CN112054505B - 一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，包括以下步骤：1)分别建立内部蓄热体量化子模型、用电设备量化子模型和暖通空调系统量化子模型；2)根据各量化子模型，进行时间交集判断和设备负荷移出判断，最终获取全建筑电力需求弹性量化值。与现有技术相比，本发明有利于我国电力需求响应项目的顺利开展，缓解我国电网供需不平衡的问题，同时可实现电网中可再生能源的最大消纳量，避免“弃风弃光”现象的发生，并进一步提高电网中可再生能源的接入比例。

Description

一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法

技术领域

本发明涉及电力需求响应技术领域，尤其是涉及一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法。

背景技术

电是一种很难大规模存储的能源形式，当一个城市电网的电力供应和需求存在较大的差距的时候，一种办法是通过相对简单的直接拉闸限电，此种方式会严重影响生产生活及用户舒适性。另一种方式是通过挖掘电力需求侧的弹性用电资源，通过各种电力平衡调控手段，实现峰值用电的削减或转移到用电低谷，从而维持电力的供需平衡，称为电力需求响应，简称需求响应(Demand Response，DR)。

建筑是现代城市用电大户，智能电网中的交互式建筑(Grid-interactivebuilding)近些年被提出，用来解决电力供需平衡的问题。为了缓解电网中需求侧及供给侧日渐不平衡的问题，建筑需求响应得到了快速发展。需要指出的是，需求响应不仅指的是在电网用电高峰减少用电负荷，也可以是在用电低谷时增加用电负荷的一种用能响应。目前，国内需求响应尚属探索阶段，试点阶段主要是针对高峰用电负荷的需求响应项目，措施主要为在用电高峰来临时手动关闭部分用电设备来达到消峰之目的，还远未达到自动需求响应的效果。

在需求响应项目中，用电需求弹性的准确量化能够为需求响应项目提供指导性的依据，一个建筑的需求弹性高，意味着该建筑能够实现较高的需求响应量。近些年来，无论是建筑需求响应的标准制定还是控制技术方面，国内外都得到了较快的发展。对于建筑能源需求响应技术方面，目前主要包括空调系统、照明系统等。尤其是建筑热环境控制中的空调系统，包括调节综合温度、调节风量、利用被动蓄热以及建筑预热(冷)等。

在建筑复杂的用电环境中，各种建筑用能因素对建筑电力需求弹性都有影响，这些因素包括建筑物理结构、建筑能源系统特征、蓄能设备以及热舒适需求的差异，且各因素之间形成交叉影响。随着目前电网交互式建筑的发展，建筑侧的需求弹性资源的研究有了更实际的需求。目前，建筑电力需求弹性的量化方法缺失，更没有系统的量化方法，在各种热环境控制范围下，建筑电力需求弹性量的传递过程也没有一个准确的数学描述，因而也限制了需求响应的顺利开展。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，包括以下步骤：

1)分别建立内部蓄热体量化子模型、用电设备量化子模型和暖通空调系统量化子模型；

2)根据各量化子模型，进行时间交集判断和设备负荷移出判断，最终获取全建筑电力需求弹性量化值。

所述的步骤1)中，内部蓄热体量化子模型的表达式为：

其中，F_mass(t)为建筑蓄热体的电力弹性，C_i为蓄热体的总热容，i表示蓄热体的类型，T_range为房间舒适温度调整幅度，ξ_i为蓄热体的热释放率，COP_AC为空调系统的性能系数，t为弹性量化时长。

所述的蓄热体的总热容C_i与蓄热体体量和蓄热体热物性质相关，具体表达式为：

C_i＝c_iρ_iA_id_i

其中，c_i为蓄热体的比热容，ρ_i为蓄热体的密度，A_i为蓄热体的表面积，d_i为蓄热体的当量直径。

所述的蓄热体的热释放率ξ_i的表达式为：

其中，Bi和Fo分别为蓄热体的毕渥数和傅里叶数，a₁、b₁、a₂、b₂、a₃、b₃分别为常数系数。

所述的步骤1)中，用电设备量化子模型的表达式为：

F_apH(t)＝ΔP_s,t(t)·C_LQ/COP_AC

其中，F_apH(t)为建筑用电设备的电力弹性，ΔP_s,t为用电设备实际总功率变化量，用电设备类型包括照明设备、电动和电子设备及电热设备，C_LQ为用电设备显热散热冷负荷系数，COP_AC为空调系统的性能系数，t为弹性量化时长，ΔQ_s,j为第j类用电设备的实际功率变化量，n为用电设备类型总数。

所述的暖通空调系统量化子模型包括：

不考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型，其表达式为：

其中，F_HVAC(t)为不考虑用电设备散热减少时的建筑暖通空调系统的电力弹性，ρ_a为空气的密度，c_a为空气的比热，V_r为空调区房间体积，t_d为弹性需求时间段，T_range为房间舒适温度调整幅度，U_A为外围护结构从室外空气到室内空气平均传热系数，

为新风质量流量，T_ave为温度调整前后房间温度平均温差，Δt为时间步长；

考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型，其表达式为：

F_HVAC(t)＝F_HVAC(t)+F_apH(t)

其中，F_HVAC(t)为考虑用电设备散热减少时的建筑暖通空调系统的电力弹性。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)判断用电设备工作时间段t_work和弹性需求时间段t_d是否有交集，或用电设备负荷是否可转移，若是，则进行步骤22)，若否，则进行步骤23)；

22)根据不考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型计算得到全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)；

23)根据用电设备负荷是否可全部从弹性需求时间段t_d内移出，分别根据考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型计算对应的全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)。

所述的步骤22)中，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

F_el,nor(t)＝-F_HVAC(t)。

所述的步骤23)中，当用电设备负荷可全部从弹性需求时间段t_d内移出时，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

所述的步骤23)中，当用电设备负荷不可全部从弹性需求时间段t_d内移出时，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

A′＝t_d∩t_work′

A＝t_d∩t_work

其中，A、A′为集合区间，t_wotk′为转移后的工作时间段。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明提出的量化方法解决了以往需要通过建筑历史运维数据或者构建详细建筑物理模型才能计算建筑电力弹性能力的问题，通过本方法，仅需输入建筑基本的热物参数及能源系统基本参数信息，所需要的输入参数易于获取，本发明的量化方法不但适用于既有建筑，也可用于设计阶段的建筑；

二、本发明通过建立建筑电力弹性量化模型，在需求响应项目实施前，就能清楚不同建筑所具备的需求响应潜力以及其弹性特性，从而实现更精准地需求响应控制要求；

三、本发明提出的量化方法适用于自动化电力需求响应项目的发展要求，使需求响应项目在不影响或最小化影响建筑用户热舒适及用能舒适的前提下，帮助实现电网中可再生能源的最大消纳量，从而避免“弃风弃光”现象的发生，可进一步提高电网中可再生能源的接入比例。

附图说明

图1为全建筑电力需求弹性量化流程图。

图2为暖通空调系统弹性源的构成示意图。

图3为用电设备时间窗口、工作时间及需求响应时段示意图。

图4为建筑电力弹性需求原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种在给定建筑基本信息的基础上，快速计算建筑电力需求弹性潜力的方法，本方法不但适用于已有建筑，同时也适用于新建和设计中的建筑，本方法将建筑电力弹性源划分为内部蓄热体、用电设备以及暖通空调系统三类，并分别对三类不同弹性源构建了独立的量化子模型，通过不同弹性源热弹性之间的聚合，再到电力弹性的转化，实现了全建筑电力弹性的快速量化，本发明在用于电力需求响应领域时，在需求响应项目策略制定前期准确获悉建筑所具备的用能弹性潜能和弹性特性等信息，有利于需求响应项目控制逻辑算法的优化，实现更精准地需求响应目标控制。

本方法通过构建建筑内部蓄热体、暖通空调系统及用电设备三类弹性源的电力弹性物理过程描述和相互影响关系，从而建立一套全建筑电力需求弹性计算方法。全建筑电力弹性量化方法包括以下步骤：

步骤1：构建建筑内部蓄热体热弹性到电力弹性的量化子模型；

步骤2：构建用电设备热弹性到电力弹性的量化子模型；

步骤3：构建建筑暖通空调系统热弹性到电力弹性的量化子模型；

步骤4：构建全建筑电力需求弹性的量化方法。

为建立步骤1的内部蓄热体的量化子模型，需要考虑建筑蓄热体的蓄热能力及冷热释放速率，内部蓄热体电力弹性量化模型如式(1)所示：

其中，C_i为某蓄热体总热容，kJ/℃；T_range为房间舒适温度调整幅度，通常为2-4℃；ξ_i为蓄热体的热释放率，COP_AC为空调系统的性能系数，t为弹性量化时长。

为建立上述步骤2中的量化子模型，需考虑不同用电设备的用电弹性量，主要包括照明设备、电动设备、电热设备及电子设备，电力弹性量化模型如式(2)所示：

F_apH(t)＝ΔP_s,t(t)·C_LQ/COP_AC (2)

其中，ΔP_s,t为用电设备实际总功率变化量，由照明、电动、电热及电子设备组成，W；C_LQ为用电设备显热散热冷负荷系数；ΔQ_s,j为第j类用电设备的实际功率变化量。

为建立上述步骤3中的量化子模型，需要考虑步骤1、2中的弹性量，室温变化导致的其它热量变化量，暖通空调系统的电力弹性量化模型如式(4)所示，考虑用电设备散热减少时的弹性量化模型如式(5)所示：

F_HVAC(t)＝F_HVAC(t)+F_apH(t) (5)

其中，ρ_a为空气的密度，kg/m³；c_a为空气的比热，kJ/(kg·℃)；V_r为空调区房间体积，m³；U_A为外围护结构从室外空气到室内空气平均传热系数，W/℃；

为新风质量流量，kg/s；T_range为房间舒适温度调整幅度，℃；T_ave为温度调整前后房间温度平均温差，℃；F_mass为建筑蓄热体电力弹性，W。

为建立上述步骤4中的全建筑量化方法，需同时考虑步骤1、2、3中各子弹性模型的有效聚合，具体计算流程如图1所示，图1备注说明如下：

图中各式中t_start为各时间段的开始时间点，t_end为截止时间点，F_HVAC(t)为考虑了用电设备负荷转移带来的设备散热弹性量，参见式(5)。

实施例

以下通过介绍建筑中各电力弹性源的具体计算流程，到最后全建筑电力需求弹性聚合的实例说明。

(一)建筑内部蓄热体从热弹性到电力弹性的计算实例

建筑内部蓄热体主要包括建筑维护结构及家居设备、设施等，由于这些蓄热体具有一定的“热惰性”，起到热缓冲作用，能够为建筑提供一定的冷、热负荷弹性，并最终转化为空调用电弹性。蓄热体的热弹性主要由蓄热体体量(包括蓄热体表面积大小、厚度等)，以及蓄热体热物性质(包括蓄热体比热容、导热系数等)有关，蓄热体电力弹性计算式为(1)式。

(1)式中某蓄热体总热容C_i通过下式(6)计算，所需的建筑参数包括蓄热体比热容c、密度ρ、表面积A和当量直径d，式中i代表不同的蓄热体类型，不同类型可分为内墙体、天花板、地板、家具等。

C_i＝c_iρ_iA_id_i (6)

(1)式中某蓄热体热释放系数ξ_i通过下式(7)计算，Bi和Fo分别为蓄热体的毕渥数和傅里叶数，可通过蓄热体基本参数信息求得，式(7)中系数a，b，c的选择如表1所示。

表1：系数a，b，c的取值

(二)用电设备从热弹性到电力弹性的计算实例

用电设备热弹性来源于当用电设备负荷发生转移，或者调节设备用电功率时，由于显热传热形成的冷负荷也随之变化，最终形成额外的电力需求弹性量。用电设备电力弹性计算式为(2)式，冷负荷系数根据相关专业书籍选择，例如一天开灯时数为8小时，开灯后小时为6时取冷负荷系数可取0.88。

(2)式中的用电设备实际总功率变化量，由照明、电动、电热及电子设备组成。

照明设备散热量变化量由下式(8)计算。

ΔQ_s,1＝k₀P_l (8)

式中，k₀为灯具照明亮度降低比率，在需求响应高峰阶段照明可降低负荷比率达到0.8，全天的平均为0.2，在需求响应阶段计算电力弹性量时可取0.4；P_l为灯具功率，W。

电动、电子设备散热量变化量由下式(9)计算。

ΔQ_s,2＝k₀P_en₁n₂/η (9)

式中，k₀为电动设备负荷降低比率，当设备完全关闭时k₀＝1.0，当设备不能做任何调整时k₀＝0；P_e为电动设备安装功率，W；n₁为利用系数，通常取0.7～0.9；n₂为电动机负荷系数，通常可取0.15～0.50；η为电动机效率，通常从产品说明书查得，一种Y系列电动机效率可取为80％左右。

电热设备散热量变化量由下式(10)计算。

ΔQ_s,3＝k₀P_en₁n₂n₃ (10)

式中，n₃为考虑排风带走的热量系数，一般取0.5，其它符号意义同上。

(三)建筑暖通空调系统从热弹性到电力弹性的计算实例

建筑暖通空调系统实现电力弹性的策略主要包括调节综合温度、预制冷/制热及新风量控制，从而实现电力需求的弹性用能。用电设备电力弹性计算式为(2)、(3)式，并结合说明书附图(2)进行说明。

从附图(2)中可知，暖通空调系统弹性包含蓄热体释放冷量部分(式(1))和用电设备散热减小贡献部分(式(2))，还包括来自外墙/窗传热减少量、新风处理负荷降低量以及室内空气热惰性本身弹性量的汇总。

室内空气弹性贡献量是通过空气密度ρ_a，空气总体积V_r，空气比热容c_a计算得出。新风部分弹性贡献量是通过新风质量流量

空气比热容c_a计算得出。外墙及屋面弹性贡献量则通过总传热系数U_A来计算，各部分计算方法见附图(2)。

(四)全建筑总电力需求弹性计算实例

全建筑电力需求弹性量化过程结合附图(1)进行说明。附图(1)中，负荷可转移的用电设备时间窗口t_window、工作时间t_work及弹性需求时段t_d示意及关系示意见附图(3)。弹性需求时段t_d为需求响应时段，通常为电网用电的高、尖峰时段，也可以为低谷时段，全建筑电力弹性量化分为以下几个步骤。

步骤1：判断用电设备工作时间和弹性需求时间是否有交集，或者用电设备负荷是否可转移，即

步骤2：若步骤1中若成立，则全建筑的电力需求弹性量由式(4)计算，计算结束。若不成立，则进行下一步骤3；

步骤3：判断用电设备负荷是否可全部从弹性需求时间段内移出，即(t_work,start-t_d,start)≥t_work or(t_window,end-t_d,end)≥t_work；

步骤4：若步骤3中若成立，则全建筑电力需求弹性量由下式(11)计算，若不成立，则由下式(12)计算，计算结束。

其中，A′＝t_d∩t_work′；A＝t_d∩t_work。

Claims (6)

1.一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别建立内部蓄热体量化子模型、用电设备量化子模型和暖通空调系统量化子模型，内部蓄热体量化子模型的表达式为：

其中，F_mass(t)为建筑蓄热体的电力弹性，C_i为蓄热体的总热容，i表示蓄热体的类型，T_range为房间舒适温度调整幅度，ξ_i为蓄热体的热释放率，COP_AC为空调系统的性能系数，t为弹性量化时长；

用电设备量化子模型的表达式为：

F_apH(t)＝ΔP_s,t(t)·C_LQ/COP_AC

其中，F_apH(t)为建筑用电设备的电力弹性，ΔP_s,t为用电设备实际总功率变化量，用电设备类型包括照明设备、电动和电子设备及电热设备，C_LQ为用电设备显热散热冷负荷系数，COP_AC为空调系统的性能系数，t为弹性量化时长，ΔQ_s,j为第j类用电设备的实际功率变化量，n为用电设备类型总数；

所述的暖通空调系统量化子模型包括：

不考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型，其表达式为：

其中，F_HVAC(t)为不考虑用电设备散热减少时的建筑暖通空调系统的电力弹性，ρ_a为空气的密度，c_a为空气的比热，V_r为空调区房间体积，t_d为弹性需求时间段，T_range为房间舒适温度调整幅度，U_A为外围护结构从室外空气到室内空气平均传热系数，

为新风质量流量，T_ave为温度调整前后房间温度平均温差，Δt为时间步长；

考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型，其表达式为：

F_HVAC(t)＝F_HVAC(t)+F_apH(t)

其中，F_HVAC(t)为考虑用电设备散热减少时的建筑暖通空调系统的电力弹性；

2)根据各量化子模型，进行时间交集判断和设备负荷移出判断，最终获取全建筑电力需求弹性量化值，具体包括以下步骤：

21)判断用电设备工作时间段t_work和弹性需求时间段t_d是否有交集，或用电设备负荷是否可转移，若是，则进行步骤22)，若否，则进行步骤23)；

22)根据不考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型计算得到全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)；

23)根据用电设备负荷是否可全部从弹性需求时间段t_d内移出，分别根据考虑用电设备散热减少时的暖通空调系统量化子模型计算对应的全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)。

2.根据权利要求1所述的一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，所述的蓄热体的总热容C_i与蓄热体体量和蓄热体热物性质相关，具体表达式为：

C_i＝c_iρ_iA_id_i

其中，c_i为蓄热体的比热容，ρ_i为蓄热体的密度，A_i为蓄热体的表面积，d_i为蓄热体的当量直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，所述的蓄热体的热释放率ξ_i的表达式为：

其中，Bi和Fo分别为蓄热体的毕渥数和傅里叶数，a₁、b₁、a₂、b₂、a₃、b₃分别为常数系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，所述的步骤22)中，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

F_el,nor(t)＝-F_HVAC(t)。

5.根据权利要求1所述的一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，所述的步骤23)中，当用电设备负荷可全部从弹性需求时间段t_d内移出时，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于建筑基础信息的建筑电力需求弹性快速量化方法，其特征在于，所述的步骤23)中，当用电设备负荷不可全部从弹性需求时间段t_d内移出时，全建筑电力需求弹性量化值F_el,nor(t)的计算式为：

A′＝t_d∩t_work′

A＝t_d∩t_work

其中，A、A′为集合区间，t_work′为转移后的工作时间段。

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