CN105549389A - 一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，首先建立了建筑的室内外热传递模型；并建立了家庭主要用电负荷空调、热水器和冰箱的热力学模型，模型中考虑了热交换速率，太阳热辐射强度，材料热容量等多种因素，优化过程中考虑了电网电价的变化情况以达到在满足居民用电要求的前提下经济最优的目标，同时从电网角度看，用户降低了在用电高峰时段的用电量并转移至低谷时段使用，提高了电力设备的利用率，降低了电网的调峰压力，其效果是互利共赢的。

Description

一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，特别是涉及一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法。

背景技术

在我国，由于大量消费电子产品以及电器的使用，家庭和办公领域的能源消耗正在剧烈增长，近年来我国居民生活用电量以每年几百亿千瓦时的速度增长。为到目前为止，我们所要创建的“绿色环保型社会”还处于最初级的阶段。节约能量消费主要靠人们形成良好的习惯，如关闭没有使用的电灯、提高/降低1℃空调温度的设定等。但是，上述方式节约的能量有限，对人们生活质量产生的损害也使其难以大范围推广。大量的使用节能电器虽然也可以达到减少用户电能消耗的目的，然而这种方式没有建立一个用户电能网络，使用户的所有电器可以协调运行，从而达到节能最大化的目的。基于上述问题，建立一个能量管理系统用以监测和管理电器能量使用显然是必要的。

家庭能量管理系统(Homeenergymanagementsystem,HEMS)作为智能电网在用户消费侧的重要组成部分，是指以信息和通信技术为手段，以在实现用户电器管理、监测和减少能量消费为目标，包括实现节约能量消费的所有必要元素的智能化系统。但是，现有的家庭能量管理系统中，不能很好地实现对家庭用电器的精确控制，无法保证居民用电与电网的价格信号相适应，最大限度的节省开支。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，解决了可实现对家庭用电器的精确控制，在保证居民用电舒适度的前提下响应电网的价格信号，最大限度地节省用电支出的问题。

为实现本发明的目的，一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，包括以下步骤：建立计算建筑用电负荷的热力学模型；建立家庭主要用电负荷的热力学模型，所述家庭主要用电负荷的热力学模型包括家用空调、热水器和冰箱的热力学模型；将建筑用电负荷的热力学模型与家庭主要用电负荷的热力学模型与电网电价的变化情况相响应，从而控制用电支出。

本发明的一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法与现有技术相比，可实现对家庭用电器的精确控制，在保证居民用电舒适度的前提下，响应电网电价的变化情况，达到在满足居民用电要求的前提下经济最优的目标，最大限度地节省用电支出。同时，从电网角度看，用户降低了在用电高峰时段的用电量并转移至低谷时段使用，提高了电力设备的利用率，降低了电网的调峰压力。

附图说明

图1是太阳热辐射功率与室外温度曲线图。

图2是家庭负荷优化仿真结果图。

图3是家庭负荷优化前后对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出了一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，包括以下步骤：建立计算建筑用电负荷的热力学模型；建立家庭主要用电负荷的热力学模型，所述家庭主要用电负荷的热力学模型包括家用空调、热水器和冰箱的热力学模型；将建筑用电负荷的热力学模型与家庭主要用电负荷的热力学模型与电网电价的变化情况相响应，从而控制用电支出。

一、建筑用电负荷的热力学模型

建筑用电负荷的计算，包括受到太阳热辐射强度，材料热容量、热传递速率的影响，将建筑的住宅分为住宅内部和住宅墙体两部分；住宅内部的热容量、住宅墙体的热容量均与住宅面积、住宅高度有关，其数学模型如下：

C_a＝5.2×10³A_sH(J/K)；

C_s＝1.44×10²A_sH(J/K)，

住宅内部、住宅外部与外界之间的热传递包括三部分：住宅内部与外界的热传递速率；住宅墙体与外界的热传递速率；住宅内部与墙体的热传递速率，住宅内部与外界的热传递速率，住宅墙体与外界的热传递速率及住宅内部与墙体的热传递速率包括与住宅外墙面积、空气流通率、住宅面积、住宅高度的影响有关，具体计算公式如下：

R_ae＝0.34V_aA_sH(W/K)；

$R_{se}=\frac{7.69S(69.05+1.07A_s)}{7.69S-(69.05+1.07A_s)}(W/K);$

R_as＝7.69S(W/K)，

其中：C_a为住宅内部的热容量，C_s为住宅墙体的热容量，Ra为住宅内部与外界的热传递速率，Rse为住宅墙体与外界的热传递速率，Ras为住宅内部与墙体的热传递速率，Va为空气流通率，As为住宅面积，H为住宅高度，S为住宅外墙面积。

二、家庭主要用电负荷，包括家用空调、热水器和冰箱的热力学模型

1、家用空调的控制参数为室内温度，所述室内气温包括受到室内空气流动性、外界气温、太阳光照辐射的影响，数学模型表示如下：

$\frac{{\mathrm{dT}}_a}{dt}=\frac{1}{C_a}({\mathrm{\ξ}}_s{\mathrm{WQ}}_s+R_{as}(T_s-T_a)+R_{ae}(T_e-T_a)+R_{ac}(T_c-T_a\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}=\frac{1}{C_s}({\mathrm{\ξ}}_s{\mathrm{SQ}}_s+R_{as}(T_a-T_s)+R_{se}(T_e-T_s\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_c}{dt}=\frac{1}{C_c}\left(R_{ac}\right(T_a-T_c)-Q_{AC}),$

其中：Q_AC为空调的热功率，C_a为住宅内部的热容量，C_s为住宅墙体的热容量，T_a为住宅内部的温度，T_s为住宅墙体的温度，T_e为外界温度；Q_s为太阳能辐射的热量，ξ_s为太阳能辐射的效率；W为住宅窗户面积；C_c为空调冷凝剂的热容量，T_c表示空调冷凝剂的温度，R_ac为空调冷凝剂与室内空气的热传递速率。

2、冰箱的热力学模型包括冰箱内部模块之间和冰箱与室内空气的热传递模型，数学模型如下：

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f1}}{dt}=\frac{1}{C_{f1}}\left(R_{f1f}\right(T_f-T_{f1}\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f2}}{dt}=\frac{1}{C_{f2}}\left(R_{f24}\right(T_{f4}-T_{f2}\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_f}{dt}=\frac{1}{C_f}\left(R_{f1f}\right(T_{f1}-T_f)+R_{ff4}(T_{f4}-T_f)+R_{af}(T_a-T_f\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f4}}{dt}=\frac{1}{C_{f4}}\left(R_{ff4}\right(T_f-T_{f4})+R_{f24}(T_{f2}-T_{f4})-Q_{RF}),$

其中：Q_RF为冰箱的热功率，C_f1与T_f1、C_f2与T_f2、C_f与T_f、C_f4与T_f4分别表示冰箱箱体、冷藏箱体、冰箱内部和制冷结构的热容量与温度，R_f1f、R_f24、R_ff4、R_af分别表示冰箱箱体与冰箱内部、冷藏箱体与制冷结构、冰箱内部与制冷结构、冰箱内部与室内空气的热传递速率。

3、电热水器可分为箱体和内部蓄水两部分，热力学模型包括热传递速率、蓄水量的影响，数学模型如下：

$\frac{{\mathrm{dT}}_t}{dt}=\frac{1}{C_t}\left(R_{at}\right(T_a-T_t)+R_{wt}(T_w-T_t\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_w}{dt}=\frac{1}{C_w}\left(R_{wt}\right(T_t-T_w)+Q_{WH}),$

Q_WH为电热水器的热功率。

考虑到用户的实际需求，家用空调、电冰箱和电热水器等温度控制型负荷在一定的温度范围内具有调度灵活性，超出该范围后就无法被灵活调度，可控负荷的可调范围也受相关设备的额定值约束。此外，家用空调的热功率Q_AC、冰箱的热功率Q_RF和电热水器的热功率Q_WH必须满足电气设备自身的热功率约束，除了上述可控负荷外，居民用户还有照明负荷等其他家用负荷，这部分负荷还要受用户的选择和控制，通常视为固定负荷或不可控负荷，居民用户的总用电负荷为不可控负荷与可控负荷之和。

需要利用不同家用负荷的能耗特性。将小号的热量转换为实际消耗的电能例如：制冷电器实际使用的电功率和热量消耗之间关系通常用能效率(energyefficiencyratio,EER)表示，而制热电器的效率则通常用性能系数(coefficientperformance,COP)表示。

家用空调、电冰箱和电热水器的电功率的数学模型为：

$P_{AC}=\frac{Q_{AC}}{{\mathrm{\η}}_a};$

$P_{RF}=\frac{Q_{RF}}{{\mathrm{\η}}_f};$

$P_{WH}=\frac{Q_{WH}}{{\mathrm{\η}}_w};$

P_D＝P_fix+P_AC+P_RF+P_WH，

其中：P_AC、P_RF、P_WH分别表示为空调、电冰箱和电热水器的电功率，P_D和P_fix分别为居民总用电负荷功率和不可控用电功率，η_a，η_f，η_w分别表示为空调、电冰箱和电热水器消耗的热功率与电功率的比值。

仿真算例

请参阅图1所示，室外气温T_e和太阳热辐射功率的示意图，给定T_sum＝24h，以小时为单位进行优化，仿真时间起始时刻和终止时刻分别为首日中午12:00和次日中午12:00。为保证可控负荷调度的连续性，假设用户的室内温度T_a，冰箱内部温度T_f和热水器内部温度T_w在优化时间窗终止时刻T_sum需与起始时刻的温度值相同。请参阅图2所示，分时电价和家庭能量管理系统优化后的负荷结果，可见家庭能量管理系统能够根据室外环境的情况和当前的分时电价信息合理安排各类负荷各时段的负荷。以热水器负荷为例，在电网负荷较低时提高水温蓄能从而能够在电网负荷高峰时段较少用电负荷，通过自身的负荷调整降低电网供电压力。请参阅图3所示，家庭负荷优化前后对比可见，优化后建筑负荷总功率在电价较低时有所上升，在电价两个高峰时期负荷降低，效果明显。

Claims (6)

1.一种基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，包括以下步骤：建立计算建筑用电负荷的热力学模型；建立家庭主要用电负荷的热力学模型，所述家庭主要用电负荷的热力学模型包括家用空调、热水器和冰箱的热力学模型；将建筑用电负荷的热力学模型与家庭主要用电负荷的热力学模型与电网电价的变化情况相响应，从而控制用电支出。

2.如权利要求1所述的基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，所述建筑用电负荷的计算，包括受到太阳热辐射强度，材料热容量、热传递速率的影响，将建筑的住宅分为住宅内部和住宅墙体两部分；所述住宅内部的热容量、住宅墙体的热容量均与住宅面积、住宅高度有关，其数学模型如下：

C_a＝5.2×10³A_sH(J/K)；

C_s＝1.44×10²A_sH(J/K)，

所述住宅内部、住宅外部与外界之间的热传递包括三部分：住宅内部与外界的热传递速率；住宅墙体与外界的热传递速率；住宅内部与墙体的热传递速率，所述住宅内部与外界的热传递速率，住宅墙体与外界的热传递速率及住宅内部与墙体的热传递速率包括与住宅外墙面积、空气流通率、住宅面积、住宅高度的影响有关，具体计算公式如下：

R_ae＝0.34V_aA_sH(W/K)；

$R_{se}=\frac{7.69S(69.05+1.07A_s)}{7.69S-(69.05+1.07A_s)}(W/K);$

R_as＝7.69S(W/K)，

其中：C_a为住宅内部的热容量，C_s为住宅墙体的热容量，Ra为住宅内部与外界的热传递速率，Rse为住宅墙体与外界的热传递速率，Ras为住宅内部与墙体的热传递速率，Va为空气流通率，As为住宅面积，H为住宅高度，S为住宅外墙面积。

3.根据权利要求1或2所述的基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，所述家用空调的控制参数为室内温度，所述室内气温包括受到室内空气流动性、外界气温、太阳光照辐射的影响，数学模型表示如下：

$\frac{{\mathrm{dT}}_a}{dt}=\frac{1}{C_a}({\mathrm{\ξ}}_s{\mathrm{WQ}}_s+R_{as}(T_s-T_a)+R_{ae}(T_e-T_a)+R_{ac}(T_c-T_a\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}=\frac{1}{C_s}({\mathrm{\ξ}}_s{\mathrm{SQ}}_s+R_{as}(T_a-T_s)+R_{se}(T_e-T_s\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_c}{dt}=\frac{1}{C_c}\left(R_{ac}\right(T_a-T_c)-Q_{AC}),$

其中：Q_AC为空调的热功率，C_a为住宅内部的热容量，C_s为住宅墙体的热容量，T_a为住宅内部的温度，T_s为住宅墙体的温度，T_e为外界温度；Q_s为太阳能辐射的热量，ξ_s为太阳能辐射的效率；W为住宅窗户面积；C_c为空调冷凝剂的热容量，T_c表示空调冷凝剂的温度，R_ac为空调冷凝剂与室内空气的热传递速率。

4.如权利要求1或2所述的基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，所述冰箱的热力学模型包括冰箱内部模块之间和冰箱与室内空气的热传递模型，数学模型如下：

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f1}}{dt}=\frac{1}{C_{f1}}\left(R_{f1f}\right(T_f-T_{f1}\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f2}}{dt}=\frac{1}{C_{f2}}\left(R_{f24}\right(T_{f4}-T_{f2}\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_f}{dt}=\frac{1}{C_f}\left(R_{f1f}\right(T_{f1}-T_f)+R_{ff4}(T_{f4}-T_f)+R_{af}(T_a-T_f\left)\right);$

$\frac{{\mathrm{dT}}_{f4}}{dt}=\frac{1}{C_{f4}}\left(R_{ff4}\right(T_f-T_{f4})+R_{f24}(T_{f2}-T_{f4})-Q_{RF}),$

其中：Q_RF为冰箱的热功率，C_f1与T_f1、C_f2与T_f2、C_f与T_f、C_f4与T_f4分别表示冰箱箱体、冷藏箱体、冰箱内部和制冷结构的热容量与温度，R_f1f、R_f24、R_ff4、R_af分别表示冰箱箱体与冰箱内部、冷藏箱体与制冷结构、冰箱内部与制冷结构、冰箱内部与室内空气的热传递速率。

5.如权利要求1或2所述的基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，所述电热水器可分为箱体和内部蓄水两部分，热力学模型包括热传递速率、蓄水量的影响。

6.如权利要求1或2所述的基于建筑热力学模型的家庭能量管理算法，其特征在于，所述家用空调、电冰箱和电热水器的电功率的数学模型为：

$P_{AC}=\frac{Q_{AC}}{{\mathrm{\η}}_a};$

$P_{RF}=\frac{Q_{RF}}{{\mathrm{\η}}_f};$

$P_{WH}=\frac{Q_{WH}}{{\mathrm{\η}}_w};$

P_D＝P_fix+P_AC+P_RF+P_WH，

其中：P_AC、P_RF、P_WH分别表示为空调、电冰箱和电热水器的电功率，P_D和P_fix分别为居民总用电负荷功率和不可控用电功率，η_a，η_f，η_w分别表示为空调、电冰箱和电热水器消耗的热功率与电功率的比值。