美国商业建筑空调负荷控制策略及其在自动需求响应系统中的整合应用

张天伟，谢 畅，王蓓蓓，周恒俊

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210096；2.南京供电公司，南京 210019）

◆环球揽萃◆

美国商业建筑空调负荷控制策略及其在自动需求响应系统中的整合应用

张天伟1，谢 畅1，王蓓蓓1，周恒俊2

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210096；2.南京供电公司，南京 210019）

随着社会开放性以及自动化程度的不断提高，需求响应也朝着开放化、自动化的方向发展，商业建筑，尤其是其中的空调负荷，也开始加入到需求响应中。美国作为“需求响应”概念的提出者，其开放性以及自动化程度也较高，对于商业建筑空调负荷的需求响应也有较为深入的研究及实地试点。对美国需求响应在商业建筑空调负荷中的具体策略进行介绍，还将对考虑空调负荷的自动需求响应系统的发展架构、空调负荷在自动需求响应中的接入以及自动需求响应系统的商业运作模式进行介绍，从而更好地促进我国商业建筑空调负荷在需求响应中发挥作用。

商业建筑；暖通空调；削减策略；自动需求响应

中国市场经济的不断发展使得商业建筑的负荷迅速增长，与此同时，“需求响应（DR）”技术的出现使得电网的智能化产生了一个巨大的进步［1］。商业建筑负荷的不断增长也使得商业建筑加入到需求响应体系中具有较强的可行性以及经济性，在商业建筑负荷中占据负荷比例最大的就是空调负荷。在我国具体的需求侧响应实践中，商业建筑参与到需求响应项目中还比较少见，对于空调负荷可以采取的负荷削减策略也缺少相应的研究。但在美国，对于商业建筑需求响应潜力的开发以及空调负荷接入自动需求响应系统有深入的研究［2］，而且商业建筑在美国各州内占据的负荷比例也较大。如加州在最热的一天的电力高峰约为53 GW。商业部门占了此高峰的35%，其中空调负荷占据了50%左右［3］。

与美国相比，由于用户对DR控制策略方面知识的匮乏和自动需求响应（ADR）系统的缺失［4］，使得我国大部分的DR活动还处在人工或半自动的状态。但是加州的电力公司在2002年就已经建立了一个自动需求响应体系，为用户提供价格等可靠的DR信息，使用户方便地加入到需求响应项目中，同时也进行了大量的试点工作［5］。

鉴于上述背景，本文将对美国商业建筑中的空调负荷即供热通风与空气调节（HVAC）系统负荷的控制策略进行具体的介绍［6］。还将就空调系统如何加入到自动需求响应系统中对美国的需求响应系统的整体架构进行介绍。对于自动需求响应系统架构中具体的HVAC负荷接入模块给出相应的模型并具体地介绍大、小型商业建筑接入自动需求响应系统中的区别。最后就自动需求响应系统中的资金激励模式进行相关的介绍。通过对美国自动需求响应系统以及商业建筑空调负荷加入该系统的模型的介绍，帮助用户管理自己的建筑，以促进我国需求响应的自动化进程［7］。

1 商业建筑中空调负荷的控制策略

由于商业建筑在夏季高峰负荷中占据的比例相对可观，但是用户对如何管理他们的设施来降低需求负荷的了解还比较有限［7］。其中HVAC是最优越的用于需求削减的设备，这是因为：HVAC系统在建筑中的负荷比例大，短时暂停HVAC系统不会直接影响到住户，而且HVAC系统是部分自动化的能量管理控制系统（EMCS）。

为了让用户更好的管理自己的负荷，对商业建筑中的主要负荷贡献设备—HVAC系统的具体控制策略进行介绍［8］。

1.1 全局温度调整（Global temperature adjustment）

全局温度调整（GTA）这一策略可以使商业建筑运营商为整个设备调整空间温度设定点，适用于所有的空调系统。在实地测试中，GTA被证明是最有效的HVAC需求响应策略［9］。GTA之所以是最有效的控制策略,是因为它降低了所有换气和制冷设备的负载。基于GTA的DR策略的实现可以基于自动的远程信号，也可以通过建筑操作者进行手动调节。

GTA可以绝对值和相对值的方式实现。绝对设定点调整就是将空间温度的设定点设定为具体的一个值；而相对设定点调整就是针对于当前值设定一个变化量。在实施该策略时，空间温度的增长速度应符合温度漂移率（ASHRAE Standard 55），如在15 min内，运行的温度设定改变量不能超过2°F。

1.2 预制冷（Pre-cooling）

预制冷广义上是指在负荷削减期之前的非高峰时刻通过减小区域温度设定点来储备建筑群中的制冷能量，然后在削减期中增加区域设定点来卸载风机和制冷系统［10］。适用于所有的空调系统。该策略可以作为负荷转移和负荷削减的方法。

该策略的核心操作是降低送风温度，提前冷却建筑中的蓄热体以减少峰值负载。例如在夏季负荷较高时，在非高峰时期可以对建筑群进行冷却来减少高峰时间段的冷负荷。预制冷可以在空闲时间或非空闲时间但非负荷高峰时间进行实施。

预制冷如果进行地足够充分且白天的冷负荷相对较低时,在建筑没有任何机械制冷的高峰时间段内，可以使室内空气温度保持在舒适范围内。存储的冷却能量可通过区域温度重置等措施在负荷高峰时间段内释放。

1.3 风机变频器限制（Fanvariablefrequency drive limit）

该策略主要是通过限制或减少风机变频器（VFD）的速度或改变入口导流叶片（IGV）的位置来减少风机的功率。适用于变风量（VAV）系统。在负荷削减期间，VFD的速度限制在固定值。要保证该策略有效,此固定值必须低于其在闭环条件下正常工作时的值。该策略对空气分布系统和相关的控制区域的影响难以预测,因为该控制本质上是开环的。

VFD限制可以用以下2个方法实现。第一个方法是绝对限制，也就是把一个固定的限制比例应用于VFD，以100%的VFD状态为参照。第二个方法是相对限制，削减期以一个固定的百分比来锁定VFD，该百分比以削减期之前的VFD状态为参照。

1.4 减少风机数量（Fan quantity reduction）

该策略的定义为：关闭多个并联的风机或直接制冷机组来减少风机以及制冷负荷，通过关闭一些风机或整个单元来减少空气分布负荷。由于各系统中风机的数量不同，这种策略可能对空调具有一定的损伤。该策略会增加剩下的风机或整个单元的冷负荷，以此来弥补那些被关闭了的风机负荷，主要适用于恒风量（CAV）系统［11］。

在CAV系统中,如果一些风机在DR操作开始之前就是离线的，那么这些风机应该在DR过程中禁止启动以弥补关闭的风机负载。在变风量空调系统中，为剩余风机服务的VFD应该进行锁定以防止风机加速。对于这2种系统，剩余风机必须要能满足房间的通风要求。

1.5 冷却阀限制（Cooling valve limit）

该策略通过限制或减少制冷阀的位置,以此来减少冷负荷。主要适用于CAV系统。通过限制或关闭制冷阀位置,这个策略可以降低冷却水的流量从而节约中央机组的电力需求［12］。应用该策略时要确保冷却阀位置不低于阈值以至于关闭冷却装置。

在CAV系统中，应注意如果冷冻水温度设定点是常数且没有从相关区域或风机中得到任何反馈的情况下，冷负荷将会由于冷却阀的限制而减少。空气处理机组可能会由于冷却水的短缺而失去送风温度设定点。

上述介绍了5种具体的空调负荷控制策略，但其加入到自动需求响应体系中还需要了解自动需求响应体系的整体架构以及操作流程［13］。下面将对自动需求响应的架构以及安装相关的商业运作激励等方面进行具体介绍。

2 考虑商业建筑的自动需求响应系统

需求响应虽然在我国还是刚刚起步，但是在美国（尤其是联邦层面），电力公司等管理机构都在大力支持扩大使用需求响应资源［14］。

2.1 自动需求响应系统架构

美国自动需求响应项目始于2002年，为解决加利福尼亚的电力市场危机开展［15］。2003年自动需求响应技术的发展以一个虚拟价格信号和自动服务器的设计为开端，该自动服务器采用XML（Extensible markup language）信息来表示价格信号以支持具有互操作性的通信。在2006年夏季之后，加利福尼亚公共事业委员会要求电力公司与需求响应研究中心合作并开始使用ADR技术。2007年，太平洋天然气和电力公司（PG&E）开始提供自动尖峰电价（CPP）项目和需求竞标项目（DBP）并聘请全球能源合作伙伴（GEP）与劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）一起推进自动需求响应的商业化［16］。PG&E直接与akuacom公司签订合约，来继续维持自动CPP项目的自动化基础设施并扩展DRAS以使DBP项目能自动进行［2］。

PG&E的自动需求响应系统建立在面向服务的系统结构和XML语言的基础上。该结构主要包括2个主要部分：需求响应自动服务器（DRAS）以及DRAS客户端。图1为ADR的一般接口结构［17］。

图1 ADR的一般接口结构

上述接口结构的工作流程具体的来说对应上图中的标号其包括5个步骤：电力公司确定事件信息并将其送往DRAS；事件信息在DRAS上公布；DRAS客户端每分钟从DRAS上请求一次事件数据；基于事件信息预编程用户DR策略；根据DR事件信息触发用户预编程策略，由EMCS设施执行负荷削减。

在事件中要监测各个设备的反应并且动态地改变设备的状态，以保证达到需要的需求削减量。事件结束后，各设施恢复正常状态［18］。

自2007年之后，ADR进入商业化阶段［19］。为了更好地推动ADR的发展，让更多的用户加入到ADR项目中来，OpenADR也就应运而生。OpenADR，全称为开放式自动需求响应通信规范，其是一组标准的、连续的、开放的通信信号和系统，其在互联网上提供并允许设施自动进行需求响应而且在这个循环中不需要人的参与［2］。2009年，LBNL和加州能源委员会（CEC）首次发布了官方的OpenADR1.0版本［18］。2年后，在完善了相关规范并在Energy Interoperation1.0规范的基础上，2011年对OpenADR的2.0版本进行了认证和测试并且于2012年正式发布了OpenADR的2.0版本。

上述介绍了美国自动需求响应系统的发展及架构，对于商业建筑负荷的接入，即图1中对应的电力负荷与客户端的接口位置，并未具体表示。下面将对商业建筑空调负荷接入到自动需求响应系统中的模型进行具体介绍。

2.2 商业建筑空调负荷在自动需求响应系统中的整合接入

对于商业建筑的空调负荷加入到自动需求响应项目中，有3种公认的模型可以用于实现商业建筑空调负荷的接入［17］。这3种模型将整个商业建筑作为一个设施，对设施中的各个设备进行控制。

（1）削减策略完全包含在负荷控制器的内部。图2为DR策略包含在负荷控制器内部的结构图。

（2）采用整个设施的内部中央控制器，即EMCS，来对整个设施的削减策略进行编程和控制，包含空调负荷。图3为DR策略包含在EMCS内部的结构图。

（3）削减策略完全在商业设施外部，主要用于电力公司的直接负荷控制项目，通过负荷聚合商来实现客户组的负荷削减。图4为DR策略包含在设施外部的结构图。

3种模型的区别在于价格信号（DR信号）转换为需求响应策略（控制信号或命令）的位置。3种模型之间的不同可以弥补技术方面的不足：

（1）第一个模型，即DR策略包含在独立的HVAC控制器中，该模型要求HVAC控制器有足够的能力来从DRAS接收DR事件信息。若除HVAC负载还有其他类型的负载，每个负载控制器中都需要进行预编程。当被控制负载的间距很大时，每个设施可能要求安装不止一个客户端设备，增加了成本。

图2 DR策略包含在负荷控制器内部

图3 DR策略包含在EMCS内部

图4 DR策略包含在设施外部

（2）第二个模型，由于大多数商业建筑中都包含EMCS，甚至其EMCS能够支持智能客户端轮流查询DR信号，所以大多数建筑都采用该模型，即DR策略都包含在EMCS中。尤其在大型商业建筑中，其EMCS使用户可以对自己的建筑设计并使之实现削减策略，也可以选择退出事件。

（3）第三个模型，信号从价格转换到DR策略发生在电力公司发送价格信号和站点接收命令之间某处。要做到这点的一种方法是所有站点的具体DR策略在外部服务器执行。这就要求外部服务器对于每一个负载控制器都有通用的设备模型以及输入输出的描述。该模型在各个站点有最小的安装成本，但设备的控制被释放到外部服务器且DR策略也不由各站点决定，同时在事件退出上可能会有问题。

大型以及小型商业建筑中的空调负荷接入ADR系统的模型选择的具体方法为：

（1）大型商业建筑指的是电力需求高峰大于等于200 kW的商业建筑。大型商业建筑的模型选择较为简单，且ADR在大型商业建筑中的技术也比较成熟。这是由于一般大型商业建筑都具有能量管理和控制系统（EMCS），可以对自身的设备进行预编程，在模型的多样性以及网络的互联性方面更简单，而且也有进行量测的基础设施来衡量并制定自己的需求响应策略［19］。一般采用第二种模型。

（2）电力需求高峰小于200 kW的商业建筑称为小型商业建筑。小型商业建筑与大型商业建筑的区别在于其一般不具有EMCS，并在个体模型、能量管理以及个人服务上具有广泛性，在互联网的可用性方面也更加具有多样性和限制性。因此对小型商业建筑需要更为细致的数据调查，采取适当的负荷控制策略，选择合适的DR策略模型，以使得小型商业建筑的潜力得到更好的开发［21］。

2.3 自动需求响应系统运作方式

对于ADR系统的具体运作方式，说到底就是资金的流向问题。公用事业提供资金资助，但如何分配才能有效地推动ADR的发展。这里以2007年PG&E公司在推动ADR过程中的资金流向［22］为例来进行说明。

在2007年的PG&E的技术激励（TI）项目中，共计有300美元/kW的资金作为ADR的财政支持提供给ADR用户。需求的减少量（kW）首先采用估计的方法确定，之后再根据实际参与情况进行修正。TI的激励费用具体用于下面几个方面：

（1）招募：外部的供应商有40美元/kW的费用用于招募可行的自动需求响应用户。

（2）技术协调：对完善的能量管理控制系统供应商提供了70美元/kW的费用，他们的服务包括帮助用户了解设备的控制策略，选择装置供应商，验证已安装的ADR装置以及在DR时间段与用户保持联系保证ADR装置的正常运行。

（3）装置：客户可以报销支持DR的技术设计，采购和安装的相关费用，费用为140美元/kW。一般情况下，该费用可以覆盖用户100%的ADR成本。

（4）参与度与绩效：客户如果在DR事件期间的参与度与绩效得到认可的话，可以得到最多50美元/kW的激励资金。

对于上述用于技术协调的资金，其具体的分配结构为：

（1）装置安装：技术协调的相关单位在完成ADR装置的安装并进行验证之后可以得到30美元/kW。

（2）首次DR事件：用户在DR期间首次成功参与了事件后，技术协调的相关单位可以得到20美元/kW。

（3）年末：在DR时期结束之后，通过计算用户的实际表现情况，技术协调的相关单位可以得到20美元/kW。

上面给出的资金流动为实际项目中的运作方式，虽有一定的借鉴性，但对于实际的项目还需要具体考虑经济性，可行性等因素，对于具体的项目的运作方式还应该综合各因素制定和分析。

3 结束语

需求响应的自动化以及开放化是重要的发展方向，这对调动用户参与到需求响应中的积极性有重要的作用，有利于创造一个低碳高效的能源互联网［22］。本文通过介绍商业建筑中的负荷贡献者HVAC系统的重要调节策略，希望能给予商业建筑的管理者一些有效的负荷管理策略供他们参考。在上述内容的基础上介绍了美国自动需求响应系统的发展架构以及着重介绍了商业建筑中的HVAC负荷加入ADR中的模型，给出各个模型的特点，便于与我国的商业建筑的实际情况进行对比，从而根据实际设备设施建设情况做出选择。

本文集中于对具体概念以及过程的阐述，对于本文的一些部分，尤其是HVAC策略部分，都有相关的案例予以证明，还有一些其他策略综合调控的案例，具体的案例分析见于“空调自动需求响应控制策略在美国商业建筑中的应用案例效果分析”。希望通过借鉴美国需求响应项目的具体案例可以对我国的需求响应事业的调整起到一定的推动作用，使之更好的为用户以及电网服务。D

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（本栏责任编辑孙 晶）

The commercial building air conditioning load control strategies and its comprehensive application in automated demand response system of the U.S.

ZHANG Tian⁃wei1,XIE Chang1,WANG Bei⁃bei1,ZHOU Heng⁃jun2

（1.Southeast University,Nanjing 210096,China;2.Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210019,China）

With the continuous improvement of the openness and automation of the society,demand response is also developing towards the direction of opening and automation.Commercial buildings,especially the HVAC load,also began to join the demand response.The Unit⁃ed Statesas“demand response”concept of the author,the openness and automation of demand response is also higher and it has further research and pilot project for the demand response of HVAC load of commercial buildings.This paper introduces the specific strategies of HVAC load of commercial buildings in the demand response of America.In addition, the development framework of automated demand response system that consider the HVAC load,the access of automated demand respon sesystemfor HVAC load and the business operation of automated demand response system are introduced,so as to better promote the openness and automation of demand response in China.

commercial buildings;HVAC;shed strategy;automatic demand response

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.06.015

F416.61；TK018

C

2016-07-14

2006-07-19

江苏省电力公司科技项目（J2016045）

张天伟（1994），男，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向为电力市场和电力需求侧管理；谢畅（1993），男，湖北天门人，硕士研究生，研究方向为电力市场和电力需求侧管理；王蓓蓓（1979），女，安徽蒙城人，博士，副教授，博士生导师，主要从事电力市场和电力需求侧管理研究和教学工作；周恒俊（1985），男，江苏连云港人，工程师，主要从事电网规划方面的运营工作。