考慮建筑熱動態(tài)特性的電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行模型研究

規(guī)模化風(fēng)電和高比例熱電聯(lián)產(chǎn)并存的我國三北地區(qū)，供暖期負荷低谷時段因熱電聯(lián)產(chǎn)機組以熱定電運行方式而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，進而產(chǎn)生嚴重棄風(fēng)。一種有效的解決思路是，充分發(fā)揮與電力系統(tǒng)耦合的熱力系統(tǒng)的柔性，協(xié)調(diào)運行電熱能源系統(tǒng)。作為終端熱負荷，建筑物具有天然的、無需額外投資的巨大儲熱能力。本項目即將建筑儲熱納入到我國電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行體系中，以更有力地促進系統(tǒng)經(jīng)濟運行和可再生能源消納。通過研究，取得了如下研究成果：基于熱力學(xué)原理，將復(fù)雜的建筑物室內(nèi)熱力動態(tài)平衡特性進行抽象，建立了建筑熱動態(tài)特性基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型；建立了考慮建筑熱動態(tài)特性的電熱聯(lián)合調(diào)度基礎(chǔ)模型，在滿足系統(tǒng)電負荷和建筑物采暖熱負荷需求，同時滿足電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)相關(guān)約束的前提下，通過協(xié)調(diào)各機組的電、熱出力，實現(xiàn)風(fēng)電消納水平的提升和系統(tǒng)總運行成本的降低；建立了考慮不同建筑物熱需求特性的電熱聯(lián)合運行模型，進一步利用公共建筑的熱需求調(diào)節(jié)潛力，實現(xiàn)更大程度的電熱協(xié)調(diào)效益；建立了考慮建筑儲熱特性的多區(qū)域電熱協(xié)調(diào)運行模型，當(dāng)某區(qū)域的建筑儲熱能力在能夠消納自身風(fēng)電的同時尚有剩余儲熱容量時，可通過電力聯(lián)絡(luò)線這一橋梁幫助其他區(qū)域消納風(fēng)電，實現(xiàn)更大范圍的電熱協(xié)調(diào)；建立了基于自回歸分布滯后時間序列的集中供熱系統(tǒng)整體熱動態(tài)特性簡化模型與分層熱電聯(lián)合調(diào)度模型，使模型的變量數(shù)量和計算時間有效減少，可減輕電力調(diào)度控制中心設(shè)備層面的計算難度和通信壓力以及人員層面的認知負擔(dān)，為在擁有多個集中供熱系統(tǒng)的大規(guī)模區(qū)域中應(yīng)用提供了可行手段。此外，結(jié)合調(diào)峰輔助服務(wù)市場背景，對考慮熱動態(tài)特性的電熱協(xié)調(diào)運行調(diào)峰輔助服務(wù)進行的效益分析，對所建立模型的應(yīng)用進行了初步探索。項目工作論證了將建筑儲熱納入到電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行體系中的可行性，建立了考慮建筑熱動態(tài)特性的電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行框架，可為促進大規(guī)?？稍偕茉聪{提供有益參考。 2100433B

針對我國三北地區(qū)因風(fēng)熱沖突而導(dǎo)致的風(fēng)電消納困難，本研究將建筑儲熱納入到我國電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行體系中，以充分發(fā)揮與電力系統(tǒng)耦合的熱力系統(tǒng)的柔性，提高電力系統(tǒng)靈活運行能力，促進可再生能源大規(guī)模消納。通過研究建筑熱動態(tài)特性，探尋適用于電熱協(xié)調(diào)運行的簡化而有效的建筑熱動態(tài)特性模型，建立熱電廠供熱區(qū)域內(nèi)建筑熱負荷的總體模型，研究考慮建筑熱動態(tài)特性的電熱協(xié)調(diào)運行模型，為促進大規(guī)?？稍偕茉聪{提供理論參考。

混凝土輻射供冷技術(shù)以其節(jié)能、舒適等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。由于建筑得熱及空調(diào)運行過程均具有動態(tài)變化的特點，只有充分研究混凝土輻射供冷系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，并在設(shè)計和運行控制階段充分利用，才能完全實現(xiàn)該空調(diào)方式的節(jié)能效果。 本課題首先利用RC（熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)法）、反應(yīng)系數(shù)法和頻域回歸法分別建立混凝土輻射供冷樓板簡化傳熱計算模型；之后搭建混凝土輻射供冷樓板系統(tǒng)的全尺寸標(biāo)準實驗艙并利用實驗艙測得的實驗數(shù)據(jù)對簡化傳熱模型進行驗證，在此基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 數(shù)學(xué)軟件對簡化傳熱模型進行程序設(shè)計，建立起圖形用戶窗口界面（GUI）；最后利用TRNSYS模擬軟件和簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板供冷房間的熱動態(tài)響應(yīng)特性進行研究。 本課題的主要研究成果包括： （1）根據(jù)歐盟EN 14240、ASHRAE standard138和我國頒布的行業(yè)標(biāo)準，建造完善輻射供冷末端性能測試平臺并對實驗平臺性能進行測試評定，測試結(jié)果表征與歐盟平臺測試結(jié)果吻合一致，達到設(shè)計要求。 （2）利用RC（熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)法）、反應(yīng)系數(shù)法和頻域回歸法建立混凝土輻射供冷樓板簡化傳熱計算模型，并對所建立的簡化傳熱模型進行實驗驗證：穩(wěn)態(tài)工況下，簡化傳熱模型熱流密度計算誤差在6%以內(nèi)，表面溫度計算誤差在0.3℃以內(nèi)，非穩(wěn)態(tài)工況下，熱流密度計算誤差在9%以內(nèi)，表面溫度計算誤差在0.7℃以內(nèi)，之后利用 MATLAB 數(shù)學(xué)軟件對簡化傳熱模型進行程序設(shè)計，建立起圖形用戶窗口界面（GUI）； （3）通過實驗、模擬及理論分析相結(jié)合的方式，對混凝土輻射供冷房間的蓄放熱動態(tài)特性進行了研究，分析供水側(cè)參數(shù)變化、房間側(cè)參數(shù)變化和空調(diào)啟停過程中供冷房間熱動態(tài)響應(yīng)規(guī)律； （4）利用所建立的簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板動態(tài)傳熱過程進行分析計算，得到各參數(shù)對蓄熱層厚度的影響規(guī)律并通過計算得到工程中常用混凝土輻射供冷樓板結(jié)構(gòu)形式的蓄熱層厚度：在無保溫層的情況下50-130mm，有保溫層的情況下100-200mm； （5）利用簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板熱動態(tài)響應(yīng)特性進行研究得到室內(nèi)得熱與水側(cè)冷負荷轉(zhuǎn)化關(guān)系并借此得到在混凝土輻射供冷樓板供冷能力下該系統(tǒng)的運行控制策略。 通過以上實驗研究和模型擴展分析，形成一般性規(guī)律，可以指導(dǎo)混凝土輻射供冷系統(tǒng)設(shè)計和運行。 2100433B

混凝土輻射供冷是一種節(jié)能舒適的建筑空調(diào)技術(shù)?；炷凛椛涔├浞绞较陆ㄖ徇^程與空調(diào)系統(tǒng)供冷過程存在直接的耦合作用，所以其動態(tài)熱過程必將受到建筑蓄熱和室內(nèi)環(huán)境控制的影響和限制。由于其中耦合作用規(guī)律未被系統(tǒng)認知，混凝土輻射供冷系統(tǒng)的實際運行節(jié)能效果遠遠低于預(yù)期。本課題采用理論模擬分析、實驗研究和工程測試相結(jié)合的研究方法，以混凝土輻射供冷建筑房間為研究主體，進行供冷末端非穩(wěn)態(tài)傳熱模型、房間的熱響應(yīng)和蓄放熱動態(tài)特性研究，揭示室內(nèi)熱舒適、房間得熱、供能調(diào)節(jié)以及建筑體蓄放熱在房間蓄傳熱過程和空調(diào)供冷過程中的相互作用規(guī)律，獲得混凝土輻射供冷方式下房間得熱-負荷轉(zhuǎn)化衰減和延遲的一般性規(guī)律和數(shù)學(xué)計算方法、房間供冷蓄冷過程與室內(nèi)熱舒適相互關(guān)聯(lián)作用關(guān)系以及房間其他蓄熱體對供冷蓄冷過程的定量影響規(guī)律，為完善混凝土輻射供冷技術(shù)體系，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和制定節(jié)能舒適的運行調(diào)控策略提供理論指導(dǎo)。