快速需求响应机制下相变蓄能建筑多系统非稳态耦合响应特性量化研究与调控机理

In the smart grid environment, rapid demand response mechanism can help building users to achieve rapid reduction of electricity peak and flexible control by directly reducing the power consumption of air conditioning system equipment, which can benefits both grid security and user’ income. However, the bottleneck and constraints on the implementation of rapid response still exists and wait to be resolved. For instance, how to improve the peak load while maintaining the lowest thermal comfort; how to accurately predict the real-time energy consumption and the dynamic change of the room temperature in the process of complex unsteady conditions. In this project, the building and related central air conditioning system with phase change energy storage are studied. The numerical simulation and experimental study are used to study the coupling mechanism among the thermal response characteristics of the building envelope, the dynamic characteristics of water transmission piping network and the overall real-time energy consumption of the air conditioning system under the fast demand response mechanism. It also aims to quantify the coupling response of these systems under unsteady conditions. The scientific significance lies in revealing the effect of the phase change energy storage material as both a passive and active energy storage method on the multi-system coupling response characteristics, peak power reduction and system control stability under the fast demand response mechanism. The results will promote the demand response mechanism for buildings.

在智能电网环境下，快速需求响应机制可以帮助建筑用户通过直接削减空调系统设备的电耗来实现用电峰值的快速削减和灵活调控，既有利于电网的安全经济运行，用户也因此获利。然而，制约建筑实施快速需求响应的瓶颈还依然存在，亟待解决，如：在保持最低热舒适性前提下如何提高削峰量；如何准确预测实施过程中在复杂非稳态工况下系统实时能耗及房间温度的动态变化。本课题以相变蓄能建筑和集成了相变蓄能水箱的中央空调系统为研究对象，采用数值模拟和实验研究两种手段，研究在快速需求响应机制下，建筑被动蓄能和主动蓄能联合作用下房间热响应特性、冷冻水输配管网动态特性以及空调系统整体实时能耗之间的相互耦合作用的机理，并建模量化这些系统在非稳态工况下的耦合响应特性。科学意义在于揭示相变蓄能材料同时作为被动和主动蓄能方式对快速需求响应机制下多系统耦合响应特性、峰电削减以及系统调控稳定性的影响，其成果将促进需求响应机制在建筑领域的实施。

电力需求响应机制应用于建筑领域是智能电网应用的迫切需求，对电网的安全和经济运行至关重要，而参与需求响应的建筑也从中受益。空调负荷所属建筑环境具备一定的热存储能力，能够在特定时间内将电能转化为热能进行存储，并且在一定温度范围内对人体无明显影响，因此，比其他传统负荷更有应用前景。本课题以复合相变蓄能建筑和中央空调系统为研究对象，采用数值模拟和实验研究两种手段，研究在快速需求响应机制下，建筑被动蓄能和主动蓄能联合作用下围护结构热响应特性、冷冻水输配管网动态特性以及空调系统整体实时能耗之间的相互耦合作用的机理，揭示空调系统实时能耗与建筑围护结构热惰性、输配管网水力特性、控制方法等多因素之间的定量关系。.本项目通过建筑空调系统需求响应控制平台建模以及实验室实验，对需求响应潜力关键影响因素分析与优化方法进行了研究，明晰了内墙热质的导热系数、密度、内墙面积对建筑需求响应潜力的定量影响。通过建模实现了需求响应潜力的短期预测，提出了一种在需求响应机制下对预冷时间的预测优化方法，当室外环境条件已知并且确定设备运行温度设定值的情况下，基于BP神经网络模型对预冷时间进行预测优化。同时，进行了相变复合墙体对建筑需求响应性能影响的实验研究，对内埋管相变墙体结构在全天时段（预冷阶段、正常时段、需求响应时段）的性能进行实验研究，并与无相变被动预冷方式、被动相变预冷方式、主动相变预冷方式进行了对比实验，评估了四种预冷方式在以下四个评价指标方面的表现：预冷阶段性能指标、需求响应阶段性能指标、经济性指标以及室内热舒适性指标。提出了一种快速需求响应控制策略，用于智能电网应用中空气处理机组缺乏物理流量计的建筑暖通空调系统。