热电冷联负荷计算管理论文

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摘要：热电冷负荷的模拟计算是热电冷联产系统优化配置的基础，负荷计算结果的准确性将直接影响到联产系统方案设计的好坏。本文从不同类型建筑热电冷负荷的基本构成出发，在对不同建筑类型负荷的变化特点进行分析的基础上，提出“负荷因子”的概念，进而得出了负荷模拟计算的基本原理；并以写字楼为例，提出了写字楼的负荷预测模型，并对其电力负荷模型进行了初步的验证，实测值与预测值吻合较好，其可用于写字楼联产系统中负荷的模拟预测，为热电冷联产系统的优化设计奠定了基础。

关键词：热电冷联产负荷模拟计算写字楼负荷预测模型

1.前言

在热电冷联产系统的方案设计中，热电冷负荷的模拟计算是热电冷联产系统优化设计的基础，负荷计算结果的准确性对联产系统优化设计的成败起着至为关键的作用。然而，在建筑的规划阶段，一般只能确定该建筑最基本的信息：如使用功能和相应面积等，它反映的只是该建筑类型的共性。如何从这些基本信息来模拟不同建筑类型的热电冷负荷呢？

目前，在热电冷联产系统方案设计中，热电冷负荷计算常采用建筑物的设计负荷来进行，即根据每平方米的设计热负荷、冷负荷与电负荷来计算建筑物的总热电冷负荷。楼宇热电冷联产系统机组的选取，常采取以电基本负荷定机组容量、电力并网不上网的设计原则，经济性的评价也采取规定运行小时数的方法来进行。这种传统的设计方法可以初步确定机组的容量，但由于设计负荷不能反映出不同建筑类型负荷的逐时变化特点，不能反映热电冷负荷间的相互作用与联系，方案也就难以在分时电价模式下进行模拟，也就不能给出各个不同时段机组具体的运行策略，不能对系统进行全年逐时的技术经济模拟分析[1-2]，因而，基于传统设计负荷方法的联产方案，也就难以做到真正的优化设计。

本文在对不同建筑类型负荷的基本构成及变化特点进行分析的基础上，提出利用“负荷因子”来反映不同建筑类型负荷的逐时变化特点，进而得出了负荷模拟计算的基本原理；并以写字楼为例，提出了写字楼的负荷预测模型，

2.负荷模拟计算原理

在建筑的规划阶段，一般只能确定该建筑最基本的信息，如建筑的使用功能和相应面积等，每种建筑类型负荷的基本构成及变化特点是不一样的。负荷的构成及大小由建筑的使用功能、建筑级别等决定，它反映了设计负荷的概念；而负荷的逐时变化特点主要由建筑的使用功能、作息模式等因素决定，它主要反映了不同建筑类型之间差别。因而，对同种类型建筑来说，负荷的逐时变化特点可以利用一个反映该建筑类型属性的无因次因子来表述，在这里，我们把这无因次因子称为“负荷因子”，它反映的是负荷的逐时变化信息，是一个介于0～1之间逐时变化的无纲量数。各不同建筑类型的“负荷因子”，是在对该建筑类型的负荷变化机理进行分析的基础上，模拟计算而获得的。在不知道建筑更深入信息的情况下，其可根据该建筑类型的典型设置条件来相应求取。

2.1冷热负荷的计算

建筑的冷热负荷主要包括：围护结构传热负荷、新风负荷、人员设备负荷等，这三种负荷基本上各占总负荷的三分之一左右。围护结构传热负荷主要与建筑的围护结构及地理位置有关，而对于同地同种类型同档次的建筑而言，围护结构一般相差不大。新风负荷主要与人员的作息时间及密度等相关，人员设备负荷的大小主要与建筑类型及作息时间有关。当建筑类型确定时，人员设备及新风负荷的相对逐时变化信息就可基本确定了。因而，冷热负荷逐时的变化信息主要与建筑类型有关，即“负荷因子”主要由建筑类型来决定。

另外，由于同种类型建筑的级别和服务对象的差别，其冷热负荷相对大小也会相差较大，因而，可将每种类型建筑的冷热负荷分高、中、低三个等级来处理。这样就可通过设计负荷或在调研分析的基础上，确定不同等级负荷的相对大小，结合“负荷因子”的概念，就可最终确定规划阶段不同建筑类型的逐时冷热负荷，其建模计算流程如图1

2.2电负荷的模拟计算

电力负荷主要由不同建筑功能房间内各种用电设备所造成。电力负荷的大小及逐时变化

特征与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电使用性能及作息时间直接相关。

根据常见的用电设备，电力负荷主要由如下几种类型构成：

（1）照明：包括各种功能房间照明（如办公室、客房、商店等）、楼梯过道照明、立面照明、安全和疏散诱导照明等；其安装功率主要取决于建筑类型和房间功能，不同的建筑类型和房间功能有不同的照明安装功率指标；而各设备耗电使用性能主要与使用的照明设备性能相关，作息时间由功能房间所决定；

（2）空调：包括冷冻泵、冷却泵、冷却塔、采暖泵、风机盘管、空调箱、新风机组等；不同空调形式的电耗特点也不相同；

（3）动力运输：主要指电梯，如客梯、货梯、消防电梯、观景电梯、自动扶梯等。电梯功耗受到楼层高度、上下电梯人数、运行时间等因素的影响。

（4）常用电器：主要指各功能房间内所使用的电器设备；如办公室内的电脑、打印机等，电器设备种类及其安装功率可由房间功能决定，对应不同的功能房间，各设备种类及相应的安装功率不同。

（5）其它：包括各种生活水泵、消防、排烟、安全监控、损耗等；

通过上述对各用电构成的分析，可以发现：建筑类型或房间功能决定影响着其用电设备的种类、相应设备的安装功率及作息时间等，因而，也可利用“负荷因子”的概念，反映不同建筑类型电负荷的逐时变化特点，电负荷的相对大小可由建筑负荷的构成、各用电设备类型的典型耗电性能等来确定。电力负荷预测模型的计算流程如图2。

逐时电负荷的计算公式如下：

（1）

其中，为逐时总电负荷，n代表各建筑类型中各功能房间类型，j为各功能类型房间内所分担的设备类型，如照明、空调、电梯、电脑等，为各功能区面积比，，为各设备投入使用系数，它主要反映各时刻设备投入的相对量，为各设备的实际功耗性能。为与的乘积，它反映的是各设备逐时耗电系数，为“负荷因子”，为负荷设计指标。

图1冷热负荷计算模型流程图

图2电力负荷计算模型流程图

3.写字楼热电冷负荷计算模型

根据以上计算原理，在对北京典型中高层（7层～20层）写字楼进行大量的实地调研分析的基础上，可得出应用于写字楼热电冷负荷预测的计算模型，下节为某典型写字楼热电冷负荷计算模型的设置条件。

3.1典型设置条件

3.1.1各功能区面积比

对于典型的写字楼而言，功能房间除了办公间外，还应有一些保证办公正常运转的辅助房间，如冷站、机房、职工餐厅、卫生间、楼道及大厅等，另外，由于停车场有地上地下之分，故将其单独列出，其不作为写字楼的辅助功能区。各功能区的对应面积比如表1

表1写字楼各功能区对应面积比建筑分区

办公区

公共区

辅助功能区

总计

房间功能

办公间

过道＋电/楼梯间

卫生间

冷站＋地下室

大厅＋门厅

职工餐厅

空调机房

面积比

73%

8%

2%

5%

5%

5%

2%

100%

另外，对人员密度而言，办公区可取为0.1人/m2，辅助功能区可取为0.03人/m2

3.1.2各时段人数相对百分比

由于写字楼具有较强的作息规律，根据调研结果，典型写字楼的作息时间可设置如表2

表2各时段人数相对百分比

各时段人数相对百分比

时间段

22:00-6:00

7:00

8:00-17:00

18:00-19:00

20:00-21:00

工作日

0%

10%

100%

30%

10%

节假日

0%

0%

25%

10%

0%

3.1.3各用电设备额定功率指标

(1)照明根据建筑照明标准及实地调查结果，写字楼各功能区照明安装功率指标见表2；

(2)办公设备办公间电脑安装功率取为25W/m2，打印机、复印机等可取为5W/m2；

(3)电梯对于建筑层数在7～20间的写字楼，根据调研结果，其单位面积电梯安装功率基本满足y=12.1-0.27×n其中n为楼层数，y为电梯安装功率(W/m2)，现取中间值8*W/m2；

(4)空调根据理论计算及调查结果，可得出各种空调设备的输送系数范围，其中冷站部分各设备的输送系数见表4；

(5)其它设备其他用电主要包括各种生活水泵用电、安全监控、地下车场照明及送排气用电等；由于生活水泵主要是满足人员的用水要求，根据这类生活水泵的性能特点及人均日用水的标准，可以确定各种生活水泵消耗每单位电功供水所能满足的人数。安全监控、地下车场照明及送排气用电等可根据调研结果概算。

表3写字楼各功能区照明安装功率指标房间功能

办公间

冷站＋地下室

大厅＋门厅

内部餐厅

过道＋电/楼梯间

卫生间

一般照明

非常照明

单位面积功率(W/m2)

20

10

15

20

10

5

15

表4冷站部分各设备的输送系数冷站部分各设备

冷却水泵

二次泵系统

一次泵系统

冷却塔

冷冻水一次泵

冷冻水二次泵

冷冻水泵

输送系数范围

35~45

35~45

32~42

30~45

150~200

缺省输送系数

38

38

34

32

160

3.2冷热负荷计算模型

根据上述设置参数，利用DeST对典型的写字楼进行冷热负荷计算，得到写字楼全年的冷热负荷逐时变化无因次因子，即负荷因子，如图3、图4。根据负荷因子及写字楼的典型设计负荷，就可以计算写字楼的冷热负荷。

图3(中高档)写字楼冷负荷“负荷因子”

图4(中高档)写字楼热负荷“负荷因子”

3.3电负荷计算模型

3.3.1耗电系数

耗电系数是用电设备逐时电耗与其额定功率的比值，它集中反映了各用电设备的实际耗电性能、同时使用系数等因素。正由于写字楼作息的规律性，导致了多种用电设备的耗电系数一般也只呈现工作日与节假日的差别，因而在下列部分用电设备的耗电系数图中，也只列出工作日、节假日的逐时耗电系数，其中前24小时为工作日，后24小时为节假日。

由于冷冻泵、冷却泵、冷却塔、采暖泵、风机盘管等空调相关设备的电耗与冷热负荷有关，因而这部分用电设备的耗电系数不能简单的采用上述工作日、节假日的区别来进行描述，其需根据冷热负荷及设备的性能来进行计算。当给定典型写字楼的冷热负荷时，就可得出空调相关设备全年逐时的耗电系数。

图5办公间照明设备耗电系数

图6办公间办公设备耗电系数

图7办公间风机盘管耗电系数

图8公共区电梯耗电系数

3.3.2电负荷计算模型

在求得各用电设备的额定选型功率和耗电系数后，就可以根据公式（1）得出写字楼建筑电负荷的逐时电力负荷。图9～图12即为不同空调系统中高档写字楼的电负荷的“负荷因子”及该设置条件下写字楼的单位面积电负荷。

图9电“负荷因子”(风机盘管＋新风)

图10电负荷“负荷因子”(全空气系统)

图11写字楼单位面积电负荷(风机盘管＋新风)

图12写字楼单位面积电负荷(全空气系统)

4.应用实例

为对负荷模型的准确性进行检验，利用北京某一具有代表性的中高档写字楼实际调研数据与负荷预测值进行比较。由于该写字楼冷热负荷尚无实测数据，在此只对电负荷模型进行校验。在应用负荷模型时，考虑了该楼的一些实际情况，对电负荷模型进行了充实修正。如图13~16所示，在全年逐时模拟的大多数时段内，逐时电力负荷预测值的大小及变化趋势与实际值几乎一致，该预测结果已可满足设计要求。另外，从电力负荷延时曲线的比较中，还可以看出：对于腰谷段电力负荷，负荷构成较为稳定，模型预测值与实际测量值非常吻合，而对于尖峰段电力负荷，由于制冷耗电不定因素的增多，预测难度加大，因而，尚有必要对冷热负荷到电力负荷的转变关系进行更深入的研究。

图13北京某写字楼2002年实际耗电曲线

图14北京某写字楼2002年计算耗电曲线

图1512月20日-12月21日实测值与模拟值比较

图162002年实测与预测电负荷延时曲线比较

5.小结

本章主要分析讨论了热电冷联产系统中负荷的预测模型研究，提出了利用“负荷因子”来反映不同建筑类型的逐时负荷变化特征，进而提出了针对不同建筑类型的特征分别构建热电冷负荷计算模型的建模思路。并以写字楼为例，建立了热电冷负荷预测模型，并对其电力负荷模型进行了初步的验证，实测值与预测值吻合较好，其可用于写字楼联产系统中负荷的模拟预测，为热电冷联产系统的优化设计奠定了基础。

参考文献

[1]段洁仪，冯继蓓，梁永建.北京中关村软件园燃气轮机冷热电三联供方案.03’中国分布式能源会议论文集，2003，p164-169

[2]BrahmanandMohanty&HaribandhuPanda.IntegratedEnergySystemForIndustrialComplexes.Part2:ACaseStudyUsingtheLPModel,AppliedEnergy51(1995)19-38