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中央空調(diào)降負(fù)荷潛力建模及影響因素分析

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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。

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)。

1商業(yè)樓宇室溫時變方程
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))]≥0n=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))]≥0n=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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