冷熱負(fù)荷預(yù)測在區(qū)域供能項(xiàng)目中的應(yīng)用——以上海西虹橋1號(hào)能源站為例
呂巖1，潘毅群1*，劉海靜1，嚴(yán)建宏2
（1. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院；2. 上海西虹橋新能源有限公司）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2021年第2期“城市能源系統(tǒng)智慧低碳轉(zhuǎn)型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)”專題上，歡迎點(diǎn)擊品讀。本文受國家自然科學(xué)基金（51978481）、世界銀行全球環(huán)境基金技術(shù)援助項(xiàng)目資助。
文章導(dǎo)讀
在區(qū)域供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃階段，準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果能為設(shè)備容量配置與經(jīng)濟(jì)性計(jì)算提供重要依據(jù)。與電負(fù)荷相比，區(qū)域內(nèi)建筑群的冷熱負(fù)荷會(huì)受到更多因素的影響，這使得冷熱負(fù)荷不確定性更大。因此，采用建筑模型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的冷熱負(fù)荷預(yù)測，已成為項(xiàng)目工作流程中的必需環(huán)節(jié)。同時(shí)，為驗(yàn)證其實(shí)際效果，還需利用運(yùn)行數(shù)據(jù)來評價(jià)建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。隨著區(qū)域供能項(xiàng)目的建設(shè)投產(chǎn)與運(yùn)行，從系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的角度檢驗(yàn)規(guī)劃階段冷熱負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。
文章亮點(diǎn)
1）以上海西虹橋1號(hào)能源站作為冷熱負(fù)荷預(yù)測的應(yīng)用對象，工作內(nèi)容貫穿其規(guī)劃階段直至運(yùn)行階段的全過程，既實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)中利用負(fù)荷預(yù)測結(jié)果對其設(shè)備選型進(jìn)行指導(dǎo)，又利用運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)對負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證；
2）引入了“入住率”這一參數(shù)，用以量化描述區(qū)域供能項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營情況，為其他類似項(xiàng)目在利用運(yùn)行數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究的過程中，提供可參考的數(shù)值修正方法。
摘要
在區(qū)域供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃階段，準(zhǔn)確估算建筑群的冷熱負(fù)荷，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)備容量配置與經(jīng)濟(jì)性分析提供合理的計(jì)算依據(jù)。隨著模型仿真工具與算法的進(jìn)步，建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測方法不斷發(fā)展成熟，但較少有研究從實(shí)際案例 運(yùn)行情況的角度評價(jià)冷熱負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。以上海西虹橋1號(hào)能源站作為應(yīng)用案例，在項(xiàng)目規(guī)劃初期采用基于建筑典型模型的冷熱負(fù)荷指標(biāo)預(yù)測算法，預(yù)測該項(xiàng)目地塊內(nèi)的各類型建筑的冷熱負(fù)荷；在運(yùn)行階段，通過管路計(jì)量數(shù)據(jù)得出各類型建筑的真實(shí)冷熱負(fù)荷，并引入“入住率”的概念量化冷熱負(fù)荷預(yù)測值與實(shí)際值的差異。結(jié)果表明，該項(xiàng)目投入運(yùn)行 3年的“入住率”分別達(dá)到41.4%、62.1%、85.7%。該結(jié)論與實(shí)際情況基本一致，證明了冷熱負(fù)荷預(yù)測在區(qū)域供能項(xiàng)目應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。
主要內(nèi)容
上海西虹橋1號(hào)能源站于2018年年初建成并投產(chǎn)。目前，該能源站為其規(guī)劃區(qū)域內(nèi)占地面積約為160 hm2的大型建筑群供能。該項(xiàng)目是集商業(yè)、餐飲、辦公于一體的大型城市綜合體，其中包括了辦公、集中商業(yè)、街區(qū)商業(yè)等在內(nèi)的多棟單體建筑，功能綜合性較強(qiáng)，建筑群衛(wèi)星圖如圖1所示。
? 圖1 已建成能源站供能區(qū)域衛(wèi)星圖
本文采用基于建筑典型模型的冷熱負(fù)荷指標(biāo)預(yù)測算法，并在模型仿真計(jì)算的過程中，結(jié)合對項(xiàng)目實(shí)際狀況的場景分析，對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在場景分析中，包含以下三種類型的建筑：辦公、集中商業(yè)、街區(qū)商業(yè)，針對不同類型的建筑，生成其對應(yīng)的典型模型。使用EnergyPlus軟件計(jì)算各類典型建筑模型的冷熱負(fù)荷指標(biāo)，在計(jì)算中輸入的氣象參數(shù)選擇上海市典型氣象年數(shù)據(jù)。
通過在全年尺度上的模擬計(jì)算，能夠得到各類型建筑逐小時(shí)的單位面積冷熱負(fù)荷指標(biāo)。根據(jù)規(guī)劃階段的實(shí)際需求，為本項(xiàng)目中能源站提供了其供能區(qū)域全年的逐時(shí)冷熱負(fù)荷指標(biāo)（如圖2所示），并將其總負(fù)荷的峰值作為該區(qū)域供能系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值，用以指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)中的設(shè)備選型工作。
? 圖2 全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷預(yù)測值
在本項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行后，出于運(yùn)營管理的需要，能源站利用其機(jī)房的節(jié)能控制系統(tǒng)對供能過程中的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)（冷熱水干管的流量、供回水的溫差）進(jìn)行計(jì)量。在實(shí)際操作中，是由工作人員在每日固定時(shí)段執(zhí)行“抄表”操作來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)量工作的，記錄從上一個(gè)“抄表”時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻能源站供給的累計(jì)冷熱量，相當(dāng)于記錄了區(qū)域內(nèi)建筑群的逐日總冷熱負(fù)荷。如圖3所示，已記錄數(shù)據(jù)涵蓋了從項(xiàng)目開始投產(chǎn)（2018年5月）至2021年1月的全部供能系統(tǒng)運(yùn)行日（即系統(tǒng)進(jìn)行檢修的時(shí)段除外）的實(shí)際冷熱負(fù)荷。
針對該能源站采用的這種數(shù)據(jù)計(jì)量形式，可以先根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行歷史記錄，將全部供能時(shí)段分割為若干個(gè)供冷季、供熱季，并對各個(gè)供能季中的逐日冷熱負(fù)荷求極值，將單日冷熱負(fù)荷最大的運(yùn)行日作為實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)參照的設(shè)計(jì)日。通過比較設(shè)計(jì)日冷熱負(fù)荷的預(yù)測值與實(shí)際值，實(shí)現(xiàn)對冷熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度的評價(jià)。
? 圖3 區(qū)域逐日冷熱負(fù)荷記錄結(jié)果
將冷熱負(fù)荷二者綜合來看，該年內(nèi)能源站所需承擔(dān)的峰值冷熱負(fù)荷約占設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷的65%。這一方面說明為保證設(shè)備容量的裕度，設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷往往會(huì)選取偏大；另一方面，該結(jié)果也從側(cè)面反映出新建建筑因入住率不足導(dǎo)致實(shí)際用能水平相較預(yù)測值偏低的情況。為了進(jìn)一步探究“入住率”的變化情況，本文根據(jù)計(jì)量數(shù)據(jù)得出全部3個(gè)年份供冷季設(shè)計(jì)日的總冷熱負(fù)荷實(shí)際值，并依次對比預(yù)測值，將該比值視為當(dāng)年建筑群的“入住率”，。
計(jì)算結(jié)果如圖4所示，隨著建筑投入使用的時(shí)間變長，“入住率”隨之提升，對于辦公、商業(yè)建筑而言，這一現(xiàn)象是合理的。此外，最近的供冷季（即2020年5月至10月）設(shè)計(jì)日的數(shù)據(jù)顯示，其“入住率”達(dá)到了85.7%，考慮到設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷預(yù)留10%的余量，這與“2020年該建筑群的入住已基本飽和”這一實(shí)際情況基本相符，也可說明規(guī)劃階段的冷熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確，合理地指導(dǎo)了設(shè)備的選型設(shè)計(jì)。
? 圖4 近3年設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷實(shí)測值及入住率
此外，隨著該能源站規(guī)劃范圍內(nèi)更多供能項(xiàng)目的建設(shè)完成與運(yùn)營，采用本文提出的方法亦可分析其“入住率”的變化情況，從而有可能總結(jié)得到類似條件下辦公及商業(yè)建筑的“入住率”變化規(guī)律。從實(shí)際應(yīng)用的角度來說，將該指標(biāo)作為一項(xiàng)影響驗(yàn)證過程的因素進(jìn)行分析是很有意義的。這是因?yàn)椤靶陆ǔ山ㄖ氖褂寐试诮ǔ沙跗谕^低”這一客觀現(xiàn)實(shí)的存在，會(huì)導(dǎo)致利用實(shí)測數(shù)據(jù)對冷熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)產(chǎn)生較大的誤差；同時(shí)，又受到測量條件的限制，在當(dāng)前多數(shù)可獲得的建筑運(yùn)行數(shù)據(jù)中，較難獲得其冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，即使其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)由于“入住率”的原因?qū)е缕滟|(zhì)量不高，依然需要考慮對其進(jìn)行處理從而提升對這些有限數(shù)據(jù)的使用率，例如可通過實(shí)地調(diào)研確定這一參數(shù)的取值。
本文引文信息
呂巖，潘毅群，劉海靜，等. 冷熱負(fù)荷預(yù)測在區(qū)域供能項(xiàng)目中的應(yīng)用——以上海西虹橋 1 號(hào)能源站為例[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2021, 4（2）：197-203.
LYU Yan, PAN Yiqun, LIU Haijing, et al. Application of Cooling and Heating Load Prediction for District Energy Supply: A Case in West Hongqiao 1# Energy Station [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4（2）：197-203(in Chinese).
