基于动态负荷预测的建筑冷热电联供系统动态特性研究

冷热电联供技术在近些年得到了广泛的发展，但一些示范工程表明，实际应用中存在负荷率低下、系统适应性不强、综合效益不明显等问题。一个重要原因是系统实际运行不能与实际负荷需求形成有效的匹配。其涉及用户负荷预测、系统优化设计、变工况运行策略及性能评价等多方面，尤其有必要对系统变工况下运行特性进行研究以应对实际运行中复杂多变的负荷。为此，本项目主要做了以下几个方面工作。第一，基于人员流动和气候随机变化，建立了建筑分区动态负荷预测模型，通过动态负荷预测可以为系统变工况运行提供重要参考；第二，提出了一种基于最小距离的系统优化设计方法，研究表明基于这种方法优化的系统性能要优于其它常用方法；第三，研究了冷热电联供系统中典型部件的数学模型，为系统建模和变工况性能预测提供了理论依据；第四，对变工况下的系统动态特性进行了实验研究，并将实验结果与理论预测进行了对比；第五，研究了变工况下系统最优化运行策略和性能分布，为系统在实际变工况运行中提供理论依据，同时对全年下的系统变工况性能进行了分析；第六，研究了孤岛模式下的系统独立运行及能量输出特性，提出了三种调节能量输出的策略；第七，分别提出了基于模糊区间和层次分析法、基于聚类与判别分析的冷热电联供后评估模型及方法。 2100433B

冷热电联供是近些年国内外蓬勃发展的一种能源供应形式。它可以利用低品位余热，实现能源梯级利用。因此，将其应用到建筑中去节能潜力巨大。然而由于缺乏对建筑物负荷的准确预测，致使设备选型不合理，系统长期处于较低部分负荷率下运行；此外对系统的动态变工况性能的研究很少，使得系统缺乏有效的动态控制，可靠性较差。围绕上述问题，该项目首先研究人员分布和流动以及外部气候参数动态变化对建筑物各区冷、热、电负荷的影响，建立综合考虑人员和气候随机因素的建筑物分区动态负荷预测模型；其次，建立基于最优化控制策略的建筑冷热电联供系统动态数学模型，确立高效数值算法；再次，研究建筑冷热电联供系统全年工况的控制算法以及系统内部各参量的动态变化特性；最后，通过构建实验平台，对模型进行验证。通过上述研究，形成一套包括建筑物动态负荷预测、系统动态控制和变工况优化运行在内的建筑冷热电联供系统分析设计理论，为相关研究提供指导和理论支撑。

气象参数对建筑动态冷热负荷的作用十分明显，各类气象参数如空气温度、相对湿度、水平面直射辐射、散射辐射、风速、风向等共同驱动着建筑的动态热响应。基于逐时气象预报数据提前对建筑动态冷、热负荷做出预测，能够为日后根据负荷变化调节优化能源系统运行策略提供理论基础。本项目着力在分析各类气象参数对建筑动态冷、热负荷的敏感性特性的基础上，基于数据驱动的方法建立建筑动态冷热负荷预测理论计算模型，利用气象预报的逐时典型气象参数气象预报数据对其结果进行科学修正的计算方法，并通过编写计算程序建立完整的动态冷热负荷预测模型，基于MATLAB的GUI工具箱开发了建筑冷热负荷预测系统，主要包括数据导入、模型训练以及预测功能模块。取得的重要结果如下：敏感性分析结果显示，对冷负荷影响较大的气象参数依次为干球温度、水平面总辐射、相对湿度、水平面散射辐射，相关性系数分别为0.927、0.587、0.573、0.566，对热负荷影响较大的气象参数为干球温度，相关性系数为0.781，太阳辐射的影响较小，相关性系数小于0.2；基于小波变换、支持向量机（SVM）和偏最小二乘回归方法（PLS）建立建筑动态冷热负荷组合预测模型（Wavelet-SVM-PLS），采用实时监测的相关气象参数分别进行了提前1、2、3、24小时的冷热负荷预测，预测精度整体上优于与其他模型。其中，提前1小时负荷预测精度最高，提前24小时的精度最低，冷负荷预测模型的平均绝对相对误差指标分别为2.60%和9.87%，热负荷预测模型分别为3.99%和12.19%；基于蒙特卡洛随机抽样法修正天气预报数据，以基于SVM单一负荷预测模型为例，研究结果表明修正后的天气预报数据，可以使提前24小时的负荷预测误差从11.54%进一步降低到10.92%，证明了方法的可行性。本项目实现了基于逐时气象预报数据提前对建筑动态冷、热负荷做出预测，能够为日后根据负荷变化调节制定能源系统的前馈运行策略提供基础理论的依托，解决了实时运行能耗模拟软件的复杂性及耗时长的问题，这对于改善室内热舒适、降低建筑能耗具有基础性的研究意义。 2100433B

气象参数对建筑动态冷热负荷的作用十分明显，各类气象参数如空气温度、相对湿度、水平面直射辐射、水平面散射辐射、风速、云量等结合起来共同驱动着建筑的动态热响应。基于逐时气象预报数据提前对建筑动态冷、热负荷做出预测，能够为日后根据负荷变化调节制定能源系统的前馈运行策略提供基础理论的依托，从而为提高建筑室内热舒适度、降低建筑的运行能耗奠定理论基础。本项目致力于深化研究气象参数作用于建筑热环境领域所涉及的一系列基础性问题，着力在分析各类气象参数对建筑动态冷、热负荷的敏感性特性的基础上，研究基于逐时气象参数预报的建筑动态冷热负荷预测计算模型，探索在气象预报条件下的动态负荷预测与典型气象条件下的全年逐时负荷模拟结果的修正关系及其计算原理。并通过编写计算程序建立完整的动态冷热负荷预测模型，结合案例建筑的全周期运行结果，对该模型进行误差分析及不确定性分析，综合评价模型的适用性和准确性。

结构动态特性（dynamic properties of structure），是表示结构动态特征的基本物理量。一般指结构的自振周期或自振频率、振型和阻尼。结构动力特性的一种现代方法，模态分析以振动理论作为基础，以模态参数作为目标函数，以辨别系统模态参数为最终目的，为结构的振动分析、设备故障诊断和和结构动力特性的优化提供了理论支持。

结构固有动态分析在数学上称之为特征值和特征向量分析，包含固有频率与固有模态分析，是结构动力学中的主要任务之一。结构固有特性分析是为了研究结构振动的固有规律和内在本质，为结构动力学的进一步分析打下基础，在工程的实际应用以及在求解结构动力响应方面具有重要的意义。已经发展了许多求解动态特性问题的数值方法。2100433B