CN105841300A - 一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，包括以下步骤：建立中央空调所属建筑物热力学模型，即房间室内、外温度与建筑物冷量的关系；建立计及新风系统的中央空调能耗模型，即空调负荷与决策变量间的关系；确定控制策略，即明确目标函数、控制变量、约束条件等；计算中央空调负荷最大调节潜力，比较不同控制方式下的调节效果，并研究中央空调系统负荷参与负荷跟踪。本发明通过细致建立模型，明确多控制变量协同优化的策略，为计及新风系统的中央空调参与电力系统运行提供了科学理论支持。

Description

一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略

技术领域

本发明涉及一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，属于电力系统及其自动化技术。

背景技术

目前针对空调的研究逐渐增多，空调技术也不断发展。在电力系统领域，空调负荷具有很大的调节潜力，空调负荷可以调节的两个前提条件：1)空调与所属的房间构成了具有热储存能力的系统；2)人体有一定舒适度范围，在此范围内空调负荷的功率也随之有了调节的空间。大数据时代的到来，互联网技术、通信手段的不断完善，也奠定了空调负荷在不同电力市场环境下参与电力系统运行调控的基础。中央空调在空调负荷中占比较大。大型楼宇中央空调的额定功率是普通分体式空调的数十甚至上百倍，这使得中央空调负荷，更具有参与电力系统调控的价值。

随着人们对所在建筑物的空气质量要求越来越高，带有新风系统的中央空调逐步成为主流，新风系统由换气机和送风管道组成，一边依靠风机向室内送新风，另一边由排风扇将室内气体传输向室外。新风的引入增强了室内气体的洁净度，加快室内人体的散热，并防止潮湿引起的不适感。目前新风系统的研究着眼点还在新风系统本身，通过对新风系统的改进和优化控制，达到节能、经济和提高室内环境条件的目的。然而从电力系统视角，计及新风系统的中央空调研究并不多见，其负荷调节能力的挖掘缺乏理论指导。本文将有针对性的论述计及新风系统的中央空调的系统模型、可调潜力和运行控制等方面，研究其参与电力系统运行的内容。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明从参与电力系统运行的角度出发，提供一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，通过建立积极新风的中央空调系统各模块的模型，以最大调节潜力或负荷跟踪曲线为目标，分析了多种控制方式下系统的控制效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和及新风系统的空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；包括如下步骤：

(1)建立中央空调所属建筑物热力学模型，即建立室内温度、室外温度与建筑物冷量间的关系；

(2)建立计及新风系统的中央空调能耗模型，即建立空调负荷与决策变量间的关系；

(3)确定控制策略，即确定目标函数、控制变量和约束条件。

具体的，所述步骤(1)中，中央空调所属建筑物热力学模型为：

$T_{in}^{t+1}=T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-(T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-T_{in}^t)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}=e^{-\frac{\mathrm{\τ}}{T_c}}---\left(2\right)$

Q_f＝E_gQ_p (3)

根据新风系统的不同，式(1)中的热力学模型有所不同，具体如下：

情况一：新风系统的新风通道和排风通道经过表冷器预处理，此时热力学模型为：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in (3)

情况二：新风系统与中央空调相互独立，此时热力学模型为：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in-Q_xf (5)

$Q_{xf}=C_a{\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t{G}_{xf}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t=T_{in}^t-T_{xf}^t---\left(7\right)$

其中：为t时刻的室内温度，为t+1时刻的室内温度，为t时刻的室外温度，为t+1时刻的室外温度，Q_r为房间热负荷，A为导热系数，ε为散热函数；τ为控制时间间隔，T_c为时间常数；Q_f为风机送风冷量，E_g为热交换效率，Q_p为冷冻水泵冷量；σ为热负荷影响系数，Q_in为设备热负荷；Q_xf为新风冷量，C_a为空气比热容，为t时刻的新风温度差，G_xf为新风流量，为t时刻的新风温度。

具体的，所述步骤(2)，具体包括如下步骤：

(2.1)建立制冷机模型

Q_p＝E_zQ_z (9)

其中：P_z为制冷机功率，E_z为制冷机热交换效率，Q_z为制冷机冷量；μ_z为制冷机综合系数，COP_d为制冷机设计COP值，β_C&T为制冷机制冷量因数，β_E&T为制冷机EIR温度因数，β_E&F为制冷机EIR负荷率因数；EIR指能量消耗与制冷量的比值，EIR与COP互为倒数关系；

β_E&F＝C_EF1+C_EF2μ_c+C_EF3μ_c ² (10)

其中：C_EF1、C_EF2和C_EF3为制冷机特性系数，μ_c为制冷机部分负荷因素；

其中：G_p为冷冻水泵流量，Q_{c_d}为制冷机设计冷量，λ_z为制冷机部分负荷系数，为t时刻的表冷器进风温度，为t时刻的表冷器出风温度；

(2.2)建立风机和新风系统模型

风机模型如下：

$P_f={\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\λ}}_f={\mathrm{\λ}}_f\[c_{f1}+c_{f2}\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)+c_{f3}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^2+c_{f4}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^3+c_{f5}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^4\]---\left(12\right)$

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{G_{a\_d}{P}_d}{1000{\mathrm{\ϵ}}_f{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(13\right)$

$Q_f=C_a{\mathrm{\ΔT}}_f^t{G}_f---\left(14\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_f^t=T_{in}^t-T_f^t---\left(15\right)$

其中：P_f为风机功率，μ_f为风机部分负荷因数，λ_f为风机常数，C_f1、C_f2、C_f3、C_f4和C_f5为风机特性系数，G_{a_d}为风机设计流量；P_d为风机设计压力，ε_f为风机总效率，ρ_a为空气密度；为t时刻的风机温度差，为t时刻的风机送风温度；G_f为风机送风流量；

情况一时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{\mathrm{\λ}}_{xf}={\mathrm{\λ}}_{xf}\[c_{xf1}+c_{xf2}\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)+c_{xf3}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^2+c_{xf4}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^3+c_{xf5}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^4\]---\left(16\right)$

情况二时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{P}_{xf\_d}=\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}{P}_{xf\_d}---\left(17\right)$

其中：P_xf为新风功率，μ_xf为新风系统部分负荷因数，λ_xf为新风系统常数，C_xf1、C_xf2、C_xf3、C_xf4和C_xf5为新风系统特性系数，G_{xf_d}为新风系统设计流量；μ_xf为新风部分负荷因数，P_{xf_d}为新风额定功率，G_{xf_d}为新风额定流量；

(2.3)建立冷冻水泵模型

$P_p={\mathrm{\μ}}_p{P}_{p\_d}=P_{p\_d}\[c_{p1}+c_{p2}\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)+c_{p3}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^2+c_{p4}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^3\]---\left(18\right)$

其中：P_p为冷冻水泵功率，μ_p为冷冻水泵部分负荷因数，P_{p_d}为冷冻水泵设计功率，C_p1、C_p2、C_p3和C_p4为冷冻水泵特性系数，G_{p_d}为冷冻水泵设计流量；

$Q_p=C_w{\mathrm{\ΔT}}_p^t{G}_p---\left(19\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_p^t=T_{po}^t-T_{pi}^t---\left(20\right)$

其中：C_w为水比如容，为t时刻的冷冻水泵温度差，为t时刻的冷冻水泵出水温度，为t时刻的冷冻水泵进水温度；

(2.4)建立表冷器、冷却水泵和冷却塔模型

表冷器模型如下：

$E_g=\frac{T_{ai}^t-T_{ao}^t}{T_{wo}^t-T_{wi}^t}---\left(21\right)$

其中：为t时刻的表冷器出水温度，为t时刻的表冷器进水温度；情况一时，情况二时， 为t时刻的风机回风温度；

(2.5)建立计及新风系统的中央空调能耗模型

P_Σ＝P_z+P_f+P_xf+P_p+P_s (22)

其中：P_Σ为中央空调总功率，P_s为冷却水泵和冷却塔的功率和，P_s为定值。

具体的，所述步骤(3)，具体包括如下步骤：

(3.1)约束条件

①温度约束：t_{N min}≤t_N≤t_{N max}

②风机送风流量约束：G_{f min}≤G_f≤G_{f max}

③新风流量约束：G_{xf min}≤G_xf≤G_{xf max}

④冷冻水泵流量约束：G_{p min}≤G_p≤G_{p max}

其中：t_N为目标室内温度，下标min表示下限，下标max表示上限；

(3.2)目标函数：中央空调负荷调节的控制目标根据参与电力系统场景的不同有所区别：在日前市场中，目标函数为计算下一天的最大调节潜力；在负荷分配、负荷跟踪环境中，目标函数为最小化空调负荷实际削减量与调度计划间的偏差；在负荷聚合商或售电商竞价中，目标函数为最大化负荷聚合商的利润；

(3.3)控制策略评价：控制策略包括目标室内温度控制、新风流量控制和协调控制三种：目标室内温度控制是对目标室内温度t_N的上下限进行调节，保持其他控制变量不变的控制；新风流量控制是对新风流量G_xf的上下限进行调节，保持其他控制变量不变的控制；协调控制是对所有可控控制变量进行调节的控制；对不同控制策略，引入综合舒适度指标β，根据模糊隶属度和加权对各种控制策略进行评价：

β＝ω_T·β_T+ω_xf·β_xf (23)

式中：β_T为温度舒适度指标，ω_T为β_T的权重；β_xf为新风舒适度指标，ω_xf为β_xf的权重。

有益效果：本发明提供的计及新风系统的中央空调建模及调控策略，对两种常见新风系统模型进行了对比分析，并给出不同模型，同时对比多种控制方式下的情况，求解了最大调节潜力或跟踪负荷曲线的目标函数；本发明有益于评估计及新风系统的中央空调参与负荷调节的潜力，并能进一步应用于求解中央空调应用于系统其他场景。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图；

图2为第一种新风系统示意图；

图3为第二种新风系统示意图；

图4为冷冻水流量调节示意图；

图5为中央空调系统变量关系图；

图6为模糊隶属关系关系图；

图7为中央空调负荷调节潜力与室外温度关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和及新风系统的空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；具体实施过程如图1所示，下面就各个步骤加以具体说明。

步骤(一)：建立中央空调所属建筑物热力学模型，即建立室内温度、室外温度与建筑物冷量间的关系。

中央空调所属建筑物热力学模型为：

$T_{in}^{t+1}=T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-(T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-T_{in}^t)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}=e^{-\frac{\mathrm{\τ}}{T_c}}---\left(2\right)$

Q_f＝E_gQ_p (3)

其中：为t时刻的室内温度，为t+1时刻的室内温度，为t时刻的室外温度，为t+1时刻的室外温度，Q_r为房间热负荷，A为导热系数，ε为散热函数；τ为控制时间间隔，T_c为时间常数；Q_f为风机送风冷量，E_g为热交换效率，Q_p为冷冻水泵冷量。

本文根据新风系统的不同，讨论两种较为常见的新风系统。

情况一：新风系统的新风通道和排风通道经过表冷器预处理；以夏季为例，室外温度较高的新风先经过表冷器降温，其冷量来源一部分是室内温度较低的排风，另一部分是中央空调冷冻水循环。这样增强了新风系统的热交换效率，其示意图如图2。在这种新风系统中，房间热力学模型如下：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in (3)

其中：σ为热负荷影响系数，Q_in为设备热负荷。

房间内的冷量使房间温度发生变化，房间冷量包括由空调带来的冷量和房间内热负荷；该情况下，新风系统送风冷量由新风携带，送风冷量来源自流经表冷器的冷冻水，其效率由表冷器热交换效率决定。

情况二：新风系统与中央空调相互独立，一般在分体式新风系统、新装新风系统，或者新风系统与其它系统配合运行，其示意图如图3。在这种新风系统中，房间热力学模型如下：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in-Q_xf (5)

$Q_{xf}=C_a{\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t{G}_{xf}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t=T_{in}^t-T_{xf}^t---\left(7\right)$

其中：Q_xf为新风冷量，C_a为空气比热容，为t时刻的新风温度差，G_xf为新风流量，为t时刻的新风温度。

该情况下，房间内的热负荷不仅包括空调带来的冷量和房间内热负荷，还包括新风冷量。

步骤(二)：建立计及新风系统的中央空调能耗模型，即建立空调负荷与决策变量间的关系。

(2.1)建立制冷机模型

制冷机是中央空调产生冷量的模块，它分别联接冷冻水循环与冷却水循环。制冷机能耗模型如下式：

Q_p＝E_zQ_z (9)

其中：P_z为制冷机功率，E_z为制冷机热交换效率，Q_z为制冷机冷量；μ_z为制冷机综合系数，COP_d为制冷机设计COP值，β_C&T为制冷机制冷量因数，β_E&T为制冷机EIR温度因数，β_E&F为制冷机EIR负荷率因数；EIR指能量消耗与制冷量的比值，EIR与COP互为倒数关系；

β_E&F＝C_EF1+C_EF2μ_c+C_EF3μ_c ² (10)

其中：C_EF1、C_EF2和C_EF3为制冷机特性系数，μ_c为制冷机部分负荷因素；

其中：G_p为冷冻水泵流量，Q_{c_d}为制冷机设计冷量，λ_z为制冷机部分负荷系数，为t时刻的表冷器进风温度，为t时刻的表冷器出风温度；

(2.2)建立风机和新风系统模型

风机是将冷量输送到房间的模块，风机能耗模型如下：

$P_f={\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\λ}}_f={\mathrm{\λ}}_f\[c_{f1}+c_{f2}\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)+c_{f3}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^2+c_{f4}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^3+c_{f5}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^4\]---\left(12\right)$

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{G_{a\_d}{P}_d}{1000{\mathrm{\ϵ}}_f{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(13\right)$

$Q_f=C_a{\mathrm{\ΔT}}_f^t{G}_f---\left(14\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_f^t=T_{in}^t-T_f^t---\left(15\right)$

其中：P_f为风机功率，μ_f为风机部分负荷因数，λ_f为风机常数，C_f1、C_f2、C_f3、C_f4和C_f5为风机特性系数，G_{a_d}为风机设计流量；P_d为风机设计压力，ε_f为风机总效率，ρ_a为空气密度；为t时刻的风机温度差，为t时刻的风机送风温度；G_f为风机送风流量。

新风系统的主要耗能元件也是风机，第一种新风系统不与房间直接联系，而是先通过空调系统的表冷器，而第二种新风系统则直接向房间输送未预处理的新风。其主要区别在于，以夏季为例，第一种新风系统，进入房间的新风温度即为空调送风温度，一般较低；而第二种新风系统，进入房间的新风温度即为室外温度，一般较高。当考虑新风温度变化时，其风机模型与空调风机模型类似；当不考虑新风温度变化时，其模型可简化，则其功率由其新风量决定。

情况一时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{\mathrm{\λ}}_{xf}={\mathrm{\λ}}_{xf}\[c_{xf1}+c_{xf2}\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)+c_{xf3}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^2+c_{xf4}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^3+c_{xf5}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^4\]---\left(16\right)$

其中：P_xf为新风功率，μ_xf为新风系统部分负荷因数，λ_xf为新风系统常数，C_xf1、C_xf2、C_xf3、C_xf4和C_xf5为新风系统特性系数，G_{xf_d}为新风系统设计流量。

情况二时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{P}_{xf\_d}=\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}{P}_{xf\_d}---\left(17\right)$

其中：μ_xf为新风部分负荷因数，P_{xf_d}为新风额定功率，G_{xf_d}为新风额定流量。

(2.3)建立冷冻水泵模型

冷冻水泵是将制冷机产生的冷量输送到表冷器的环节，两种新风系统冷冻水泵模型相同，如下：

$P_p={\mathrm{\μ}}_p{P}_{p\_d}=P_{p\_d}\[c_{p1}+c_{p2}\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)+c_{p3}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^2+c_{p4}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^3\]---\left(18\right)$

其中：P_p为冷冻水泵功率，μ_p为冷冻水泵部分负荷因数，P_{p_d}为冷冻水泵设计功率，C_p1、C_p2、C_p3和C_p4为冷冻水泵特性系数，G_{p_d}为冷冻水泵设计流量。

$Q_p=C_w{\mathrm{\ΔT}}_p^t{G}_p---\left(19\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_p^t=T_{po}^t-T_{pi}^t---\left(20\right)$

其中：C_w为水比如容，为t时刻的冷冻水泵温度差，为t时刻的冷冻水泵出水温度，为t时刻的冷冻水泵进水温度。

在采用变流量控制时，工程上冷冻水泵常为7℃，常为12℃。此时冷冻水泵流量调节情况如图4。

2.4)建立表冷器、冷却水泵和冷却塔模型

表冷器是中央空调水系统和空气系统热量交换的模块，它的模型如下：

$E_g=\frac{T_{ai}^t-T_{ao}^t}{T_{wo}^t-T_{wi}^t}---\left(21\right)$

其中：为t时刻的表冷器出水温度，为t时刻的表冷器进水温度；情况一时，情况二时， 为t时刻的风机回风温度。

工程中冷却水泵一般采用定速水泵，则它的功率为定值，而冷却塔的功率与冷却水温度近似呈线性，在冷却水温固定时也近似为定值。并且这两个模块属于中央空调系统中耗能较小的，在新风系统开启时，一般占比不到总功率的5％。因此本文将这两个模块简化处理，认为它们的功率和为P_s，为定值。

(2.5)建立计及新风系统的中央空调能耗模型

P_∑＝P_z+P_f+P_xf+P_p+P_s (22)

其中：P_∑为中央空调总功率，P_s为冷却水泵和冷却塔的功率和，P_s为定值。

步骤(三)：确定控制策略，即确定目标函数、控制变量和约束条件。

(3.1)控制变量

中央空调系统的可调参数众多，并通过冷量这个媒介相互形成联系，如图5。由式(1)、(22)可知，决定房间冷量的温度条件为室外温度与室内设定温度。当中央空调内部系统各模块温度参数确定时，决定空调功率的为冷量和流量，其中制冷机功率受冷冻水流量制约，风机功率受风机流量制约，新风系统功率受新风流量制约，冷冻水泵功率受冷冻水流量制约。因此整个中央空调系统功率的决策变量为设定温度、冷冻水流量、风机流量和新风流量。

(3.2)约束条件

中央空调系统负荷调节的主要约束条件包括机组约束、室内温度约束、新风量约束等，本文主要对决策变量进行如下约束：

①温度约束：t_{N min}≤t_N≤t_{N max}

②风机送风流量约束：G_{f min}≤G_f≤G_{f max}

③新风流量约束：G_{xf min}≤G_xf≤G_{xf max}

④冷冻水泵流量约束：G_{p min}≤G_p≤G_{p max}

其中：t_N为目标室内温度，下标min表示下限，下标max表示上限。

(3.3)目标函数

中央空调负荷调节的控制目标根据参与电力系统场景的不同有所区别：在日前市场中，目标函数为计算下一天的最大调节潜力；在负荷分配、负荷跟踪环境中，目标函数为最小化空调负荷实际削减量与调度计划间的偏差；在负荷聚合商或售电商竞价中，目标函数为最大化负荷聚合商的利润。本文将在后文中针对日前市场计算最大潜力和负荷跟踪两种情况下的目标函数。

(3.4)控制策略评价

控制策略包括目标室内温度控制、新风流量控制和协调控制三种：目标室内温度控制是对目标室内温度t_N的上下限进行调节(一般为25℃～28℃)，保持其他控制变量不变的控制；新风流量控制是对新风流量G_xf的上下限进行调节，保持其他控制变量不变的控制；协调控制是对所有可控控制变量进行调节的控制。

对不同控制策略的调节效果，需建立一个统一的考评标准，因此引入综合舒适度指标β，综合舒适度指标β包括温度舒适度指标β_T和新风舒适度指标β_xf两项，根据模糊隶属度和加权进行评价，模糊隶属关系如图6。加权公式如下：

β＝ω_T·β_T+ω_xf·β_xf (23)

式中：ω_T为β_T的权重，ω_xf为β_xf的权重，可根据不同用户对于不同舒适度指标的要求确定。

步骤(四)：计算中央空调负荷最大调节潜力，比较不同控制方式下的调节效果，并研究中央空调系统负荷参与负荷跟踪。

(4.1)在日前市场、日内市场等环境下，需要知道第二天、或特定时段的最大负荷调节潜力。对于中央空调求解其最大负荷削减潜力时，目标函数是要求n个控制周期削减负荷总量最大，具体如下：

$P_{load-max}=max\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(P_B-P_{\mathrm{\Σ}})---\left(24\right)$

其中：P_load-max为中央空调负荷最大调节潜力，P_Σ为受控之后的中央空调负荷，P_B为受控之前的中央空调负荷，实际情况下，P_B无法获得，用空调的负荷预测基线值取代。

分别从设定温度控制、新风流量控制以及协调控制多种方式分析在室外温度变化情况下的中央空调最大调节潜力。由式(1)、(22)、(24)可知，室外温度变化时，中央空调的调节潜力趋势如图7。

在采用不同控制方式时，需要保证综合舒适度在同一标准下，因此增加约束如下式：

β≥β_min (25)

(4.2)在负荷跟踪或负荷分配中，制后的整体负荷曲线在一定时间阶段内贴近电力公司的目标负荷曲线，即控制后的整体负荷与目标负荷偏差最小。总共N个时刻，对每个时刻计算空调负荷调节后与计划负荷曲线的偏差，选取偏差最大的时刻，并使其最小。其目标函数如下：

$P_{ea}=\min \left\{max\underset{t}{\overset{N}{\Σ}}\right|G_t-\[D_t-\underset{i}{\overset{n}{\Σ}}(P_B-P_{\mathrm{\Σ}})\]\left|\right\}---\left(25\right)$

其中：P_ea为该节点经过空调负荷调节后节点实际负荷与计划负荷的的偏差，G_t为该节点电网公司的计划负荷曲线中t时刻的负荷，D_t为节点调节的负荷预测基线t时刻负荷，D_t可由历史负荷曲线得到。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种计及新风系统的中央空调建模及调控策略，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和及新风系统的空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；其特征在于：包括如下步骤：

(1)建立中央空调所属建筑物热力学模型，即建立室内温度、室外温度与建筑物冷量间的关系；

(2)建立计及新风系统的中央空调能耗模型，即建立空调负荷与决策变量间的关系；

(3)确定控制策略，即确定目标函数、控制变量和约束条件。

2.根据权利要求1所述的计及新风系统的中央空调建模及调控策略，其特征在于：所述步骤(1)中，中央空调所属建筑物热力学模型为：

$T_{in}^{t+1}=T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-(T_{out}^{t+1}-\frac{Q_r}{A}-T_{in}^t)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}=e^{-\frac{\mathrm{\τ}}{T_c}}---\left(2\right)$

Q_f＝E_gQ_p (3)

根据新风系统的不同，式(1)中的热力学模型有所不同，具体如下：

情况一：新风系统的新风通道和排风通道经过表冷器预处理，此时热力学模型为：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in (3)

情况二：新风系统与中央空调相互独立，此时热力学模型为：

Q_r＝Q_f-∑σQ_in-Q_xf (5)

$Q_{xf}=C_a{\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t{G}_{xf}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_{xf}^t=T_{in}^t-T_{xf}^t---\left(7\right)$

其中：为t时刻的室内温度，为t+1时刻的室内温度，为t时刻的室外温度，为t+1时刻的室外温度，Q_r为房间热负荷，A为导热系数，ε为散热函数；τ为控制时间间隔，T_c为时间常数；Q_f为风机送风冷量，E_g为热交换效率，Q_p为冷冻水泵冷量；σ为热负荷影响系数，Q_in为设备热负荷；Q_xf为新风冷量，C_a为空气比热容，为t时刻的新风温度差，G_xf为新风流量，为t时刻的新风温度。

3.根据权利要求2所述的计及新风系统的中央空调建模及调控策略，其特征在于：所述步骤(2)，具体包括如下步骤：

(2.1)建立制冷机模型

Q_p＝E_zQ_z (9)

其中：P_z为制冷机功率，E_z为制冷机热交换效率，Q_z为制冷机冷量；μ_z为制冷机综合系数，COP_d为制冷机设计COP值，β_C&T为制冷机制冷量因数，β_E&T为制冷机EIR温度因数，β_E&F为制冷机EIR负荷率因数；

β_E&F＝C_EF1+C_EF2μ_c+C_EF3μ_c ² (10)

其中：C_EF1、C_EF2和C_EF3为制冷机特性系数，μ_c为制冷机部分负荷因素；

其中：G_p为冷冻水泵流量，Q_{c_d}为制冷机设计冷量，λ_z为制冷机部分负荷系数，为t时刻的表冷器进风温度，为t时刻的表冷器出风温度；

(2.2)建立风机和新风系统模型

风机模型如下：

$P_f={\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\λ}}_f={\mathrm{\λ}}_f\[c_{f1}+c_{f2}\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)+c_{f3}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^2+c_{f4}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^3+c_{f5}{\left(\frac{G_f}{G_{a\_d}}\right)}^4\]---\left(12\right)$

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{G_{a\_d}{P}_d}{1000{\mathrm{\ϵ}}_f{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(13\right)$

$Q_f=C_a{\mathrm{\ΔT}}_f^t{G}_f---\left(14\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_f^t=T_{in}^t-T_f^t---\left(15\right)$

其中：P_f为风机功率，μ_f为风机部分负荷因数，λ_f为风机常数，C_f1、C_f2、C_f3、C_f4和C_f5为风机特性系数，G_{a_d}为风机设计流量；P_d为风机设计压力，ε_f为风机总效率，ρ_a为空气密度；为t时刻的风机温度差，为t时刻的风机送风温度；G_f为风机送风流量；

情况一时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{\mathrm{\λ}}_{xf}={\mathrm{\λ}}_{xf}\[c_{xf1}+c_{xf2}\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)+c_{xf3}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^2+c_{xf4}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^3+c_{xf5}{\left(\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}\right)}^4\]---\left(16\right)$

情况二时，新风系统模型如下：

$P_{xf}={\mathrm{\μ}}_{xf}{P}_{xf\_d}=\frac{G_{xf}}{G_{xf\_d}}{P}_{xf\_d}---\left(17\right)$

其中：P_xf为新风功率，μ_xf为新风系统部分负荷因数，λ_xf为新风系统常数，C_xf1、C_xf2、C_xf3、C_xf4和C_xf5为新风系统特性系数，G_{xf_d}为新风系统设计流量；μ_xf为新风部分负荷因数，P_{xf_d}为新风额定功率，G_{xf_d}为新风额定流量；

(2.3)建立冷冻水泵模型

$P_p={\mathrm{\μ}}_p{P}_{p\_d}=P_{p\_d}\[c_{p1}+c_{p2}\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)+c_{p3}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^2+c_{p4}{\left(\frac{G_p}{G_{p\_d}}\right)}^3\]---\left(18\right)$

其中：P_p为冷冻水泵功率，μ_p为冷冻水泵部分负荷因数，P_{p_d}为冷冻水泵设计功率，C_p1、C_p2、C_p3和C_p4为冷冻水泵特性系数，G_{p_d}为冷冻水泵设计流量；

$Q_p=C_w{\mathrm{\ΔT}}_p^t{G}_p---\left(19\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_p^t=T_{po}^t-T_{pi}^t---\left(20\right)$

其中：C_w为水比如容，为t时刻的冷冻水泵温度差，为t时刻的冷冻水泵出水温度，为t时刻的冷冻水泵进水温度；

(2.4)建立表冷器、冷却水泵和冷却塔模型

表冷器模型如下：

$E_g=\frac{T_{ai}^t-T_{ao}^t}{T_{wo}^t-T_{wi}^t}---\left(21\right)$

其中：为t时刻的表冷器出水温度，为t时刻的表冷器进水温度；情况一时，情况二时， 为t时刻的风机回风温度；

(2.5)建立计及新风系统的中央空调能耗模型

P_∑＝P_z+P_f+P_xf+P_p+P_s (22)

其中：P_∑为中央空调总功率，P_s为冷却水泵和冷却塔的功率和，P_s为定值。

4.根据权利要求3所述的计及新风系统的中央空调建模及调控策略，其特征在于：所述步骤(3)，具体包括如下步骤：

(3.1)约束条件

①温度约束：t_{N min}≤t_N≤t_{N max}

②风机送风流量约束：C_{f min}≤G_f≤G_{f max}

③新风流量约束：G_{xf min}≤G_xf≤G_{xf max}

④冷冻水泵流量约束：G_{p min}≤G_p≤G_{p max}

其中：t_N为目标室内温度，下标min表示下限，下标max表示上限；

(3.2)目标函数：中央空调负荷调节的控制目标根据参与电力系统场景的不同有所区别：在日前市场中，目标函数为计算下一天的最大调节潜力；在负荷分配、负荷跟踪环境中，目标函数为最小化空调负荷实际削减量与调度计划间的偏差；在负荷聚合商或售电商竞价中，目标函数为最大化负荷聚合商的利润；

(3.3)控制策略评价：控制策略包括目标室内温度控制、新风流量控制和协调控制三种：目标室内温度控制是对目标室内温度t_N的上下限进行调节，保持其他控制变量不变的控制；新风流量控制是对新风流量G_xf的上下限进行调节，保持其他控制变量不变的控制；协调控制是对所有可控控制变量进行调节的控制；对不同控制策略，引入综合舒适度指标β，根据模糊隶属度和加权对各种控制策略进行评价：

β＝ω_T·β_T+ω_xf·β_xf (23)

式中：β_T为温度舒适度指标，ω_T为β_T的权重；β_xf为新风舒适度指标，ω_xf为β_xf的权重。