計(jì)及樓宇綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)中負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究

王 雅，黃芙蓉，江 熙，張丹丹，顏 紅，劉志賓，劉波遷

（1.北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 110000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

綜合能源規(guī)劃是把能源系統(tǒng)進(jìn)行合理地分配，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、能源等區(qū)域一體化。該能源規(guī)劃涉及到工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)及綜合區(qū)等，把不同類(lèi)型的能源問(wèn)題進(jìn)行組合重新得到優(yōu)化。目前，能源系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題不僅需要規(guī)劃人員來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要借助一些外界因素實(shí)現(xiàn)。而樓宇綜合能源系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)是建立綜合能源規(guī)劃的前提，需采用合理的預(yù)測(cè)方法完成冷、熱、電等多種預(yù)測(cè)負(fù)荷的計(jì)算。

當(dāng)前也有部分專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]分析了智能用電中自動(dòng)需求響應(yīng)的特征及研究框架。文獻(xiàn)[2]對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行分析并得出解決方法；文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了集中空調(diào)系統(tǒng)周期性暫停用電技術(shù)；文獻(xiàn)[4-6]分析了用戶需求響應(yīng)的行為特性，預(yù)測(cè)了需求響應(yīng)的潛力；文獻(xiàn)[7]通過(guò)建立中央空調(diào)冷負(fù)荷模型，設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中的控制方法；文獻(xiàn)[8]根據(jù)不同場(chǎng)所中央空調(diào)的使用情況不同，設(shè)計(jì)了解決空調(diào)冷負(fù)荷周期性使用的優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[9-10]指出了商務(wù)樓中央空調(diào)周期性暫停分檔控制策略，給出了空調(diào)負(fù)荷削峰效果的測(cè)算結(jié)果；文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)調(diào)查不同場(chǎng)合中央空調(diào)冷負(fù)荷的使用情況，指出不同建筑物影響冷負(fù)荷的因素；文獻(xiàn)[13]基于熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種集成智能樓宇靈活負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法，在充分挖掘樓宇系統(tǒng)需求響應(yīng)潛力的同時(shí)，進(jìn)一步提升了配電網(wǎng)的能源利用效率與運(yùn)行安全性；文獻(xiàn)[14-16]闡述了樓宇系統(tǒng)管理系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但以上僅僅針對(duì)小范圍的負(fù)荷進(jìn)行了建模仿真分析，在綜合能源規(guī)劃層面并沒(méi)有提出正確的預(yù)測(cè)方法。當(dāng)下樓宇系統(tǒng)隨負(fù)荷需求的動(dòng)態(tài)變化，存在不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)配置優(yōu)化方面存在著局限性。為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)指標(biāo)法、動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法、逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法等3 種方法建立了綜合能源系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，以設(shè)備容量與運(yùn)行邊界等為約束對(duì)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷分別建立了模型，解決了傳統(tǒng)能源規(guī)劃方案難以充分考慮運(yùn)行階段需求的問(wèn)題。

1 冷負(fù)荷及其負(fù)荷特性預(yù)測(cè)模型

冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度是影響綜合能源的關(guān)鍵因素，不僅按照常規(guī)能源系統(tǒng)那樣計(jì)算最大負(fù)荷，還需要預(yù)測(cè)綜合能源系統(tǒng)冷熱負(fù)荷特性曲線，以獲得最經(jīng)濟(jì)的能源供應(yīng)方案，需要通過(guò)多維角度去考慮。冷負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法主要有指標(biāo)法、動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法和逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法。

1）指標(biāo)法

冷負(fù)荷根據(jù)建筑面積供冷指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式（1）中：Qc為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷；K為同時(shí)率；fi為各種建筑物的建筑面積；qi為各種建筑物的冷負(fù)荷值。各種類(lèi)型建筑物冷負(fù)荷系統(tǒng)的同時(shí)率，見(jiàn)表1。

通過(guò)指標(biāo)法得出的結(jié)果，大學(xué)園區(qū)、商務(wù)區(qū)、綜合區(qū)等建筑物的冷負(fù)荷的同時(shí)率均在0.6 左右。

2）動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法

動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法根據(jù)不同建筑物的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，按照建筑物的尺寸、形狀輸入外墻、內(nèi)墻等參數(shù)，進(jìn)而描述建筑物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出不同類(lèi)型建筑物全年冷負(fù)荷值。

從地理位置和可用數(shù)據(jù)資源考慮，一般采用綜合能源系統(tǒng)所在區(qū)域典型年氣象數(shù)據(jù)作為計(jì)算用的氣象數(shù)據(jù)。逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)從負(fù)荷分析軟件開(kāi)展冷負(fù)荷計(jì)算。

3）逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法

表1 各種類(lèi)型建筑物冷負(fù)荷的同時(shí)率Table 1 Simultaneous rates of cooling load for various types of buildings

逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法是參照冷負(fù)荷估算指標(biāo)法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)得出的估計(jì)值乘以建筑物的面積，得出該類(lèi)型的空調(diào)冷負(fù)荷，再乘以冷負(fù)荷系數(shù)就可得出逐時(shí)冷負(fù)荷值，最后得出整體典型日逐時(shí)冷負(fù)荷。另外考慮到每天氣溫變化，考慮溫度修正系數(shù)，得到每天逐時(shí)冷負(fù)荷。

式（2）中：Qc.j.m為每天的建筑物的逐時(shí)冷負(fù)荷；kc.i.j為建筑物的逐時(shí)冷負(fù)荷系數(shù)；fc.i為各種類(lèi)型建筑物的建筑面積（m2）；qc.i為各種類(lèi)型建筑物冷負(fù)荷指標(biāo)（W/m2），φc.m為每天相對(duì)于典型日的溫度修正系數(shù)。

a）冷逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)

不同類(lèi)型建筑的逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)主要與建筑物的負(fù)荷有關(guān)。建筑負(fù)荷有建筑物的結(jié)構(gòu)負(fù)荷、太陽(yáng)輻射、風(fēng)負(fù)荷等，它與外界環(huán)境因素有著密切的關(guān)系。不同類(lèi)型建筑物的負(fù)荷系數(shù)不同，主要與建筑物的供能特性及作息時(shí)間有關(guān)。

式（3）中：ε1.c.i.j為不同類(lèi)型建筑物的負(fù)荷因子，即不同時(shí)刻建筑冷負(fù)荷與設(shè)計(jì)建筑冷負(fù)荷之比，主要反映的是室外氣象條件、新風(fēng)量以及維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑負(fù)荷的影響，在0 ～1 之間隨時(shí)間變化；Wc.i.j為不同類(lèi)型建筑物空調(diào)冷負(fù)荷系數(shù)，其值主要取決于建筑物的使用性質(zhì)；ε2.c.i.j為不同類(lèi)型建筑物的內(nèi)擾負(fù)荷因子，即不同時(shí)刻內(nèi)擾負(fù)荷與設(shè)計(jì)內(nèi)擾負(fù)荷之比，一般由建筑的使用狀況決定，在0 ～1之間隨時(shí)間變化；αc.i.j為面積因子，反映不同時(shí)間投入空調(diào)運(yùn)行的面積比例，一般由建筑的使用狀況決定。不同類(lèi)型建筑物的負(fù)荷系數(shù)曲線如圖1 所示。

圖1 不同類(lèi)型建筑物的負(fù)荷系數(shù)曲線Fig.1 Load coefficient curves of different types of buildings

由圖1 可知，不同建筑物的冷負(fù)荷系數(shù)值在不同時(shí)刻有所不同。圖1 是一天24h 不同建筑物的負(fù)荷系數(shù)曲線，其中在1 時(shí)～8 時(shí)大部分的負(fù)荷系數(shù)為0（除賓館外），在12 時(shí)～17 時(shí)負(fù)荷系數(shù)達(dá)到最大值，然后逐漸降低。

b）溫度修正系數(shù)

受氣溫影響，絕大多數(shù)天都不是在典型日設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，導(dǎo)致按照典型日設(shè)計(jì)負(fù)荷選擇的裝機(jī)偏大。因此，需要考慮溫度修正系數(shù)。冷負(fù)荷主要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)和人體散熱，氣溫變化主要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和新風(fēng)部分產(chǎn)生影響。不同建筑的氣溫影響占比見(jiàn)表2。

氣溫影響綜合占比：

氣溫影響系數(shù)：

氣溫溫度修正系數(shù)：

式（5）中：tx為夏季供冷室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；tx,m為夏季每天的室外平均溫度；tx,h為夏季空調(diào)供冷室外計(jì)算溫度。

2 熱負(fù)荷及其負(fù)荷特性預(yù)測(cè)模型

1）指標(biāo)法

在規(guī)劃階段，一般缺乏建筑物設(shè)計(jì)熱負(fù)荷資料，熱負(fù)荷指標(biāo)可參照CJJ 34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

表2 各種建筑的氣溫影響占比Table 2 Proportion of air temperature impacts in different buildings

表3 采暖熱負(fù)荷指標(biāo)推薦值Table 3 Recommended heat load index

式（7）中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；qh為采暖熱負(fù)荷指標(biāo)，W/m2；Ac為采暖建筑物的建筑面積，m2，采暖熱負(fù)荷指標(biāo)推薦值見(jiàn)表3。

2）動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法

動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法根據(jù)建筑提供的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建筑負(fù)荷簡(jiǎn)化建模。按照建筑物的尺寸、內(nèi)外墻參數(shù)、門(mén)窗大小等進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此推出全年的逐時(shí)熱負(fù)荷。

從地理位置信息及環(huán)境因素等方面考慮，一般采用綜合能源系統(tǒng)所在區(qū)域典型年氣象數(shù)據(jù)作為計(jì)算用的氣象數(shù)據(jù)。逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)從負(fù)荷分析軟件數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展熱負(fù)荷計(jì)算。

3）逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法

逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法是參照熱負(fù)荷估算指標(biāo)，將熱負(fù)荷估算指標(biāo)乘以建筑物的建筑面積，計(jì)算出該類(lèi)型建筑物的熱負(fù)荷，再乘以逐時(shí)熱負(fù)荷系數(shù)，得出該類(lèi)型建筑逐時(shí)熱負(fù)荷。疊加后，得出整體典型日逐時(shí)熱負(fù)荷。另外考慮到每天氣溫變化，考慮溫度修正系數(shù)，得到每天逐時(shí)熱負(fù)荷。

圖2 不同類(lèi)型建筑物采暖熱負(fù)荷系數(shù)曲線Fig.2 Heating load coefficient curves of different types of buildings

式（8）中：Qh.j.m為每天的逐時(shí)熱負(fù)荷；kh.i.j為各種不同類(lèi)型建筑的逐時(shí)熱負(fù)荷系數(shù)；fh.i為不同類(lèi)型建筑物的建筑面積（m2）；qh.i為不同類(lèi)型建筑物熱負(fù)荷指標(biāo)（W/m2）；φh.m為每天相對(duì)于典型日的溫度修正系數(shù)。

a）逐時(shí)熱負(fù)荷系數(shù)

不同類(lèi)型建筑物的逐時(shí)熱負(fù)荷系數(shù)有所不同，它與建筑負(fù)荷及內(nèi)擾負(fù)荷相關(guān)。據(jù)調(diào)查，建筑物的負(fù)荷系數(shù)主要與建筑物的內(nèi)外墻厚度、環(huán)境等因素密切相關(guān)。內(nèi)擾負(fù)荷包括照明、人員等因素，它的大小不隨外界氣候的影響，主要與建筑功能特性及作息時(shí)間有關(guān)。

式（9）中：ε1.h.i.j為不同類(lèi)型建筑物的負(fù)荷因子，即不同時(shí)刻建筑熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)建筑熱負(fù)荷之比，指的是外界環(huán)境因素對(duì)建筑物的影響，在0 ～1 之間隨時(shí)間變化；Wh.i.j為各種類(lèi)型建筑物的熱負(fù)荷系數(shù)，指的是在設(shè)計(jì)情況下的建筑負(fù)荷占總建筑負(fù)荷的比例。它主要取決于建筑物的使用性質(zhì)；ε2.h.i.j為不同類(lèi)型建筑物的內(nèi)擾負(fù)荷因子，即不同時(shí)刻各種類(lèi)型建筑物的內(nèi)擾負(fù)荷與設(shè)計(jì)內(nèi)擾負(fù)荷之比，一般由建筑物的使用狀況來(lái)決定，在0 ～1 之間隨時(shí)間變化；αh.i.j為面積因子，在不同的時(shí)間段內(nèi)建筑物內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷運(yùn)行的比例，一般由建筑的使用狀況決定。不同類(lèi)型建筑物的采暖熱負(fù)荷系數(shù)曲線如圖2 所示。

由圖2 可知，不同建筑物的熱負(fù)荷系數(shù)值在不同時(shí)刻有所不同，圖2 是一天24h 不同建筑物的負(fù)荷系數(shù)曲線，其中在1 時(shí)～7 時(shí)大部分的負(fù)荷系數(shù)為0（除住宅外），在8 時(shí)左右和20 時(shí)左右負(fù)荷系數(shù)達(dá)到最大值，然后逐漸降低，說(shuō)明不同建筑物負(fù)荷系數(shù)隨時(shí)間而變化。

b）溫度修正系數(shù)

受氣溫影響，絕大多數(shù)天都不是在典型日設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，導(dǎo)致按照典型日設(shè)計(jì)負(fù)荷選擇的裝機(jī)偏大。因此，需要考慮溫度修正系數(shù)。

熱負(fù)荷變化主要與氣溫變化相關(guān)，熱負(fù)荷修正系數(shù)：

式（10）中：td為冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；td.m為冬季每天的室外平均溫度；td.h為冬季空調(diào)供熱室外計(jì)算溫度。

3 生活熱水負(fù)荷及其負(fù)荷特性預(yù)測(cè)模型

1）指標(biāo)法

根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，生活熱水平均熱負(fù)荷計(jì)算公式為：

式（11）中：Qw,a為生活熱水平均熱負(fù)荷，kW；qw為生活熱水熱指標(biāo)，W/m2。應(yīng)根據(jù)建筑物類(lèi)型采用實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料，居住區(qū)生活熱水日平均熱指標(biāo)可按表4 選取。

注：不同情況下的水溫有不同的值，水的溫度較常溫下的溫度低時(shí)采用較小值，反之采用較大值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，生活熱水最大熱負(fù)荷計(jì)算公式為：

式（12）中：Qw,ma為生活熱水最大熱負(fù)荷，單位為kW； Kh為小時(shí)變化系數(shù)。根據(jù)GB50015《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定選取。

2）逐時(shí)負(fù)荷模擬

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，酒店和醫(yī)院的逐時(shí)占比相對(duì)其他建筑來(lái)說(shuō)比較高。把不同類(lèi)型建筑的估算指標(biāo)乘以相應(yīng)建筑物的面積，逐個(gè)計(jì)算出生活熱水負(fù)荷，然后乘以當(dāng)日實(shí)時(shí)的負(fù)荷系數(shù)，得到生活熱水負(fù)荷，把各類(lèi)用水負(fù)荷進(jìn)行相加，得到總的生活用水負(fù)荷。由于不同季節(jié)冷水溫度不同，可以在不同季節(jié)選取不同的熱指標(biāo)，計(jì)算不同季節(jié)的典型日生活熱水負(fù)荷，最后擴(kuò)展到全年生活熱水逐時(shí)負(fù)荷。

調(diào)查住宅、商業(yè)設(shè)施、辦公、酒店、醫(yī)院等場(chǎng)所24h生活熱水?dāng)?shù)據(jù)。其中，在0 時(shí)～4 時(shí)商業(yè)設(shè)施和辦公場(chǎng)所的生活熱水負(fù)荷系數(shù)為0，8 時(shí)～19 時(shí)住宅、商業(yè)設(shè)施、辦公、酒店、醫(yī)院等場(chǎng)所生活熱水負(fù)荷系數(shù)約為0.5，不同時(shí)刻生活熱水使用情況有所不同。其中，酒店和醫(yī)院生活用水負(fù)荷在24h 中占比最大。不同類(lèi)型建筑物的生活熱水負(fù)荷系數(shù)曲線如圖3 所示。

在規(guī)劃階段，一般只能確定該建筑最基本的信息，如使用功能和相應(yīng)的面積等，而建筑的布局、設(shè)計(jì)方案以及門(mén)窗等均未確定，動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法需要相對(duì)詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，在規(guī)劃階段使用有一定的局限性。雖然規(guī)劃階段的建筑信息可以采用指標(biāo)法，但是指標(biāo)法只能得出設(shè)計(jì)負(fù)荷，不利于裝機(jī)的優(yōu)化配置。而逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法對(duì)信息的要求，規(guī)劃階段可以滿足，量轉(zhuǎn)換元件功率約束、能量存儲(chǔ)元件功率約束以及分布式可再生能源元件功率約束同采暖期。

表4 居住區(qū)采暖期生活熱水日平均熱指標(biāo)推薦值Table 4 Recommended value of daily average heat index of domestic hot water in residential heating period

4 結(jié)論

通過(guò)分別建立樓宇綜合系統(tǒng)冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及生活熱水負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，分別從指標(biāo)法、動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算法、逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法等3 種方法研究了樓宇空調(diào)負(fù)荷與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性，結(jié)果表明：冷負(fù)荷主要是保持房間的溫度恒定，由于向房間供應(yīng)的冷量應(yīng)根據(jù)不同的建筑物內(nèi)需要的冷量有所不同，這就需要針對(duì)不同的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。如賓館、保齡球館等場(chǎng)所一天當(dāng)中不同的時(shí)刻需要不同的溫度，受外界環(huán)境變化大等因素難以精確測(cè)定。上述原因?qū)е吕湄?fù)荷計(jì)算過(guò)程中有計(jì)算誤差，并且針對(duì)不同的房間建立模型的過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。因此，冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷算法。

熱負(fù)荷通過(guò)補(bǔ)償房間失熱需向房間提供熱量。室內(nèi)熱環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)和感受主要是熱舒適度，溫度、空氣流速等都會(huì)對(duì)熱舒適度產(chǎn)生影響。全日供熱水的住宅、商業(yè)設(shè)施、辦公、酒店、醫(yī)院等建筑物的集中供水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按小時(shí)計(jì)算，夏季通過(guò)回收冷凝熱制取水，冬季則相反。熱負(fù)荷與生活用水負(fù)荷采用方法相似，都是通過(guò)逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文通過(guò)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷等展開(kāi)討論，提出了元件模型線性化、規(guī)劃與運(yùn)行一體化的綜合能源系統(tǒng)混合優(yōu)化固化方法，針對(duì)不同的負(fù)荷采用不同的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。建立“冷、熱、生活用水”多能流耦合模型，實(shí)現(xiàn)多能流之間耦合轉(zhuǎn)換、分配和存儲(chǔ)關(guān)系的建模，解決了傳統(tǒng)能源規(guī)劃相互解耦、互相割裂的問(wèn)題。選取不同類(lèi)型建筑物進(jìn)行案例分析，驗(yàn)證了不同季節(jié)冷熱負(fù)荷調(diào)控技術(shù)的有效性。保證了樓宇環(huán)境的舒適性，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)樓宇系統(tǒng)的節(jié)能，具有十分重要的意義。

表5 逐時(shí)生活熱水負(fù)荷系數(shù)Table 5 Hourly domestic hot water load coefficient

圖3 不同類(lèi)型建筑物生活熱水負(fù)荷系數(shù)曲線Fig.3 Curve of domestic hot water load coefficient of different types of buildings