公共建筑需求響應綜合評估指標體系及實例分析

梁海文 楊麗琴 沈俐

明陽智慧能源集團股份公司

經濟的快速發展帶來了公共建筑能耗的快速增加。在商業密集的中心城區，樓宇能耗占區域總能耗的65%以上[1]。通過建立建筑能耗大數據平臺，開展需求響應管理，對于緩解公共建筑高峰用電負荷和實現社會整體節能增效具有重要意義。

需求響應的綜合效益評估有助于準確量測需求響應的作用，從而精確指導制定科學合理的電價和激勵措施。本文首先探討了評估需求響應效益的指標體系，進一步，對支持該指標體系計算的基線負荷關鍵預測技術進行了分析。基于公共建筑能耗的精確計量和監測，本文給出了公共建筑綜合效益評價的實例。基于評價結果，對需求響應的效益進行了綜合評價，并對需求響應的優化調度策略進行了探討。

1 需求響應評價指標體系

需求響應的指標評價對于需求響應策略、電力市場競價等非常重要[2]。對于非供暖區域的大型公共建筑，暖通、動力和照明是主要的負荷類型。本章節主要從建筑能耗指標、需求響應效益指標兩個方面，探索評價需求響應綜合效益的指標體系。

1.1 建筑能耗指標

對于非供暖區域的大型公共建筑，根據《民用建筑能效測評標識標準》[3]（DG/TJ08-2078-2010）的相關規定，其典型的建筑能耗指標可以進一步定義和提煉，如表1 所示。

表1 大型公共建筑能耗指標

表1 中：

1）總體指標反應建筑的總體能耗、容量以及單位面積的能耗、容量水平。

2）分項指標中，主要計及暖通、照明、動力等主要負荷類型的分項總能耗，以及各分類負荷在建筑總能耗的占比水平。

3）負荷水平中，主要是建筑最大負荷系數、各分類負荷的最大負荷系數，以及分類負荷對總負荷的貢獻水平。其中，負荷系數是實際負荷與該分項負荷所有時刻最大負荷的比值，負荷貢獻度是該項實時負荷與所有時刻建筑最大負荷的比值。

1.2 需求響應效益指標

根據《需求響應效果監測與綜合效益評價導則》（GB/T 32127-2015）和相關研究和實踐成果[5]，需求響應效益的典型指標可以進一步定義和提煉，具體如表2 所示。

表2 需求響應效益指標

需求響應的成本指標如表3 所示。

表3 需求響應成本指標

2 基線負荷預測

基線負荷預測是決定需求響應效益評估精確度的核心內容[6]。在工程上，最常用的方法包括平均法、回歸法[7]。此外，基于機器學習的數據挖掘方法也正在得到越來越多的應用。

2.1 平均值法

平均值法本質上是對需求響應時間前幾天的時刻負荷值進行線性擬合[8]。對于受外部環境影響較大的用戶類型，多采用典型比例因子方法進行二次修正。

平均值法的典型計算方法包括：

1）確定典型日，分為工作日、非工作日。

2）計算基線負荷：取典型日響應時段內各時刻的用戶負荷數據，求取不同典型日中同一時刻負荷數據的平均值，進一步，將各負荷平均值按時間順序排列，獲得未修正基線負荷Pb’。

3）進行負荷修正

計算修正系數，見式（1）。

式中：P2b是需求響應日，響應期前2 h 內各采集時刻的負荷平均值，kW；P2b’是所有典型日中，與上述采集時刻對應歷史負荷平均值，kW。

則修正后的基線負荷見式（2）。

2.2 回歸法

一些用戶的負荷特性與影響因素（溫度、濕度等）的波動特性存在明顯的類似性。在數據條件較好的情況下，可以通過建立用戶負荷與影響因素之間的回歸分析，獲得更精確的預測結果[8]。

利用回歸法進行基線負荷預測的主要方法：

1）確定典型日并獲得對應時段的負荷數據、影響因素數據。

2）進行負荷分量分解

將每一個用電負荷拆分為基本分量、敏感分量（容易受氣溫、濕度等影響的分量），見式（3）。

式中：Ptj是響應期tj時刻基線負荷，kW；Ptj,b是tj時刻負荷值基本分量，kW，Ptj,s是tj時刻負荷值敏感分量，kW。tj是響應期的按周期T0分割的時刻。

然后確定分解比例，見式（4）。

式中：k 是分解比例；Ws是受影響因素影響的用電系統額定負荷容量，kW；Wb是不受影響因素影響的用電系統額定負荷容量，kW。

則每一個歷史負荷可以被分解為：

式中：pn-1,j是響應期dn-1天j 時刻的基線負荷值，kW。

則響應期各時刻基線負荷值的基本分量為：

進一步，計算敏感分量的敏感因素加權指標：

式中：WTHIt是用戶第t 時刻的影響因素加權指標；Tt是第t 時刻的氣溫；RHt是第t 時刻的濕度；pt是氣溫權重；qt是濕度權重，且pt＋qt=1。

對響應期第1 時刻歷史負荷敏感分量序列P1s、權重序列WTHI1進行回歸分析，得到：

式中：β0、β1是回歸參數。

依次計算負荷響應日dn第1、2、…、j 時刻對應的WTHIn,j、pn,js。

在實際的工程應用中，可以根據實際需要確定采用合適的方法來確定響應日的基線負荷，也可以采用其他經過驗證的具有良好效果的方法確定響應日的基線負荷[9]。

3 實例分析

3.1 研究對象

以上海某大型綜合性商業建筑為例，選取其#1、#2 中央空調系統進行需求響應。對7 月1 日（工作日）的12:00～14:00 時段進行需求響應。

采用平均值法計算得到其需求響應結果數據，如表4 所示。響應日的空調負荷和建筑總負荷曲線具體見圖1。

表4 典型商業建筑的需求響應結果

圖1 建筑需求響應負荷曲線

3.2 指標及分析

3.2.1 效益指標

需求響應的效益指標見表5。需求響應為用戶、電網、發電企業帶來了顯著的經濟效益。同時，減少化石燃料消耗，降低二氧化碳排放2.18 噸。

表5 需求響應效益指標

3.2.2 能耗指標

以需求響應日為對象，進行和不進行需求響應的能耗指標見表6。從表6 可以看出，需求響應將當日建筑的能耗水平降低了8.46%。

表6 需求響應日的建筑能耗指標

3.2.2 基于負荷水平的有效性評價

建筑總負荷及分負荷的最大負荷曲線見圖3。從圖3 可以看出，需求響應策略有效降低了空調的最大負荷系數，進而降低了建筑的最大負荷系數，有助于平抑尖峰負荷。同時，需求響應期內的動力、照明最大負荷系數較高，存在一定的優化空間。

圖3 最大負荷系數曲線

以建筑最大負荷為基準，空調、照明和動力設備的最大負荷貢獻率曲線見圖4。從圖4 可以看出，空調負荷對最大負荷的貢獻度最高。需求響應期空調負荷的“凹”型趨勢表明，需求響應有效削弱了空調負荷的高峰同向性，起到了顯著的削峰作用。照明、動力負荷的貢獻度水平較低，但高峰期間的同向性較強。

圖4 最大負荷貢獻率曲線

4 結論

本文給出了綜合能耗指標、需求響應效益成本指標在內的綜合評價指標體系，總結了支持該指標計算的基線負荷預測工程方法。以某大型公共建筑為例，本文給出了實例分析，結果表明：

1）綜合指標評價可以比較全面地評估公共建筑需求響應帶來的能耗優化，經濟效益和社會效益提升。

2）綜合指標評價可以準確分析各分項負荷的組成、趨勢以及對尖峰負荷的貢獻，負荷的同向性特點。

3）綜合指標評價可以客觀評價需求響應策略的有效性，并可用于獨棟、建筑群在內的需求響應策略優化決策指導。