減能力還和室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、預(yù)制冷方式下的提前通知時長等因素嚴(yán)格相關(guān)。此外，由于單個樓宇的可調(diào)控的空調(diào)負(fù)荷有限，相比之下，將多個樓宇的中央空調(diào)負(fù)荷聚合后進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控具有調(diào)控方式靈活、調(diào)控潛力巨大等優(yōu)點，而這種調(diào)控方式一般是通過負(fù)荷聚合商［２２］機制實現(xiàn)的。
為了在滿足用戶舒適度的溫度范圍內(nèi)對中央空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)控，首先就要建立商業(yè)樓宇在中央空調(diào)系統(tǒng)作用下的室溫時變方程。中央空調(diào)的工作過程分為制冷期和停機期，在中央空調(diào)的制冷期，制冷機系統(tǒng)對冷凍水進(jìn)行降溫，再由送風(fēng)機將由低溫冷凍水降溫后的冷空氣送入室內(nèi)，從而降低室內(nèi)溫度；而在中央空調(diào)的停機期，制冷機停止運行，但中央空調(diào)系統(tǒng)仍利用送風(fēng)機和冷凍水余冷為室內(nèi)供冷，但受太陽輻射、室內(nèi)照明、人體散熱等因素影響，室內(nèi)溫度將緩慢回升。
根據(jù)能量守恒原理，空調(diào)房間在某時段內(nèi)實際獲得的熱量等于該時段內(nèi)傳入的熱量和由中央空調(diào)系統(tǒng)帶走的熱量之差［１４－１５，１９］。利用該原理可推導(dǎo)出在中央空調(diào)系統(tǒng)作用下商業(yè)樓宇的室溫時變方程，具體推導(dǎo)過程可參見文獻(xiàn)［１８］的附錄。中央空調(diào)制冷期和停機期的室溫時變方程分別如式（１）和式（２）所示。
Ｔｏｎｉｎ（ｔ）＝α３－Ｑｐα２－α３－Ｑｐα２（）－Ｔｉｎｏｎ（０）ｅ－αα２１ｔ（１）Ｔｏｆｆｉｎ（ｔ）＝α３α２＋α４ａα１－α２ｅ－ａｔ－α４ａα１－α２＋α３α２（）－Ｔｉｎｏｆｆ（０）ｅ－αα２１ｔ（２）式中：Ｔｉｎｏｎ（ｔ）和Ｔｉｎｏｆｆ（ｔ）分別為中央空調(diào)制冷期和停機期中ｔ時刻商業(yè)樓宇的室內(nèi)溫度；Ｔｉｎｏｎ（０）和Ｔｏｆｆｉｎ（０）分別為中央空調(diào)制冷期和停機期開始時的室內(nèi)溫度；ａ為冷凍水溫度變化參數(shù)，可取為１；Ｑｐ為制冷機的額定供冷量。
參數(shù)α１，α２，α３，α４由建筑參數(shù)決定，分別為：
α１＝ρａＶｋｃａ＋ｋｓＳｉｎｗａｌｌα２＝１．８（ｋｔｏｐＳｔｏｐ＋ｋｗａｌｌＳｗａｌｌ）α３＝α２Ｔｏｕｔ＋Ｑｅｒα４＝ａｍｚｃｗ（Ｔｗ－ｏｕｔ－Ｔｗ－ｉｎ）烄烅烆（３）式中：ρａ為空氣密度；Ｖｋ為室內(nèi)體積；ｃａ為空氣比熱容；ｋｓ為內(nèi)墻面蓄熱系數(shù)；Ｓｉｎｗａｌｌ為內(nèi)墻面積；ｋｔｏｐ和ｋｗａｌｌ分別為屋頂與墻壁的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ｓｗａｌｌ和Ｓｔｏｐ分別為墻壁與屋頂?shù)拿娣e；ｍｚ為冷凍水質(zhì)量；ｃｗ為冷凍水比熱容；Ｔｗ－ｉｎ和Ｔｗ－ｏｕｔ分別為冷凍水的進(jìn)出水溫度；Ｑｅｒ為室內(nèi)設(shè)備、照明以及人員的總散熱冷負(fù)荷。
Ｑｅｒ表示為：
Ｑｅｒ＝（ｋｅＮｅ＋ｋｌＮｌ）Ｓｃ＋（ｋｐｑｓ＋ｑｌ）ｎｐＳｃα（４）式中：ｋｅ和ｋｌ分別為電氣設(shè)備和照明系統(tǒng)的冷負(fù)荷參數(shù)；Ｎｅ和Ｎｌ分別為電氣設(shè)備和照明系統(tǒng)的單位面積散熱量；Ｓｃ為制冷區(qū)域面積；ｋｐ為人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)；ｑｓ和ｑｌ分別為人體顯熱和潛熱散熱量；ｎｐ為單位面積人數(shù)；α表示集群系數(shù)。
２基于ＤＬＣ的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型
本文建立的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型旨在定量研究在需求響應(yīng)事件內(nèi)一組中央空調(diào)集群所能達(dá)到的最大降負(fù)荷容量，即該時段內(nèi)的降負(fù)荷潛力，以及這一降負(fù)荷潛力會受到哪些因素的影響。
模型的實現(xiàn)方式是在考慮用戶舒適度的前提下，通過遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)該組中央空調(diào)的溫度設(shè)定范圍及某些時段中央空調(diào)制冷機的運行狀態(tài)，從而能夠保證在需求響應(yīng)事件內(nèi)該組中央空調(diào)的總體運行功率相較于原始運行功率有所下降，實現(xiàn)在少影響用戶舒適度情況下的降負(fù)荷效果。
２．１目標(biāo)函數(shù)ｍａｘ（Ｐｐｏｔ）＝ｍａｘ（Ｐａｉｒｎｎｕｍ＿ｐｏｔ）ｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ式中：Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ和Ｔｅ＿ｅｎｄ分別為需求響應(yīng)事件的起始時刻和結(jié)束時刻；在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段內(nèi)，每時每刻中央空調(diào)集群的負(fù)荷削減量有可能不同，將這段時長內(nèi)達(dá)到的最小的負(fù)荷削減量定義為降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ，因此目標(biāo)函數(shù)的意義即為最大化該降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ；Ｐａｉｒ為單臺中央空調(diào)制冷機的功率；ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ為一個待優(yōu)化的決策變量，其意義為降負(fù)荷潛力所對應(yīng)的實際削減的中央空調(diào)制冷機臺數(shù)。
２．２約束條件１）緊急需求響應(yīng)時段降負(fù)荷約束Ｐｂａｓｅ（ｔ）－∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）≥Ｐａｉｒｎｎｕｍ＿ｐｏｔ（６）式中：Ｐｂａｓｅ（ｔ）為時刻ｔ該組中央空調(diào)原始的總體運行功率；∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）表示在時刻ｔ該組中央空調(diào)受控后的實際運行功率；ｎ為一組中央空調(diào)集群中的空調(diào)總數(shù)；Ｓ（ｋ，ｔ）為第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ的運行狀態(tài)，Ｓ（ｋ，ｔ）＝１表示第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ處于運行狀態(tài)，Ｓ（ｋ，ｔ）＝０則表示第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ處于停機狀態(tài)。
該約束即是要求在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段內(nèi)，每時每刻的負(fù)荷削減量均要大于降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ。
２）室溫時變方程，即式（１）和式（２）。
３）室溫變化的上下限約束Ｔｉｎ（ｋ，ｔ）＝Ｔｏｎｉｎ（ｋ，ｔ）Ｓ（ｋ，ｔ）＋Ｔｏｆｆｉｎ（ｋ，ｔ）（１－Ｓ（ｋ，ｔ））Ｔｍｉｎ（ｔ）≤Ｔｉｎ（ｋ，ｔ）≤Ｔｍａｘ（ｔ）烄烅烆（７）式中：Ｔｍａｘ（ｔ）和Ｔｍｉｎ（ｔ）分別為中央空調(diào)受控后各時刻溫度范圍的上下限；ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ，…，Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ，其中Ｔｐ＿ｃｏｏｌ為提前通知時段的起始時刻。因此，若采用預(yù)制冷方式，則提前通知時段即為ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ，…，（Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ－１），否則，無需提前通知，此時Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＝Ｔｅ－ｓｔａｒｔ。
４）制冷機最小運行時間約束∑Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｇｋ－１ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ（１－Ｓ（ｋ，ｔ））＝０∑ｍ＋ＵＴｋ－１ｔ＝ｍＳ（ｋ，ｔ）≥ＵＴｋ（Ｓ（ｋ，ｔ）－Ｓ（ｋ，ｔ－１））ｍ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｇｋ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＵＴｋ＋１＿Ｔｅ∑ｅｎｄｔ＝ｎ［Ｓ（ｋ，ｔ）－（Ｓ（ｋ，ｎ）－Ｓ（ｋ，ｎ－１））］≥０ｎ＝Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＵＴｋ＋２，…，Ｔｅ＿ｅｎｄＧｋ＝ｍｉｎ｛（Ｔｅ＿ｅｎｄ－Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋１），（ＵＴｋ－Ｕｋ０）Ｓ（ｋ，０）｝烄烅烆（８）式中：ＵＴｋ為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的最小運行時長；Ｕｋ０為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始運行時長；Ｓ（ｋ，０）為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始運行狀態(tài)。
５）制冷機最小停運時間約束∑Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｌｋ－１ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌＳ（ｋ，ｔ）＝０∑ｍ＋ＤＴｋ－１ｔ＝ｍ（１－Ｓ（ｋ，ｔ））≥ＤＴｋ（Ｓ（ｋ，ｔ－１）－Ｓ（ｋ，ｔ））ｍ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｌｋ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＤＴｋ＋１＿Ｔｅ∑ｅｎｄｔ＝ｎ［１－Ｓ（ｋ，ｔ）－（Ｓ（ｋ，ｎ－１）－Ｓ（ｋ，ｎ））］≥０ｎ＝Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＤＴｋ＋２，…，Ｔｅ＿ｅｎｄＬｋ＝ｍｉｎ｛（Ｔｅ＿ｅｎｄ－Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋１），（ＤＴｋ－Ｓ０ｋ）（１－Ｓ（ｋ，０））｝烄烅烆（９）式中：ＤＴｋ為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的最小停機時長；Ｓｋ０為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始停機時長。
６）決策變量取值范圍約束Ｓ（ｋ，ｔ）∈｛０，１｝ｔ＝Ｔｐｒｅ－ｃｏｏｌｉｎｇ，…，Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ０≤ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ≤ｍｉｎＰｂａｓｅ（ｔ）烅（）Ｐａｉｒｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ烄烆（１０）模型的目標(biāo)就是找到在滿足約束條件的情況下，目標(biāo)函數(shù)（式（５））中ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ的最大值以及各中央空調(diào)在每個時刻的運行狀態(tài)Ｓ（ｋ，ｔ）。
該制冷機啟停狀態(tài)矩陣Ｓ（ｋ，ｔ）包含所有中央空調(diào)制冷機在提前通知時段以及需求響應(yīng)事件持續(xù)時段的運行狀態(tài)。按照優(yōu)化得到的狀態(tài)矩陣調(diào)節(jié)中央空調(diào)集群在這兩個時段中的運行狀態(tài)，即可在提前通知時段結(jié)束時將室溫降至下限，實現(xiàn)預(yù)制冷；在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段按照優(yōu)化得到的降負(fù)荷潛力降低空調(diào)負(fù)荷。
而需求響應(yīng)事件過后，將人為控制中央空調(diào)制冷機逐漸都進(jìn)入運行狀態(tài)，使室溫恢復(fù)到原始室溫范圍。當(dāng)室溫進(jìn)入原始室溫范圍后，則取消對制冷機運行狀態(tài)的人為控制。
綜上所述，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型為混合整數(shù)規(guī)劃問題，本文將利用ＣＰＬＥＸ１２．１軟件包對該模型進(jìn)行求解及算例仿真研究。
２．３指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型在上述建立的中央空調(diào)組合降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，為了研究某一特定的降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群的運行方式及各商業(yè)樓宇的室溫變化情況，本文還建立了指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型。該模型的目標(biāo)函數(shù)為：
ｍｉｎ∑Ｔｅ＿ｅｎｄｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ（Ｐｃｕｒｔ（ｔ）－Ｐｔａｒｇｅｔ）２（１１）Ｐｃｕｒｔ（ｔ）＝Ｐｂａｓｅ（ｔ）－∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）ｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ（１２）式中：Ｐｔａｒｇｅｔ為指定的降負(fù)荷容量；Ｐｃｕｒｔ（ｔ）為中央空調(diào)集群在ｔ時刻的實際降負(fù)荷容量。
目標(biāo)函數(shù)的意義為最小化中央空調(diào)降負(fù)荷容量與指定的降負(fù)荷容量之間的偏差。
該模型的約束條件參見式（１）、式（２）、式（７）至式（１０），模型的求解方式也同２．２節(jié)。
３算例分析
３．１算例條件本文算例選?。担皸澤虡I(yè)樓宇的共５０臺中央空調(diào)負(fù)荷組成一個中央空調(diào)受控集群，假設(shè)每棟商業(yè)樓宇及每臺中央空調(diào)參數(shù)相同。每棟商業(yè)樓宇標(biāo)準(zhǔn)層長度為４５ｍ，寬度為２７ｍ，層高４．５ｍ，地上層數(shù)為１５層。每臺中央空調(diào)制冷機的額定制冷量均為３５００ｋＷ，制冷機最小停機時間為５ｍｉｎ，最小開機時間為３ｍｉｎ［２３］。
假定某電網(wǎng)在中午１１：００—１２：００時段內(nèi)出現(xiàn)６０ｍｉｎ的容量缺額，需要觸發(fā)需求響應(yīng)事件。在需求響應(yīng)事件期間，用戶可接受的舒適溫度調(diào)節(jié)區(qū)間為２１～２９℃。
在中央空調(diào)不受控時，制冷機的啟／停是由中央空調(diào)內(nèi)置的溫差控制模塊來決定［１８］，該模塊內(nèi)置溫差控制范圍本文設(shè)為（２４．５±０．５）℃，即［２４，２５］℃，而每棟樓宇的室內(nèi)初始溫度則設(shè)為［２４，２５］℃范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生的５０個溫度值。將該中央空調(diào)集群在某段時間內(nèi)的運行功率累加即得到該段時間內(nèi)的基線運行負(fù)荷。
５０棟樓宇隨機產(chǎn)生的室內(nèi)溫度初始值、５０臺中央空調(diào)制冷機初始狀態(tài)以及可供參考的建筑熱工參數(shù)見附錄Ａ。仿真時段為南京某夏季日１０：３０—１２：３０，該時段內(nèi)的實測室外溫度及仿真獲得的基線負(fù)荷見附錄Ｂ圖Ｂ１。
３．２空調(diào)不同運行方式對室溫變化的影響分析在空調(diào)系統(tǒng)不同運行方式下室內(nèi)溫度的變化曲線如圖１所示，其中紅色實線表示本文建立的室溫時變模型所對應(yīng)的室內(nèi)溫度變化曲線，而綠色虛線則表示若在中央空調(diào)停機期送風(fēng)機也停機的情況下室內(nèi)溫度的變化曲線。若在中央空調(diào)的停機期送風(fēng)機也停機，則室內(nèi)溫度將上升得較為迅速；而在本文建立的商業(yè)樓宇室溫時變模型中，由于考慮了在中央空調(diào)停機期送風(fēng)機仍工作，因此在停機期內(nèi)中央空調(diào)仍可以將冷凍水的余冷利用送風(fēng)機繼續(xù)送入室內(nèi)，從而能夠減緩室內(nèi)溫度的上升速度。可以看出本文采用的室溫時變方程中考慮了中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的儲能作用。
圖１空調(diào)系統(tǒng)不同運行方式下室內(nèi)溫度變化曲線Ｆｉｇ．１Ｉｎｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｆａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ３．３需求響應(yīng)事件中不同室內(nèi)溫度設(shè)定范圍的降負(fù)荷潛力分析首先，對某一溫度區(qū)間在持續(xù)６０ｍｉｎ的需求響應(yīng)事件中所能提供的降負(fù)荷潛力進(jìn)行了分析。以溫度范圍［２４，２７］℃為例，該中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件內(nèi)所能提供的降負(fù)荷潛力為２４．５ＭＷ，即在６０ｍｉｎ內(nèi)的每個時刻均保持至少７臺中央空調(diào)制冷機處于停機狀態(tài)。中央空調(diào)集群在受控后室內(nèi)溫度的變化情況及其實際負(fù)荷運行情況見附錄Ｂ圖Ｂ２和圖Ｂ３。從附錄Ｂ圖Ｂ２可以看出，電網(wǎng)在１１：００—１２：００這段時間實施緊急需求響應(yīng)，因此各臺中央空調(diào)的制冷機運行狀態(tài)從１１：００開始進(jìn)行調(diào)整，室內(nèi)溫度從１１：００開始緩慢提升，到１２：００時各樓宇室內(nèi)溫度基本均達(dá)到了溫度上限２７℃。而從附錄Ｂ圖Ｂ３可以看出，對應(yīng)的中央空調(diào)集群的運行功率也從１１：００開始下降，且在１１：００—１２：００這段時間內(nèi)的每個時刻其實際運行功率均比基線負(fù)荷至少低２４．５ＭＷ，實現(xiàn)了緊急需求響應(yīng)的降負(fù)荷目標(biāo)。
除［２４，２７］℃這一溫度范圍，本文在原始運行溫度范圍［２４，２５］℃的基礎(chǔ)上，將溫度范圍上限由２５℃逐漸提升至用戶舒適度所能接受的溫度上限２９℃，從而研究隨著溫度范圍的不斷擴(kuò)大，該組中央空調(diào)集群持續(xù)６０ｍｉｎ的降負(fù)荷潛力的變化情況，如圖２所示。
從圖２可以看出，隨著溫度范圍的不斷擴(kuò)大，這組中央空調(diào)在需求響應(yīng)事件內(nèi)所能提供的降負(fù)荷潛力也隨之增大。
３．４不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間降負(fù)荷潛力分析對于某一溫度區(qū)間來說，在不同的需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下，其降負(fù)荷的潛力也會有所不同。仍以［２４，２７］℃這一溫度范圍為例，選取需求響應(yīng)事件持續(xù)時間為３０～１２０ｍｉｎ時，該中央空調(diào)集群所能提供的降負(fù)荷潛力如圖３所示。
圖３不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．３Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ從圖３可以看出，總體上隨著降負(fù)荷持續(xù)時間的增加，其降負(fù)荷潛力則逐漸減少，但降負(fù)荷潛力的減少速率越來越小，某些相鄰降負(fù)荷持續(xù)時段的降負(fù)荷潛力甚至不變。
為說明圖３中某些相鄰降負(fù)荷持續(xù)時段的降負(fù)荷潛力甚至不變的原因，以降負(fù)荷持續(xù)時段［３０，９５］ｍｉｎ為例，附錄Ｂ圖Ｂ４表示了不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下５０棟樓宇室內(nèi)溫度的平均變化情況；附錄Ｂ圖Ｂ５表示了對附錄Ｂ圖Ｂ４中的曲線進(jìn)行線性擬合后擬合線段的斜率（表征了室內(nèi)溫升熱阻的大?。?，即附錄Ｂ圖Ｂ４中各條曲線的近似溫升速率?？梢钥闯觯?dāng)降負(fù)荷持續(xù)時段較短（３０～６０ｍｉｎ）時，由于熱阻較大，室內(nèi)溫度的上升速度對于持續(xù)時間很敏感，因此相鄰持續(xù)時段在相同時刻室內(nèi)溫差也較大，由此帶來的降負(fù)荷潛力也會相差較大；而當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時段較長（６０～１２０ｍｉｎ）時，相鄰持續(xù)時段溫升速率差距較小，相鄰時段在相同時刻的室內(nèi)溫差較小，兩者實際室內(nèi)溫度變化情況類似，因此兩者的降負(fù)荷潛力相差不大。
上述現(xiàn)象說明，當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時長較短時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長的變化較為敏感；而當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時長較長時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長變化的敏感程度降低。
３．５不同需求響應(yīng)事件提前通知時間的降負(fù)荷潛力分析緊急需求響應(yīng)措施在中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用還可以通過預(yù)制冷的方式來實現(xiàn)，即在需求響應(yīng)事件開始前，提前通知用戶利用中央空調(diào)系統(tǒng)將樓宇室內(nèi)溫度降至溫度下限，而在需求響應(yīng)事件期間則利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中央空調(diào)的蓄放熱特性使得室溫緩慢提升，從而在滿足用戶舒適度前提下降低需求響應(yīng)事件期間的中央空調(diào)運行負(fù)荷。而給予的提前通知時間對中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件中所能提供的降負(fù)荷潛力也有巨大影響。
假定用戶可以容忍的最低舒適度溫度為２１℃，允許中央空調(diào)系統(tǒng)在接收到降負(fù)荷需求響應(yīng)事件的觸發(fā)信號前，進(jìn)入預(yù)制冷工作模式，給予的提前通知時間為２５ｍｉｎ，室內(nèi)溫度變化情況及其降負(fù)荷情況如附錄Ｂ圖Ｂ６和圖Ｂ７所示。
從附錄Ｂ圖Ｂ６可以看出，在提前通知時間的１０：３６—１１：００這段時間內(nèi)，各棟樓宇室內(nèi)溫度連續(xù)下降至室溫下限２１℃左右，而在隨后的需求響應(yīng)事件的１１：００—１２：００內(nèi)，室內(nèi)溫度逐漸回升至室溫上限２７℃。從圖５可以看出，當(dāng)溫度范圍是［２４，２７］℃時，其降負(fù)荷潛力為２４．５ＭＷ；而對比附錄Ｂ圖Ｂ７可以看出，利用預(yù)制冷方式，緊急需求響應(yīng)時段內(nèi)的降負(fù)荷潛力從２４．５ＭＷ提升至６３ＭＷ，降負(fù)荷潛力約增加了１５７．１％。然而，在提前通知時間內(nèi)，由于樓宇內(nèi)溫度連續(xù)下降，中央空調(diào)制冷機在該時段內(nèi)因此處于連續(xù)運行狀態(tài)，因此在該時段內(nèi)中央空調(diào)集群的總體負(fù)荷相較于基線負(fù)荷有所上升。
在此基礎(chǔ)上，仍以溫度范圍［２１，２７］℃，緊急需求響應(yīng)持續(xù)時間６０ｍｉｎ為例，考慮給予的提前通知時間不同時，其降負(fù)荷潛力的變化情況，如圖４所示。
８４從圖４可以看出，在提前通知時間小于２５ｍｉｎ時，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力隨著提前通知時間的增加而逐漸增大；當(dāng)提前通知時間超過２５ｍｉｎ以后，降負(fù)荷潛力則不再提升。其原因在于，如圖１所示，由于中央空調(diào)集群的初始溫度均在［２４，２５］℃之間，各臺空調(diào)從初始溫度降至２１℃大約需要２５ｍｉｎ的時間，因此若提前通知時間小于２５ｍｉｎ，則不能在提前通知時間內(nèi)將室溫降至２１℃（如附錄Ｂ圖Ｂ８所示），相對應(yīng)的降負(fù)荷潛力則會有所降低；隨著提前通知時間的增加，其所能達(dá)到的溫度下限也越接近于２１℃，因此降負(fù)荷潛力也逐漸增加。
然而當(dāng)提前通知時間超過２５ｍｉｎ后，由于其在提前通知時段內(nèi)達(dá)到的溫度下限依然為２１℃（如附錄Ｂ圖Ｂ９所示），因此其降負(fù)荷潛力并不會進(jìn)一步增加。
３．６需求響應(yīng)事件期間不同降負(fù)荷容量對事件前后負(fù)荷增幅的影響分析從附錄Ｂ圖Ｂ７可以看出，在預(yù)制冷方式中，中央空調(diào)負(fù)荷在提前通知時間內(nèi)的負(fù)荷相較基線負(fù)荷有明顯增加；且在需求響應(yīng)事件過后，將人為控制中央空調(diào)制冷機逐漸都進(jìn)入運行狀態(tài)，使室溫恢復(fù)到原始室溫范圍，這也將導(dǎo)致在該室溫恢復(fù)時段，中央空調(diào)集群的運行負(fù)荷也會出現(xiàn)反彈［１９］。因此，需要研究在不同降負(fù)荷容量下，需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷增幅的變化情況。
以［２１，２７］℃溫度范圍為例，提前通知時間為２５ｍｉｎ，假設(shè)要求在需求響應(yīng)事件過后的１２：００—１２：３０這段時間內(nèi)，各樓宇溫度需恢復(fù)至原始溫度區(qū)間［２４，２５］℃。當(dāng)需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量為６３ＭＷ時，其室溫變化情況及運行負(fù)荷情況如附錄Ｂ圖Ｂ１０和圖Ｂ１１所示。在提前通知時間內(nèi)，中央空調(diào)集群的運行負(fù)荷較該時段的基線負(fù)荷的平均增幅達(dá)１０９．１％；而在緊急需求響應(yīng)時間結(jié)束后的室溫恢復(fù)時段，其運行負(fù)荷較該時段的基線負(fù)荷平均增幅達(dá)６４％。
若將需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量下降，則需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅變化情況如表１所示。
表１不同降負(fù)荷容量下需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷平均增幅Ｔａｂｌｅ１Ａｖｅｒａｇｅｌｏａｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｉｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ降負(fù)荷容量／ＭＷ預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅／％室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅／％６３．０１０９．１６２．５９５９．５９９．９６０．９６５６．０９１．１５８．１６５２．５８２．９５６．０９４９．０７２．５５５．６５４５．５６４．３５４．８４從表１可以看出，隨著降負(fù)荷容量的下降，中央空調(diào)集群預(yù)制冷期的負(fù)荷增幅也逐漸下降。
附錄Ｂ圖Ｂ１２為不同降負(fù)荷容量下室內(nèi)溫度的平均變化情況。可以看出，隨著降負(fù)荷容量減少，在預(yù)制冷結(jié)束時，室內(nèi)平均溫度也越來越高，因此預(yù)制冷時段內(nèi)負(fù)荷增幅下降；同樣的，隨著降負(fù)荷容量的減少，當(dāng)需求響應(yīng)事件結(jié)束時，達(dá)到的室內(nèi)平均溫度也越來越低，因此在室溫恢復(fù)時段的負(fù)荷增幅也有所降低。
因此，為了避免在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時段前后造成人為的負(fù)荷高峰，不宜將負(fù)荷高峰時段的電力負(fù)荷控制得過低。
３．７不同需求響應(yīng)事件提前通知時間對事件前后負(fù)荷增幅的影響分析本節(jié)則研究當(dāng)需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量恒定時，改變提前通知時間對預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅以及室溫恢復(fù)時段的負(fù)荷增幅的影響。將提前通知時間從５ｍｉｎ逐步增加到４０ｍｉｎ，對應(yīng)的需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅情況如表２所示。
表２不同提前通知時間下需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅Ｔａｂｌｅ２Ｌｏａｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｖａｎｃｅｄｎｏｔｉｃｅｔｉｍｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ提前通知時間／ｍｉｎ預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅／％室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅／％５７０．２５８．４６１０９３．１５９．６０１５１００．７５８．５１２０１０７．３６２．０８２５１０９．１６２．５９３０９２．８６６．３７４０７０．１６６．０５從表２可以看出，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而提前通知時長的變化規(guī)律同室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化規(guī)律無關(guān)。附錄Ｂ圖Ｂ１３表示不同提前通知時間下室內(nèi)溫度的平均變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)提前通知時間小于２５ｍｉｎ時，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段結(jié)束時室內(nèi)溫度平均值越接近室溫下限２１℃，且降負(fù)荷量也越來越大，因此預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅越來越大；而當(dāng)提前通知時長超過２５ｍｉｎ后，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段結(jié)束時室內(nèi)溫度平均值均約為２７℃，且降負(fù)荷量相同，而調(diào)整制冷機運行方式的時長卻更為充裕，因此預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅越來越小。
然而對于不同的提前通知時長，當(dāng)需求響應(yīng)事件結(jié)束時，室內(nèi)溫度均約達(dá)到溫度上限２７℃，因此提前通知時長的變化對室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化沒有影響。
３．８需求響應(yīng)事件中不同室外溫度對降負(fù)荷潛力的影響分析本節(jié)將研究在極端高溫天氣條件下降負(fù)荷潛力的變化情況。極端高溫天氣數(shù)據(jù)也采用實測南京某夏季極端高溫日１０：３０—１２：３０的氣溫數(shù)據(jù)。極端高溫天氣和上文采用的普通高溫天氣的氣溫對比如附錄Ｂ圖Ｂ１４所示。
受文章篇幅所限，本節(jié)僅研究在這兩種不同室外溫度條件下，不同室內(nèi)溫度設(shè)定范圍和不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下的降負(fù)荷潛力變化情況，分別如圖５和圖６所示。
圖５不同氣溫條件下不同溫度范圍中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．５Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｓａｎｄｏｕｔｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ圖６不同室外條件下不同緊急需求響應(yīng)時間持續(xù)時間中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．６Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔｄｕｒａｔｉｏｎｓａｎｄｏｕｔｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ可以看出，在極端高溫天氣條件下，單位時間內(nèi)外界傳入室內(nèi)的熱量增加，導(dǎo)致在預(yù)制冷時段內(nèi)，室內(nèi)溫度下降至溫度下限需要更長的時間；而在需求響應(yīng)事件時段內(nèi)，室內(nèi)溫度則在更短的時間內(nèi)上升至溫度上限。因此，中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力在極端高溫天氣條件下較普通高溫天氣時有所降低。
４結(jié)論
本文在考慮用戶舒適度的前提下，從負(fù)荷聚合商角度定量研究了一組參數(shù)相同的中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷潛力及其影響因素。本文建立了基于ＤＬＣ的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型和指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型，通過仿真算例分析了需求響應(yīng)事件中室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、考慮預(yù)制冷方式下的提前通知時間、需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷的增長幅度以及室外溫度這５個方面的因素對中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力的影響。通過算例仿真，得到如下結(jié)論。
１）中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力隨著室內(nèi)溫度設(shè)定范圍的增大而增加，隨著室外溫度的升高而減少。
２）中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力總體上隨著需求響應(yīng)事件持續(xù)時間而增加，其降負(fù)荷潛力則逐漸減少。
但當(dāng)持續(xù)時長較短時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長的變化較為敏感；而當(dāng)持續(xù)時長較長時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長變化的敏感程度降低。
３）當(dāng)采用預(yù)制冷方式時，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力會有所增加。然而，預(yù)制冷對于降負(fù)荷潛力的影響也是有限的，當(dāng)提前通知時間超過樓宇室溫從初始溫度降至室溫下限所需的時長后，中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力并不會隨著提前通知時長而增加。４）隨著降負(fù)荷容量減少，中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅也逐步降低；隨著提前通知時長的增加，預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而提前通知時長的變化規(guī)律同室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化關(guān)系不大。
摘要：空調(diào)負(fù)荷由于其熱慣性,負(fù)荷聚合商可在較小影響用戶舒適度的前提下,通過需求側(cè)管理手段對其實施有效管理,降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷。而中央空調(diào)相對于傳統(tǒng)分體式空調(diào)具有控制手段靈活、可控性強、單體功率大等特點,其參與需求響應(yīng)項目潛力巨大。文中建立了基于直接負(fù)荷控制的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力模型和指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型。通過仿真算例定量分析了需求響應(yīng)事件中室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、預(yù)制冷方式下提前通知時長、需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷增長幅度以及室外溫度這5個方面的因素對中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力的影響規(guī)律,為負(fù)荷聚合商將中央空調(diào)負(fù)荷納入電網(wǎng)調(diào)度提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：中央空調(diào);需求側(cè)管理;室溫時變模型;降負(fù)荷潛力;預(yù)制冷;
引言
近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，全社會的電力需求也呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢，全國電力供需總體偏緊，部分地區(qū)、部分時段缺電比較嚴(yán)重［１］。而在國內(nèi)的大中城市中，空調(diào)負(fù)荷容量已經(jīng)占到較大比重，尤其是在夏季高峰負(fù)荷時期，空調(diào)負(fù)荷比重高達(dá)３０％～５０％［２］。
這類負(fù)荷將導(dǎo)致峰谷差進(jìn)一步拉大［３］，出現(xiàn)顯著的負(fù)荷尖峰現(xiàn)象，而低谷電力富余，導(dǎo)致部分發(fā)電容量處于閑置狀態(tài)［４］，電力設(shè)備利用率降低，給電網(wǎng)運行帶來了隱患［５］。因此，空調(diào)負(fù)荷對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運行具有重要影響。
空調(diào)負(fù)荷具有一定的熱慣性［６］，負(fù)荷聚合商通過合理利用需求側(cè)管理［７］的手段對空調(diào)負(fù)荷實施有效管理，能夠在對用戶舒適度影響較小的前提下，使空調(diào)負(fù)荷快速響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)調(diào)度，降低高峰時段的電力需求，有利于緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾，保障電網(wǎng)安全運行。國內(nèi)外學(xué)者在此方面已進(jìn)行了大量研究。
文獻(xiàn)［８］針對空調(diào)集群，利用等效熱參數(shù)模型分析了傳統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)造成聚合負(fù)荷波動的機理，提出了一種改進(jìn)的溫度調(diào)節(jié)方式，并設(shè)計了基于該溫度調(diào)節(jié)方式的空調(diào)負(fù)荷調(diào)度決策模型；文獻(xiàn)［９］則研究了通過直接負(fù)荷控制（ｄｉｒｅｃｔｌｏａｄｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＬＣ）對空調(diào)負(fù)荷運行進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到削減負(fù)荷的目的；文獻(xiàn)［１０－１１］則提出根據(jù)控制目標(biāo)利用溫度優(yōu)先級列表模型對空調(diào)進(jìn)行啟?？刂疲C明了空調(diào)負(fù)荷提供輔助服務(wù)的可行性。
而在空調(diào)負(fù)荷中，大型商場、寫字樓等商業(yè)樓宇的中央空調(diào)負(fù)荷占據(jù)了較大比重，其可控性較強，參與需求響應(yīng)潛力巨大，是實現(xiàn)削減高峰負(fù)荷的理想對象。對此，國內(nèi)學(xué)者也已做了大量研究。文獻(xiàn)［１２－１３］研究了中央空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的方式，并為中央空調(diào)制定了調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度設(shè)定值、控制主機啟停、關(guān)閉部分新風(fēng)機組、關(guān)閉末端風(fēng)機盤管、大樓空調(diào)提前蓄冷等一系列調(diào)控手段，但并未提出具體的控制策略；文獻(xiàn)［１４］詳細(xì)建立了中央空調(diào)系統(tǒng)中各子設(shè)備能耗的數(shù)學(xué)模型及各子設(shè)備之間的耦合關(guān)系，獲得了中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化模型，通過優(yōu)化各子設(shè)備的運行點，實現(xiàn)中央空調(diào)負(fù)荷的節(jié)能節(jié)支；文獻(xiàn)［１５］中基于中央空調(diào)系統(tǒng)運行原理建立了商場冷負(fù)荷需求模型，利用此模型設(shè)計了中央空調(diào)負(fù)荷節(jié)能運行控制策略。文獻(xiàn)［１６－１８］研究了中央空調(diào)輪停控制策略，并分別從輪停控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能、技術(shù)方案及計入舒適度約束的分檔控制策略等方面進(jìn)行研究，并對中央空調(diào)輪?？刂撇呗缘墓?jié)電削峰效益進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［１９］則在滿足人體熱舒適要求的前提下，通過建立冷負(fù)荷需求模型，確立空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)的實現(xiàn)策略，并對利用分體式空調(diào)實現(xiàn)錯峰運行進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［２０－２１］均對商業(yè)樓宇空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)［２０］對實際的示范工程中應(yīng)用到的空調(diào)負(fù)荷調(diào)控策略及調(diào)控效果進(jìn)行了總結(jié)，并明確了調(diào)控流程；文獻(xiàn)［２１］則通過試點應(yīng)用，驗證了商業(yè)樓宇空調(diào)負(fù)荷調(diào)控技術(shù)的可行性及削峰效果。然而，針對中央空調(diào)參與需求響應(yīng)項目方面的研究，學(xué)者們研究較多的是優(yōu)化中央空調(diào)運行方式，從而實現(xiàn)中央空調(diào)的節(jié)能降耗；在合理調(diào)度中央空調(diào)負(fù)荷參與激勵型需求響應(yīng)項目，從而在短時間內(nèi)實現(xiàn)電網(wǎng)高峰負(fù)荷的削減方面則研究較少，更何況中央空調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)的高峰負(fù)荷削減能力還和室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、預(yù)制冷方式下的提前通知時長等因素嚴(yán)格相關(guān)。此外，由于單個樓宇的可調(diào)控的空調(diào)負(fù)荷有限，相比之下，將多個樓宇的中央空調(diào)負(fù)荷聚合后進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控具有調(diào)控方式靈活、調(diào)控潛力巨大等優(yōu)點，而這種調(diào)控方式一般是通過負(fù)荷聚合商［２２］機制實現(xiàn)的。
基于上述原因，本文提出了考慮用戶舒適度的中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型和指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式求解模型，從負(fù)荷聚合商的角度研究了利用ＤＬＣ對一組參數(shù)相同的中央空調(diào)集群進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控的調(diào)控策略及可實現(xiàn)的降負(fù)荷潛力，定量分析了需求響應(yīng)事件中室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、預(yù)制冷方式下的提前通知時間、在需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷的增長幅度以及室外溫度等５個方面因素對中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件中降負(fù)荷潛力的影響規(guī)律，并獲得了一些創(chuàng)新性結(jié)論。從而為系統(tǒng)調(diào)度員在電網(wǎng)負(fù)荷高峰到達(dá)時，為參與需求響應(yīng)項目的負(fù)荷聚集商制定合理的降負(fù)荷指標(biāo)及相應(yīng)的控制策略提供理論依據(jù)。
為了在滿足用戶舒適度的溫度范圍內(nèi)對中央空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)控，首先就要建立商業(yè)樓宇在中央空調(diào)系統(tǒng)作用下的室溫時變方程。中央空調(diào)的工作過程分為制冷期和停機期，在中央空調(diào)的制冷期，制冷機系統(tǒng)對冷凍水進(jìn)行降溫，再由送風(fēng)機將由低溫冷凍水降溫后的冷空氣送入室內(nèi)，從而降低室內(nèi)溫度；而在中央空調(diào)的停機期，制冷機停止運行，但中央空調(diào)系統(tǒng)仍利用送風(fēng)機和冷凍水余冷為室內(nèi)供冷，但受太陽輻射、室內(nèi)照明、人體散熱等因素影響，室內(nèi)溫度將緩慢回升。
根據(jù)能量守恒原理，空調(diào)房間在某時段內(nèi)實際獲得的熱量等于該時段內(nèi)傳入的熱量和由中央空調(diào)系統(tǒng)帶走的熱量之差［１４－１５，１９］。利用該原理可推導(dǎo)出在中央空調(diào)系統(tǒng)作用下商業(yè)樓宇的室溫時變方程，具體推導(dǎo)過程可參見文獻(xiàn)［１８］的附錄。中央空調(diào)制冷期和停機期的室溫時變方程分別如式（１）和式（２）所示。
Ｔｏｎｉｎ（ｔ）＝α３－Ｑｐα２－α３－Ｑｐα２（）－Ｔｉｎｏｎ（０）ｅ－αα２１ｔ（１）Ｔｏｆｆｉｎ（ｔ）＝α３α２＋α４ａα１－α２ｅ－ａｔ－α４ａα１－α２＋α３α２（）－Ｔｉｎｏｆｆ（０）ｅ－αα２１ｔ（２）式中：Ｔｉｎｏｎ（ｔ）和Ｔｉｎｏｆｆ（ｔ）分別為中央空調(diào)制冷期和停機期中ｔ時刻商業(yè)樓宇的室內(nèi)溫度；Ｔｉｎｏｎ（０）和Ｔｏｆｆｉｎ（０）分別為中央空調(diào)制冷期和停機期開始時的室內(nèi)溫度；ａ為冷凍水溫度變化參數(shù)，可取為１；Ｑｐ為制冷機的額定供冷量。
參數(shù)α１，α２，α３，α４由建筑參數(shù)決定，分別為：
α１＝ρａＶｋｃａ＋ｋｓＳｉｎｗａｌｌα２＝１．８（ｋｔｏｐＳｔｏｐ＋ｋｗａｌｌＳｗａｌｌ）α３＝α２Ｔｏｕｔ＋Ｑｅｒα４＝ａｍｚｃｗ（Ｔｗ－ｏｕｔ－Ｔｗ－ｉｎ）烄烅烆（３）式中：ρａ為空氣密度；Ｖｋ為室內(nèi)體積；ｃａ為空氣比熱容；ｋｓ為內(nèi)墻面蓄熱系數(shù)；Ｓｉｎｗａｌｌ為內(nèi)墻面積；ｋｔｏｐ和ｋｗａｌｌ分別為屋頂與墻壁的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ｓｗａｌｌ和Ｓｔｏｐ分別為墻壁與屋頂?shù)拿娣e；ｍｚ為冷凍水質(zhì)量；ｃｗ為冷凍水比熱容；Ｔｗ－ｉｎ和Ｔｗ－ｏｕｔ分別為冷凍水的進(jìn)出水溫度；Ｑｅｒ為室內(nèi)設(shè)備、照明以及人員的總散熱冷負(fù)荷。
Ｑｅｒ表示為：
Ｑｅｒ＝（ｋｅＮｅ＋ｋｌＮｌ）Ｓｃ＋（ｋｐｑｓ＋ｑｌ）ｎｐＳｃα（４）式中：ｋｅ和ｋｌ分別為電氣設(shè)備和照明系統(tǒng)的冷負(fù)荷參數(shù)；Ｎｅ和Ｎｌ分別為電氣設(shè)備和照明系統(tǒng)的單位面積散熱量；Ｓｃ為制冷區(qū)域面積；ｋｐ為人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)；ｑｓ和ｑｌ分別為人體顯熱和潛熱散熱量；ｎｐ為單位面積人數(shù)；α表示集群系數(shù)。
２基于ＤＬＣ的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型
本文建立的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型旨在定量研究在需求響應(yīng)事件內(nèi)一組中央空調(diào)集群所能達(dá)到的最大降負(fù)荷容量，即該時段內(nèi)的降負(fù)荷潛力，以及這一降負(fù)荷潛力會受到哪些因素的影響。
模型的實現(xiàn)方式是在考慮用戶舒適度的前提下，通過遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)該組中央空調(diào)的溫度設(shè)定范圍及某些時段中央空調(diào)制冷機的運行狀態(tài)，從而能夠保證在需求響應(yīng)事件內(nèi)該組中央空調(diào)的總體運行功率相較于原始運行功率有所下降，實現(xiàn)在少影響用戶舒適度情況下的降負(fù)荷效果。
２．１目標(biāo)函數(shù)ｍａｘ（Ｐｐｏｔ）＝ｍａｘ（Ｐａｉｒｎｎｕｍ＿ｐｏｔ）ｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ式中：Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ和Ｔｅ＿ｅｎｄ分別為需求響應(yīng)事件的起始時刻和結(jié)束時刻；在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段內(nèi)，每時每刻中央空調(diào)集群的負(fù)荷削減量有可能不同，將這段時長內(nèi)達(dá)到的最小的負(fù)荷削減量定義為降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ，因此目標(biāo)函數(shù)的意義即為最大化該降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ；Ｐａｉｒ為單臺中央空調(diào)制冷機的功率；ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ為一個待優(yōu)化的決策變量，其意義為降負(fù)荷潛力所對應(yīng)的實際削減的中央空調(diào)制冷機臺數(shù)。
２．２約束條件１）緊急需求響應(yīng)時段降負(fù)荷約束Ｐｂａｓｅ（ｔ）－∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）≥Ｐａｉｒｎｎｕｍ＿ｐｏｔ（６）式中：Ｐｂａｓｅ（ｔ）為時刻ｔ該組中央空調(diào)原始的總體運行功率；∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）表示在時刻ｔ該組中央空調(diào)受控后的實際運行功率；ｎ為一組中央空調(diào)集群中的空調(diào)總數(shù)；Ｓ（ｋ，ｔ）為第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ的運行狀態(tài)，Ｓ（ｋ，ｔ）＝１表示第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ處于運行狀態(tài)，Ｓ（ｋ，ｔ）＝０則表示第ｋ臺中央空調(diào)的制冷機在時刻ｔ處于停機狀態(tài)。
該約束即是要求在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段內(nèi)，每時每刻的負(fù)荷削減量均要大于降負(fù)荷潛力Ｐｐｏｔ。
２）室溫時變方程，即式（１）和式（２）。
３）室溫變化的上下限約束Ｔｉｎ（ｋ，ｔ）＝Ｔｏｎｉｎ（ｋ，ｔ）Ｓ（ｋ，ｔ）＋Ｔｏｆｆｉｎ（ｋ，ｔ）（１－Ｓ（ｋ，ｔ））Ｔｍｉｎ（ｔ）≤Ｔｉｎ（ｋ，ｔ）≤Ｔｍａｘ（ｔ）烄烅烆（７）式中：Ｔｍａｘ（ｔ）和Ｔｍｉｎ（ｔ）分別為中央空調(diào)受控后各時刻溫度范圍的上下限；ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ，…，Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ，其中Ｔｐ＿ｃｏｏｌ為提前通知時段的起始時刻。因此，若采用預(yù)制冷方式，則提前通知時段即為ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ，…，（Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ－１），否則，無需提前通知，此時Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＝Ｔｅ－ｓｔａｒｔ。
４）制冷機最小運行時間約束∑Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｇｋ－１ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ（１－Ｓ（ｋ，ｔ））＝０∑ｍ＋ＵＴｋ－１ｔ＝ｍＳ（ｋ，ｔ）≥ＵＴｋ（Ｓ（ｋ，ｔ）－Ｓ（ｋ，ｔ－１））ｍ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｇｋ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＵＴｋ＋１＿Ｔｅ∑ｅｎｄｔ＝ｎ［Ｓ（ｋ，ｔ）－（Ｓ（ｋ，ｎ）－Ｓ（ｋ，ｎ－１））］≥０ｎ＝Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＵＴｋ＋２，…，Ｔｅ＿ｅｎｄＧｋ＝ｍｉｎ｛（Ｔｅ＿ｅｎｄ－Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋１），（ＵＴｋ－Ｕｋ０）Ｓ（ｋ，０）｝烄烅烆（８）式中：ＵＴｋ為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的最小運行時長；Ｕｋ０為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始運行時長；Ｓ（ｋ，０）為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始運行狀態(tài)。
５）制冷機最小停運時間約束∑Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｌｋ－１ｔ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌＳ（ｋ，ｔ）＝０∑ｍ＋ＤＴｋ－１ｔ＝ｍ（１－Ｓ（ｋ，ｔ））≥ＤＴｋ（Ｓ（ｋ，ｔ－１）－Ｓ（ｋ，ｔ））ｍ＝Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋Ｌｋ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＤＴｋ＋１＿Ｔｅ∑ｅｎｄｔ＝ｎ［１－Ｓ（ｋ，ｔ）－（Ｓ（ｋ，ｎ－１）－Ｓ（ｋ，ｎ））］≥０ｎ＝Ｔｅ＿ｅｎｄ－ＤＴｋ＋２，…，Ｔｅ＿ｅｎｄＬｋ＝ｍｉｎ｛（Ｔｅ＿ｅｎｄ－Ｔｐ＿ｃｏｏｌ＋１），（ＤＴｋ－Ｓ０ｋ）（１－Ｓ（ｋ，０））｝烄烅烆（９）式中：ＤＴｋ為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的最小停機時長；Ｓｋ０為第ｋ臺中央空調(diào)制冷機的初始停機時長。
６）決策變量取值范圍約束Ｓ（ｋ，ｔ）∈｛０，１｝ｔ＝Ｔｐｒｅ－ｃｏｏｌｉｎｇ，…，Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ０≤ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ≤ｍｉｎＰｂａｓｅ（ｔ）烅（）Ｐａｉｒｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ烄烆（１０）模型的目標(biāo)就是找到在滿足約束條件的情況下，目標(biāo)函數(shù)（式（５））中ｎｎｕｍ＿ｐｏｔ的最大值以及各中央空調(diào)在每個時刻的運行狀態(tài)Ｓ（ｋ，ｔ）。
該制冷機啟停狀態(tài)矩陣Ｓ（ｋ，ｔ）包含所有中央空調(diào)制冷機在提前通知時段以及需求響應(yīng)事件持續(xù)時段的運行狀態(tài)。按照優(yōu)化得到的狀態(tài)矩陣調(diào)節(jié)中央空調(diào)集群在這兩個時段中的運行狀態(tài)，即可在提前通知時段結(jié)束時將室溫降至下限，實現(xiàn)預(yù)制冷；在需求響應(yīng)事件持續(xù)時段按照優(yōu)化得到的降負(fù)荷潛力降低空調(diào)負(fù)荷。
而需求響應(yīng)事件過后，將人為控制中央空調(diào)制冷機逐漸都進(jìn)入運行狀態(tài)，使室溫恢復(fù)到原始室溫范圍。當(dāng)室溫進(jìn)入原始室溫范圍后，則取消對制冷機運行狀態(tài)的人為控制。
綜上所述，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型為混合整數(shù)規(guī)劃問題，本文將利用ＣＰＬＥＸ１２．１軟件包對該模型進(jìn)行求解及算例仿真研究。
２．３指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型在上述建立的中央空調(diào)組合降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，為了研究某一特定的降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群的運行方式及各商業(yè)樓宇的室溫變化情況，本文還建立了指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型。該模型的目標(biāo)函數(shù)為：
ｍｉｎ∑Ｔｅ＿ｅｎｄｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ（Ｐｃｕｒｔ（ｔ）－Ｐｔａｒｇｅｔ）２（１１）Ｐｃｕｒｔ（ｔ）＝Ｐｂａｓｅ（ｔ）－∑ｎｋ＝１ＰａｉｒＳ（ｋ，ｔ）ｔ＝Ｔｅ＿ｓｔａｒｔ，…，Ｔｅ＿ｅｎｄ（１２）式中：Ｐｔａｒｇｅｔ為指定的降負(fù)荷容量；Ｐｃｕｒｔ（ｔ）為中央空調(diào)集群在ｔ時刻的實際降負(fù)荷容量。
目標(biāo)函數(shù)的意義為最小化中央空調(diào)降負(fù)荷容量與指定的降負(fù)荷容量之間的偏差。
該模型的約束條件參見式（１）、式（２）、式（７）至式（１０），模型的求解方式也同２．２節(jié)。
３算例分析
３．１算例條件本文算例選?。担皸澤虡I(yè)樓宇的共５０臺中央空調(diào)負(fù)荷組成一個中央空調(diào)受控集群，假設(shè)每棟商業(yè)樓宇及每臺中央空調(diào)參數(shù)相同。每棟商業(yè)樓宇標(biāo)準(zhǔn)層長度為４５ｍ，寬度為２７ｍ，層高４．５ｍ，地上層數(shù)為１５層。每臺中央空調(diào)制冷機的額定制冷量均為３５００ｋＷ，制冷機最小停機時間為５ｍｉｎ，最小開機時間為３ｍｉｎ［２３］。
假定某電網(wǎng)在中午１１：００—１２：００時段內(nèi)出現(xiàn)６０ｍｉｎ的容量缺額，需要觸發(fā)需求響應(yīng)事件。在需求響應(yīng)事件期間，用戶可接受的舒適溫度調(diào)節(jié)區(qū)間為２１～２９℃。
在中央空調(diào)不受控時，制冷機的啟／停是由中央空調(diào)內(nèi)置的溫差控制模塊來決定［１８］，該模塊內(nèi)置溫差控制范圍本文設(shè)為（２４．５±０．５）℃，即［２４，２５］℃，而每棟樓宇的室內(nèi)初始溫度則設(shè)為［２４，２５］℃范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生的５０個溫度值。將該中央空調(diào)集群在某段時間內(nèi)的運行功率累加即得到該段時間內(nèi)的基線運行負(fù)荷。
５０棟樓宇隨機產(chǎn)生的室內(nèi)溫度初始值、５０臺中央空調(diào)制冷機初始狀態(tài)以及可供參考的建筑熱工參數(shù)見附錄Ａ。仿真時段為南京某夏季日１０：３０—１２：３０，該時段內(nèi)的實測室外溫度及仿真獲得的基線負(fù)荷見附錄Ｂ圖Ｂ１。
３．２空調(diào)不同運行方式對室溫變化的影響分析在空調(diào)系統(tǒng)不同運行方式下室內(nèi)溫度的變化曲線如圖１所示，其中紅色實線表示本文建立的室溫時變模型所對應(yīng)的室內(nèi)溫度變化曲線，而綠色虛線則表示若在中央空調(diào)停機期送風(fēng)機也停機的情況下室內(nèi)溫度的變化曲線。若在中央空調(diào)的停機期送風(fēng)機也停機，則室內(nèi)溫度將上升得較為迅速；而在本文建立的商業(yè)樓宇室溫時變模型中，由于考慮了在中央空調(diào)停機期送風(fēng)機仍工作，因此在停機期內(nèi)中央空調(diào)仍可以將冷凍水的余冷利用送風(fēng)機繼續(xù)送入室內(nèi)，從而能夠減緩室內(nèi)溫度的上升速度。可以看出本文采用的室溫時變方程中考慮了中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的儲能作用。
圖１空調(diào)系統(tǒng)不同運行方式下室內(nèi)溫度變化曲線Ｆｉｇ．１Ｉｎｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｆａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ３．３需求響應(yīng)事件中不同室內(nèi)溫度設(shè)定范圍的降負(fù)荷潛力分析首先，對某一溫度區(qū)間在持續(xù)６０ｍｉｎ的需求響應(yīng)事件中所能提供的降負(fù)荷潛力進(jìn)行了分析。以溫度范圍［２４，２７］℃為例，該中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件內(nèi)所能提供的降負(fù)荷潛力為２４．５ＭＷ，即在６０ｍｉｎ內(nèi)的每個時刻均保持至少７臺中央空調(diào)制冷機處于停機狀態(tài)。中央空調(diào)集群在受控后室內(nèi)溫度的變化情況及其實際負(fù)荷運行情況見附錄Ｂ圖Ｂ２和圖Ｂ３。從附錄Ｂ圖Ｂ２可以看出，電網(wǎng)在１１：００—１２：００這段時間實施緊急需求響應(yīng)，因此各臺中央空調(diào)的制冷機運行狀態(tài)從１１：００開始進(jìn)行調(diào)整，室內(nèi)溫度從１１：００開始緩慢提升，到１２：００時各樓宇室內(nèi)溫度基本均達(dá)到了溫度上限２７℃。而從附錄Ｂ圖Ｂ３可以看出，對應(yīng)的中央空調(diào)集群的運行功率也從１１：００開始下降，且在１１：００—１２：００這段時間內(nèi)的每個時刻其實際運行功率均比基線負(fù)荷至少低２４．５ＭＷ，實現(xiàn)了緊急需求響應(yīng)的降負(fù)荷目標(biāo)。
除［２４，２７］℃這一溫度范圍，本文在原始運行溫度范圍［２４，２５］℃的基礎(chǔ)上，將溫度范圍上限由２５℃逐漸提升至用戶舒適度所能接受的溫度上限２９℃，從而研究隨著溫度范圍的不斷擴(kuò)大，該組中央空調(diào)集群持續(xù)６０ｍｉｎ的降負(fù)荷潛力的變化情況，如圖２所示。
從圖２可以看出，隨著溫度范圍的不斷擴(kuò)大，這組中央空調(diào)在需求響應(yīng)事件內(nèi)所能提供的降負(fù)荷潛力也隨之增大。
３．４不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間降負(fù)荷潛力分析對于某一溫度區(qū)間來說，在不同的需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下，其降負(fù)荷的潛力也會有所不同。仍以［２４，２７］℃這一溫度范圍為例，選取需求響應(yīng)事件持續(xù)時間為３０～１２０ｍｉｎ時，該中央空調(diào)集群所能提供的降負(fù)荷潛力如圖３所示。
圖３不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．３Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ從圖３可以看出，總體上隨著降負(fù)荷持續(xù)時間的增加，其降負(fù)荷潛力則逐漸減少，但降負(fù)荷潛力的減少速率越來越小，某些相鄰降負(fù)荷持續(xù)時段的降負(fù)荷潛力甚至不變。
為說明圖３中某些相鄰降負(fù)荷持續(xù)時段的降負(fù)荷潛力甚至不變的原因，以降負(fù)荷持續(xù)時段［３０，９５］ｍｉｎ為例，附錄Ｂ圖Ｂ４表示了不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下５０棟樓宇室內(nèi)溫度的平均變化情況；附錄Ｂ圖Ｂ５表示了對附錄Ｂ圖Ｂ４中的曲線進(jìn)行線性擬合后擬合線段的斜率（表征了室內(nèi)溫升熱阻的大?。?，即附錄Ｂ圖Ｂ４中各條曲線的近似溫升速率?？梢钥闯觯?dāng)降負(fù)荷持續(xù)時段較短（３０～６０ｍｉｎ）時，由于熱阻較大，室內(nèi)溫度的上升速度對于持續(xù)時間很敏感，因此相鄰持續(xù)時段在相同時刻室內(nèi)溫差也較大，由此帶來的降負(fù)荷潛力也會相差較大；而當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時段較長（６０～１２０ｍｉｎ）時，相鄰持續(xù)時段溫升速率差距較小，相鄰時段在相同時刻的室內(nèi)溫差較小，兩者實際室內(nèi)溫度變化情況類似，因此兩者的降負(fù)荷潛力相差不大。
上述現(xiàn)象說明，當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時長較短時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長的變化較為敏感；而當(dāng)需求響應(yīng)事件持續(xù)時長較長時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長變化的敏感程度降低。
３．５不同需求響應(yīng)事件提前通知時間的降負(fù)荷潛力分析緊急需求響應(yīng)措施在中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用還可以通過預(yù)制冷的方式來實現(xiàn)，即在需求響應(yīng)事件開始前，提前通知用戶利用中央空調(diào)系統(tǒng)將樓宇室內(nèi)溫度降至溫度下限，而在需求響應(yīng)事件期間則利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中央空調(diào)的蓄放熱特性使得室溫緩慢提升，從而在滿足用戶舒適度前提下降低需求響應(yīng)事件期間的中央空調(diào)運行負(fù)荷。而給予的提前通知時間對中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件中所能提供的降負(fù)荷潛力也有巨大影響。
假定用戶可以容忍的最低舒適度溫度為２１℃，允許中央空調(diào)系統(tǒng)在接收到降負(fù)荷需求響應(yīng)事件的觸發(fā)信號前，進(jìn)入預(yù)制冷工作模式，給予的提前通知時間為２５ｍｉｎ，室內(nèi)溫度變化情況及其降負(fù)荷情況如附錄Ｂ圖Ｂ６和圖Ｂ７所示。
從附錄Ｂ圖Ｂ６可以看出，在提前通知時間的１０：３６—１１：００這段時間內(nèi)，各棟樓宇室內(nèi)溫度連續(xù)下降至室溫下限２１℃左右，而在隨后的需求響應(yīng)事件的１１：００—１２：００內(nèi)，室內(nèi)溫度逐漸回升至室溫上限２７℃。從圖５可以看出，當(dāng)溫度范圍是［２４，２７］℃時，其降負(fù)荷潛力為２４．５ＭＷ；而對比附錄Ｂ圖Ｂ７可以看出，利用預(yù)制冷方式，緊急需求響應(yīng)時段內(nèi)的降負(fù)荷潛力從２４．５ＭＷ提升至６３ＭＷ，降負(fù)荷潛力約增加了１５７．１％。然而，在提前通知時間內(nèi)，由于樓宇內(nèi)溫度連續(xù)下降，中央空調(diào)制冷機在該時段內(nèi)因此處于連續(xù)運行狀態(tài)，因此在該時段內(nèi)中央空調(diào)集群的總體負(fù)荷相較于基線負(fù)荷有所上升。
在此基礎(chǔ)上，仍以溫度范圍［２１，２７］℃，緊急需求響應(yīng)持續(xù)時間６０ｍｉｎ為例，考慮給予的提前通知時間不同時，其降負(fù)荷潛力的變化情況，如圖４所示。
８４從圖４可以看出，在提前通知時間小于２５ｍｉｎ時，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力隨著提前通知時間的增加而逐漸增大；當(dāng)提前通知時間超過２５ｍｉｎ以后，降負(fù)荷潛力則不再提升。其原因在于，如圖１所示，由于中央空調(diào)集群的初始溫度均在［２４，２５］℃之間，各臺空調(diào)從初始溫度降至２１℃大約需要２５ｍｉｎ的時間，因此若提前通知時間小于２５ｍｉｎ，則不能在提前通知時間內(nèi)將室溫降至２１℃（如附錄Ｂ圖Ｂ８所示），相對應(yīng)的降負(fù)荷潛力則會有所降低；隨著提前通知時間的增加，其所能達(dá)到的溫度下限也越接近于２１℃，因此降負(fù)荷潛力也逐漸增加。
然而當(dāng)提前通知時間超過２５ｍｉｎ后，由于其在提前通知時段內(nèi)達(dá)到的溫度下限依然為２１℃（如附錄Ｂ圖Ｂ９所示），因此其降負(fù)荷潛力并不會進(jìn)一步增加。
３．６需求響應(yīng)事件期間不同降負(fù)荷容量對事件前后負(fù)荷增幅的影響分析從附錄Ｂ圖Ｂ７可以看出，在預(yù)制冷方式中，中央空調(diào)負(fù)荷在提前通知時間內(nèi)的負(fù)荷相較基線負(fù)荷有明顯增加；且在需求響應(yīng)事件過后，將人為控制中央空調(diào)制冷機逐漸都進(jìn)入運行狀態(tài)，使室溫恢復(fù)到原始室溫范圍，這也將導(dǎo)致在該室溫恢復(fù)時段，中央空調(diào)集群的運行負(fù)荷也會出現(xiàn)反彈［１９］。因此，需要研究在不同降負(fù)荷容量下，需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷增幅的變化情況。
以［２１，２７］℃溫度范圍為例，提前通知時間為２５ｍｉｎ，假設(shè)要求在需求響應(yīng)事件過后的１２：００—１２：３０這段時間內(nèi)，各樓宇溫度需恢復(fù)至原始溫度區(qū)間［２４，２５］℃。當(dāng)需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量為６３ＭＷ時，其室溫變化情況及運行負(fù)荷情況如附錄Ｂ圖Ｂ１０和圖Ｂ１１所示。在提前通知時間內(nèi)，中央空調(diào)集群的運行負(fù)荷較該時段的基線負(fù)荷的平均增幅達(dá)１０９．１％；而在緊急需求響應(yīng)時間結(jié)束后的室溫恢復(fù)時段，其運行負(fù)荷較該時段的基線負(fù)荷平均增幅達(dá)６４％。
若將需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量下降，則需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅變化情況如表１所示。
表１不同降負(fù)荷容量下需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷平均增幅Ｔａｂｌｅ１Ａｖｅｒａｇｅｌｏａｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｉｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ降負(fù)荷容量／ＭＷ預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅／％室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅／％６３．０１０９．１６２．５９５９．５９９．９６０．９６５６．０９１．１５８．１６５２．５８２．９５６．０９４９．０７２．５５５．６５４５．５６４．３５４．８４從表１可以看出，隨著降負(fù)荷容量的下降，中央空調(diào)集群預(yù)制冷期的負(fù)荷增幅也逐漸下降。
附錄Ｂ圖Ｂ１２為不同降負(fù)荷容量下室內(nèi)溫度的平均變化情況。可以看出，隨著降負(fù)荷容量減少，在預(yù)制冷結(jié)束時，室內(nèi)平均溫度也越來越高，因此預(yù)制冷時段內(nèi)負(fù)荷增幅下降；同樣的，隨著降負(fù)荷容量的減少，當(dāng)需求響應(yīng)事件結(jié)束時，達(dá)到的室內(nèi)平均溫度也越來越低，因此在室溫恢復(fù)時段的負(fù)荷增幅也有所降低。
因此，為了避免在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時段前后造成人為的負(fù)荷高峰，不宜將負(fù)荷高峰時段的電力負(fù)荷控制得過低。
３．７不同需求響應(yīng)事件提前通知時間對事件前后負(fù)荷增幅的影響分析本節(jié)則研究當(dāng)需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷容量恒定時，改變提前通知時間對預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅以及室溫恢復(fù)時段的負(fù)荷增幅的影響。將提前通知時間從５ｍｉｎ逐步增加到４０ｍｉｎ，對應(yīng)的需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅情況如表２所示。
表２不同提前通知時間下需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅Ｔａｂｌｅ２Ｌｏａｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｖａｎｃｅｄｎｏｔｉｃｅｔｉｍｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔ提前通知時間／ｍｉｎ預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅／％室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅／％５７０．２５８．４６１０９３．１５９．６０１５１００．７５８．５１２０１０７．３６２．０８２５１０９．１６２．５９３０９２．８６６．３７４０７０．１６６．０５從表２可以看出，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而提前通知時長的變化規(guī)律同室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化規(guī)律無關(guān)。附錄Ｂ圖Ｂ１３表示不同提前通知時間下室內(nèi)溫度的平均變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)提前通知時間小于２５ｍｉｎ時，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段結(jié)束時室內(nèi)溫度平均值越接近室溫下限２１℃，且降負(fù)荷量也越來越大，因此預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅越來越大；而當(dāng)提前通知時長超過２５ｍｉｎ后，隨著提前通知時間的增加，預(yù)制冷時段結(jié)束時室內(nèi)溫度平均值均約為２７℃，且降負(fù)荷量相同，而調(diào)整制冷機運行方式的時長卻更為充裕，因此預(yù)制冷時段負(fù)荷增幅越來越小。
然而對于不同的提前通知時長，當(dāng)需求響應(yīng)事件結(jié)束時，室內(nèi)溫度均約達(dá)到溫度上限２７℃，因此提前通知時長的變化對室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化沒有影響。
３．８需求響應(yīng)事件中不同室外溫度對降負(fù)荷潛力的影響分析本節(jié)將研究在極端高溫天氣條件下降負(fù)荷潛力的變化情況。極端高溫天氣數(shù)據(jù)也采用實測南京某夏季極端高溫日１０：３０—１２：３０的氣溫數(shù)據(jù)。極端高溫天氣和上文采用的普通高溫天氣的氣溫對比如附錄Ｂ圖Ｂ１４所示。
受文章篇幅所限，本節(jié)僅研究在這兩種不同室外溫度條件下，不同室內(nèi)溫度設(shè)定范圍和不同需求響應(yīng)事件持續(xù)時間下的降負(fù)荷潛力變化情況，分別如圖５和圖６所示。
圖５不同氣溫條件下不同溫度范圍中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．５Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｓａｎｄｏｕｔｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ圖６不同室外條件下不同緊急需求響應(yīng)時間持續(xù)時間中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力Ｆｉｇ．６Ｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｅｎｔｒａｌａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｅｖｅｎｔｄｕｒａｔｉｏｎｓａｎｄｏｕｔｄｏｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ可以看出，在極端高溫天氣條件下，單位時間內(nèi)外界傳入室內(nèi)的熱量增加，導(dǎo)致在預(yù)制冷時段內(nèi)，室內(nèi)溫度下降至溫度下限需要更長的時間；而在需求響應(yīng)事件時段內(nèi)，室內(nèi)溫度則在更短的時間內(nèi)上升至溫度上限。因此，中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力在極端高溫天氣條件下較普通高溫天氣時有所降低。
４結(jié)論
本文在考慮用戶舒適度的前提下，從負(fù)荷聚合商角度定量研究了一組參數(shù)相同的中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件期間的降負(fù)荷潛力及其影響因素。本文建立了基于ＤＬＣ的中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力優(yōu)化模型和指定降負(fù)荷容量下中央空調(diào)集群運行方式的求解模型，通過仿真算例分析了需求響應(yīng)事件中室內(nèi)溫度設(shè)定范圍、需求響應(yīng)事件持續(xù)時間、考慮預(yù)制冷方式下的提前通知時間、需求響應(yīng)事件前后負(fù)荷的增長幅度以及室外溫度這５個方面的因素對中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力的影響。通過算例仿真，得到如下結(jié)論。
１）中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力隨著室內(nèi)溫度設(shè)定范圍的增大而增加，隨著室外溫度的升高而減少。
２）中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力總體上隨著需求響應(yīng)事件持續(xù)時間而增加，其降負(fù)荷潛力則逐漸減少。
但當(dāng)持續(xù)時長較短時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長的變化較為敏感；而當(dāng)持續(xù)時長較長時，降負(fù)荷潛力對持續(xù)時長變化的敏感程度降低。
３）當(dāng)采用預(yù)制冷方式時，中央空調(diào)集群降負(fù)荷潛力會有所增加。然而，預(yù)制冷對于降負(fù)荷潛力的影響也是有限的，當(dāng)提前通知時間超過樓宇室溫從初始溫度降至室溫下限所需的時長后，中央空調(diào)集群的降負(fù)荷潛力并不會隨著提前通知時長而增加。４）隨著降負(fù)荷容量減少，中央空調(diào)集群在需求響應(yīng)事件前后的負(fù)荷增幅也逐步降低；隨著提前通知時長的增加，預(yù)制冷時段的負(fù)荷增幅呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而提前通知時長的變化規(guī)律同室溫恢復(fù)時段負(fù)荷增幅的變化關(guān)系不大。
此外，在后續(xù)研究中將對建筑物熱工參數(shù)的變化對于空調(diào)負(fù)荷降負(fù)荷潛力的影響、空調(diào)系統(tǒng)自身性能限制以及通信延遲等因素對空調(diào)負(fù)荷調(diào)控特性及調(diào)控潛力的影響等問題進(jìn)行深入研究。
本文由 大金中央空調(diào)批發(fā)商 整理編輯。
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