【论文精选】时滞效应对需求响应期间空调末端的影响

官网注册后

http://www.gasheat.cn

免费下载论文

http://www.gasheat.cn/Periodical/index.html

作 者： 陈孝国，胡从川，刘广东，张野，高岩

第一作者单位： 北京建筑大学  北京节能减排与城乡可持续发展省部共建国家协同创新中心

摘自《煤气与热力》2023年3月刊

参考文献示例

陈孝国，胡从川，刘广东， 等 .   时滞效应对需求响应期间空调末端的影响 ［J］ .    煤气与热力， 2023，43（3） ：A32-A36.

1    概述

对于集中式空调系统，控制动作执行后空调末端参数达到目标状态的时滞分为由系统物理性质、电信号传递导致的时滞。对于由系统物理性质导致的时滞，以执行器产生动作后直到空调末端参数发生变化的延迟时间为代表 ^{［ 1 ］} 。空调系统冷水机组发出动作使得冷水供水温度变化后，还要经过一段流动时间空调末端才会发生相应变化，这段时间就是执行器产生动作后直到空调末端参数发生变化的延迟时间 ^{［ 2 ］} 。

近年来，空调系统作为需求侧的用能大户，参与需求响应事件的情况增多，需求响应指电网负荷波动较大时，需要暂时性调节需求侧用电量以减轻电网负荷波动，需求侧用电量变化时间即需求响应时间。在需求响应时间内，空调用电情况暂时性的改变可以缩小电网负荷的峰谷差，提高电网运行的稳定性 ^{［ 3 ］} 。空调系统冷水机组的启停控制便是一种简单有效的方法，当电网负荷突发较大波动时，可暂时关闭冷水机组以降低电网负荷峰值，减轻负荷波动对电网运行的不利影响 ^{［ 4 ］} 。传统空调系统冷水机组连续运行，基本不考虑电网调峰的影响，因此通常的仿真过程也忽略时滞效应。但随着空调系统参与需求响应事件的情况增多，空调系统需要更紧密地参与电网调峰以确保电网的稳定运行 ^{［ 5 ］} 。若能计算出时滞效应对空调末端的影响，就能更清晰地描述空调系统参与需求响应的过程，从而更加准确地制定空调系统参与需求响应的计划。

目前，已有许多文献对空调系统的时滞效应进行了研究。张晓程 ^{［ 6 ］} 总结了空调时滞系统常用的控制方法，提出未来复杂的大时滞空调系统的控制应将传统经典控制方法与先进智能控制方法结合起来进行复合控制。赵志达 ^{［ 1 ］} 从时滞的角度建立集中式空调系统模型，其中包括时滞状态空间描述与数据模型和对应的控制方法，并指出了两种模型的应用条件。郭瑞军 ^{［ 2 ］} 系统分析了集中式空调系统延迟效应，指出主要延迟是由水流动引起的，并将延迟时间分为变温度调节延迟、变流速调节延迟，分别对两种延迟进行理论计算，并验证了理论算法的准确性。胡多根 ^{［ 7 ］} 将二阶模型负荷预测与参数自调整模糊控制相结合，给出了基于负荷预测的参数自调整模糊控制方法，用预测输出作为反馈信号，从而消除了时滞的不良影响。刘志渊等人 ^{［ 8 ］} 建立了区域能源系统输配管网衰减延迟模型，将供能区域内各建筑的逐时负荷需求转化为能源站的逐时出力，使得区域能源系统需求侧负荷趋向于平准化，并作为能源系统容量匹配和运行优化的基础。

上述研究为了得到精确的计算结果，大多建立了冷水输配管网模型，具有设计精细、算法复杂、理论性强的特点，在实际应用时操作繁琐且计算时间长。本文提出空调末端延时简化算法，计算最小、最大空调末端延时，以确定空调末端延时范围，为空调系统准确配合电网进行需求响应提供依据。结合算例，计算空调末端延时，分别采用传统模型、时滞模型对同一需求响应事件下的空调末端供冷量进行模拟。

2    算法设计

根据研究，建筑体形限制了管路规模，管路规模与时滞效应强度成正相关，时滞效应影响空调末端导致延时和温升。因此，以建筑体形为基础进行简化计算，以计算空调末端延时。

2.1   空调末端延时算法

2.2   空调末端供冷量

2.3   算法验证

分别用两套建筑空调系统，验证简化算法的准确性。算例 1 为某展览馆的展区层，展区层平面轮廓为矩形。算例2为建筑轮廓不规则的某酒店大楼客房层，假设1个矩形轮廓替代原建筑平面轮廓，以此将不规则的建筑平面轮廓规则化。与实际管程相比，由简化算法得到的计算管程最大相对误差的绝对值为8%，说明简化算法比较准确。

3    计算与分析

3.1   计算条件与结果

将简化算法用于某办公建筑空调系统的时滞效应计算。空调系统设计供水温度为 7 ℃，供回水温差为5 ℃，冷水质量流量76 kg/s。建筑7 ~ 21层为空调层，由位于地下1层的1套空调冷水机组供冷。典型空调层空调末端布置见图1。简化后典型空调层空调末端布置见图2，立管视为位于建筑平面中心，图中立管用红色三角表示，支管用红色线条表示，空调末端用红色圆点表示。简化算法设定参数见表1。流速由冷水流量与干管、立管、支管内直径计算得到。由计算结果可知，距制冷机房最近空调末端延时为49.1 s，距制冷机房最远空调末端延时130.3 s。

图 1    典型空调层空调末端布置

图 2    简化后典型空调层空调末端布置

表 1    简化算法设定参数

3.2   相关分析

各楼层的空调末端延时范围见表 2 。由表2可知，空调末端延时随楼层增大而延长，由于各楼层管道、空调末端布置情况相同，因此各楼层空调末端的延时变化范围宽度也相同。

表 2    各楼层的空调末端延时范围

最小、最大空调末端延时的组成见表 3 。由表3可知，距制冷机房最近空调末端干管延时与距制冷机房最远空调末端干管延时相同，因此立管延时、平面延时决定了空调末端延时。而当立管流速、支管流速一定时，建筑体形是影响立管延时、支管延时的主要因素。因此，立管流速、支管流速一定时，建筑体形是空调末端延时的主要影响因素。

表 3    最小、最大空调末端延时的组成

4    时滞效应的影响

为了探究时滞效应对空调冷水机组参与需求响应的影响，分别采用传统模型、时滞模型对同一需求响应事件下的空调末端供冷量进行模拟。模型为空调水系统动态模拟平台 ^{［ 12 ］} ，该模型可在输入围护结构传热系数、室外温湿度、空调系统设备参数等信息后对空调系统进行动态模拟，并按固定时间间隔循环计算后输出空调系统各项运行参数，以此得到在时滞效应影响下空调末端的供冷量及水温（空调末端的进水温度）。

模型设置冷水供水温度为 7 ℃，供回水温差5 ℃，冷水质量流量76 kg/s，空调末端供冷量由式（8）计算。末端设备为风机盘管，额定制冷量为2.7 kW，供冷期室内设计温度为26 ℃。

①传统模型也采用文献［12］的模拟平台，需求响应时段冷水机组及水泵停机，冷水机组不再提供冷水，空调末端不再为房间提供冷量。需求响应结束后，冷水机组立即恢复提供冷水，空调末端立即按照冷水机组出口水温为房间提供冷量。不考虑时滞效应对冷水系统的影响。

②时滞模型在传统模型基础上考虑了时滞效应。需求响应时段冷水机组停机但水泵保持运行，冷水机组不再提供冷量，空调末端利用冷水管道内余冷为房间提供冷量，在此期间，空调末端的进水温度逐渐升高。需求响应结束后，冷水机组立即恢复提供冷水，冷水机组出水到空调末端的过程考虑时滞效应。

空调系统于 12：00 收到需求响应指令，冷水机组随即停机，停机时间20 min。时滞模型需求响应时段空调末端供冷量与水温的变化见图3。由图3可知，水温越高风机盘管供冷量越低，当水温上升至18 ℃时，风机盘管供冷量接近0，此现象在文献［13］、［14］中得到证实。

图 3    时滞模型需求响应时段空调末端供冷量与水温的变化

需求响应时段两种模型空调末端供冷量变化见图 4 。由图4可知，在冷水机组停机和重启的瞬间，传统模型的空调末端供冷量立刻发生变化。时滞模型考虑空调末端延时的影响，空调末端供冷量变化比冷水机组停机和重启的时间有延迟，真实反映空调系统在参与需求响应时空调末端供冷量的变化。

图 4    需求响应时段两种模型空调末端供冷量变化

5    结论

①立管流速、支管流速一定时，建筑体形是空调末端延时的主要影响因素。

②时滞模型考虑空调末端延时的影响，空调末端供冷量变化比冷水机组停机和重启的时间有延迟，真实反映空调系统在参与需求响应时空调末端供冷量的变化。

参考文献：

［  1  ］赵志达. 基于时滞辨识的中央空调系统建模及优化控制研究（博士学位论文）［D］. 成都：西南交通大学，2019：27-70.

［  2  ］郭瑞军. 基于延迟效应分析的空调水系统负荷前馈控制策略研究（硕士学位论文）［D］. 天津：天津大学，2018：9-26.

［  3  ］刘萌，游大宁，刘航航，等. 楼宇中央空调参与电网调度与控制应用研究［J］. 山东电力技术，2021 （4） ： 8-13.

［  4  ］TANG R，WANG S W，YAN C C. A Direct Load Control Strategy of Centralized Air-conditioning Systems for Building Fast Demand Response to Urgent Requests of Smart Grids［J］. Automation in Construction，2018，87：74-83.

［  5  ］张铁岩，程珊珊，回茜，等. 温控负荷不确定时滞下微网电压稳定鲁棒控制［J］. 太阳能学报，2021 （4） ： 101-106.

［  6  ］张晓程. 空调系统大时滞过程控制方法综述［J］. 洁净与空调技术，2015 （3） ： 29-32.

［  7  ］胡多根. 基于负荷预测的空调冷冻水系统参数自调整模糊控制（硕士学位论文）［D］. 合肥：合肥工业大学，2010：33-44.

［  8  ］刘志渊，于航，黄子硕. 考虑管网衰减延迟特性的分布式能源站实时出力计算［J］. 暖通空调，2017 （4） ： 19-22.

［  9  ］袁闪闪，朱能，田喆. 天津某集中供热系统滞后性研究［C］//中国建筑学会暖通空调分会. 全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集. 杭州：中国建筑学会暖通空调分会，2010：11.

［ 10 ］马琳，郑瑞宗，袁玉斗. 几种典型建筑管道井的设计方法探讨［J］. 中国给水排水，2014 （20） ： 83-86.

［ 11 ］马树连. 风机盘管机组冷、热量综合表达式与应用［J］. 建筑技术通讯（暖通空调），1988 （3） ： 9-15 ，29.

［ 12 ］林惠阳. 集中空调水系统整体特性研究（硕士学位论文）［D］. 北京：北京建筑大学，2019：17-73.

［ 13 ］乔富荣，闫军威，胡小芳. 集中式空调系统提前关机调度技术的节能分析［J］. 建筑节能，2020 （4） ： 1-8.

［ 14 ］陈玉远. 中央空调冷源与水系统的研究（硕士学位论文）［D］. 重庆：重庆大学，2006：37-42.

（本文责任编辑：贺明健）

维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）

日前，《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站 http://cqvip.com/ 开通论文免费下载服务，论文刊出后两个月后，可在维普网站查询，并直接免费下载。在维普网站 免费下载《煤气与热力》论文 步骤如下：

1. 在维普网站注册会员。

2. 搜索出《煤气与热力》论文，点击进入。

3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”，可直接下载该论文。

声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。 PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！

更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。