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

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(jìn)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(fù)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(jìn)大規(guī)?？稍偕茉聪{提供理論參考。

規(guī)?；L(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(fù)荷低谷時段因熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以熱定電運行方式而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)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(fù)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(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(fù)荷和建筑物采暖熱負(fù)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(jī)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(jìn)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(rèn)知負(fù)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(jìn)行的效益分析，對所建立模型的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)大規(guī)模可再生能源消納提供有益參考。 2100433B

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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)，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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行研究得到室內(nèi)得熱與水側(cè)冷負(fù)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(kuò)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(rèn)知，混凝土輻射供冷系統(tǒng)的實際運行節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(fù)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)。