商業(yè)建筑HVAC電力需求響應(yīng)綜述與分析

孟慶龍， 王文強(qiáng),2， 李為林， 熊成燕， 李 洋， 任效效

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.中國(guó)啟源工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710018； 3. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

目前中國(guó)新增非化石能源發(fā)電裝機(jī)占新增總裝機(jī)的73%，全國(guó)并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電分別為1 775、3 660億千瓦時(shí)，同比分別增長(zhǎng)50.8%、20.2%。用電峰谷差持續(xù)增大，電網(wǎng)面臨時(shí)段性調(diào)峰能力不足，需進(jìn)一步挖掘調(diào)峰潛力，提升系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)供需平衡[1]。需求響應(yīng)(demand response，DR)從電力需求側(cè)入手，利用需求側(cè)的彈性用電資源，通過(guò)調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)高峰用電的削減或轉(zhuǎn)移，為應(yīng)對(duì)季節(jié)性和臨時(shí)性的電力需求高峰、解決電網(wǎng)供需不平衡問(wèn)題提供了一種創(chuàng)新的調(diào)控手段[2]。需求響應(yīng)可有效消納分布式能源，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本[3]。

建筑用電是導(dǎo)致城市電力負(fù)荷側(cè)峰谷差值變化的主要原因之一，受季節(jié)和天氣等因素影響，建筑用電峰谷差在夏季愈加明顯。夏季高溫引起的建筑空調(diào)用電負(fù)荷的增長(zhǎng)已成為導(dǎo)致電力需求高峰的主要原因，這也是造成電力供需不平衡的重要因素之一。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展、智能電表的普及以及建筑能源管理控制系統(tǒng)(energy management control system，EMCS)的優(yōu)化，建筑-電網(wǎng)(building to grid，B2G)的互動(dòng)性不斷增強(qiáng)。如圖1所示，建筑可通過(guò)參與DR項(xiàng)目，利用冷熱電協(xié)同形成虛擬電網(wǎng)為城市電力調(diào)峰提供有效途徑。圖1中發(fā)電機(jī)發(fā)電量分別處于基礎(chǔ)段、高效段和峰值段。

圖1 互動(dòng)型建筑-電網(wǎng)(B2G)調(diào)峰模式Figure 1 Interactive building to grid (B2G) peak shaving mode

建筑作為耗能大戶(hù)是參與需求響應(yīng)的優(yōu)質(zhì)資源。建筑耗電資源按照其用電量能否在指定區(qū)間內(nèi)變化或在不同時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)移，分為柔性DR資源(照明、HVAC等)和剛性DR資源(電梯、打印機(jī)、電腦等)。相較于剛性DR資源，柔性DR資源在緩解電網(wǎng)供需矛盾時(shí)，能有效增加電網(wǎng)調(diào)控的靈活性且對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活影響較小。作為柔性DR資源，HVAC系統(tǒng)已成為最優(yōu)良的需求響應(yīng)資源，主要表現(xiàn)在：①空調(diào)能耗占建筑總能耗比重大，尤其在商業(yè)建筑中該比重高達(dá)40%～60%(夏季負(fù)荷高峰比重會(huì)更大)；②建筑本身儲(chǔ)能和空調(diào)熱慣性的“熱飛輪效應(yīng)”允許短時(shí)降載，甚至?xí)和VAC系統(tǒng)，且對(duì)人體熱舒適影響?。虎鄱鄶?shù)建筑具有能源管理系統(tǒng)(EMCS)，可對(duì)建筑內(nèi)包括HVAC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，這是實(shí)施需求響應(yīng)既有硬件平臺(tái)。

目前國(guó)內(nèi)的學(xué)者大多從電力需求響應(yīng)的運(yùn)營(yíng)模式、建筑群控和空調(diào)負(fù)荷聚合集中調(diào)度的角度對(duì)需求響應(yīng)進(jìn)行綜述和研究[4]。當(dāng)商業(yè)建筑參與需求響應(yīng)時(shí)，缺乏對(duì)空調(diào)系統(tǒng)需求響應(yīng)策略的研究和特性分析。本文旨在從HVAC系統(tǒng)特性的角度對(duì)B2G下多種能源交互的HVAC需求響應(yīng)進(jìn)行綜述分析，探索更靈活的建筑用能方法，挖掘商業(yè)建筑在參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)的調(diào)峰潛力，為商業(yè)建筑中HVAC系統(tǒng)參與電力需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)的具體方案設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程提供參考。

1 HVAC需求響應(yīng)

HVAC需求響應(yīng)定義為建筑通過(guò)調(diào)控HVAC系統(tǒng)用電負(fù)荷響應(yīng)電網(wǎng)需求。HVAC需求響應(yīng)是多種能源交互的DR資源，源端多能互補(bǔ)，末端柔性可調(diào)，通過(guò)消納不同的能源，在盡可能不影響用戶(hù)熱舒適的前提下響應(yīng)電網(wǎng)需求。源端可利用電力驅(qū)動(dòng)低品位能源(地?zé)崮?、空氣能、工業(yè)余熱等)熱泵機(jī)組、利用太陽(yáng)能蓄熱或蓄電等。末端可通過(guò)調(diào)節(jié)區(qū)域設(shè)定溫度和送風(fēng)溫度等策略降低用電需求。HVAC需求響應(yīng)下建筑和空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示，由于空調(diào)系統(tǒng)各部件間存在耦合，因此在實(shí)施HVAC需求響應(yīng)時(shí)需要考慮部件間的相互影響，避免系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂。

圖2 HVAC需求響應(yīng)下建筑和空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)系Figure 2 Relationship between building and air-conditioning systems with HVAC demand response

HVAC需求響應(yīng)按實(shí)施方法可分為負(fù)荷暫停、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、負(fù)荷削減3種類(lèi)型，如圖3所示。Shan等[5]從空調(diào)負(fù)荷、建筑本地產(chǎn)能和主動(dòng)儲(chǔ)能3個(gè)方面將HVAC需求響應(yīng)分為A、B、C類(lèi)，其關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)示意圖Figure 3 Air-conditioning load demand response diagram

對(duì)于單體建筑的HVAC需求響應(yīng)策略，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)[6]通過(guò)對(duì)28個(gè)非居住建筑的DR項(xiàng)目進(jìn)行研究，總結(jié)和歸納了HVAC系統(tǒng)可以實(shí)施的需求響應(yīng)策略，如全局溫度調(diào)節(jié)(global temperature adjustment，GTA)、提高送風(fēng)溫度(supply air temperature，SAT)、降低管道靜壓(duct static pressure，DSP)、被動(dòng)冷熱儲(chǔ)能(cool thermal energy storage，CTES)等。除了單個(gè)建筑內(nèi)HVAC需求響應(yīng)外，還需要考慮建筑群需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度。

圖4 HVAC需求響應(yīng)柔性負(fù)荷分類(lèi)示意圖Figure 4 Flexible load of HVAC demand response classification diagram

2 HVAC需求響應(yīng)潛力預(yù)測(cè)方法

常見(jiàn)的 HVAC需求響應(yīng)潛力預(yù)測(cè)方法見(jiàn)表1，這些方法按對(duì) HVAC系統(tǒng)的調(diào)控可分為直接負(fù)荷控制(DLC)和基于設(shè)定值調(diào)節(jié)兩類(lèi)。而較為新穎的方法是基于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)和評(píng)估需求響應(yīng)潛力。

表1 HVAC需求響應(yīng)潛力預(yù)測(cè)方法Table 1 HVAC DR potential estimation method

2.1 基于直接負(fù)荷控制

直接負(fù)荷控制是在DR事件發(fā)生時(shí)，電力公司利用室內(nèi)外環(huán)境傳感器和智能電表采集用戶(hù)端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)上傳至DR策略庫(kù)，對(duì)用戶(hù)可調(diào)度空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，由控制策略生成模塊生成具體調(diào)控信號(hào)，再將信號(hào)傳送至建筑EMCS，利用開(kāi)關(guān)控制策略調(diào)控空調(diào)負(fù)荷。Ma等[7]研究了關(guān)閉部分HVAC設(shè)備的快速需求響應(yīng)策略的預(yù)測(cè)和控制，先通過(guò)預(yù)測(cè)得到用戶(hù)可接受的最大溫升值為3 ℃，再預(yù)測(cè)出室溫升高后建筑所需建筑冷負(fù)荷，接著預(yù)測(cè)出冷機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)的耗電功率，最后用在線控制的方式完成對(duì)各空調(diào)部件參數(shù)的設(shè)定。Lu[8]基于室外空氣溫度預(yù)測(cè)HVAC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功耗曲線，采用DLC算法，接收電網(wǎng)在DR時(shí)發(fā)出的負(fù)荷平衡信號(hào)調(diào)整HVAC功耗，并提出一種溫度優(yōu)先列表的方法用于調(diào)度HVAC負(fù)荷，最優(yōu)地滿(mǎn)足客戶(hù)期望的室溫并實(shí)現(xiàn)可調(diào)度負(fù)荷的多樣性。Tang等[9]利用PID算法有效地優(yōu)化集成有主動(dòng)儲(chǔ)能的中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，在快速DR事件中保證室內(nèi)環(huán)境。

2.2 基于設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)

基于設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)的HVAC需求響應(yīng)，是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各部分建立模型，如簡(jiǎn)化建筑蓄熱模型(STM)、冷機(jī)模型、儲(chǔ)電模型、空調(diào)能耗和DR模型等，再通過(guò)一些算法如模型預(yù)測(cè)控制(MPC)[10]算法、遺傳算法(GA)、EnergyPlus(EP)+回歸模型算法、自動(dòng)回歸-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(AR-NN)等實(shí)現(xiàn)對(duì)DR工況下HVAC需求響應(yīng)資源的調(diào)度。實(shí)際運(yùn)行中還需要對(duì)各種模型通過(guò)用戶(hù)端的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，Shan等[11]建立一種自動(dòng)模型校準(zhǔn)程序通過(guò)終端用戶(hù)能源數(shù)據(jù)校核EP模型，校核后的模型用于預(yù)測(cè)和評(píng)估各種HVAC需求響應(yīng)策略下HVAC系統(tǒng)不同組件(風(fēng)機(jī)、冷機(jī)、AHU、VAV末端等)的動(dòng)態(tài)需求響應(yīng)效果。

2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)下的HVAC需求響應(yīng)

基于動(dòng)態(tài)模型的HVAC需求響應(yīng)主要問(wèn)題在于建立精確動(dòng)態(tài)HVAC系統(tǒng)模型難度大，有學(xué)者提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的預(yù)測(cè)和調(diào)控，例如：利用回歸樹(shù)或隨機(jī)森林算法分析和訓(xùn)練HVAC系統(tǒng)各部件設(shè)定值數(shù)據(jù)建立建筑數(shù)據(jù)樹(shù)[17]，訓(xùn)練DR時(shí)段耗電時(shí)間占用表和耗電量數(shù)據(jù)建立建筑能耗森林預(yù)測(cè)能耗曲線[18]，用輸出的溫度數(shù)據(jù)建立溫度森林預(yù)測(cè)室內(nèi)溫度。從不同的角度建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型效果往往不同，從商業(yè)建筑HVAC系統(tǒng)能耗角度建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型如隨機(jī)森林模型、梯度增強(qiáng)機(jī)制(GBM)模型、隨機(jī)森林回歸(RF)模型等通過(guò)訓(xùn)練HVAC系統(tǒng)不同設(shè)備的設(shè)定參數(shù)，找到最優(yōu)DR策略,并通過(guò)優(yōu)化不同的機(jī)器學(xué)習(xí)模型提高預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。這些模型更注重能耗的降低，往往忽略對(duì)用戶(hù)熱舒適造成的影響，因此可以選擇考慮用戶(hù)熱舒適的HVAC需求響應(yīng)策略進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，盡可能不影響用戶(hù)熱舒適。而從用戶(hù)熱舒適角度建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型是通過(guò)獲取用戶(hù)熱不適(thermal discomfort，TD)數(shù)據(jù)曲線，用TD數(shù)據(jù)訓(xùn)練ANN模型來(lái)預(yù)測(cè)不同HVAC需求響應(yīng)策略下用戶(hù)的TD，從而確定最優(yōu)的DR策略，在不影響用戶(hù)熱舒適的前提下為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的可調(diào)電力負(fù)荷。由于不同用戶(hù)的熱舒適區(qū)可能不相同，因此有學(xué)者通過(guò)檢測(cè)并剔除用戶(hù)熱舒適投票的異常值，優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制(DPC)構(gòu)建的熱舒適模型[19]。對(duì)于激勵(lì)型需求響應(yīng)，有學(xué)者研究人工智能(artificial intelligence，AI)強(qiáng)化學(xué)習(xí)(reinforcement learning，RL)算法以得到用戶(hù)的最優(yōu)激勵(lì)方案[20]和用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)預(yù)測(cè)電耗和電價(jià)，并建立一種穩(wěn)定、可靠的DR調(diào)控方法[21]。

3 HVAC需求響應(yīng)策略

3.1 末端房間控制

3.1.1 GTA策略

GTA策略見(jiàn)圖5，是通過(guò)在DR時(shí)段提高室溫設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值負(fù)荷的削減。實(shí)施GTA策略首先需要考慮用戶(hù)可接受的溫度調(diào)控范圍，在此范圍內(nèi)進(jìn)行溫度調(diào)控以避免對(duì)人體熱舒適造成較大影響。GTA策略結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷反彈。

圖5 GTA策略下室溫設(shè)定值與空調(diào)設(shè)備功率變化Figure 5 Room temperature set-point and HVAC system power under GTA strategy

由于不同建筑的PMV(predicted mean vote)熱舒適評(píng)價(jià)模型(例如辦公樓與超市)中各參數(shù)取值是不同的，因此可接受溫控范圍也不同。不同室外氣象參數(shù)下DR時(shí)段建筑冷負(fù)荷并不相同，不同冷負(fù)荷下GTA策略實(shí)際響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和削峰量也不同。因此，在日前量化GTA策略的效果，向電網(wǎng)或負(fù)荷聚合商申報(bào)可調(diào)控的負(fù)荷量之前需要預(yù)測(cè)需求響應(yīng)日的建筑冷負(fù)荷。

3.1.2 調(diào)節(jié)DSP策略和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(VSD)策略

對(duì)于變風(fēng)量(VAV)空調(diào)而言，空調(diào)系統(tǒng)管道靜壓(DSP)的設(shè)計(jì)值是在滿(mǎn)足最大需求條件下設(shè)定的。當(dāng)房間供冷量需求值降低時(shí)，由于DSP設(shè)定值高于實(shí)際VAV-boxes所需靜壓值，會(huì)造成能源浪費(fèi)。因此需要降低DSP設(shè)定值或通過(guò)降低變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得系統(tǒng)的靜壓輸出值與實(shí)際所需靜壓相匹配。DSP和VSD策略風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化見(jiàn)圖6。

圖6 DSP和VSD策略風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化Figure 6 DSP and VSD strategy fan operating state changes

當(dāng)采用DSP策略時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)由a點(diǎn)變?yōu)閏點(diǎn)。而采用VSD策略時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)機(jī)狀態(tài)點(diǎn)先由a點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn)，然后由于送風(fēng)量的降低導(dǎo)致VAV-boxes的電動(dòng)風(fēng)閥開(kāi)度變大、系統(tǒng)壓力降低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)又由b點(diǎn)變?yōu)閏點(diǎn)。風(fēng)機(jī)功率曲線1上a′點(diǎn)與功率曲線2上c′點(diǎn)的差值為DSP和VSD策略的功耗削減量。當(dāng)VAV-boxes風(fēng)閥開(kāi)度達(dá)到最大還不能滿(mǎn)足送風(fēng)量要求時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致送入房間的新風(fēng)量低于設(shè)計(jì)量，影響用戶(hù)熱舒適度。

3.1.3 提高SAT策略和限制冷閥開(kāi)度策略

定風(fēng)量和變風(fēng)量系統(tǒng)均能利用提高SAT策略和限制冷閥開(kāi)度策略實(shí)現(xiàn)對(duì)峰荷的削減。對(duì)定風(fēng)量系統(tǒng)而言，提高SAT節(jié)省了機(jī)械冷量，同時(shí)由于混合空氣和供應(yīng)空氣之間的溫差變小，風(fēng)機(jī)的需求冷量會(huì)低于冷凍水的供給冷量。采用限制冷閥開(kāi)度策略時(shí)，由于缺乏供冷量，AHU單元可能將無(wú)法控制送風(fēng)溫度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，提高SAT策略降低了AHU對(duì)供冷量的需求和送風(fēng)機(jī)的耗電量，而限制冷閥開(kāi)度則降低了冷量的需求和冷凍水泵的耗電量。對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)而言，除非將變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)度鎖定，否則提高SAT意味著送風(fēng)量的增加，直到VAV-boxes處于風(fēng)量不足狀態(tài)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)冷負(fù)荷的削減。因此冷負(fù)荷的削減會(huì)有延時(shí)，且送風(fēng)量的增加會(huì)增加風(fēng)機(jī)能耗。采用限制冷閥開(kāi)度策略時(shí)，除了會(huì)面臨在定風(fēng)量系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，還會(huì)面臨與提高SAT策略相同的問(wèn)題(增加風(fēng)機(jī)的耗電量、冷負(fù)荷削減有延時(shí))。而且由于送風(fēng)量增加會(huì)使冷凍水回水溫度升高，這會(huì)增加冷機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。因此在采用提高SAT和限制冷閥開(kāi)度DR策略前，需要優(yōu)先鎖定變頻風(fēng)機(jī)的頻率或定頻風(fēng)機(jī)的風(fēng)閥開(kāi)度，防止送風(fēng)量增加導(dǎo)致耗能增加。

3.2 冷源側(cè)控制

當(dāng)建筑EMCS無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)末端房間環(huán)境參數(shù)和AHU控制時(shí)，可通過(guò)冷源側(cè)控制完成需求響應(yīng)。相比部分末端房間控制策略具有一定延時(shí)性，冷源側(cè)控制可實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)達(dá)到對(duì)需求的削減，但可能會(huì)造成HVAC系統(tǒng)紊亂等問(wèn)題。

3.2.1 重設(shè)冷凍水水溫和限制冷機(jī)需求策略

大多數(shù)冷機(jī)在相對(duì)較高的冷凍水出水溫度時(shí)，制冷效率會(huì)提高。通過(guò)在DR時(shí)段提高冷凍水的供水溫度，來(lái)提高制冷機(jī)組的制冷效率，能有效降低冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率。對(duì)于變流量和變風(fēng)量系統(tǒng)，在實(shí)施該策略時(shí)應(yīng)提前鎖定變頻風(fēng)機(jī)和變頻水泵的轉(zhuǎn)速。對(duì)于定頻風(fēng)機(jī)，則應(yīng)固定風(fēng)閥的開(kāi)度。這是因?yàn)槿绻还潭ㄞD(zhuǎn)速或閥的開(kāi)度，雖然總的供冷量會(huì)減少，但當(dāng)區(qū)域溫度設(shè)定值不變時(shí)，冷凍水流量或送風(fēng)量會(huì)增加，導(dǎo)致變頻水泵和風(fēng)機(jī)能耗的增加。由于大多數(shù)HVAC系統(tǒng)并沒(méi)有采用重設(shè)冷凍水水溫的優(yōu)化策略，因此該策略具有提高能效和降低冷需求的潛力。

限制冷機(jī)需求策略是通過(guò)控制冷機(jī)的壓縮機(jī)工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷機(jī)用電負(fù)荷的削減。對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)，定頻冷機(jī)是通過(guò)提高冷凍水出水溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此同樣需要在實(shí)施該DR策略前鎖定變頻泵和變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻冷機(jī)或熱泵機(jī)組是將壓縮機(jī)與變速驅(qū)動(dòng)控制的感應(yīng)電機(jī)相連，根據(jù)2 s或4 s更新的DLC信號(hào)對(duì)電機(jī)軸速進(jìn)行調(diào)整。戚野白等[22]通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)研究了利用調(diào)節(jié)變頻熱泵機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)速的DR策略。相比重設(shè)冷凍水水溫策略，限制冷機(jī)需求策略更關(guān)注壓縮機(jī)運(yùn)行工況，若冷機(jī)正常運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)處于高負(fù)載的高效工況，實(shí)施該策略在降低負(fù)載的同時(shí)可能會(huì)降低冷機(jī)的運(yùn)行效率。因此，限制冷機(jī)需求策略更適用于正常運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載較高導(dǎo)致效率相對(duì)較低的冷機(jī)或熱泵。

3.2.2 減少冷機(jī)運(yùn)行數(shù)量策略

減少冷機(jī)運(yùn)行數(shù)量策略能快速地削減峰荷，但同時(shí)面臨許多問(wèn)題。例如，如何確定關(guān)閉和保留哪些冷機(jī)、冷機(jī)啟停優(yōu)化、冷凍水系統(tǒng)流量分配、需冷量的限定閾、末端區(qū)域溫度不均等。Li等[23]結(jié)合建筑和系統(tǒng)熱慣性對(duì)關(guān)閉部分冷機(jī)策略進(jìn)行了研究。在實(shí)際的HVAC系統(tǒng)采用關(guān)閉部分冷機(jī)策略時(shí)，還需要考慮冷機(jī)在DR事件下運(yùn)行時(shí)的制冷效率，如果在正常工況下冷機(jī)運(yùn)行效率較高，實(shí)施該策略可能會(huì)讓冷機(jī)處于低效的工況運(yùn)行，而且頻繁的啟停冷機(jī)可能會(huì)影響冷機(jī)的制冷性能和使用壽命。此外，冷機(jī)屬于大功率設(shè)備，啟停冷機(jī)均會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

3.3 考慮儲(chǔ)能的需求響應(yīng)策略

3.3.1 主動(dòng)儲(chǔ)能策略

區(qū)別于儲(chǔ)能容量大、初投資大的常規(guī)冰、水蓄冷，用于服務(wù)需求響應(yīng)的主動(dòng)CTES可以是小規(guī)模的主動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)(儲(chǔ)能容量小、初投資小、儲(chǔ)能方式豐富)。在DR事件發(fā)生之前利用PCM儲(chǔ)能罐、冷熱水儲(chǔ)能罐、儲(chǔ)能電池等進(jìn)行儲(chǔ)能;在DR時(shí)段，由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供HVAC系統(tǒng)運(yùn)行所需的能量。儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的確定與需求響應(yīng)事件的時(shí)間長(zhǎng)短和建筑典型日冷熱負(fù)荷有關(guān)。目前在此方面的相關(guān)工作有：Cui等[24]利用相變材料(PCM)儲(chǔ)能罐，對(duì)實(shí)施小規(guī)模主動(dòng)儲(chǔ)能的DR策略進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)該策略可在短時(shí)間內(nèi)顯著降低電力需求(正常需求的28.9%)，在DR時(shí)段利用儲(chǔ)能為AHU提供所需冷量時(shí)，PCM存儲(chǔ)的冷量只占每日冷負(fù)荷的4.2%。由于儲(chǔ)能增加了HVAC系統(tǒng)冷容量，DR事件結(jié)束后的負(fù)荷反彈較小。此外，通過(guò)定量分析該策略全壽命周期成本，發(fā)現(xiàn)該策略節(jié)約了大量成本。Jones等[25]利用光伏發(fā)電(PV)系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池在DR時(shí)段驅(qū)動(dòng)熱泵或風(fēng)機(jī)，考慮用戶(hù)熱舒適前提下對(duì)儲(chǔ)能策略進(jìn)行了仿真研究。

3.3.2 被動(dòng)CTES策略

一般的被動(dòng)CTES策略是利用建筑本身熱慣性，通過(guò)預(yù)冷建筑，在峰值負(fù)荷時(shí)段釋放存儲(chǔ)的冷量，通過(guò)重設(shè)區(qū)域溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值負(fù)荷的轉(zhuǎn)移和削減。預(yù)冷建筑的方式包括:①調(diào)節(jié)室內(nèi)區(qū)域溫度設(shè)定值；②在夜間以自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方式預(yù)冷建筑。商業(yè)建筑的窗墻比較大，白天由太陽(yáng)輻射造成的冷負(fù)荷較大，因此有研究通過(guò)利用集熱窗[26]或采用相變材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)[27]，將峰值負(fù)荷時(shí)段的部分冷負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非峰值負(fù)荷時(shí)段。Shan等[28]利用多區(qū)域辦公建筑本身的熱慣性，在下班前一段時(shí)間有序關(guān)閉HVAC系統(tǒng)，利用建筑中存儲(chǔ)的潛熱控制室溫在舒適范圍內(nèi)。

3.4 末端調(diào)控和冷源調(diào)控的對(duì)比分析

從空調(diào)末端到冷源側(cè)的HVAC需求響應(yīng)調(diào)控方式和從冷源側(cè)到末端的HVAC需求響應(yīng)調(diào)控方式的具體對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 末端調(diào)控和冷源調(diào)控對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of terminal regulation and cold source regulation

4 HVAC需求響應(yīng)面臨的問(wèn)題

4.1 策略實(shí)施后負(fù)荷反彈

由于在實(shí)施HVAC的DR過(guò)程中，改變了原有的HVAC系統(tǒng)的運(yùn)行工況，大多數(shù)的HVAC需求響應(yīng)策略在DR實(shí)施開(kāi)始和結(jié)束后均會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷曲線的較大波動(dòng)(例如圖5的GTA策略)，尤其是DR結(jié)束后的負(fù)荷反彈，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。Motegi等[29]通過(guò)對(duì)不同需求響應(yīng)策略研究，總結(jié)了3種規(guī)避負(fù)荷反彈的方法：①緩慢恢復(fù)需求響應(yīng)策略更改的系統(tǒng)控制參數(shù)；②以一定時(shí)間間隔按順序恢復(fù)關(guān)停的設(shè)備；③延長(zhǎng)需求響應(yīng)至下班時(shí)間。實(shí)際建筑中大多數(shù)EMCS均無(wú)法實(shí)現(xiàn)第1、第2兩種方法。對(duì)于辦公建筑和零售建筑，由于下班或結(jié)束營(yíng)業(yè)后建筑冷負(fù)荷會(huì)顯著下降，可以結(jié)合被動(dòng)CTES策略采用第3種方法。具體采用哪種方法規(guī)避負(fù)荷反彈取決于選擇的DR策略和建筑的具體特征。相較于其他DR策略，主動(dòng)CTES策略負(fù)荷反彈相對(duì)較小，這是由于主動(dòng)儲(chǔ)能裝置起到了一定程度的緩沖作用，使得關(guān)閉或開(kāi)啟冷機(jī)的時(shí)間點(diǎn)在一定范圍內(nèi)變得可調(diào)節(jié)。

4.2 影響用戶(hù)熱舒適

HVAC需求響應(yīng)是正常工作狀態(tài)的偏離，但其不應(yīng)對(duì)室內(nèi)人體熱舒適造成大的影響。在電網(wǎng)峰值負(fù)荷時(shí)段實(shí)施HVAC需求響應(yīng)策略時(shí)，由于設(shè)定參數(shù)的改變，可能影響用戶(hù)熱舒適度。采用提高送風(fēng)溫度策略時(shí)，可能會(huì)升高室內(nèi)濕度；采用限制制冷需求策略時(shí)，由于冷機(jī)供冷量減少，若DR時(shí)段較長(zhǎng)，AHU可能會(huì)失去對(duì)送風(fēng)溫度的控制，影響室內(nèi)環(huán)境。這些問(wèn)題均是未來(lái)發(fā)展HVAC需求響應(yīng)需要解決的，由于需求響應(yīng)事件通常較短，合理地采用HVAC需求響應(yīng)策略能夠避免對(duì)用戶(hù)熱舒適造成較大影響。Aghniaey等[30]針對(duì)在DR事件期間采用GTA策略對(duì)用戶(hù)熱舒適的影響進(jìn)行了綜述，指出在夏季提高區(qū)域溫度設(shè)定值會(huì)對(duì)用戶(hù)的身心產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)绊懹脩?hù)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的感知，然而在一些情況下，較高的區(qū)域溫度設(shè)定值卻能改善用戶(hù)的熱舒適度。

4.3 潛力和效果的量化分析與評(píng)價(jià)

HVAC需求響應(yīng)潛力的定量化分析，決定了需求響應(yīng)的深度：潛力高估容易使末端房間無(wú)法滿(mǎn)足舒適性要求；低估造成需求響應(yīng)實(shí)施效果不佳，運(yùn)行成本增加。由于空調(diào)系統(tǒng)可削減電耗量、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)都與室外環(huán)境、建筑狀況、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況以及用能情況等多種因素有關(guān)，建立這些因素和DR潛力預(yù)測(cè)量的關(guān)系，提高潛力預(yù)測(cè)的可靠度是HVAC需求響應(yīng)需要解決的問(wèn)題。

HVAC需求響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括實(shí)際中需求響應(yīng)項(xiàng)目的最大調(diào)峰量和DR策略對(duì)用戶(hù)熱舒適的影響。然而，HVAC需求響應(yīng)是在偏離正常運(yùn)行工況的特殊工況下運(yùn)行的，HVAC系統(tǒng)各部件的動(dòng)態(tài)特性可能有很大不同。DR工況下，風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)組、冷凍水泵、冷機(jī)或熱泵等組件運(yùn)行效率的變化以及對(duì)設(shè)備壽命的影響，同樣需要考慮。

5 結(jié)論

HVAC需求響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施，一方面能為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)、節(jié)省成本以及提高電網(wǎng)運(yùn)行效率；另一方面，能通過(guò)激勵(lì)和引導(dǎo)用戶(hù)電力消費(fèi)模式為用戶(hù)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)收益。利用建筑能源管理系統(tǒng)，調(diào)控HVAC負(fù)荷參與需求響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)靈活用能。本文主要從HVAC需求響應(yīng)潛力預(yù)測(cè)、響應(yīng)策略制定與實(shí)施以及存在的問(wèn)題3個(gè)方面完成對(duì)商業(yè)建筑HVAC需求響應(yīng)的綜述，為未來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)施HVAC需求響應(yīng)項(xiàng)目提供一些構(gòu)想與建議。

(1)利用HVAC系統(tǒng)在需求響應(yīng)時(shí)段完成對(duì)空調(diào)負(fù)荷的削減或轉(zhuǎn)移時(shí)，需要考慮對(duì)建筑用戶(hù)熱舒適度的影響。不同建筑PMV模型中的各參數(shù)取值是不同的，用戶(hù)可接受溫控范圍也不同。因此需要因地制宜地結(jié)合不同建筑類(lèi)型用戶(hù)熱舒適度的需求，采用適合的DR策略完成對(duì)峰值負(fù)荷的削減或轉(zhuǎn)移。

(2)對(duì)比實(shí)施HVAC需求響應(yīng)前后用戶(hù)熱舒適的變化，對(duì)于一些實(shí)施DR后用戶(hù)熱舒適度反而提高的DR項(xiàng)目，可考慮在日常系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用該策略來(lái)降低能耗。而對(duì)用戶(hù)熱舒適度有影響的項(xiàng)目，應(yīng)對(duì)其HVAC需求響應(yīng)策略進(jìn)行調(diào)整，并在合理的監(jiān)控下實(shí)施。對(duì)不同建筑類(lèi)型和HVAC系統(tǒng)類(lèi)型，在實(shí)施DR后對(duì)用戶(hù)熱舒適影響的情況應(yīng)進(jìn)行分類(lèi)分析，這有助于進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

(3)服務(wù)于需求響應(yīng)的小規(guī)模主動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能容量小且易于實(shí)施。在DR時(shí)段可增加HVAC系統(tǒng)的靈活性和增加峰荷的削減量。在日常運(yùn)行中，則可作為緩沖裝置提高HVAC系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，也可利用晝夜電價(jià)差及夜間冷機(jī)冷卻效率高的特點(diǎn)，將部分空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至夜晚。此外，結(jié)合GTA、SAT、被動(dòng)儲(chǔ)能等策略?xún)?yōu)化主動(dòng)儲(chǔ)能策略能有效解決DR事件結(jié)束后的負(fù)荷反彈問(wèn)題。

(4)實(shí)施HVAC需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)，需要對(duì)參與用戶(hù)的HVAC系統(tǒng)特點(diǎn)、可采用的HVAC需求響應(yīng)策略以及不同策略可調(diào)度的最大空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行量化評(píng)估。對(duì)于擁有較大可調(diào)度空調(diào)負(fù)荷的參與用戶(hù)，可以提供DR輔助服務(wù)，例如：優(yōu)化其HVAC系統(tǒng)的需求響應(yīng)策略，提高其需求響應(yīng)能力。