基于柔性负荷调控的楼宇空调用能优化研究

国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 顾丽玲

电力是民生工程中的关键部分，随着国民经济的不断发展，对于电力的需求也逐渐提高。随着“双碳”理念的提出，我国电网也进行了多次改革，进一步明确用电高峰，按照季节、需求等进行电价、电负荷的控制。针对不同类型建筑、工业企业等采用错峰轮休、控制电价等方式来缓解供需矛盾，降低环境影响。本次主要以楼宇建筑的空调用电柔性负荷调整潜力为研究重点，实现楼宇空调的用能优化。

1 办公楼宇空调系统仿真模型

1.1 模型

本次研究重点针对办公楼宇空调电负荷展开分析，以江苏某办公建筑为原型，根据原型的层高、面积、内部结构等为模型提供详细参数，利用SketchUp软件实现对相关物理量的设计，再输出文件IDF，引入TRNBuild中。在TRNBuild可以输入有关于气象、围护结构以及办公楼宇内的热源情况参数，进行全面化的仿真。最后利用其中的能耗仿真软件进行负荷模拟，建设符合需求的空调系统。本次所研究的建筑为办公业态，建筑面积5.2万m2，其中地上27层地下3层，为积极响应民生工程，设计空调使用面积为4.5万m2。

由于办公楼宇面积较大，内部房间分布较多，因此在模型搭建阶段对一些常规性、非必要性的内容进行了简化，并用OpenStudio插件搭建物理模型，进行对电力能耗的分析。其中，比较关键的模拟部分包括内外墙、内外门、内外窗、屋顶、楼板等。同时，本次研究为了让参数更加清晰，根据空间功能将楼宇分为8个区。相关人员在进行模拟时搜集楼宇建设阶段的相关资料，针对围护结构的相关参数见表1，并参照《实用空调供热手册》中的内容分析室内负荷参数，见表2。

表1 围护结构参数

表2 内扰参数

在进行模型设计时，除了设计以上参数外，还对办公楼宇电力技术运用的动态负荷进行了分析。本次研究利用TRNSYS平台搭建电力负荷模型，配合气象特点，夏季楼宇的制冷用电为7～9月，冬季为11月至次年4月，所研究楼宇的制冷热负荷如图1所示。

图1 楼宇空调冷热动态负荷

针对楼宇空调系统的模拟，本次研究根据实际工况进行模型设计，基于柔性负荷，选用2台螺杆式冷水机组，制冷量为1880kW，选定变频水泵实现对流量的计算，楼宇空调系统还搭配了两台横流冷却塔，其中冷却水流量设计为400m3/h，详细冷源系统参数见表3。

表3 冷源系统参数

1.2 结果分析

对本次所研究的办公楼宇空调模拟结果来看，发现该建筑在夏季7～8月的冷负荷较大，电力消耗量较多，在运用空调时往往会开启两台机组，而9月往往会开启一台机组。因此，在后续空调柔性负荷调控时主要以7～8月为关键月份。9月则为间歇运行阶段，在调控时温度波动相对较小。

2 办公楼宇空调柔性负荷调控功能分析

2.1 系统框架分析

本次针对楼宇空调电力技术应用的研究，从能源管理、电力转换与分配、智能控制以及电力需求响应的角度分析如何实现柔性负荷调控。对于能源管理方面，将楼宇的空调系统与电力系统相结合，通过收集数据并分析来实现对能源消耗量的计算。本次工程运用能源管理系统EMS实现能源监控，通过（Pout/Pin）×100%计算能效，其中Pout表示输出功率，Pin表示输入功率，本次所研究楼宇超高螺杆式冷水机组输入功率为163.1kW，想要提高效能，需要提高输出功率，控制制冷的能效比。

对于电力转换与分配的研究，电力系统需要根据楼宇空调系统的运用量来实现控制，本次楼宇中运用的电力技术为分布式发电技术，并配合可编程逻辑控制器PLC和物联网等技术实现智能控制。电力需求方面，则需利用需求响应技术、需求侧管理技术通过价格信号实现有效管理[1]。

本次针对该楼宇电力技术的应用，致力于实现根据空调负荷进行柔性化的电力调度，利用模型实现对空调负荷的预测，通过感知层和采集层完成对楼宇内部空调运用需求信息的收集，再通过网络层来实现对应用层的控制。本次针对楼宇空调负荷方面的电力技术包括温度传感器、流量传感器、智能插座、用户智能表以及电能管理系统。采集层设置现场通信接口和通信网络接口，实现对采集信息的数据存储与计算。网络层则包含Intermet、3G、4G、5G专网以及LoRa。应用层包括空调末端设备监视、用电量监视、空调设备优化调度等。

2.2 系统功能分析

对于系统功能方面，基于柔性负荷调控的模式可分为以下三点：物联网技术实现信息互传与指令下达功能，能够自动完成环境参数收集、空调设备参数收集等功能；人工智能技术会对空调负荷情况进行计算与需求判断，为后续的调度工作提供数据基础；与电力公司对接，电力公司可根据不同楼宇的空调模型分析来了解需求数据，为柔性调控工作提供资源参考。同时，电力公司还会根据空调负荷响应模型来实现自动化的电力负荷调峰，实现有效节能，减少CO2排放。

3 办公楼宇基于柔性调控的空调负荷调度控制

根据以往的楼宇空调柔性负荷调控情况，存在暖通空调系统设计不合理、不符合办公类楼宇的运用需求，以及电力技术节能方案设计无法实现节能降耗等多样化问题。基于此，本次研究重点从柔性调控的角度出发，提出启停控制方案。在办公楼宇用电量计算中，空调负荷作为热敏感负荷，用电量占比相对较大，尤其在夏季，在总用电量中占比甚至高达30%～60%。本次经过对目标办公楼宇进行模型分析后，综合来看表1、表2和图1，发现其具有一定负荷调控潜力。根据所研究楼宇的模型以及当地天气情况，以典型气象参数为参考，将最佳舒适温度区间设计为24～27℃，人员服装热阻在1.2MET以下。

针对启停方案的设计，本次研究通过对室内温度的控制与人工智能、分散控制系统等电力技术相配合，分析空调房间等效热力学模型，基于电路模拟ETP建模进行分析。首先根据目标研究楼宇的空调仿真系统设置启停控制装置，此步骤能够有效减轻电网压力，配合分散控制电力技术，实现对冷却水泵、冷却塔以及制冷机组的启停控制。在这一步骤中，考虑到冷冻水管内的剩余量，并提出采用最小频率运转末端风机的想法。同时，针对装置启停的设置还应与室内外环境温度相配合，避免在温度最高端开始，以此来降低空调负荷，避免室内温度出现明显的波动。考虑到电费情况，尽可能在用电高峰期进行调度，保证人员舒适度的条件下实现成本控制。

为保证实现对电力技术的充分利用，本次研究在空调系统电力技术应用中还采用热等效参数法建立模型，结合所研究楼宇室内温度、设备参数、热传导系数及内热源功率等，代入到热力学模型微积分方程中如下：

根据微积分公式利用软件直接生成办公楼宇内空调的ETP可视化模型，进行离散处理，最终能够得到目标时刻内的室内温度信息。而后，利用电力技术和相关自动化控制功能，来根据参数变化明确负荷实现柔性调控。以压缩机为例，当所研究的办公楼宇内空调处于制冷状态，压缩机正在运行，此时室内温度Ti（t）不断下降。当已经处于最低温度，则系统会向压缩机发出指令，此时压缩机会停止运行。反之，若压缩机处于待机状态，此时的室内温度会逐渐升高，当Ti（t）上升到一定程度后，系统会向压缩机发出指令使其重新启动。

针对温度上限和下限的设定是本方案的重点内容，本次针对办公楼宇内部空调温度偏差设计为δ=1℃，在配合表2、表3内容中所提及的设备制冷参数进行计算，设定室内空调区温度为Tset，上下限分别为Tmax和Tmin，加上先前设计的温度偏差，上下限和温度需要“±0.5℃”，从而得出以下关系式：

当S=1时，则表示空气压缩机在运行，当S=0时，则表示空气压缩机处于待机，当S=S（tk-1）时，则表示此刻并未发生状态跳转情况。

经过对楼宇空调柔性负荷调控方案的调查，本次研究还分析了江苏地区的工商业分时用电电价情况，配合电力转换分配技术和启停方案分析办公楼宇内相关机组的用电功率情况，发现在开启阶段耗电量明显提高，由于间歇运作模式，在设备开启时要求空调快速降低温度，系统模拟过程中发现，在11：00点时出现用电负荷峰值。出现这一现象的主要原因在于楼宇内冷量需求及人员作息的变化，使得用电负荷达到高峰。同时，在下午3:00点左右室外环境为日最高温度，配合表1所提及的有关于建筑围护结构材料和热传导系数，加上热惰性和空调时滞性的影响，使得4:00～5：00点再次出现高峰，经过这一高峰后用电负荷开始逐渐降低。

除对用电峰值情况的研究外，本次针对楼宇空调柔性负荷调控的研究还对相关制冷设备的运用进行了分析[2-4]。所研究楼宇空调用电系统中，用电功率由大至小依次为冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔。从楼宇内办公人员舒适性的角度展开研究，若空调系统全部同时停止或启动运作，会导致空调负荷浮动较大。因此，本次研究还根据当地分时电价情况和人员用空调需求进行启停调整，既保证节能控制又提供更佳的舒适感。在下午3：00点提前预冷，开启冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵，预冷时间为1h，刚好符合下午4:00～5：00点楼宇人员对空调的需求，直至下午5:00，可逐步升温，实现对电负荷的柔性调节。此时每提升1℃会降低0.9%～2.0%的电负荷。

综上所述，本次研究以江苏某办公楼宇为例，通过构建空调系统的模型来分析如何充分利用电力技术，实现对空调用能的柔性负荷调控。本次研究还有一定不足之处，在进行模拟仿真时所考虑的室外气象和建筑围护结构等资料相对单一，缺乏对地域差异和建筑多样性方面的思考，关于设备的启停方案设计与电力技术应用具有一定针对性，在日后研究中可适当增加多组建筑进行多类型试验。