CN112880133B - 一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法 - Google Patents

一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，考虑温度，能源价格对冬季楼宇空调系统的供暖的影响，有助于提高空调系统供暖的经济性；考虑楼宇负荷的需求响应特性，将负荷从高峰时段迁移到非高峰时段，有助于电网的削峰填谷和楼宇的经济运行。

Description

一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法
技术领域
本发明涉及智能楼宇灵活用能技术领域，特别是，涉及一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法。
背景技术
随着世界城市化的脚步加快，能源消耗中城市的消耗占比不断飙升，城市消耗了全球75％的能源。其中，楼宇负荷总量在某些大城市已超过城市总用电量的40％。楼宇可控负荷运行方式灵活，暖通空调HVAC作为楼宇供能系统能源消耗的主体，可以通过直接控制或者价格激励措施，有效管理智能楼宇系统能耗，降低楼宇运行成本，提高电网运行经济性和安全性。
目前，国内外学者针对楼宇的智能控制做了大量的研究。在建模方面，现有研究能够基于楼宇蓄热特性，构建虚拟储能系统模型，实现对楼宇虚拟储能系统的充放电管理，也能够利用热量瞬态能量平衡方程构建智能楼宇制热/制冷能耗动态模型，构建基于模型预测控制的智能楼宇能量管理策略。在控制方面，现有研究通过提出一种基于模型预测控制的智能楼宇用能灵活性调控策略，解决预测和实时调控之间的偏差的问题，可以以电能花费和用户舒适度作为优化目标，建立优化控制模型，提出改进的快速粒子群求解方法。
综上所述，现有研究针对规则的开关控制方法应用于空调管理系统控制的研究已经十分广泛。但在空调系统的传统控制方法方面仍存在很多不足，一方面楼宇的热动态特性、用户需求与室外温度变化之间的关系并未得到充分的考虑，另一方面，由于空调系统在不同类别楼宇中有不同的条件，其系统的鲁棒性难以保证。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的空调系统在不同类别楼宇中有不同的条件，其系统的鲁棒性难以保证缺陷，从而提供一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，包括，
采集输入天气数据；
建立考虑能源价格的空气源热泵成本估算以及燃气锅炉用能成本估算的双源切换策略；
考虑需求响应对楼宇空调系统节能作用的影响，在保证用户舒适温度的前提下，提出考虑需求响应的负荷迁移策略
结合双源切换策略以及考虑需求响应的负荷迁移策略，在保证用户舒适温度的前提下，以楼宇空调系统供暖成本最低为目标函数，确定楼宇空调系统的灵活用能控制策略。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：建立所述双源切换策略时，考虑以空调系统为供暖消耗的能源种类不同导致楼宇空调系统用能成本的差异，分析不同温度下空调系统消耗电能，天然气的性价比，考虑温度，能源价格的影响，选择用能成本较低的一种供暖方式进行供暖。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：所述建立考虑温度变化及能源价格的空气源热泵成本估算模型还包括以下步骤：
考虑外界温度对空气源热泵的制热性能系数(COP值)的影响，室外温度与COP值之间的关系为：
cop(t)＝0.062×temw(t)+3.116
式中，cop(t)为t时刻下的空气源热泵COP值，temw(t)为t时刻的室外温度。
则空气源热泵单位能量所需费用计算公式为：
Figure GDA0002988005860000021
式中，CASHP(t)为t时刻的空气源热泵单位能量所需费用，PD(t)为t时刻的电价。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：所述建立燃气锅炉用能成本估算模型还包括以下步骤：
以天然气价格及燃气锅炉的效率作为影响其单位能量所需费用的变量，燃气锅炉的单位能量所需费用计算公式为：
Figure GDA0002988005860000031
式中，CBoiler为燃气锅炉单位能量所需费用，pg为天然气价格，η表示在该负载比例下工作效率，10.3是转换常数，即由1m3获得转换成电能的能力。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：所述提出的楼宇的双源切换策略还包括以下步骤：
综合考虑能源价格的变化以及室外温度的变化，在空调系统需要供暖的时刻选取单位能量所需费用较低的供暖方式，其表达式为：
Figure GDA0002988005860000032
式中，p(t)为t时刻的空气源热泵功率，pg(t)为t时刻的燃气锅炉功率。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：还包括考虑楼宇建筑材质、太阳辐照强度、热量损耗、室外环境、内部活动等，建立楼宇热动态模型，其包括以下步骤：
影响室内温度变化的因素包括太阳辐射，墙体表面对流换热的能量，室外空气热量的渗透，设备得热，将建筑物得热模型表达式为：
Q＝Qsolar+Qsurf+Qinf+Qv
式中：Qsolar为通过窗户的太阳辐照带来的热量(kJ/h)；Qsurf为墙体表面对流换热的能量(kJ/h)；Qinf为室外空气渗透换热的能量(kJ/h)；Qv为设备得热(kJ/h)。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：还包括考虑空气的比热容，室外温度，建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型，通过计算空气源热泵的热交换模型求得的制热量，计算楼宇室内的温度曲线，所述提出的建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型还包括以下步骤：
空气源热泵与室外空气的热交换计算公式为：
Qflow(t)＝cairmflow(temw(t)-temn(t))
Figure GDA0002988005860000033
式中，mflow表示单位时间内HVAC加热的空气质量；cair表示空气的比热容；temn(t)表示室内的温度；flow表示楼宇的通风量(m3/(h.㎡))；ρair表示空气密度。
HVAC产生的热量计算公式为：
Qheat(t)＝cairmflow(Tevap_out(t)-Tin(t))
Figure GDA0002988005860000041
式中：Tevap_out为空调系统的出口温度(℃)；Tevap_in为空调系统的进口温度(℃)；Qsensible为空调系统蒸发器的实际热量传递速率(kJ/hr)；cpair为干空气的比热容。
空气源热泵的电功率计算公式为：
P(t)＝Qheat(t)/COP(t)
式中：COP为能效比。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：所述在保证用户舒适温度的前提下，以楼宇空调系统暖暖成本最低为目标函数，确定楼宇空调系统的控制策略。还包括以下步骤：
根据楼宇空调系统不同供暖方式用能花费分析，不同时段选取便宜的供暖方式且考虑需求响应的影响对于楼宇的节能效果，故楼宇空调系统的灵活用能模型表示为：
Figure GDA0002988005860000042
式中：C为工作时段内的总用电成本，pt为对应时段的空调系统功率；T为工作时段总数。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：建立楼宇经济调度模型的约束条件包括以热平衡为基础，构建的外界环境参数与室内温度及制热(冷)功率之间的等式约束，和以居民舒适度和HVAC自身属性为前提条件的不等式约束。
作为本发明所述用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法的一种优选方案，其中：在执行楼宇空调系统的灵活用能控制策略中，加入模型预测控制策略，以运行成本优化目标及运行以及温度约束，确定tk处HVAC的控制动作,在预测时域内，通过运行成本优化目标及运行/温度约束，确定tk处HVAC的控制动作；最后，在tk+1时刻，以当前状态重新求解，沿着时间轴不断滚动，从而获得每一时刻的控制方式，使得k+1采样时刻的调控策略更加符合实际系统运行需求。
本发明的有益效果：本发明提供的用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，考虑温度，能源价格对冬季楼宇空调系统的供暖的影响，有助于提高空调系统供暖的经济性；考虑楼宇负荷的需求响应特性，将负荷从高峰时段迁移到非高峰时段，有助于电网的削峰填谷和楼宇的经济运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为楼宇空调系统的灵活用能控制方法的整体流程图；
图2为运行楼宇空调系统的灵活用能控制方法的电价曲线图；
图3为楼宇预测模型优化控制的流程图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
参照图1，为本实施例中提出的楼宇空调系统的灵活用能控制方法的整体流程图，在具体执行过程中，由以下几个步骤组成：
步骤1、输入次日预测的天气预报数据，电价，气价等基本信息；
步骤2、使用双源切换策略，考虑北方冬季空调系统为供暖消耗的能源种类不同导致楼宇空调系统用能成本的差异，分析不同温度下空调系统消耗电能，天然气的性价比，建立考虑能源价格的空气源热泵成本估算模型以及燃气锅炉用能成本估算模型，挑选出较为便宜的一种供暖方式；
步骤3、考虑需求响应对楼宇空调系统节能作用的影响，在保证用户舒适温度的前提下，提出考虑需求响应的负荷迁移策略；
步骤4、以楼宇用能花费最小为目标函数，在保证用户温度舒适度的前提下，确定楼宇空调系统的最终用能策略。
进一步更加具体的，其中步骤2中的提出的楼宇空调系统双源切换策略，还包括以下步骤，
空气源热泵的单位能量所需费用计算方法如下：
考虑外界温度对空气源热泵的制热性能系数(COP值)的影响，室外温度与COP值之间的关系为：
cop(t)＝0.062×temw(t)+3.116
式中，cop(t)为t时刻下的空气源热泵COP值，temw(t)为t时刻的室外温度。
则空气源热泵单位能量所需费用计算公式为：
Figure GDA0002988005860000061
式中，CASHP(t)为t时刻的空气源热泵单位能量所需费用，PD(t)为t时刻的电价。
燃气锅炉的单位能量所需费用计算方法如下：
由于外界温度对燃气锅炉的制热效用影响很小，因此天然气价格及燃气锅炉的效率是影响其单位能量所需费用的重要变量，燃气锅炉的单位能量所需费用计算公式为：
Figure GDA0002988005860000062
式中，CBoiler为燃气锅炉单位能量所需费用，pg为天然气价格(天然气价格一般不变)，η表示在该负载比例下工作效率，10.3是转换常数，即由1m3获得转换成电能的能力。
提出的楼宇的双源切换策略如下：
综合考虑能源价格的变化以及室外温度的变化，在空调系统需要供暖的时刻选取单位能量所需费用较低的供暖方式，其表达式为：
Figure GDA0002988005860000063
式中，p(t)为t时刻的空气源热泵功率，pg(t)为t时刻的燃气锅炉功率。
进一步更加具体的，步骤3中的提出考虑需求响应的负荷迁移策略还包括以下步骤，
考虑太阳辐射，墙体表面对流换热的能量，室外空气热量的渗透，设备得热(如空调系统等)等因素建立的建筑物得热模型表达式为：
Q＝Qsolar+Qsurf+Qinf+Qv
式中：Qsolar为通过窗户的太阳辐照带来的热量(kJ/h)；Qsurf为墙体表面对流换热的能量(kJ/h)；Qinf为室外空气渗透换热的能量(kJ/h)；Qv为设备得热(如空调系统等)(kJ/h)。
提出的建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型如下：
空气源热泵与室外空气的热交换计算公式为：
Qflow(t)＝cairmflow(temw(t)-temn(t))
Figure GDA0002988005860000071
式中，mflow表示单位时间内HVAC加热的空气质量；cair表示空气的比热容；temn(t)表示室内的温度；flow表示楼宇的通风量(m3/(h.㎡))；ρair表示空气密度。
HVAC产生的热量计算公式为：
Qheat(t)＝cairmflow(Tevap_out(t)-Tin(t))
Figure GDA0002988005860000072
式中：Tevap_out为空调系统的出口温度(℃)；Tevap_in为空调系统的进口温度(℃)；Qsensible为空调系统蒸发器的实际热量传递速率(kJ/hr)；cpair为干空气的比热容。
空气源热泵的电功率计算公式为：
P(t)＝Qheat(t)/COP(t)
根据上述对楼宇空调系统不同供暖方式的成本，负荷需求响应特性分析，在需要供暖的时段，选择单位能量所需费用较低的功能方式并将负荷通过转移、平抑的方式转移到能源价格相对较低的时段，对楼宇的节能结果更有益，故楼宇空调系统的灵活用能模型表示为：
Figure GDA0002988005860000073
式中：C为工作时段内的总用电成本。
建立楼宇经济调度模型的约束条件包括以热平衡为基础，构建的外界环境参数与室内温度及制热(冷)功率之间的等式约束，和以居民舒适度和HVAC自身属性为前提条件的不等式约束。
约束条件为：
0≤pt≤pmax
Figure GDA0002988005860000082
Figure GDA0002988005860000083
式中：pt为空调系统功率；pmax为空调系统的最大功率；
Figure GDA0002988005860000084
为室内温度的允许最小值(℃)；
Figure GDA0002988005860000085
为室内温度的允许最大值(℃)；θt为室内实测温度(℃)；α1、α2、α3为计算系数；
Figure GDA0002988005860000086
为室外温度(℃)。pt取7Kw定值。
Figure GDA0002988005860000087
取20℃。
Figure GDA0002988005860000088
取24℃。
Figure GDA0002988005860000089
取定值0℃。α1取0.95；α2取0.15；α3取0.06。
如图3所示，在执行楼宇空调系统的灵活用能控制策略中，加入模型预测控制策略，以运行成本优化目标及运行以及温度约束，确定tk处HVAC的控制动作,在预测时域内，通过运行成本优化目标及运行/温度约束，确定tk处HVAC的控制动作；最后，在tk+1时刻，以当前状态重新求解，沿着时间轴不断滚动，从而获得每一时刻的控制方式，使得k+1采样时刻的调控策略更加符合实际系统运行需求。
利用本发明的方法，以我国北方两个城市冬季某典型日(24h)进行实际试炼，电价信息选取北京的工商业电价，如图1所示，高峰时段1.4元，平价时段0.8745元，低谷时段0.3748元。房屋面积为1000㎡，空气密度＝1.204kg/m3，空气比热容为1.012J/(kg.℃)，大气压为101325.000(PA)，水蒸发热量2454.0k/kg，送风风速4m/s。
经过楼宇空调系统的灵活用能控制策略优化前后的楼宇用能花费对比结果如表1所示，根据本发明的方法在高峰时段用电有明显的降低，有利于电网的削峰填谷。同时在可以自由选择空调系统供暖方式的天气状况下，根据本发明的方法可以大幅度降低楼宇空调系统的花费。
表1楼宇空调系统的灵活用能控制策略优化前后楼宇的用能对比
Figure GDA0002988005860000081
Figure GDA0002988005860000091
以北京12月2日为例，高峰时段减少了21kwh，节省电费24.16元。而在非高峰时段，空调需要额外增加6kwh，以保障室内温度的舒适性。
2)以北京2月2日为例，如果外界温度高，则高峰时段转移较少，空调基本上处于关闭状态，并未发生负荷迁移的情况。温度越低，转移越多。室外温度越高，可转移的负荷率越高，反之越小。
3)以海拉尔2月2日为例，可以看出，在室外温度为-22℃的时候，无法转移，因为HVAC系统基本上是连续工作的。即使价格很高，也没有停止的时间。
本发明考虑北方冬季空调系统为供暖消耗的能源种类不同导致楼宇空调系统用能成本的差异，分析不同温度下空调系统消耗电能，天然气的性价比，建立考虑能源价格的空气源热泵成本估算模型以及燃气锅炉用能成本估算模型。在冬季室内温度低于某一数值时，出现需要空调系统供暖的情况，考虑温度，能源价格的影响，选择用能成本较低的一种供暖方式进行供暖，即楼宇的双源切换策略；考虑楼宇建筑材质、太阳辐照强度、热量损耗、室外环境、内部活动等因素，建立楼宇热动态模型；考虑空气的比热容，室外温度等因素，建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型，通过计算空气源热泵的热交换模型求得的制热量，计算楼宇室内的温度曲线。考虑需求响应对楼宇空调系统节能作用的影响，在保证用户舒适温度的前提下，提出考虑需求响应的负荷迁移策略；结合双源切换策略以及考虑需求响应的负荷迁移策略，在保证用户舒适温度的前提下，以楼宇空调系统供暖成本最低为目标函数，确定楼宇空调系统的灵活用能控制策略。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，其特征在于：包括，
采集输入天气数据；
建立考虑能源价格的空气源热泵成本估算以及燃气锅炉用能成本估算的双源切换策略：
建立考虑温度变化及能源价格的空气源热泵成本估算模型包括以下步骤：
考虑外界温度对空气源热泵的COP值的影响，室外温度与COP值之间的关系为：
cop(t)＝0.062×temw(t)+3.116
式中，cop(t)为t时刻下的空气源热泵COP值，temw(t)为t时刻的室外温度；
则空气源热泵单位能量所需费用计算公式为：
Figure FDA0003728291700000011
式中，CASHP(t)为t时刻的空气源热泵单位能量所需费用，PD(t)为t时刻的电价；
建立燃气锅炉用能成本估算模型包括以下步骤：
以天然气价格及燃气锅炉的效率作为影响其单位能量所需费用的变量，燃气锅炉的单位能量所需费用计算公式为：
Figure FDA0003728291700000012
式中，CBoiler为燃气锅炉单位能量所需费用，pg为天然气价格，η表示在该负载比例下工作效率，10.3是转换常数，即由1m3获得转换成电能的能力；
楼宇的双源切换策略包括以下步骤：
综合考虑能源价格的变化以及室外温度的变化，在空调系统需要供暖的时刻选取单位能量所需费用较低的供暖方式，其表达式为：
Figure FDA0003728291700000013
式中，p(t)为t时刻的空气源热泵功率，pg(t)为t时刻的燃气锅炉功率；
考虑需求响应对楼宇空调系统节能作用的影响，在保证用户舒适温度的前提下，提出考虑需求响应的负荷迁移策略：
考虑楼宇建筑材质、太阳辐照强度、热量损耗、室外环境、内部活动等，建立楼宇热动态模型，其包括以下步骤：
影响室内温度变化的因素包括太阳辐射，墙体表面对流换热的能量，室外空气热量的渗透，设备得热，将建筑物得热模型表达式为：
Q＝Qsolar+Qsurf+Qinf+Qv
式中：Qsolar为通过窗户的太阳辐照带来的热量(kJ/h)；
Figure FDA0003728291700000024
为墙体表面对流换热的能量(kJ/h)；
Figure FDA0003728291700000025
为室外空气渗透换热的能量(kJ/h)；Qv为设备得热(kJ/h)；
考虑空气的比热容，室外温度，建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型，通过计算空气源热泵的热交换模型求得的制热量，计算楼宇室内的温度曲线，所述提出的建立空气源热泵与外界空气的热交换模型及其电功率模型包括以下步骤：
空气源热泵与室外空气的热交换计算公式为：
Qflow(t)＝cairmflow(temw(t)-temn(t))
Figure FDA0003728291700000022
式中，mflow表示单位时间内HVAC加热的空气质量；cair表示空气的比热容；temn(t)表示室内的温度；flow表示楼宇的通风量(m3/(h.㎡))；
HVAC产生的热量计算公式为：
Qheat(t)＝cairmflow(Tevap_out(t)-Tin(t))
Figure FDA0003728291700000021
式中：Tevap_out为空调系统的出口温度(℃)；Tevap_in为空调系统的进口温度(℃)；Qsensible为空调系统蒸发器的实际热量传递速率(kJ/hr)；
Figure FDA0003728291700000023
为干空气的比热容；
空气源热泵的电功率计算公式为：
P(t)＝Qheat(t)/COP(t)
式中：COP为能效比；
结合双源切换策略以及考虑需求响应的负荷迁移策略，在保证用户舒适温度的前提下，以楼宇空调系统供暖成本最低为目标函数，确定楼宇空调系统的灵活用能控制策略；
在执行楼宇空调系统的灵活用能控制策略中，加入模型预测控制策略，以运行成本优化目标及运行以及温度约束，确定tk处HVAC的控制动作,在预测时域内，通过运行成本优化目标及运行/温度约束，确定tk处HVAC的控制动作；最后，在tk+1时刻，以当前状态重新求解，沿着时间轴不断滚动，从而获得每一时刻的控制方式，使得k+1采样时刻的调控策略更加符合实际系统运行需求。
2.根据权利要求1所述的用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，其特征在于：建立所述双源切换策略时，考虑以空调系统为供暖消耗的能源种类不同导致楼宇空调系统用能成本的差异，分析不同温度下空调系统消耗电能，天然气的性价比，考虑温度，能源价格的影响，选择用能成本较低的一种供暖方式进行供暖。
3.根据权利要求1所述的用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，其特征在于：所述在保证用户舒适温度的前提下，以楼宇空调系统供暖成本最低为目标函数，确定楼宇空调系统的控制策略，还包括以下步骤：
根据楼宇空调系统不同供暖方式用能花费分析，不同时段选取便宜的供暖方式且考虑需求响应的影响对于楼宇的节能效果，故楼宇空调系统的灵活用能模型表示为：
Figure FDA0003728291700000031
式中：C为工作时段内的总用电成本，pt为对应时段的空调系统功率；T为工作时段总数。
4.根据权利要求1所述的用于楼宇空调系统的灵活用能控制方法，其特征在于：建立楼宇经济调度模型的约束条件包括以热平衡为基础，构建的外界环境参数与室内温度及制热(冷)功率之间的等式约束，和以居民舒适度和HVAC自身属性为前提条件的不等式约束。
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