考虑建筑热动态特性的电热能源系统协调运行模型研究

规模化风电和高比例热电联产并存的我国三北地区，供暖期负荷低谷时段因热电联产机组以热定电运行方式而导致系统调峰能力不足，进而产生严重弃风。一种有效的解决思路是，充分发挥与电力系统耦合的热力系统的柔性，协调运行电热能源系统。作为终端热负荷，建筑物具有天然的、无需额外投资的巨大储热能力。本项目即将建筑储热纳入到我国电热能源系统协调运行体系中，以更有力地促进系统经济运行和可再生能源消纳。通过研究，取得了如下研究成果：基于热力学原理，将复杂的建筑物室内热力动态平衡特性进行抽象，建立了建筑热动态特性基础数学模型；建立了考虑建筑热动态特性的电热联合调度基础模型，在满足系统电负荷和建筑物采暖热负荷需求，同时满足电力系统和热力系统相关约束的前提下，通过协调各机组的电、热出力，实现风电消纳水平的提升和系统总运行成本的降低；建立了考虑不同建筑物热需求特性的电热联合运行模型，进一步利用公共建筑的热需求调节潜力，实现更大程度的电热协调效益；建立了考虑建筑储热特性的多区域电热协调运行模型，当某区域的建筑储热能力在能够消纳自身风电的同时尚有剩余储热容量时，可通过电力联络线这一桥梁帮助其他区域消纳风电，实现更大范围的电热协调；建立了基于自回归分布滞后时间序列的集中供热系统整体热动态特性简化模型与分层热电联合调度模型，使模型的变量数量和计算时间有效减少，可减轻电力调度控制中心设备层面的计算难度和通信压力以及人员层面的认知负担，为在拥有多个集中供热系统的大规模区域中应用提供了可行手段。此外，结合调峰辅助服务市场背景，对考虑热动态特性的电热协调运行调峰辅助服务进行的效益分析，对所建立模型的应用进行了初步探索。项目工作论证了将建筑储热纳入到电热能源系统协调运行体系中的可行性，建立了考虑建筑热动态特性的电热能源系统协调运行框架，可为促进大规模可再生能源消纳提供有益参考。 2100433B

针对我国三北地区因风热冲突而导致的风电消纳困难，本研究将建筑储热纳入到我国电热能源系统协调运行体系中，以充分发挥与电力系统耦合的热力系统的柔性，提高电力系统灵活运行能力，促进可再生能源大规模消纳。通过研究建筑热动态特性，探寻适用于电热协调运行的简化而有效的建筑热动态特性模型，建立热电厂供热区域内建筑热负荷的总体模型，研究考虑建筑热动态特性的电热协调运行模型，为促进大规模可再生能源消纳提供理论参考。

混凝土辐射供冷技术以其节能、舒适等优点，具有良好的发展前景。由于建筑得热及空调运行过程均具有动态变化的特点，只有充分研究混凝土辐射供冷系统动态响应特性，并在设计和运行控制阶段充分利用，才能完全实现该空调方式的节能效果。 本课题首先利用RC（热阻热容网络法）、反应系数法和频域回归法分别建立混凝土辐射供冷楼板简化传热计算模型；之后搭建混凝土辐射供冷楼板系统的全尺寸标准实验舱并利用实验舱测得的实验数据对简化传热模型进行验证，在此基础上，利用 MATLAB 数学软件对简化传热模型进行程序设计，建立起图形用户窗口界面（GUI）；最后利用TRNSYS模拟软件和简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板供冷房间的热动态响应特性进行研究。 本课题的主要研究成果包括： （1）根据欧盟EN 14240、ASHRAE standard138和我国颁布的行业标准，建造完善辐射供冷末端性能测试平台并对实验平台性能进行测试评定，测试结果表征与欧盟平台测试结果吻合一致，达到设计要求。 （2）利用RC（热阻热容网络法）、反应系数法和频域回归法建立混凝土辐射供冷楼板简化传热计算模型，并对所建立的简化传热模型进行实验验证：稳态工况下，简化传热模型热流密度计算误差在6%以内，表面温度计算误差在0.3℃以内，非稳态工况下，热流密度计算误差在9%以内，表面温度计算误差在0.7℃以内，之后利用 MATLAB 数学软件对简化传热模型进行程序设计，建立起图形用户窗口界面（GUI）； （3）通过实验、模拟及理论分析相结合的方式，对混凝土辐射供冷房间的蓄放热动态特性进行了研究，分析供水侧参数变化、房间侧参数变化和空调启停过程中供冷房间热动态响应规律； （4）利用所建立的简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板动态传热过程进行分析计算，得到各参数对蓄热层厚度的影响规律并通过计算得到工程中常用混凝土辐射供冷楼板结构形式的蓄热层厚度：在无保温层的情况下50-130mm，有保温层的情况下100-200mm； （5）利用简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板热动态响应特性进行研究得到室内得热与水侧冷负荷转化关系并借此得到在混凝土辐射供冷楼板供冷能力下该系统的运行控制策略。 通过以上实验研究和模型扩展分析，形成一般性规律，可以指导混凝土辐射供冷系统设计和运行。 2100433B

混凝土辐射供冷是一种节能舒适的建筑空调技术。混凝土辐射供冷方式下建筑热过程与空调系统供冷过程存在直接的耦合作用，所以其动态热过程必将受到建筑蓄热和室内环境控制的影响和限制。由于其中耦合作用规律未被系统认知，混凝土辐射供冷系统的实际运行节能效果远远低于预期。本课题采用理论模拟分析、实验研究和工程测试相结合的研究方法，以混凝土辐射供冷建筑房间为研究主体，进行供冷末端非稳态传热模型、房间的热响应和蓄放热动态特性研究，揭示室内热舒适、房间得热、供能调节以及建筑体蓄放热在房间蓄传热过程和空调供冷过程中的相互作用规律，获得混凝土辐射供冷方式下房间得热-负荷转化衰减和延迟的一般性规律和数学计算方法、房间供冷蓄冷过程与室内热舒适相互关联作用关系以及房间其他蓄热体对供冷蓄冷过程的定量影响规律，为完善混凝土辐射供冷技术体系，优化系统设计和制定节能舒适的运行调控策略提供理论指导。