PDF《考虑建筑热平衡与柔性舒适度的乡村微能源网电热联合调度》

考虑建筑热平衡与柔性舒适度的乡村微能源网电热联合调度 刘洪1 ,王亦然1 ,李积逊2 ,葛少云1 ,李吉峰1 ,李生山3 ( 1.

智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市

3 0

0 0

7 2;

2.青海民族大学交通学院,青海省西宁市

8 1

0 0

0 7;

3.青海民族大学计算机学院,青海省西宁市

8 1

0 0

0 7 ) 摘要:针对乡村高渗透率新能源消纳和清洁供暖问题, 提出了一种考虑建筑热平衡与用户柔性舒 适度约束的微能源网电热联合调度方法.首先, 提出了基于乡村地区人员作息规律的柔性舒适度 约束, 并建立了考虑围护结构特性、 门窗渗透、 冷风侵入、 内热源散热等因素的热平衡模型;

其次, 构 建了含户级电热分散供应和村级集中光伏接入的乡村微能源网基本架构, 发展了空气源热泵等微 能源网元件的效能描述模型;

再次, 考虑光伏消纳经济性, 构建了以系统整体效益最优为目标、 用户 舒适性为约束的乡村微能源网电热联合日前调度的数学模型, 提出了基于遗传算法的求解方法;

最后, 通过算例验证了所提模型和方法的有效性与实用性. 关键词:微能源网;

电热联合调度;

建筑热平衡;

光伏消纳;

柔性舒适度 收稿日期:

2 0

1 7 -

1 2 -

2 8;

修回日期:

2 0

1 8 -

0 6 -

2 0. 上网日期:

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1 8 -

1 0 -

1 6. 国家重点研发计划资助项目(

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1 7 Y F B

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0 1) ;

国家自然科 学基金资助项目(

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7 1

3 3 ) .

0 引言 乡村地区地广人稀、 负荷密度较低, 具有装设大 量光伏等新能源发电设备的空间资源.2

0 1 6年起, 中国通过光伏扶贫政策解决乡村困难群众生活经济 来源问题, 大规模光伏接入已成为现实.然而, 乡村 地区较低的用电负荷和薄弱的网架结构使光伏并网 消纳面临困难.同时, 以分布式电采暖设备代替集 中式燃煤采暖成为供暖行业重要 的发展趋势[

1 - 2] , 以电代煤 的清洁供暖模式在乡村地区逐步推广, 使得该地区负荷的电热耦合程度加深.在乡村地区 构建含 分布式电采暖和储能等设备的微能源网(microe n e r g yn e t w o r k) , 并开展电热联合调度, 成 为解决新能源消纳问题的有利途径. 目前, 国内外对微能源网电热联合调度的研究 多以热电联产( c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r , CH P) 机 组为主要热源, 大都从热源[

3 -

6 ] 、 热网[

7 -

8 ] 和负荷[

9 -

1 0] 等角度解 决CH P 机组 以热定电 带来的消纳问题.文献[

3 -

6 ] 通过在热源侧引入储热和电制热装 置解耦 CH P机组的电热关系;

文献[

7 - 8] 分别考虑 供热管网的 热动态特性和储热特性, 解耦了CH P 机组的电热联系;

文献[

9 -

1 0] 在负荷侧加入分布式 热泵来增加 CH P 机组的电热可调节性.然而, 对 于广泛应用的分布式采暖设备, 研究中尚未提出有 针对性的消纳策略. 分布式采暖设备包括热泵、 电锅炉、 电储热装置 等, 一般直接安装于建筑内, 满足单个用户的舒适度 要求.该类设备所属建筑环境具有热惰性, 因此分 布式采暖设备热功率在一定范围内变化时, 室内温 度所受影响较小, 室内舒适度也不会大幅变化.并且, 用户的热舒适度要求体现为一个温度区间, 进一 步增大了制热设备的可调节性.因此, 若能考虑用 户的舒适度区间, 合理制定采暖设备的运行策略, 将 为光伏等新能源的消纳提供更多空间. 已有研究在制订消纳策略时考虑了用户舒适度 指标. 文献[11]考虑热感觉平均标度预测(predictedm e a nv o t e , PMV) 指标, 将热负荷需求由 传统的曲线转换为固定区间, 并建立考虑热网供回 水温度、 室外温度的时间序列拟合模型以计算室内 温度, 提出了针对热网的消纳策略;

文献[

1 2 ] 通过计 算舒适度指标, 将2 4. 8~2 7. 3℃的温度区间作为空 调负荷的运行约束, 并采用简化的热阻公式计算室 内温度, 提出了针对家庭能源中心的制热设备调度 策略;

文献[

1 3 ] 建立了考虑对流耗热的热平衡模型 计算室内温度, 并结合相变材料特性和室内温度舒 适度来调节热泵运行状态. 以上文献所提消纳策略均涉及用户舒适度区 间, 但存在以下两方面不足: 一是虽然采用了舒适度 指标评价室内温度, 但计算所得仍为一固定温度区 间, 难以描述不同作息状态下人员对室内舒适度的

0 5 第4 3卷第9期2019年5月1 0日Vol.43N o .

9 M a y1 0,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

1 2

2 8

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2 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 差异化要求;

二是均对求解室内温度的物理模型做 了大量简化, 难以准确反映室内温度的变化过程, 这 使得调度策略与实际用能需求产生很大偏差. 为此, 本文根据乡村地区人员作息规律和舒适 度的差异化要求, 将建筑内人员情况分为白天室内 无人、 室内有人和夜间睡眠3种状态, 提出基于人员 作息规律的柔性舒适度约束;

并将考虑建筑围护结 构对流换热、 门窗渗透、 冷风侵入和内热源散热等因 素的热平衡模型引入调度问题, 以提升室内温度计 算的精确性.在此基础上, 构建以经济性最优为目 标的日前调度模型, 并通过算例对比验证本文所提 模型在经济性和光伏消纳方面的有效性.

1 考虑人员作息规律的柔性舒适度约束 在不同状态下, 人员对室内舒适度的要求存在 差异性.例如, 睡眠状态下人体心率、 呼吸均减慢, 基础代谢率降低, 对舒适度的感知也有所不同: 清醒 状态时室内温度以2

0 ℃为宜[

1 4 ] ;

而睡眠状态下房 间温 度不宜高于19℃, 否则将会降低人的舒适感[

1 5 ] .因此, 固定的舒适度区间难以满足不同状态 下人员对舒适度的要求, 有必要针对人员作息规律 建立差异化的舒适度指标.

1 ) 清醒状态下热舒适度指标.评价清醒状态下 人员舒适度的常用指标包括PMV、 人体热感觉投票 ( t h e r m a l s e n s a t i o nv o t e , T S V) 等, 其中TSV指标 更能反映人体最舒适的中性温度[

1 6 ] .T S V 指标采 用冷、 凉、 稍凉、 中性、 稍暖、 暖、 热7级指标来评价人 体对环境的实际热感觉, 通过实际统计得到最接近 人体舒适度的温度.本文采用文献[

1 7 ] 中针对严寒 地区住宅用户热感觉的统计和计算结果, 以热感觉 中性的百分比不小于9 0%对应的温度作为清醒状 态下的人体热舒适温度, 计算结果为2 0~2

4 ℃.

2 ) 睡眠状态下热舒适度指标.当人体处于睡眠 状态时, 被褥覆盖的部分皮肤温度偏高, 头部的温度 偏低, 可建立考虑头部与覆体的睡眠热环境整体满 意率回归方程描述人体的热舒适度状态[

1 8] : WD =2 6.

2 7+3 1.

4 SH -3 8.

2 1 SC +1 3.

1 2 S

2 H +

2 0.

0 9 S

2 C -1 8.

6 7 SH SC R

2 =0.

9 4

36 SH =0.

9 7

00 9+0.

2 3

16 9 LH +0.

0 3

29 Δ L R

2 =0.

8 6

36 SC =2.

0 9 48+0.

2 1

84 4 LC -0.

1 6

62 8 Δ L R

2 =0.

9 7

97 ? ? ? ???? ??? ? (

1 ) 式中: WD 为睡眠热环境整体满意率;

SH 为人体头 部热感觉预测;

SC 为覆体部分热感觉预测;

LH 为头 部热负荷;

LC 为覆体部分热负荷;

Δ L 为头部与覆 体部分热负荷差值;

R

2 为回归方程的确定性系数. 在典型冬季床褥热阻条件下, 人体对室内温度 的舒适需求范围约为1 1. 2~1 8.

8 ℃ [

1 8 ] .本文考虑 更舒适的温度范围, 将其取为1 2~1

9 ℃.

3 ) 考虑人员作息规律的分时模型.根据人员作 息对室内温度舒适度要求的差异, 可将建筑内人员 情况分为白天室内无人、 白天室内有人、 夜间睡眠 3种状态, 无人时对室内温度不作要求.结合文献 [

1 9 ] 中乡村人员作息规律统计数据, 构建考虑人员 作息规律的室内温度舒适度分时模型, 如表1所示. 表1 不同时段室内温度舒适度区间 T a b l e1 I n d o o r t e m p e r a t u r ec o m f o r t z o n e d u r i n gd i f f e r e n t t i m ep e r i o d s 时段 建筑内人员状态 温度下........