可配置的温度与湿度折中方案用于建筑冷却系统的需求限制控制

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Configurable temperature and humidity compromise for demand limiting control of building cooling systems

　　

•开发了一种面向建筑制冷系统的分层需求限制框架。•控制策略采用了可配置舒适度折中机制。•温度与湿度动态特性被同时纳入框架中。•实现了36%的电力削减和19.5%的反弹峰值削减。•建立了包含模块化操作流程的实用实施方法论。

## 引言

现代电力系统向低碳和去中心化架构的迅速转型，显著增加了电网的运行复杂性[1]。大规模可再生能源（如太阳能光伏和风力发电）的集成给电力供应带来了巨大的可变性和不确定性[2]。与此同时，电动汽车、分布式能源资源以及电气化终端用能部门的渗透率不断上升，在消费侧创造了新的需求峰值和电力波动[3]。因此，维持电力供需平衡变得日益具有挑战性，尤其是在负荷高峰期和电网事故事件期间。为应对这些挑战，未来电力系统需要具备快速可靠的辅助服务能力的灵活需求侧资源，包括削峰、负荷跟踪、频率调节和应急需求限制。在此背景下，建筑作为需求侧灵活性的重要来源受到了广泛关注[4]。暖通空调（HVAC）系统通常是商业建筑中最大的电力消费终端之一，在以制冷为主的气候区域中占比甚至更高[[5], [6], [7]]。由于建筑结构以及HVAC系统中蕴含的热存储容量，建筑可以在不对 occupants comfort 造成即时严重影响的条件下临时调整其电力消耗。这一特性使建筑能够作为虚拟储能资源参与电网交互需求响应项目[[8], [9], [10]]。

因此，建筑-电网（B2G）集成已成为未来智能电网的关键使能技术[11]。通过协调建筑能源系统与电网运行需求，需求响应策略可以在降低建筑业主运营成本的同时提供有价值的灵活性服务。在各种需求响应应用中，快速需求限制变得越来越重要[12,13]。快速需求限制是指响应电网运营商、负荷聚合商或建筑运营商在峰值需求事件或紧急请求下，对建筑电力需求进行快速、有意削减的能力。在实际应用中，这种控制能力可以来自多种不同的运行场景。首先，在包含需量费用的电价结构下，商业建筑运营商可能会寻求将系统功率迅速约束在预设阈值以下，以避免短时需求峰值导致电费增加。在此场景下，快速需求限制充当经济型需求侧管理功能。此外，当建筑参与辅助服务项目时，电网运营商或负荷聚合商可能会发出外部调度信号，要求迅速降低电力需求。根据具体服务的不同，所请求的负荷削减可能需要在规定响应时间内完成并维持指定时长[14]。快速需求限制也可能由建筑运营商在响应临时电力容量限制、运行约束、电气基础设施限制或其他建筑特定需求时内部启动。因此，尽管不同应用中的触发机制和响应要求可能有所差异，但其共同的control objective是将功率限制请求转化为建筑电力需求的快速、持续且可控的降低，同时最大限度地减少室内环境条件的不必要恶化。与传统需求响应项目通常涉及数小时的逐步负荷调整不同，快速需求限制强调在相对较短的响应期内（可能从几秒到几分钟不等，取决于具体应用）实现规定的功率约束的能力，并随后在电网事故、峰值需求事件或市场信号事件期间维持降功率状态所需时长[15]。此类应用对控制策略提出了更严格的要求，因为期望的电力削减必须快速、准确且可持续地实现，同时最大限度地减少对室内环境质量的影响[16]。

现有的建筑需求响应研究主要集中于通过室内温度设定值调整实现的间接负荷控制。在这些方法中，需求响应事件期间温度设定值被暂时提高，从而降低制冷需求及相关电力消耗[17]。众多研究已证明了温度设定值控制在实现适度需求削减同时保持 occupant comfort 方面的有效性[[18], [19], [20]]。尽管有效，但基于全局温度调整的策略在应用于快速需求限制场景时存在若干局限性。建筑的热响应本质上较为缓慢，这意味着设定值变化往往需要相当长的时间才能实现显著的电力需求削减。因此，这些方法通常不适用于需要在几分钟内实现即时且准确电力削减的应用场景。

为克服这一局限性，近期研究探索了建筑制冷系统的直接负荷控制方法。与修改温度相关设定值不同，直接负荷控制策略通过操纵空调设备的运行状态（如冷水机组和泵）来实现快速需求削减[13,21,22]。Xue等[21]在这一领域开创了先河，验证了直接约束冷水机组功率的可行性，并展示了有前景且响应迅速的快速需求限制效果。然而，虽然对一次能源输入进行钳位可以产生所需的电气负荷削减，但它不可避免地造成了可用制冷能力的亏缺。为解决这一关键挑战，Dai等[22]解决了快速需求限制事件期间有限的制冷供应分配问题。他们引入了可重构的基于供应的反馈框架，以智能地将受约束的制冷能力分配给相互竞争的温区。认识到电网交互应用对精确功率跟踪的高保真度需求，他们随后提出了一种解耦的需求响应控制策略，以针对需求限制任务的精度进行优化[16]。该工作成功地隔离了水侧系统动态，解决了水力及设备级控制精度方面的障碍，并为基于冷水机组削减的需求限制控制建立了稳健的框架。尽管现有的控制策略能够实现需求限制任务，但它们的关注点相对碎片化，要么优化一次制冷机组的分阶段运行，要么孤立地优化水侧分配网络。在激进的需求限制事件期间，水侧系统与风侧系统之间缺乏紧密的多级协调，经常导致无法完成电力削减任务。一种能够协调水侧-风侧子系统异质动态响应时间尺度的统一全系统控制架构仍然显著缺失。在以制冷为主的气候区域中，尤其是在亚热带地区，潜热负荷通常占总制冷需求的相当大比例[[23], [24], [25], [26]]。在需求限制控制策略中，湿度效应经常被忽视[27]。另一方面，现有研究中采用的舒适度管理机制主要依赖于在空调建筑区域内维持相等的室内空气温度牺牲[15,16,22]。现有策略缺乏运营可定制性，无法使设施管理者选择性地将干球温度或相对湿度优先排序，或根据空间重要性分配舒适度亏缺。

为弥补研究空白，本文开发了面向商业建筑制冷系统的分层需求限制控制策略，如表1所示。所提出的控制策略由三个协调的控制阶段组成。分层结构根据主要制冷系统组件的不同控制特性和功能角色建立，从粗略的电力削减到精细的冷量资源分配，再到最终的连续功率跟踪。首先，通过冷水机组级控制实现快速需求削减，对需求限制请求提供即时响应。冷水机组是中央制冷站中最大的单一电力消耗来源。因此，冷水机组顺序控制被用作第一阶段的粗略执行器，以在可用电力范围内创建即时且显著的削减。其次，一个面向舒适度的气流优化模块在满足系统功率约束的同时动态分配可用冷量资源。通过空气处理机组（AHU）风机调节气流可以直接决定受约束的制冷能力如何在空间上分配于各区域之间，使其特别适合于缓解温度和相对湿度恶化情况，以及根据可配置的室内环境需求对各区域进行优先排序。第三，基于泵的功率跟踪控制器持续补偿功率偏差并维持与目标需求限制的精确合规。变频冷冻水水泵提供了连续调节能力，因此非常适合补偿实际机组功率与目标功率限制之间的残余偏差。所提出的框架通过根据空调设备动态特性设计的多阶段控制架构，协调了水侧和风侧子系统。本文的主要贡献和创新点如下：

•首次开发了面向集成制冷系统的分层需求限制框架，协调冷水机组、水泵和风侧子系统以实现及时且高保真的功率调制。•提出了一种定制化的舒适度折中机制，通过可配置的分区权重因子实现对各区域的显式优先排序，允许建筑运营商决定在需求限制事件期间热牺牲如何在调节空间之间分配。•温度和湿度动态特性被同时纳入优化框架中，能够在受约束的冷量资源下实现温度和湿度偏差的可配置管理。•建立了包含可配置参数设置和模块化操作流程的实用实施方法论，便于与现有建筑自动化系统和电网交互建筑应用进行集成。

## 章节片段

### 框架

图1展示了所提出的分层控制策略的总体框架。该框架由两个紧密耦合的层级组成：一个是负责需求分解和约束生成的监督协调层，另一个是依次调节冷水机组、水泵和风侧运行的三阶段分层控制层。这些层级与互连的物理制冷系统交互，形成了闭环控制架构。在最顶层，

### 测试平台

图3展示了测试平台和控制部署示意图。为严格评估所提出的分层需求限制策略的性能，在Dymola建模环境中开发了一个高保真动态仿真测试平台。本研究所采用的设备模型源自Modelica Buildings Library [31]中的已建立组件模型，具有公开记录的验证案例。这些验证研究检查了稳态

### 场景I

图4展示了场景I中案例I-A和案例I-B之间送气流量曲线的对比。如图4(a)所示，在传统控制策略（案例I-A）下，14:00之后所有AHU送气流量持续增加。在两台运行中的冷水机组关闭后，局部温度反馈回路立即响应，通过提高风机转速来补偿减少的制冷能力。因此，所有AHU的气流量逐渐达到上限。

## 结论

本文提出了一种面向商业建筑制冷系统的分层需求限制控制框架，在严格的功率约束下管理室内环境条件恶化的同时提供快速可靠的建筑-电网灵活性。通过显式考虑功率调节要求和室内环境响应，该控制策略在实现快速需求削减的同时，提供了一种在需求限制事件期间管理舒适度牺牲的可配置机制，期间

## CRediT作者贡献声明

Mingkun Dai：撰写 – 初稿、验证、软件、方法论、调查、数据整理、概念化。Hong Tang：监督指导。Hangxin Li：监督指导、项目管理、资金获取。Shengwei Wang：撰写 – 审阅与编辑、监督指导、项目管理、资金获取、概念化。

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