基于分时电价的办公建筑中央空调最优起动时间计算

2015-05-27 02:40
电气技术 2015年8期
关键词:中央空调恒温时间段

李 昌

(上海申瑞继保电气有限公司,上海 200233)

目前,建筑能源管理高级计量体系(Advanced Metering Infrastructure,AMI)实现对楼宇、家庭中用电设备的远程监控[1],国外基于AMI 的空调远程负荷控制有3 种方式:中断控制、周期性暂停和温度控制[2-5]。第一种方式不考虑空调运行状态和办公舒适度,控制简单,第二、三种方式在注重节能同时可以满足办公舒适度的要求,具有较好的发展前景。针对我国中央空调具体情况,国家电网公司已第二种控制方式列入“十二五”营销规划。本文针对办公建筑探讨中央空调的最优起动时间问题。

需求侧管理(Demand Side Management,DSM)的目标之一是控制电网最大负荷的增长速度,减少新增装机容量,维持电力供需平衡。基本措施是减少用户在电网高峰时段电力需量,而峰谷平分时电价是实施需求侧管理的重要手段,通过价格杠杆来调节供求矛盾,从而实现电网调峰和减少用户费用支出的目的。办公建筑用能主要集中在照明、空调、动力分项上,负荷用电具有明显的时间特征。空调用电和气象数据、空调面积紧密相关,具有可控、可预测的特点,调节办公建筑的空调负荷可以较好响应需求侧管理目标。

国外文献多以空调制冷机在各时段起/停状态为决策变量,目标函数包括最小化系统峰负荷[6-7]、最小化系统运行成本[8]、以减少对空调制冷机使用寿命影响出发,加入多次起停控制约束条件。这些方法都需要中央空调能够适应远程控制体系和计量体系,对某些空调需要进行改造才能满足要求。

根据统计[9],办公建筑总能耗中电耗比例为96%,其中空调能耗比例为40%左右,单位面积耗能平均值为114.0kWh/m2a。开展空调的最优起动时间研究:对电力企业而言,不仅减少用电需量,起到削峰填谷作用,还可以减少输配电设备备用容量[10];采用分时电价计价策略,如果电力用户多用谷电价,还可以节省用户购电成本,减少企业开支。

以制冷为例,中央空调能耗主要能耗包括制冷机组、冷冻和冷却一次、二次水泵,风机末端用电。起动过程中,制冷机组和各种水泵负载率较高,当温度满足用户要求后,制冷机组负载率将下降,部分水泵可以优化组合,甚至退出运行。起动过程中,电能消耗将由高到低,到恒温阶段,用电负荷在一定范围内几乎保持恒定,此时空调用电负荷主要用于保持水泵运转和建筑的冷量流失。

为保证用能需求,办公建筑通常需要提前开起空调,提前开起空调时间过长,有利于利用分时电价和削峰填谷,但会导致建筑能量流失的时间变长,不利于节能,也不利于空调经济运行;提前开起的时间过短,不能满足建筑办公需求,也不利于充分响应分时电价和削峰填谷的杠杆作用。本文探讨合理控制空调的开起时间,既可以利用分时电价、削峰填谷,也能节约能源,减少企业费用支出,达到经济运行目的。

1 空调经济运行建模

根据空调用电负荷特点,把空调负荷分解为起动过程阶段、恒温阶段两个阶段。对办公建筑来说,起动过程阶段负荷大,变化小;恒温阶段负荷相对较小,负荷大小与天气情况、人口密度、空调面积保温层变化都有关,负荷仍然有变化。

1.1 空调用电负荷结构模型建立

一定时间段[t0,tn]的空调用电负荷结构如下:

式中,Ws(t0,tn)为第一阶段起动过程能耗,Wk(t0,tn)为第二阶段恒温能耗,W(t0,tn)为总能耗。Ps(t)、Pk(t)分别为起动过程能耗、恒温能耗的有功值,为时间函数。

对时间段[t0,tn],按照分时电价时间设定,可以划分为峰谷平三段,有

式中,Th、Tl、Tm分别为峰、谷、平时间。

设第一阶段对应峰、谷、平时间为Tsh、Tsl、Tsm,第二阶段对应峰、谷、平时间为Tkh、Tkl、Tkm。则有

1.2 空调起动过程能耗模型建立

采用统计方法,选择历史日期空调起动能耗和温度曲线,建立空调起动过程用电线性模型。曲线纵坐标为能耗和温度,横坐标为时间,负荷和温度为15min 一个数据,温度为建筑室内空调平均温度。

定义规则如下。

规则1:选取时间段[Tb,Te],该时间段为空调开起过程期间,并且温度曲线上任意一点的斜率K呈单调变化,如果制冷,斜率K<0;如果制热,K>0。

规则2:该时间段[Tb,Te],满足Te-Tb>Tset,此时间段任意一点空调负载率R大于ks。

规则3:Wb与室外温度差不大于指定温度值Wdiffmin,We与室外温差大于指定温度值Wdiffmax,并且We达到建筑管理规定的空调温度范围。

式中,Tb为时间段开始时间,Te为时间段结束时间,Te-Tb为时间长度,Tset为历史上中央空调起动阶段时长均值,根据空调起动温度曲线设定,可采用不精确的数值,从30~120min 不等,单位为(min)。dW/dt为[Tb,Te]的温度变化值,Wb为Tb时间的温度,We为Te时间的温度,Wep、Wbp分别为时间Te、Tb的室外环境温度,单位为摄氏度。P为时间Te到Tb的空调用电负荷,Pn为空调系统额定功率,单位都为kW,R为空调负载率,Wmax、Wmin为办公建筑规定的办公环境温度上下限值,ks为历史上中央空调起动阶段负载率均值,参考值0.9~1.0。

根据历史数据,找到同时满足上述3 个规则的曲线,对负荷用电进行线性化处理,计算第一阶段的平均用电负荷:

计算第一阶段的平均用电时间:

式中,Pstart、Wstarte、Wstartb分别为时间段[Tb,Te]的用电负荷线性均值、Te和Tb时间的计量表计电度数值,Tstart为第一阶段起动过程时间长度值。根据多个历史曲线,由式(9)、式(10)计算出用电负荷及用电时间,取平均值得到第一阶段平均用电负荷及平均用电时间。

1.3 空调恒温模型建立

选择历史日期空调恒温能耗和温度曲线,建立空调恒温用电线性模型。

定义规则如下。

规则1:选取时间段[Tb,Te],该时间段为空调恒温期间,温度曲线上任意一点的斜率K在[-1/15,1/15]之间,K的定义见式(6)。

规则2:该时间段[Tb,Te],满足Te-Tb>Thold,此时间段空调任意一点用电负荷P与空调运行最小功率Pmin满足:

规则3:We与Wb温度差不大于指定温度Wdiffmin,并且We、Wb都达到建筑管理规定的空调温度范围。

根据历史负荷和温度曲线,找到满足上述3 个规则的曲线,对负荷用电进行线性化处理,计算第二阶段的平均用电负荷:

式中,Ploss、Wlosse、Wlossb分别为时间段[Tb,Te]的用电负荷线性均值、Te和Tb时间的计量表计电度数值,Tloss为第二阶段恒温时间长度线性均值,Thold为中央空调恒温阶段时长,可取值120~180min,kn为历史上中央空调恒温阶段负载率均值,参考值0.3~0.4。

根据多个历史曲线,由式(13)计算出用电负荷,取平均值得到第二阶段平均用电负荷。

1.4 空调经济运行目标函数

用户费用主要包括电度费用和需量费用,本文选取用户电度费用F(t,Tq) 作为目标函数,Tq为用户指定的中央空调温度达到需求温度的时间点,t为中央空调起动时间点,如下:

式中,Tstart、Ts_a、Ts_b、Ts_c分别为第一阶段空调起动总时长、峰电价时长、谷电价时长、平电价时长,Tloss、Tl_a、Tl_b、Tl_c分别为第二阶段空调恒温总时长、峰电价时长、谷电价时长、平电价时长,Mon_a、Mon_b、Mon_c分别为峰、谷和平时段电价。

设t寻优范围[t0,tn],根据实际情况可知,最大点tn为Tq,此时t0最大值为Tq-Tstart,表示空调第一阶段完成时间在期望点Tq或者之前;t0最小值为距Tq前最近的谷时段结束时,再往前Tstart时长的时间点。

2 算例分析

算例选取上海虹桥枢纽某商务小区中央空调用电数据。

该小区由4 台离心式冷水机组,每台机组制冷量7034kW,额定功率1350kW,一次水泵200kW,二次水泵总功率150kW,总功率冷水机组集中供冷,用户建筑管理规定的空调温度范围Wmin=25,Wmax=27,Wdiffmin=0.4,Wdiffmax=5,ks=0.9,kn=0.4,Tset=75,Thold=120,指定期望温度的时间Tq为早上9 点。

峰谷平电价分别为:1.13、0.71、0.28 元/kW· h,当地:峰段:8—11、13—15、18—21 时;平段:6—8、11—13、15—18、21—22 时,谷段:22—次日6 时,如图1所示。

图1 24 小时分时电价图

2.1 模型初始化

选择历史同月满足1.3 节规则曲线数据,以单台空调起动过程的15min 间隔用电负荷和温度绘制曲线,如图2所示某日3∶00—13∶00 的负荷及温度曲线。

图2 负荷及温度曲线图

从图2可以看出0∶00—7∶00 待机能耗大约为140kW,起动过程在7∶15 开始,平均温度为30.9℃,到9∶00 点结束,平均温度为26.5℃。

采用多组曲线,可计算出第一阶段平均用电负荷Pstart=1265kW 及平均用电时间Tstart=105min。

选择历史同月满足1.4 节规则,以单台空调恒温过程的15min 间隔用电负荷和温度绘制曲线,如图2所示某日10∶00—13∶00 的负荷及温度曲线。从图中可以看出恒温过程在10∶00 点开始,温度为26.1℃,截止到13:00 点,温度为26.2℃,温度变化小于Wdiffmin,持续3h。

类似采用多组曲线,可计算出第二阶段平均用电负荷Ploss=507kW。

2.2 目标函数求解

采用迭代法求解,由式(14),需要求解目标函数F(t,Tq)的空调起动时间点t,使得目标函数最小。算例中的Tq=9 点,为方便计算,转换Tq、t为距离0 点的时长,则Tq=9×60min,该地区9 点前谷时间为0~6 点,6~9 点有180min 时长,t的寻优范围为[Tq-180-Tstart,Tq]。

初始值如下:

取步长nStep 为15min,对起动时间t迭代求解:

迭代计数器i从0 开始,此时t对应时间为7∶15,根据当地的峰谷平时间段,可求解出Ts_a、Ts_b、Ts_c、Tl_a、Tl_b、Tl_c,见表1。

表1 迭代中的二阶段峰谷平时长/分

2.3 最优目标函数值

对应不同的起动时间t,计算目标函数如图3所示,可以看出在4∶15 时起动空调目标函数最小,此时起动时间完全放在谷时间段,平时间段和峰时间段用来维持建筑给定温度,空调的峰时段在4∶15—6∶00,实现了空调削峰填谷的目的,减少了需量费用,此时空调运行成本最经济。当起动时间持续小于4∶15 时,增加了空调恒温时间,目标函数增大,成本增加。

图3 不同的起动时间对应的目标函数值

3 经济运行与节能分析

3.1 经济效益分析

从4∶15—9∶00 这个运行时间区间进行分析,这种方式可以在电度费用和需量费用两方面减少用户用电成本。表2分别为4∶15、7∶15 分起动,在4∶15—9∶00 时间段内空调用电成本对比。

表2 两种起动方式运行成本对比

由表2可以看出4∶15 起动,经济效益明显,可以降低需量费用60%,减少费用:30699 元,每天还可以降低电费用约88 元,具有显著经济效益,总费用降低42%。

3.2 节能分析

表3给出4∶15、7∶15 起动空调用电度数对比,可以看出采用这种方式,虽然经济性目的达到了,但用电度数增加,环保成本增加,并没有达到节能的目的。

表3 两种起动方式运行用电对比

对比两种起动方式,4∶15 起动由于要维持较长时间(3h)的空调恒温,故用电量增加,7∶15起动方式,无需提前开机,没有维持恒温的时间,故用电量少。

因此,如果加入环保成本,则表2的经济效益将减少,但从用户角度采用4∶15 起动方式具有较强的可行性,在DSM 中,是一种较好的管理方法。

3.3 起动时间点范围分析

限制起动时间点在区间[Tq-180-Tstart,Tq],如果起动时间t小于Tq-180-Tstart,由于起动阶段的重负荷已经在谷时段,此时电度费用并不会减少,反而会增加恒温时间段,对电度费用没有任何贡献。

3.4 周期性暂停模式

在中央空调周期性暂停的成本较高,或者中央空调不能实现周期性暂停运行模式,采用本文给出的方法具有较大优势;如果中央空调允许周期性暂停模式,本文给出方法可以在恒温阶段暂停一段时间,则两阶段方法优化空间会进一步增大,此种方式兼顾了节能与经济性。

4 结论

本文提出办公建筑空调最优起动时间计算方法,根据空调负荷特性,建立两阶段模型,分别计算起动负荷和恒温负荷,以此为常数,基于分时电价建立最小成本的经济运行模型,对空调起动时间进行寻优。最后以上海虹桥枢纽商务区空调运行数据为例,计算结果表明,该方法具备较好的经济性,可以降低企业成本,计算出的空调起动时间对空调的运行安排具有重要的现实意义。

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