冷熱電負荷預測方法研究現狀綜述

摘 要：冷熱電負荷綜合預測具有較高的預測準確度，是電力系統規劃、電力系統經濟調度和能量管理的重要模塊。本文對常用的冷熱電負荷預測方法有基于建筑結構的經典算法和簡約算法、基于軟件模擬的逐時負荷因子法、基于歷史數據的逐時能源負荷分攤比例法和神經網絡算法等進行了研究和分析。

關鍵詞：冷熱電負荷 建筑結構 逐時因子 分攤比例 神經網絡

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0004-02

負荷預測是根據電力負荷、經濟、社會、氣象等的歷史數據，探索電力負荷歷史數據變化規律對未來負荷的影響，尋求電力負荷與各種相關因素之間的內在聯系，從而對未來的負荷進行科學預測。負荷預測是電力系統經濟調度中的一項重要內容，是能量管理系統（EMS）的一個重要模塊，負荷預測的準確度直接影響調度計劃和能量管理系統的優化結果，人工智能算法的涌現和冷熱電負荷的綜合預測的研究都是為了提高負荷預測的準確度。

本文介紹各種常用的冷熱電負荷預測方法，下面介紹冷負荷、熱負荷、濕負荷和電負荷的概念。

冷負荷：為了保持建筑物或物體低于周圍環境溫度，在時間單位內所需要排除的熱量，包括顯熱量和潛熱量兩部分。潛熱量可以表示為單位時間內排除的水分，又稱為濕負荷。因此冷負荷包括顯熱負荷和濕負荷兩部分。

熱負荷：為了保持建筑物高于周圍環境的溫度，滿足生產過程加熱、烘干、蒸煮等或生活熱水需求等熱濕參數，在單位時間內所需加入的熱量。它同樣包括顯熱量和潛熱量兩部分。

濕負荷：為了維持某空間的相對濕度，在單位時間內所需除去的濕量。

電負荷：為了保持建筑物內電器設備的正常運行，在單位時間內所需要的電力，不包括制冷制暖等空調設備。

1 冷熱電負荷預測方法介紹

目前，建筑物逐時冷熱負荷的模擬計算，已發展的較為成熟。現在，研究人員提出的各種研究方法或研發的各種模擬計算軟件很多已經投入使用。

建筑冷負荷的經典計算方法有冷負荷系數法、諧波反應法等，熱負荷的經典計算方法為傳熱系數法。在冷熱電聯供系統中除了經典計算方法外，應用比較成熟的有逐時負荷因子法、逐時能源負荷分攤比例法。

歐美有很多成熟的專業模擬計算軟件，如美國的DOE-2、BLAST、EnergyPlus，英國的ESP-r。日本對于冷熱電三聯供的研究應用開始于20世紀70年代，專業模擬軟件如HASP等也已經很成熟了[2]。中國對于冷熱電三聯供系統的研究很早，但是直到步入21世紀以來才得到重視。清華大學李輝等提出的基于負荷因子的算法已相當成熟，開發的DeST專門模擬計算軟件已經開始應用。這些模擬計算軟件大多數是基于大量的典型建筑物和設備模型，一般應用難度較大。

2 基于建筑結構的經典計算方法

2.1 冷負荷計算

冷負荷量的大小與除熱量與除熱方式有關。如果熱源只有對流散熱，各圍護結構內表面和室內各設備表面的溫差很小，則冷負荷基本等于得熱量。如果有顯著的輻射得熱存在，由于各圍護結構內表面和建筑內物體的蓄熱作用，冷負荷與得熱量之間就存在著一定的延遲，幅度也有衰減。因此冷負荷與得熱量之間的關系取決于建筑物的構造、圍護結構的熱工特性和熱源特性。

若計算冷負荷時只考慮室內外瞬時溫差與圍護結構的傳熱系數、傳熱面積的積來求取冷負荷的值，不考慮建筑物以前時刻傳熱過程的影響，此種方法稱為穩態計算方法，CL=KAΔt。

若在設計時要綜合考慮建筑結構和室內外各種因素的影響，則此時建筑冷負荷由室外因素引起的負荷、室內因素引起的負荷和室內空氣濕含量的散濕形成的濕負荷組成。此時需要考慮太陽輻射、外界環境、通風、室內人員、室內照明設備散熱、室內電器設備散熱及室內濕負荷等多種因素所帶來的顯熱負荷和潛熱負荷，此時冷負荷為各項影響因素帶來的負荷之和，此種計算方法為動態計算方法，CL=CL內擾+CL外擾，CL外擾=CL太陽輻射+CL溫差+CL通風，CL內擾=CL人員+CL照明+CL電器+CL濕負荷。

2.2 熱負荷計算

當室外溫度低于室內溫度時，熱量經圍護結構由室內傳到室外，為保證室內溫度維持在穩定值，必須保持建筑物失熱量與得熱量的平衡。建筑熱負荷在計算時需要考慮采暖熱負荷（即經圍護結構傳導出去的熱量）、通風熱負荷和熱水供應熱負荷及生產工藝熱負荷等。在計算熱負荷時，往往忽略室內人員和設備的熱干擾和濕干擾HL=HL采暖+HL通風+HL熱水。

2.3 電負荷計算

建筑有各種功能區，如辦公區、電梯區、會議室、走道、機房、生活區等，功能區不同對應的電指標要求也不同，根據功能區的細分計算逐時電負荷，電負荷E=∑EiFi，Ei為功能區i的電指標，Fi為功能區i的面積。

3 基于建筑結構的簡約計算

建筑物總冷負荷的簡約計算以外圍護結構和室內人員兩部分為基礎，把整個建筑物看成一個大空間，按各朝向計算冷負荷，再加上人員的人體散熱（按116 W計算），CL=CL傳導+CL人員。計算時若考慮通風的影響，則在此計算數據結果的基礎上乘以一個新風系數，一般取1.2～1.5。

熱負荷計算時以熱負荷指標的形式進行，主要考慮建筑結構與室內外溫差，若考慮新風影響，則同樣計算結果乘以新風系數，一般取1.2～1.5。總空氣調節熱負荷等于熱負荷指標乘以建筑的面積。建筑總熱負荷等于空氣調節熱負荷加生活熱水負荷，獲取建筑生活熱水熱負荷指標或建筑生活熱水熱負荷數據展開計算。

電負荷簡略計算時采用細分功能區形式，與經典算法類似。

此方法實在經典計算方法的基礎上簡化而來的，是基于建筑結構設計的、主要是利用傳熱系數法和諧波分析法等簡化后進行計算。算法的優點有根據建筑的結構即可展開計算；由于跟建筑結合的比較密切，算法所得出的準確度也較高。

4 基于軟件模擬的逐時負荷因子法

逐時負荷因子法是由清華大學建筑技術科學系的李輝、付林等人提出并開展研究，目前研究已比較成熟。逐時負荷因子法是根據模擬計算模擬軟件DeST計算負荷因子，負荷指標通過參考查閱相關的設計手冊或借鑒工程實例獲得。

逐時負荷因子法的計算分為兩步：動態冷熱負荷計算和動態電負荷計算。

4.1 冷熱負荷的計算

冷熱負荷分為建筑負荷和內擾負荷兩部分。建筑負荷主要包括圍護結構傳熱負荷、太陽輻射和新風負荷等，該類負荷與外界氣候條件關系密切。內擾負荷包括室內設備、照明、人員負荷等，其大小一般不隨外界氣候條件變化，而主要與建筑功能特性及作息時間相關。

對于第類建筑，逐時負荷因子有：

（1）

為第類建筑負荷因子，即時刻建筑負荷與設計建筑負荷之比。反映室外氣象參數、新風量以及圍護結構等對建筑負荷的影響，整個空調季在0～1之間變化；

為第類建筑空調負荷系數，即設計工況下建筑占總熱負荷的比例；

為第類建筑的內擾負荷因子，即時刻內擾負荷與設計內擾負荷之比。由建筑物的使用狀況決定，一天內隨時間在0～1之間變化；

為面積因子，反映不同時間投入空調運行的面積比例，因而也與建筑物使用狀況有關。

這四個參數或因子是要通過負荷計算模擬軟件如DeST計算典型建筑而獲得的。

然后，查閱相關的設計手冊或者工程實例確定該類建筑單位面積的冷熱負荷指標，即設計負荷，單位。

因此，對于第i類建筑物，單位面積逐時負荷可計算為：

（2）

最后確定冷熱負荷，可計算為：

（3）

其中，為第i類建筑物占總空調面積的比例；

為空調總面積，單位。

4.2 電負荷的模擬計算

電力負荷主要由不同類型建筑物或不同建筑功能房間內各種用電設備所造成。電力負荷的大小與建筑物內各種用電設備的安裝功率、設備的耗電使用性能及作息時間直接相關。常見的用電設備有照明、空調、動力運輸（主要指電梯）、電腦和打印機等辦公設備、其它損耗等，實時計算公式如下：

（4）

式中，為逐時電負荷；

i，n為i為設備類型，n為不同建筑功能區域；

l為利用系數，最大實耗功率與安裝功率之比；

為負荷系數，每小時的平均實耗功率與最大實耗功率之比；

為同時使用系數，反映設備同時投入的相對量；

N為設備的安裝功率；

為用電設備的額定功率與輸入容量之比；

為功耗系數，l和的乘積，每小時的實耗功率與安裝功率之比；

為與的乘積，該建筑功能區域內該設備的逐時負荷因子。

電負荷的逐時計算關鍵在于確定用電設備的安裝功率、功耗系數及同時使用系數，這三項可基于同類型建筑的統計調研數據獲得，或在此基礎上進行充實修正。

5 基于歷史數據的逐時能源負荷分攤比例法

此方法是建立在對建筑冷熱電負荷調查研究的基礎上，采用日本三聯供設計手冊中的相關數據，利用逐時能源負荷分攤比例的方法，來模擬計算三聯供系統中的全年逐時冷熱電負荷。此方法在文獻[2]中有詳細的介紹，論文還給出了算例。

冷熱負荷主要包括空調冷負荷、空調熱負荷以及生活熱水負荷。

電力負荷主要由建筑物內各種用電設備造成。電力負荷的大小及逐時變化特征與建筑物內各種用電設備的安裝功率、設備的耗電性能及作息時間直接相關。由于建筑物內用電設備的使用及人員的作息時間具有很大的隨機性，我們很難根據耗電設備來準確預測逐時電負荷。因此，在進行逐時冷熱電負荷計算時，不考慮耗電設備的直接影響，而是在針對建筑類型進行市場調查研究的基礎上來進行預測的。其步驟如以下幾點。

（1）對建筑使用功能進行分析。

（2）對該氣候區域內的同類建筑的能耗狀況進行調查，得到單位面積的平均耗能量。

（3）查閱相關設計手冊中的同類型經典數據，利用小時能源負荷分攤比例的方法，根據調查到的數據，對逐時冷熱電負荷進行模擬計算。

6 基于歷史數據的神經網絡預測方法

國外冷熱電聯供CCHP或冷熱聯供CHP系統的研究開始的較早，現研究狀況已較成熟。在冷熱電聯供系統中，負荷預測通常冷熱負荷預測與電負荷是分開的，一般給出了冷熱負荷的預測。冷熱負荷預測通常采用的都是些比較經典的基于歷史數據的負荷預測方法如神經網絡法、向量機發等，文獻正是采用的這兩種方法。

采用神經網絡法或向量機法時需要建立數學模型或編程，輸入歷史數據后模型進行學習和計算，最后得出預測結果。

7 結語

建筑冷熱負荷跟地區、圍護結構的形式、樓層、窗墻比、人員密度、新風取值、動力照明負荷、房屋使用性質等有關，在預測時需要綜合考慮這些因素。

電負荷主要與建筑功能、建筑內人員的作息時間、建筑的使用情況相關，比冷熱負荷的預測難度低。

基于建筑結構、綜合考慮室內外各種干擾因素的冷熱電負荷預測方法預測準確度高，但同時需要采集的數據多、計算過程復雜、計算量較大。

參考文獻

[1]楊木和，阮應君，李志英，等.三聯供系統中逐時冷熱電負荷的模擬計算[J].制冷空調與電力機械，2009，4（30）：85-88.

[2]付林，李輝.天然氣熱電冷聯供技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.