作者：王海斌 晉欣橋 孫金龍 杜志敏

    摘要：本文在建筑及空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)上海地區(qū)某一商務(wù)樓及其空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，對(duì)避峰運(yùn)行控制策略、送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略以及整體優(yōu)化控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，避峰運(yùn)行控制策略、送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略以及整體優(yōu)化控制策略都能夠不同程度減少用電峰時(shí)段的耗能，同時(shí)相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用都有所減少。

0. 引言

    隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速增長，近年來全國各大省市都出現(xiàn)了不同程度的供電不足危機(jī)，這已成為制約我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸問題。要從根本上解決電力不足的問題當(dāng)然是靠增加對(duì)電力的投入。但是，合理有效地使用有限的電能也應(yīng)是必須采取的措施。目前電力供應(yīng)緊張的主要表現(xiàn)為：電網(wǎng)負(fù)荷率低，系統(tǒng)峰谷差較大，高峰電力嚴(yán)重不足。因此，實(shí)施需求側(cè)管理，提高電能終端使用效率和轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷是當(dāng)前必須十分重視的問題。

    隨著空調(diào)系統(tǒng)在我國城市里越來越廣泛的應(yīng)用，建筑能耗增長特別是空調(diào)系統(tǒng)的電力需求增長尤其迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國當(dāng)前的建筑能耗在總能耗中的比例是27.5%左右，其中空調(diào)的能耗約占建筑能耗的40%～55%?？照{(diào)負(fù)荷的不均衡特性，極大地加劇了電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差，因此，空調(diào)系統(tǒng)的錯(cuò)峰避峰運(yùn)行已成為緩解當(dāng)前電力供應(yīng)不足問題的迫切要求。一些國家很早就已采用空調(diào)用電錯(cuò)峰措施，印度一典型寫字樓的空調(diào)系統(tǒng)用電進(jìn)行錯(cuò)峰優(yōu)化之后，其在電力尖峰負(fù)荷時(shí)段的電力需求與通常相比減少38%，相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用減少5.9%[1]。美國曾經(jīng)對(duì)一典型的采用空調(diào)用電錯(cuò)峰的大學(xué)校園進(jìn)行調(diào)查，其在電力尖峰負(fù)荷時(shí)段的用電減少41%，其總耗電量的56%是電力低谷時(shí)段用電[2]。

    本文正是在此背景下，提出和研究分析基于建筑儲(chǔ)能的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，期望利用建筑本身具備的能量儲(chǔ)存能力并通過優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，達(dá)到降低空調(diào)系統(tǒng)峰值電力需求的目的，同時(shí)將這種方法與送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略[3]結(jié)合進(jìn)行整體優(yōu)化。

1. 空調(diào)系統(tǒng)避峰運(yùn)行控制策略

    對(duì)于絕大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)，其運(yùn)行控制策略均采用常規(guī)的需求控制策略，即根據(jù)用戶側(cè)的要求啟動(dòng)或停止系統(tǒng)的運(yùn)行，在樓宇使用時(shí)段啟動(dòng)系統(tǒng)而非使用時(shí)段則停止運(yùn)行。這從節(jié)能的角度而言是行之有效的。但是，這種運(yùn)行策略的結(jié)果通常是在電力峰值時(shí)段系統(tǒng)正好處于用電高峰，這對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來說是不利的，特別是在已實(shí)行分時(shí)電價(jià)的地區(qū)，會(huì)使用戶增加運(yùn)行費(fèi)用。

    對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)錯(cuò)峰用電的方法，目前國內(nèi)外大多采用冰蓄冷技術(shù)。但冰蓄冷的應(yīng)用與推廣存在著一定的缺陷：冰蓄冷系統(tǒng)造價(jià)高，一般比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高30%－40%；對(duì)已安裝運(yùn)行的系統(tǒng)，則需重新改造，代價(jià)很大，而且現(xiàn)實(shí)狀況絕大多數(shù)是不允許的；同時(shí)，冰蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行復(fù)雜，穩(wěn)定性和可靠性相對(duì)較差。

表1 時(shí)間表
　  

    實(shí)際上，對(duì)于常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)的建筑，其本身具有較大的熱容，再加上室內(nèi)的裝飾及家具，因此具備一定的儲(chǔ)能能力，利用這種能量儲(chǔ)備的能力，可以在電力需求谷時(shí)對(duì)樓宇進(jìn)行強(qiáng)制過冷，使建筑的墻體及室內(nèi)結(jié)構(gòu)充分儲(chǔ)存冷量，當(dāng)處于電力需求高峰時(shí)段時(shí)利用這部分儲(chǔ)存的冷量，從而可以減少電力峰時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行電力需求。圖1是基于建筑儲(chǔ)能的運(yùn)行控制策略邏輯示意圖，其中的時(shí)間值由表1給出。在不同的時(shí)間段內(nèi)，通過PMV優(yōu)化控制器[4]改變房間溫度設(shè)定值。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1 避峰運(yùn)行控制策略邏輯示意圖

2. 研究對(duì)象

    本文選用的建筑物是位于上海地區(qū)某一棟商務(wù)大樓，每層的面積為2332m2。由于每層被劃分為南北兩個(gè)開放式的辦公區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都配備了相同的空調(diào)系統(tǒng)，因此本文選取朝南區(qū)域作為研究對(duì)象。研究對(duì)象的室內(nèi)總的空調(diào)區(qū)域面積為1166 m2，根據(jù)VAV末端的布置，它被劃分為6個(gè)外區(qū)和2個(gè)內(nèi)區(qū)，。建筑與VAV空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖2 建筑及其VAV空調(diào)系統(tǒng)示意圖

3. 控制策略的仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

    仿真試驗(yàn)是在已建立的VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)仿真器[5]上進(jìn)行的。本文將提出的避峰運(yùn)行控制策略和送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略程序化后嵌入其中，同時(shí)，為驗(yàn)證和分析對(duì)比各種優(yōu)化策略的實(shí)施效果，本文還對(duì)沒有優(yōu)化策略的常規(guī)情況進(jìn)行了模擬。

3.1 試驗(yàn)條件

本文采用的室外氣象數(shù)據(jù)取自上海地區(qū)的氣象資料，試驗(yàn)日的室外溫度和含濕量如圖3所示。
 

　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3 試驗(yàn)日室外空氣的溫度和含濕量

    研究對(duì)象的建筑物為混凝土結(jié)構(gòu)，6個(gè)外區(qū)和2個(gè)內(nèi)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱容如表2所示（表中區(qū)域標(biāo)示參見圖1）。仿真器中的建筑模型是采用阻容網(wǎng)絡(luò)模型建立的[6]。

表2 建筑物熱容

　

    3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    圖4為整體優(yōu)化策略與無優(yōu)化策動(dòng)時(shí)室內(nèi)PMV的變化曲線。從圖中可以看出：整體優(yōu)化策略通過PMV控制器改變室內(nèi)的PMV值，利用房間所具有的熱容性，將電力峰值時(shí)段所消耗的一部分電能轉(zhuǎn)移到電力谷值時(shí)段，PMV在[-0.5，0.5]之間變化是可以接受的，這樣就能夠在滿足室內(nèi)熱舒適性要求的前提下，實(shí)現(xiàn)用電上的移峰填谷。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

圖4 PMV值比較

    在計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用時(shí)采用的是上海地區(qū)的分時(shí)電價(jià)，即：峰時(shí)段為1.044￥/kWh，平時(shí)段為0.676 ￥/kWh，谷時(shí)段為0.232 ￥/kWh。表3給出了三種優(yōu)化策略仿真模擬的結(jié)果，并進(jìn)行了比較。

表3 結(jié)果比較

	峰時(shí)耗能(kW)	平時(shí)耗能(kW)	谷時(shí)耗能(kW)	移峰%	減少運(yùn)行費(fèi)用%
常規(guī)控制	340.7	949.7	0	—	—
送風(fēng)溫度優(yōu)化控制	260.8	1028.0	0	23.5	2.2
避峰運(yùn)行控制	140.3	914.7	176.9	58.8	18.0
整體優(yōu)化控制	129.8	1039.1	173.2	61.9	10.3

    送風(fēng)溫度優(yōu)化控策略制通過提高送風(fēng)溫度，將一部分峰時(shí)耗能轉(zhuǎn)移到平時(shí)，電價(jià)最低的谷時(shí)耗能為0，系統(tǒng)峰時(shí)耗能減少23.5%，運(yùn)行費(fèi)用減少2.2%。

    避峰運(yùn)行控制策略是利用建筑物熱容，通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和室內(nèi)PMV的控制，將一部分峰時(shí)耗能轉(zhuǎn)移到谷時(shí)，可以明顯看出其移峰和減少運(yùn)行費(fèi)用的效果都十分明顯，應(yīng)用這種控制策略系統(tǒng)峰時(shí)耗能減少58.8%，運(yùn)行費(fèi)用減少18.0%。

    整體優(yōu)化控制策略是將送風(fēng)溫度優(yōu)化控制與避峰運(yùn)行控制相結(jié)合，仿真結(jié)果表明，這種控制方法可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移峰時(shí)耗能，但與避峰運(yùn)行控制策略相比，平時(shí)耗能大大增加，這就導(dǎo)致減少的運(yùn)行費(fèi)用有所下降，應(yīng)用這種控制策略系統(tǒng)峰時(shí)能耗減少61.9%，運(yùn)行費(fèi)用減少10.3%。

4． 結(jié)論

    本文通過對(duì)上海地區(qū)某一商用大樓，運(yùn)用了送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略、避峰運(yùn)行控制策略以及整體優(yōu)化控制策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：通過應(yīng)用送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略、避峰運(yùn)行控制策略以及整體優(yōu)化控制策略，在保證和改善室內(nèi)熱舒適性的同時(shí)，可減少峰時(shí)段耗能；用戶的運(yùn)行費(fèi)用也有不同的下降。在許多商業(yè)建筑中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制的器件都是現(xiàn)成的并不需要任何附加投資。

參考文獻(xiàn)

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3．晉欣橋，夏凊，周興禧，王盛衛(wèi). 多區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的優(yōu)化節(jié)能控制[J] .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，4:25-31
4．于航，夏凊，晉欣橋等. 以PMV為基礎(chǔ)的模糊控制器在VAV空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 節(jié)能，2001，(4): 3-6
5．晉欣橋. 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的仿真及其實(shí)時(shí)優(yōu)化控制研究[D]. 上海，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，1999
6． 晉欣橋，夏凊，王盛衛(wèi). 用于空調(diào)系統(tǒng)控制分析的多區(qū)域建筑物模型[J]. 流體機(jī)械，1999，27(3): 18-21

 

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