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摘要：本文在建筑及空調系統仿真平臺的基礎上，針對上海地區某一商務樓及其空調系統進行了仿真試驗，對避峰運行控制策略、送風溫度優化控制策略以及整體優化控制策略的仿真結果進行了比較。結果表明，避峰運行控制策略、送風溫度優化控制策略以及整體優化控制策略都能夠不同程度減少用電峰時段的耗能，同時相應的運行費用都有所減少。

關鍵詞：儲能電力避峰空調系統優化運行控制

0.引言

隨著我國經濟的迅速增長，近年來全國各大省市都出現了不同程度的供電不足危機，這已成為制約我國當前經濟和社會發展的瓶頸問題。要從根本上解決電力不足的問題當然是靠增加對電力的投入。但是，合理有效地使用有限的電能也應是必須采取的措施。目前電力供應緊張的主要表現為：電網負荷率低，系統峰谷差較大，高峰電力嚴重不足。因此，實施需求側管理，提高電能終端使用效率和轉移高峰負荷是當前必須十分重視的問題。

隨著空調系統在我國城市里越來越廣泛的應用，建筑能耗增長特別是空調系統的電力需求增長尤其迅速。據統計資料顯示，我國當前的建筑能耗在總能耗中的比例是27.5%左右，其中空調的能耗約占建筑能耗的40%～55%?？照{負荷的不均衡特性，極大地加劇了電網負荷的峰谷差，因此，空調系統的錯峰避峰運行已成為緩解當前電力供應不足問題的迫切要求。一些國家很早就已采用空調用電錯峰措施，印度一典型寫字樓的空調系統用電進行錯峰優化之后，其在電力尖峰負荷時段的電力需求與通常相比減少38%，相應的運行費用減少5.9%[1]。美國曾經對一典型的采用空調用電錯峰的大學校園進行調查，其在電力尖峰負荷時段的用電減少41%，其總耗電量的56%是電力低谷時段用電[2]。

本文正是在此背景下，提出和研究分析基于建筑儲能的空調系統運行控制策略，期望利用建筑本身具備的能量儲存能力并通過優化空調系統運行，達到降低空調系統峰值電力需求的目的，同時將這種方法與送風溫度優化控制策略[3]結合進行整體優化。

1.空調系統避峰運行控制策略

對于絕大多數空調系統，其運行控制策略均采用常規的需求控制策略，即根據用戶側的要求啟動或停止系統的運行，在樓宇使用時段啟動系統而非使用時段則停止運行。這從節能的角度而言是行之有效的。但是，這種運行策略的結果通常是在電力峰值時段系統正好處于用電高峰，這對整個電網來說是不利的，特別是在已實行分時電價的地區，會使用戶增加運行費用。

對于空調系統錯峰用電的方法，目前國內外大多采用冰蓄冷技術。但冰蓄冷的應用與推廣存在著一定的缺陷：冰蓄冷系統造價高，一般比常規空調系統高30%－40%；對已安裝運行的系統，則需重新改造，代價很大，而且現實狀況絕大多數是不允許的；同時，冰蓄冷系統結構和運行復雜，穩定性和可靠性相對較差。

表1時間表建筑物開始使用(τo)電力峰值開始時間(τs)電力峰值結束時間(τn)系統提前啟動(∆τ)建筑物結束使用(τf)

時間7:008:0011:00318:00

實際上，對于常規的混凝土結構的建筑，其本身具有較大的熱容，再加上室內的裝飾及家具，因此具備一定的儲能能力，利用這種能量儲備的能力，可以在電力需求谷時對樓宇進行強制過冷，使建筑的墻體及室內結構充分儲存冷量，當處于電力需求高峰時段時利用這部分儲存的冷量，從而可以減少電力峰時的系統運行電力需求。圖1是基于建筑儲能的運行控制策略邏輯示意圖，其中的時間值由表1給出。在不同的時間段內，通過PMV優化控制器[4]改變房間溫度設定值。

圖1避峰運行控制策略邏輯示意圖

2.研究對象

本文選用的建筑物是位于上海地區某一棟商務大樓，每層的面積為2332m2。由于每層被劃分為南北兩個開放式的辦公區域，每個區域都配備了相同的空調系統，因此本文選取朝南區域作為研究對象。研究對象的室內總的空調區域面積為1166m2，根據VAV末端的布置，

它被劃分為6個外區和2個內區，。建筑與VAV空調系統如圖2所示。

3.控制策略的仿真驗證及結果分析

仿真試驗是在已建立的VAV變風量空調系統仿真器[5]上進行的。本文將提出的避峰運行控制策略和送風溫度優化控制策略程序化后嵌入其中，同時，為驗證和分析對比各種優化策略的實施效果，本文還對沒有優化策略的常規情況進行了模擬。

3.1試驗條件

本文采用的室外氣象數據取自上海地區的氣象資料，試驗日的室外溫度和含濕量如圖3所示。

圖3試驗日室外空氣的溫度和含濕量

研究對象的建筑物為混凝土結構，6個外區和2個內區的圍護結構熱容如表2所示（表中區域標示參見圖1）。仿真器中的建筑模型是采用阻容網絡模型建立的[6]。

表2建筑物熱容

外區1外區2外區3外區4外區5外區6內區1內區2

內部結構熱容(KJ/K)3452.64166.34166.33452.62616.92616.93641.73641.7

外部結構熱容(KJ/K)19550.214100.114100.119550.26760.86760.8－－

3.2試驗結果及分析

圖4為整體優化策略與無優化策動時室內PMV的變化曲線。從圖中可以看出：整體優化策略通過PMV控制器改變室內的PMV值，利用房間所具有的熱容性，將電力峰值時段所消耗的一部分電能轉移到電力谷值時段，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熱舒適性要求的前提下，實現用電上的移峰填谷。

圖4PMV值比較

在計算運行費用時采用的是上海地區的分時電價，即：峰時段為1.044￥/kWh，平時段為0.676￥/kWh，谷時段為0.232￥/kWh。表3給出了三種優化策略仿真模擬的結果，并進行了比較。

表3結果比較

峰時耗能(kW)平時耗能(kW)谷時耗能(kW)移峰%減少運行費用%

常規控制340.7

949.7

—

—

送風溫度優化控制260.8

1028.0

23.5

2.2

避峰運行控制140.3

914.7

176.9

58.8

18.0

整體優化控制129.8

1039.1

173.2

61.9

10.3

送風溫度優化控策略制通過提高送風溫度，將一部分峰時耗能轉移到平時，電價最低的谷時耗能為0，系統峰時耗能減少23.5%，運行費用減少2.2%。

避峰運行控制策略是利用建筑物熱容，通過對空調系統啟動時間和室內PMV的控制，將一部分峰時耗能轉移到谷時，可以明顯看出其移峰和減少運行費用的效果都十分明顯，應用這種控制策略系統峰時耗能減少58.8%，運行費用減少18.0%。

整體優化控制策略是將送風溫度優化控制與避峰運行控制相結合，仿真結果表明，這種控制方法可以進一步轉移峰時耗能，但與避峰運行控制策略相比，平時耗能大大增加，這就導致減少的運行費用有所下降，應用這種控制策略系統峰時能耗減少61.9%，運行費用減少10.3%。

4．結論

本文通過對上海地區某一商用大樓，運用了送風溫度優化控制策略、避峰運行控制策略以及整體優化控制策略進行仿真試驗，并對仿真結果進行比較，得出以下結論：通過應用送風溫度優化控制策略、避峰運行控制策略以及整體優化控制策略，在保證和改善室內熱舒適性的同時，可減少峰時段耗能；用戶的運行費用也有不同的下降。在許多商業建筑中，實現系統優化控制的器件都是現成的并不需要任何附加投資。

參考文獻

1．AshokS.,R.Banerjee.Optimalcoolstoragecapacityforloadmanagement[J].Energy,2003，28(2):115-126

2．ChenC.S,J.N.Sheen.Costbenefitanalysisofacoolingenergystoragesystem.IEEETrans.PowerSys.1993，8(4):1504-1509

3．晉欣橋，夏凊，周興禧，王盛衛.多區域變風量空調系統送風溫度的優化節能控制[J].上海交通大學學報，2000，4:25-31

4．于航，夏凊，晉欣橋等.以PMV為基礎的模糊控制器在VAV空調系統中的應用[J].節能，2001，(4):3-6

5．晉欣橋.變風量空調系統的仿真及其實時優化控制研究[D].上海，上海交通大學機械與動力工程學院，1999

6．晉欣橋，夏凊，王盛衛.用于空調系統控制分析的多區域建筑物模型[J].流體機械，1999，27(3):18-21