商业楼宇可调节负荷用能优化分析

刘 抒

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

随着信息技术高速发展和人民生活水平不断提高,各类用电负荷持续迅速增长,造成电网尖峰负荷屡屡打破历史记录,商业尖峰负荷占比提升,开展商业楼宇负荷调节优化迫在眉睫。亟需开展对商业楼宇可调节负荷(如空调负荷)的调控技术研究,有助于降低电网尖峰负荷,提升电力在尖峰负荷时期的运行可靠性与安全性。由于多数大型商业建筑存在管理不到位、用能浪费和用能设备不合理的现象,需要进一步采取科学合理的管理方法和用能优化技术,来降低整体能耗。

1 商业楼宇分类及用电构成

建筑按照使用功能分为居住建筑、公共建筑、工业建筑、农业建筑。

在建筑能耗中公共建筑的能耗占较大比重,而在公共建筑的能耗中商业楼宇的能耗占有较大比重,商业楼宇作为消费中心有其独具的能耗和用电负荷特点,典型的商业楼宇主要为商业写字楼、酒店、商场、商业综合体。商业楼宇中用电系统主要包括:暖通空调系统、照明系统、给排水系统、电梯系统、冷库系统和其他用电设备[1-4]。

2 商业楼宇可调节负荷系统

2.1 暖通空调系统

暖通空调系统的用电负荷占楼宇总用电负荷的40%～50%。空调系统是暖通空调系统中重要的组成部分,且是导致夏季楼宇用电负荷高峰的主要原因。

暖通空调主要分为空调系统(中央空调系统、多联机空调系统和分散式系统)和电锅炉供暖系统两种。

中央空调系统主要由制冷剂循环系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。中央空调系统物理模型如图1所示。

图1 中央空调系统物理模型

制冷剂被压缩机压缩成高温高压气体,经冷凝器放热液化,经膨胀阀减压后进入蒸发器吸收冷冻水循环系统中常温水的热量,产生制冷用的冷冻水,冷冻水在风机盘管中吸收周围空气的热量,产生了低温空气,被风机送到房间中去,达到降温的目的。制冷剂在冷凝器中液化放出的热量,通过冷却循环系统吸收,冷却水通过这次热交换变成高温水,进入冷却塔进行冷却,变成常温水,以便再次利用。经蒸发器气化后的制冷剂再次进入压缩机开始下一个循环。

多联机空调系统主要由室外压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器和室内机组成。多联机空调物理模型如图2所示。

图2 多联机空调物理模型

分散式空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和风机组成。分散式空调物理模型如图3所示。

图3 分散式空调物理模型

电锅炉作为主要的蓄热设备,可以与换热器、蓄水箱组合,实现夜间蓄热白天供暖。因此,针对采用加热方式,结合电价的峰谷时段,分析用户热水负荷特性,与合理的蓄热水箱容积相结合,电锅炉可进行一定范围调节。

电锅炉蓄热供暖物理模型如图4所示。

图4 电锅炉蓄热供暖物理模型

2.2 照明系统

照明系统主要由照明设备组成,照明设备主要包括白炽灯、荧光灯、节能灯、钠灯、汞灯、金属卤化物灯、LED灯等。

2.2.1 荧光灯

荧光灯物理模型如图5所示。

图5 荧光灯物理模型

要使荧光灯内的气体电离产生弧光放电,必须具备两个条件:让灯丝预热,使其能发射电子;需要产生一个较高的电压,使灯管内的气体电离产生弧光放电。接通电源时,电源电压同时加到灯管和启辉器的两端,对灯管而言此电压太低,不能使管内的气体电离放电,但对于启辉器而言,此电压足以使其内部的氩氖混合气体产生辉光。启辉器中的双金属动触片因气体辉光放电而受热伸长,从而与静触片接触,于是电流流过镇流器、灯丝和启辉器,灯丝得到预热。经过1～3 s后,启辉器内的两触片因气体辉光放电停止双金属片冷却而分开,电路中的电流突然中断,于是镇流器产生一个瞬时高压,此电压与电源电压叠加后加在灯管两端,将灯管内的气体电离而产生弧光放电。灯管发光以后,由于镇流器的存在,灯管两端的电压比电源电压低得多,此电压不足以使启辉器产生辉光,启辉器中的触点不再闭合,荧光灯正常工作。

2.2.2 LED灯

LED灯的核心是PN结。在正向偏压时,电子由N型层注入MQW,空穴由P型层注入MQW。电子和空穴在MQW内复合,释放出相应波长的光,实现电能转换微光能。

2.3 给排水系统

建筑给排水系统主要包括给水系统、排水系统、自动喷淋灭火系统、热水系统、消火栓给水系统、中水系统以及景观系统等。

商业楼宇给排水系统包含三个子系统,分别为给水系统、排水系统和热水供应系统。

给水系统主要包含生活供水系统、生产给水系统和消防给水系统。消防给水系统中的消防水泵通常不会使用,所以给水系统中主要了解生活给水系统。商业楼宇中的生活给水系统主要采用两种形式,分别是无负压供水和水箱供水。

无负压供水物理模型如图6所示。

图6 无负压供水物理模型

无负压供水系统中水泵运行采用的是变频控制,在满足楼宇供水需求的同时实现自动调节用电负荷。

水箱供水物理模型如图7所示。

图7 水箱供水物理模型

水箱供水系统通过水箱中水位控制水泵启停,通过水箱自上而下给楼宇供水,水泵运行时为工频运行,但运行方式为间歇式运行。

排水系统的运行方式与水箱供水运行方式相同,生活热水系统与无负压供水系统基本相同。

2.4 电梯系统

2.4.1 直 梯

直梯可以理解成一个两端分别悬挂轿厢和配重的定滑轮组,起滑轮作用的曳引机实际上就是一部电动机。当电动机正向或者反向旋转时,轿厢会相应地上行或者下行,实现直梯运送乘客或者货物的目的。直梯物理模型如图8所示。

图8 直梯物理模型

2.4.2 扶 梯

扶梯是带有循环运行梯级,用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。扶梯物理模型如图9所示。

图9 扶梯物理模型

2.5 冷库系统

利用汽化温度较低的液态制冷剂蒸发,通过冷风机吸收贮藏环境中的热量,从而使冷库温度下降。通过压缩机将高温低压的气态制冷剂吸回并加压,在冷凝器中制冷剂将吸收的热量传递给冷却介质,使自身温度得以降低并冷凝成液体,然后再进行蒸发吸热,如此循环即可实现连续制冷。制冷系统是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀组成。配件之间用管道连接,组成封闭的制冷系统,液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后,汽化成低温低压的蒸汽,被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器,在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热,冷凝为高压液体,经膨胀阀节流为低压低温的制冷剂,再次进入蒸发器吸热汽化,达到循环制冷的目的。

冷库系统物理模型如图10所示。

图10 冷库系统物理模型

3 商业楼宇可调节负荷用能优化潜力分析

3.1 暖通空调系统可调节负荷潜力

暖通空调系统可调节负荷潜力如表1所示。

表1 暖通空调系统可调节负荷潜力

暖通空调系统用能优化潜力如表2所示。

表2 暖通空调系统用能优化潜力

3.2 照明系统可调节负荷潜力

对照明系统进行可调节负荷潜力分析可以从照明功能区域的角度进行,因为不同照明功能区域,照明需求也不同。照明系统可调节负荷潜力如表3所示。

表3 照明系统可调节负荷潜力

照明系统能耗可优化潜力:主要设备为照明灯具,系统能耗占比为15%～20%,用能优化方式是使用高效率灯具、智能照明控制策略,系统用能优化潜力6%～12%。

3.3 给排水系统可调节负荷潜力

在满足楼宇给排水需求的前提下,给排水系统可调节负荷潜力:主要设备为生活水泵、生活热水泵、排污泵,不可调节,总用电负荷占比5%～10%,可调负荷占比为0。

给排水系统主要设备为生活水泵、电热水器。给排水系统用能优化潜力:主要设备为给水泵、热水泵、排污泵,用能优化方式为变频控制,能耗占比5%～10%,用能优化潜力3%～5%。

3.4 电梯系统可调节负荷潜力

目前商业楼宇中的扶梯和直梯已基本采用变频节能装置,实现调节用电负荷的同时起到节能效果。商业楼宇中电梯系统还可以根据实际使用情况,合理调度电梯,关闭部分电梯运行,增加电梯系统的可调节负荷潜力。电梯系统可调节负荷潜力:主要设备为客梯、货梯、扶梯、观光梯,直控(刚性),总用电负荷占比2%～10%,可调负荷占比1%～5%。

目前电梯系统中自动扶梯多采用感应控制方法,客梯货梯采用群控策略实现节能。电梯系统能耗情况及可优化潜力如表4所示。

表4 电梯系统能耗情况及可优化潜力

3.5 冷库系统可调节负荷潜力

冷库系统可调节负荷潜力如表5所示。

表5 冷库系统可调节负荷潜力

冷库系统用能优化潜力如表6所示。

表6 冷库系统用能优化潜力

4 商业楼宇可调节负荷用能优化建议

(1) 建立用户参与的可调节负荷商业楼宇用能优化的工作机制。国家层面明确各省政府可调节负荷用能优化技术应用工作任务部署,提出强制性的工作量化指标,构建常态化用能优化实施流程,制定省市县分级落实方案上报国家发改委备案;推动国家发改委、住建部、工信部等行业主管部门出台支持政策,依据相关设备接口标准及负荷分类标准,实现相关设备无缝对接接入用能优化系统;委托电网公司协助开展用户侧可调节能力调查,构建用户侧可调节资源库。

(2) 扎实开展公司商业楼宇可调节负荷特性分析和调节能力建设。进一步细分行业类别,深入研究商业楼宇的各类负荷特性,逐步建立各类负荷调控模型,挖掘商业楼宇行业的理论可调节潜力;针对商业楼宇中用能优化较大潜力的用户,逐户开展上门调查,摸清用户实际可调节能力,沟通用能优化参与意愿,推动签订实施协议。

(3) 加强可调节负荷参与用能优化的实用技术和相关装置研究。完善可调节负荷参与用能优化标准建设,扩展标准应用范围,逐步规范用能优化系统/终端建设,提升相关产品试验检测能力;加快探索与市场化交易相结合的用能优化实施模式;研究用能优化潜力分析、成本效益分析等关键技术,进一步完善可调节负荷资源普查软件,支撑可调节负荷参与用能优化实施方案策略优化。

(4) 推动可调节负荷用能优化技术应用试点示范,持续拓展扩大影响力。针对已经应用成熟的地区,应加快开展资源普查及规模化推广应用;同步开展其他重点区域可调负荷资源用能优化推广,稳步扩大可调节负荷资源池。

5 结 语

本文介绍了商业楼宇的分类及用电构成,分析了不同类别商业楼宇可调节负荷用能优化潜力,并提出了商业楼宇可调节负荷用能优化建议。