CN110648252A - 基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法 - Google Patents

基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法 Download PDF

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CN110648252A CN201910915190.2A CN201910915190A CN110648252A CN 110648252 A CN110648252 A CN 110648252A CN 201910915190 A CN201910915190 A CN 201910915190A CN 110648252 A CN110648252 A CN 110648252A
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Abstract

本申请属于能源利用技术领域，尤其涉及一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法。热电联供机组(CHP)因为其热电联产模式，能源利用效率远高于单独产热或产电的机组。但是CHP机组的建筑物热电调度存在着准确度差、效率不高且浪费资源的问题。本申请提供一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，每隔Δt调度一次，类似于变频效果，可使CHP机组与现实情况中的室外环境温度高度配合，满足了建筑物供热的需求的同时避免资源浪费，更具经济性，本申请使CHP机组天然气消耗量的质量流速调度更加精确，节约成本同时对环境更友好，适于在行业内推广应用。

Description

基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法
技术领域
本申请涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法。
背景技术
热电联供机组(CHP)因为其热电联产模式，能源利用效率远高于单独产热或产电的机组。因此以CHP机组为核心，构建分布式综合能源***，满足区域供热和部分的供电需求已经成为一个切实可行的能源供应推广方案。而其中核心为热电联合调度的方法，合理的热电联合调度方法，在满足供热供电需求的同时，能够节约化石能源，具有良好的环境效益和经济效益。
综合能源***组成复杂，耦合元件较多，各个能源子***之间的研究方法、时间尺度、***惯性等差异显著，联合调度难度较大。在目前热电联合优化调度的研究中，热负载一般假定认为是已知的，在实际运行中热负荷也大多为估计值；而现有研究中对于具体热负载的物理模型，以及热负荷与外界环境温度之间的变化关系并没有详细阐述，这不利于热电联合优化调度结果的准确性。
考虑到人体期望的舒适室内温度，基于静态的热平衡等式，通过采取较小的仿真时长，并考虑建筑物室内温度与室外温度差所带来的热耗散，提出建筑物的动态热平衡模型，以反映热负荷的动态变化过程，以及建筑物自身所具有的一定储热特性，该储热特性可以为热电联合调度提供一定的柔性，在此基础上将热能和电能的供需协同优化统一在一个优化框架中。以便解决现有的热电联合调度方案准确度差、效率不高的问题。
发明内容
本申请提供了一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，以解决现有的热电联合调度方案准确度差、效率不高的问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，包括以下步骤：
设定调度时间间隔Δt，设定建筑物室内温度Tin,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定建筑物室外温度Tout,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定舒适温度Tin，其中，
Figure BDA0002215924990000011
Figure BDA0002215924990000012
和
Figure BDA0002215924990000013
分别为舒适温度的下限和上限；
根据建筑物室内温度Tin,t0+nΔt和建筑物室外温度Tout,t0+nΔt，求解建筑物热耗散功率，公式如下：
Ph_out,t0+nΔt＝KS(Tin,t0+nΔt-Tout,t0+nΔt)β(n＝0，1，…)
式中，Ph_out,t0+nΔt为t0+nΔt时刻下的建筑物热耗散功率，K为围栏结构传热系数，S为围栏结构的面积，β为耗散修正系数；
根据建筑物室内温度在两个相距Δt时刻之间变化所需要的动态热量与CHP机组输出的热功率及建筑物耗散热功率之间的等式关系，求解CHP机组输出的热功率Pchp_h,t0+nΔt，公式如下：
Figure BDA0002215924990000021
式中，CM为等效的建筑物比热容与质量乘积；
根据固定热电比CHP机组消耗的天然气与产生的电功率以及热功率的关系式：
K1MNG,t0+nΔt＝aPchp_e,t0+nΔt+b (n＝0，1，···)
K2Pchp_e,t0+nΔt＝Pchp_h,t0+nΔt (n＝0，1，···)
式中，K1(MWs/kg)为单位天然气的热值，a以及b为CHP机组能源转换系数，K2为机组的固定热电比，Pchp_e,t0+nΔt(kW)和Pchp_h,t0+nΔt(kW)分别为CHP机组在t0+nΔt时刻输出的电功率和热功率，求解CHP机组天然气消耗量的质量流速MNG,t0+nΔt(kg/s)，得出在t0+nΔt时刻的CHP机组天然气消耗量的质量流速的范围如下：
Figure BDA0002215924990000022
可选的，如果CHP机组产生的电功率大于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速运行，如果CHP机组产生的电功率小于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure BDA0002215924990000024
运行，如果建筑物消耗的电功率处于CHP机组产生的电功率范围内，则CHP机组以产生与建筑物消耗的电功率相同的电功率运行。
可选的，所述调度时间间隔Δt的时间尺度为分钟级。
可选的，所述调度时间间隔Δt为10分钟。
可选的，所述建筑物室外温度Tout,t0+nΔt为短期气象预报在t0+nΔt至t0+nΔt+Δt时间段的室外预测温度。
可选的，所述调度时间间隔Δt＝30s。
可选的，所述CM为等效的建筑物比热容与质量乘积，所述等效的建筑物包括建筑本身以及建筑内空气。
本申请采用的技术方案有益效果如下：
本申请通过设定调度时间间隔Δt，每隔Δt调度一次，从而避免了固定的CHP机组运作参数造成的资源浪费；根据建筑物室内温度和建筑物室外预测温度，由于建筑物室外预测温度在一天中总在不断的变化过程中，通过建筑物室内温度动态变化所需要的热量与CHP机组输入热功率以及建筑物耗散热功率之间的关系式，可精确测量达到室内舒适温度所需要的CHP机组运作参数，从而更高效地完成建筑物热电调度。由于室内舒适温度为一个温度区间，因此CHP机组运作参数也存在一个调节区间或者调节窗口，体现出调度热负荷的柔性以及弹性；再通过CHP机组产生电功率与建筑物消耗的电功率的大小比较约束，确定最佳的CHP机组调度的运作参数，即确定CHP机组天然气消耗量的质量流速。本申请通过每间隔Δt调度一次CHP机组运作参数，类似于变频效果，可更加与现实情况中的室外温度动态配合，满足了建筑物供热的需求的同时避免资源浪费，更具经济性，CHP机组天然气消耗量的质量流速调度更加精确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的流程框图；
图2为本申请实施例的调度示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的***和方法的示例。
参见图1和图2，以便于理解下述本申请实施例的技术方案。
本申请提供的一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，包括以下步骤：
S101,设定调度时间间隔Δt，设定建筑物室内温度Tin,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定建筑物室外温度Tout,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定舒适温度Tin，其中，
Figure BDA0002215924990000042
和分别为舒适温度的下限和上限；
S102,根据建筑物室内温度Tin,t0+nΔt和建筑物室外温度Tout,t0+nΔt，求解建筑物热耗散功率，公式如下：
Ph_out,t0+nΔt＝KS(Tin,t0+nΔt-Tout,t0+nΔt)β(n＝0，1，…)
式中，Ph_out,t0+nΔt为t0+nΔt时刻下的建筑物热耗散功率，K为围栏结构传热系数，S为围栏结构的面积，β为耗散修正系数；
S103,根据建筑物室内温度在两个相距Δt时刻之间变化所需要的动态热量与CHP机组输出的热功率及建筑物耗散热功率之间的等式关系，求解CHP机组输出的热功率Pchp_h,t0+nΔt，公式如下：
Figure BDA0002215924990000044
式中，CM为等效的建筑物比热容与质量乘积；
S104,根据固定热电比CHP机组消耗的天然气与产生的电功率以及热功率的关系式：
K1MNG,t0+nΔt＝aPchp_e,t0+nΔt+b (n＝0，1，···)
K2Pchp_e,t0+nΔt＝Pchp_h,t0+nΔt (n＝0，1，···)
式中，K1(MWs/kg)为单位天然气的热值，a以及b为CHP机组能源转换系数，K2为机组的固定热电比，Pchp_e,t0+nΔt(kW)和Pchp_h,t0+nΔt(kW)分别为CHP机组在t0+nΔt时刻输出的电功率和热功率，求解CHP机组天然气消耗量的质量流速MNG,t0+nΔt(kg/s)，得出在t0+nΔt时刻的CHP机组天然气消耗量的质量流速的范围如下：
Figure BDA0002215924990000045
本实施例中，设定调度时间窗口为每隔Δt，区别于常规使用固定调度参数的技术方案，目前领域内通常只设定一次调度参数，而一天中环境温度往往处于不断变化中，采用固定参数运行CHP机组将造成大量的资源的浪费。因此在本实施例中，每隔Δt调整一次调度方案即调整CHP机组的运行参数，适应一天中不断变化的环境温度，在建筑物外环境温度较高时，适当降低CHP机组的运行参数中天然气的质量流速，当建筑物外环境温度较低时，相应的提高CHP机组的运行参数中天然气的质量流速，始终满足建筑物内的温度在人体感觉舒适的温度范围内，此外，人体感觉舒适的温度值存在一个范围，温度在此范围内波动，认为人体的感觉是舒适的，因而，人体感觉舒适的温度具备一定的弹性，本实施例的调度方法即在此温度范围内调整，同时尽量避免资源的浪费。
需要理解的是，在本实施例中，有一个前提条件，就是在t0时刻，已经默认为此时建筑物室内温度在人体感觉舒适的温度范围内。实际上，在本申请中，均存在此前提条件，即无论从任何时间节点开始，均默认建筑物内温度为人体感觉舒适的温度范围内。
可选的，如果CHP机组产生的电功率大于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure BDA0002215924990000051
运行，如果CHP机组产生的电功率小于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure BDA0002215924990000052
运行，如果建筑物消耗的电功率处于CHP机组产生的电功率范围内，则CHP机组以产生与建筑物消耗的电功率相同的电功率运行。
本实施例中，热电联产(又称汽电共生，英语：Cogeneration,combined heat andpower，缩写：CHP)，是利用热机或发电站同时产生电力和有用的热量。本申请中的CHP机组使用天然气作为燃料，通过燃烧天然气以产生热能和电能，CHP机组产生的热功率和电功率分别为Pchp_h,t0+nΔt(kW)和Pchp_e,t0+nΔt(kW)。由于本申请中的CHP机组主要目的是为了供热，即使建筑物保持人体舒适的温度，与此同时产生的电能用于建筑物内的耗电。在本实施例中，兼顾考虑建筑物消耗的电功率，以最低成本的天然气质量流速运行CHP机组：如果CHP机组产生的电功率大于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure BDA0002215924990000053
运行，此时建筑物消耗的电功率较低，CHP机组产生的电能完全能够满足，因此，只需要以达到人体舒适温度的最低值运行工CHP机组即可满足建筑物的温度和耗电需求；同理，如果CHP机组产生的电功率小于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure BDA0002215924990000054
运行，此时，不足的电能从电网中购买，即能满足经济性要求；如果建筑物消耗的电功率处于CHP机组产生的电功率范围内，则CHP机组以产生与建筑物消耗的电功率相同的电功率运行，此时CHP机组产生的电能与建筑物消耗的电能相等，同时产生的热能使建筑物内温度保持在人体舒适的温度范围内。
可选的，所述调度时间间隔Δt的时间尺度为分钟级。
本实施例中，进一步限定调度时间间隔Δt的时间尺度为分钟级，使调度更趋频繁，对外界环境温度的波动更加敏感，也体现本申请的智能性，调节更加准确和及时，有利于进一步降低天然气的消耗量，节约成本。
可选的，所述调度时间间隔Δt为10分钟。
本实施例中，将调度时间间隔Δt设置为10分钟，一小时调节六次，便于调度，在实际操作过程中更简便。
可选的，所述建筑物室外温度Tout,t0+nΔt为短期气象预报在t0+nΔt至t0+nΔt+Δt时间段的室外预测温度。
本实施例中，为了对调度进行指导和提供标准，需要获知t0+nΔt至t0+nΔt+Δt时间段的室外预测温度，通过短期气象预报获知Tout,t0+nΔt，为调度方案提供数据支持，使调度更加符合一天中室外气温变化的规律，从而使得室内温度始终保持在人体舒适温度以及最大限度节约资源。
可选的，所述调度时间间隔Δt＝30s。
本实施例中，将调度时间间隔Δt设定为30秒，进一步缩短调度的时间间隔，由于30秒时间间隔非常短，这就使CHP机组运行几乎达到实时可调，极其迅速地与环境温度相适应，达到调节建筑物室内温度至人体舒适温度的效果。
可选的，所述CM为等效的建筑物比热容与质量乘积，所述等效的建筑物包括建筑本身以及建筑内空气。
本实施例中，CM为等效的建筑物比热容与质量乘积，考虑到建筑物内空气也存在影响建筑物储热的效果，在将建筑物理想化为等效的建筑物运算参数时，将建筑物内空气也添加进等效的建筑物模型参数中，可使运算更加准确，调度更加符合实际情况，实现精准调度，进一步保证建筑物内温度在人体舒适的温度范围内。
本申请通过设定调度时间间隔Δt，每隔Δt调度一次，从而避免了固定的CHP机组运作参数造成的资源浪费；根据建筑物室内温度和建筑物室外预测温度，由于建筑物室外预测温度在一天中总在不断的变化过程中，通过建筑物室内温度动态变化所需要的热量与CHP机组输入热功率以及建筑物耗散热功率之间的关系式，可精确测量达到室内舒适温度所需要的CHP机组运作参数，从而更高效地完成建筑物热电调度。由于室内舒适温度为一个温度区间，因此CHP机组运作参数也存在一个调节区间或者调节窗口，体现出调度热负荷的柔性以及弹性；再通过CHP机组产生电功率与建筑物消耗的电功率的大小比较约束，确定最佳的CHP机组调度的运作参数，即确定CHP机组天然气消耗量的质量流速。本申请通过每间隔Δt调度一次CHP机组运作参数，类似于变频效果，可更加与现实情况中的室外温度动态配合，满足了建筑物供热的需求的同时避免资源浪费，更具经济性，CHP机组天然气消耗量的质量流速调度更加精确。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定调度时间间隔Δt，设定建筑物室内温度Tin,t0+nΔtTin,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定建筑物室外温度Tout,t0+nΔt(n＝0，1，…)，设定舒适温度Tin，其中，
Figure FDA0002215924980000011
Figure FDA0002215924980000012
Figure FDA0002215924980000013
和
Figure FDA0002215924980000014
分别为舒适温度的下限和上限；
根据建筑物室内温度Tin,t0+nΔt和建筑物室外温度Tout,t0+nΔt，求解建筑物热耗散功率，公式如下：
Ph_out,t0+nΔt＝KS(Tin,t0+nΔt_Tout,t0+nΔt)β(n＝0，1，…)
式中，Ph_out,t0+nΔt为t0+nΔt时刻下的建筑物热耗散功率，K为围栏结构传热系数，S为围栏结构的面积，β为耗散修正系数；
根据建筑物室内温度在两个相距Δt时刻之间变化所需要的动态热量与CHP机组输出的热功率及建筑物耗散热功率之间的等式关系，求解CHP机组输出的热功率Pchp_h,t0+nΔt，公式如下：
式中，CM为等效的建筑物比热容与质量乘积；
根据固定热电比CHP机组消耗的天然气与产生的电功率以及热功率的关系式：
K1MNG,t0+nΔt＝aPchp_e,t0+nΔt+b(n＝0，1，…)
K2Pchp_e,t0+nΔt＝Pchp_h,t0+nΔt(n＝0，1，…)
式中，K1(MWs/kg)为单位天然气的热值，a以及b为CHP机组能源转换系数，K2为机组的固定热电比，Pchp_e,t0+nΔt(kW)和Pchp_h,t0+nΔt(kW)分别为CHP机组在t0+nΔt时刻输出的电功率和热功率，求解CHP机组天然气消耗量的质量流速MNG,t0+nΔt(kg/s)，得出在t0+nΔt时刻的CHP机组天然气消耗量的质量流速的范围如下：
Figure FDA0002215924980000016
2.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，
如果CHP机组产生的电功率大于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure FDA0002215924980000017
运行，如果CHP机组产生的电功率小于建筑物消耗的电功率，则CHP机组以天然气消耗量的质量流速
Figure FDA0002215924980000018
运行，如果建筑物消耗的电功率处于CHP机组产生的电功率范围内，则CHP机组以产生与建筑物消耗的电功率相同的电功率运行。
3.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，所述调度时间间隔Δt的时间尺度为分钟级。
4.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，所述调度时间间隔Δt为10分钟。
5.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，所述建筑物室外温度Tout,t0+nΔt为短期气象预报在t0+nΔt至t0+nΔt+Δt时间段的室外预测温度。
6.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，所述调度时间间隔Δt＝30s。
7.根据权利要求1所述的基于柔性动态热平衡的建筑物热电调度方法，其特征在于，所述CM为等效的建筑物比热容与质量乘积，所述等效的建筑物包括建筑本身以及建筑内空气。
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