一种电采暖可调节潜力评估方法和系统与流程

1.本发明属于电力技术领域，具体涉及一种电采暖可调节潜力评估方法和系统。


背景技术：

2.电采暖作为新兴采暖技术，目前在被普遍使用，并逐步得到大力发展。电采暖设备热源来源于空调、电锅炉、电热泵和发热电缆等，电采暖因布置、运行、供暖方式灵活，提高了电能在终端能源消费的比重。以中国为例，截至2016年底，中国北方地区电采暖面积约4亿平方米，占总取暖面积2％。
3.对于不考虑蓄热装置的电采暖用户来说，其负荷可调节能力是指电采暖对建筑室内温度调控范围变化引起建筑供能的变化，在满足给定的温度约束条下，电采暖负荷在一定的时间内所能够具有对功率以及能量的调控区间。对户用电采暖负荷可调节能力进行评估研究，根据所定义表征负荷可调节能力的指标，引入某一时段数值天气预报的温度参数，通过电采暖热动态模型，来评估在满足人体舒适的温度区间下的户用电采暖的负荷可调节能力。
4.调控电量及其持续时间随调控功率变化示意图如图1所示。其中，p
con
为可实施调节的功率，当p
con
》0时，用p
con1
表示，当p
con
《0时，用p
con2
表示；t
con
为维持调节功率p
con
时所能够持续的时间，t
con1
对应p
con1
，t
con2
对应p
con2
；w
con
为进行功率调节时段所能够调控的电量，w
con1
对应p
con1
，w
con2
对应p
con2
。p0为维持室内初始温度t0的功率值即平衡功率值；p
sn
为户用电采暖最大的供热功率。结合电采暖负荷热电耦合模型，确定维持当前室内温度的功率值p0，评估得到户用电采暖可实施的调节功率p
con
的范围。
5.现有技术仅考虑了电采暖用户的可调节潜力，导致评估出的电采暖可调节潜力不够全面。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种电采暖可调节潜力评估方法，包括：
7.基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为约束，计算用户负荷可调节潜力；
8.基于蓄热装置的运行状态和蓄热容量，计算蓄热装置可调节潜力；
9.对蓄热装置可调节潜力和用户负荷可调节潜力求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力。
10.优选的，所述蓄热装置的运行状态，包括：一级网侧的供水温度和一次网侧的回水温度，所述蓄热容量为蓄热装置中的最高蓄热温度。
11.优选的，所述蓄热装置可调节潜力的计算式如下：
12.w
heatstocontrol
＝[-(t
set-t
high
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
,(t
high-t
low
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
]
[0013]
式中，w
heatstocontrol
为蓄热装置可调节潜力，t
set
为蓄热装置中的最高蓄热温度，t
high
为一级网侧的供水温度，t
low
为一次网侧的回水温度，v
sto
为蓄热介质体积，ρ
sto
为蓄热
介质密度，c
sto
为蓄热介质比热容。
[0014]
优选的，所述基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为约束，计算用户负荷可调节潜力，包括：
[0015]
基于建筑物特性、室外温度和室内温度的初始值，采用电采暖热平衡关系式计算维持室内温度不变的电采暖的平衡功率值，其中，所述建筑物特性包括：建筑物外表面积、建筑物内空间体积和建筑物外表面综合导热系数；
[0016]
基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定功率调控值改变电采暖的功率值后，室内温度下降至室内舒适度范围的下限的降温时间和室内温度上升至室内舒适度范围的上限的升温时间，其中，所述功率调控值包括正值和负值，正值对应升温时间，负值对应降温时间；
[0017]
基于所述正值对升温时间求积分，得到用户负荷可调节潜力的上限，并根据所述负值对降温时间求积分，得到用户负荷可调节潜力的下限；
[0018]
以用户负荷可调节潜力上限和下限间的区间作为用户负荷可调节潜力。
[0019]
优选的，所述基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定功率调控值改变电采暖的功率值后，室内温度下降至室内舒适度范围的下限的降温时间和室内温度上升至室内舒适度范围的上限的升温时间，包括：
[0020]
以室内温度的初始值作为温度初值，从初始时刻开始，基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，迭代计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，各时间的室内温度，直到室内温度超出室内舒适度的范围；
[0021]
当功率调控值为负值时，以初始时刻到室内温度小于室内舒适度范围的下限的前一时间之间的时间段作为降温时间；
[0022]
当功率调控值为正值时，以初始时刻到室内温度大于室内舒适度范围的上限的前一时间之间的时间段作为升温时间。
[0023]
优选的，所述基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，迭代计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，各时间的室内温度，包括：
[0024]
基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，单位时间内室内温度的变化量；
[0025]
基于单位时间内室内温度的变化量，迭代计算各时间的室内温度。
[0026]
优选的，所述电采暖热平衡关系式如下式所示：
[0027][0028]
式中，t表示温度，t表示时间，p
heat
表示电采暖的功率值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积，v为建筑物内空间体积，ca为空气比热容，ρa为空气密度。
[0029]
优选的，所述单位时间内室内温度的变化量的计算式如下：
[0030][0031]
式中，dt为单位时间内室内温度的变化量，dt为单位时间，p0表示平衡功率值，p
con
为功率调控值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积，v为建筑物内空间体积，ca为空气比热容，ρa为空气密度。
[0032]
优选的，所述平衡功率值的计算式如下：
[0033]
p0＝(t
in-t
out
)k
·s[0034]
式中，p0表示平衡功率值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积。
[0035]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种电采暖可调节潜力评估系统，包括：用户负荷潜力模块、蓄热装置潜力模块和总潜力模块；
[0036]
所述用户负荷潜力模块，用于基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为约束，计算用户负荷可调节潜力；
[0037]
所述蓄热装置潜力模块，用于基于蓄热装置的运行状态和蓄热容量，计算蓄热装置可调节潜力；
[0038]
所述总潜力模块，用于对蓄热装置可调节潜力和用户负荷可调节潜力求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力。
[0039]
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
[0040]
本发明提供了一种电采暖可调节潜力评估方法和系统，包括：基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为约束，计算用户负荷可调节潜力；基于蓄热装置的运行状态和蓄热容量，计算蓄热装置可调节潜力；对蓄热装置可调节潜力和用户负荷可调节潜力求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力；本发明同时考虑用户自身的热负荷可调节潜力和基于蓄热装置自身运行状态的可调节潜力这两部分的可调节潜力，更全面准确的评估蓄热式电采暖这类用户的负荷可调节潜力。
附图说明
[0041]
图1为本发明涉及的调控电量及其持续时间随调控功率变化示意图；
[0042]
图2为本发明提供的一种电采暖可调节潜力评估方法流程示意图；
[0043]
图3为本发明提供的典型蓄热式电采暖系统示意图；
[0044]
图4为本发明提供的功率调控过程中室内温度随时间变化关系示意图；
[0045]
图5为本发明提供的一种电采暖可调节潜力评估系统结构示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
[0047]
现有用户电采暖负荷可调节潜力评估仅考虑了用户自身的热负荷特性所产生的可调节潜力，适用于没有蓄热装置的电采暖设施。而蓄热式电采暖设备的负荷可调节潜力包括两部分，一是用户自身的热负荷可调节潜力，二是基于蓄热装置自身运行状态的热负荷调节潜力。本发明同时考虑这两部分的热负荷调节潜力，更全面准确的评估蓄热式电采暖这类用户的负荷可调节潜力。
[0048]
实施例1：
[0049]
本发明提供的一种电采暖可调节潜力评估方法流程示意图如图2所示，包括：
[0050]
步骤1：基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为约束，计算用户负荷可
调节潜力；
[0051]
步骤2：基于蓄热装置的运行状态和蓄热容量，计算蓄热装置可调节潜力；
[0052]
步骤3：对蓄热装置可调节潜力和用户负荷可调节潜力求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力。
[0053]
本实施例中，进行采暖可调节潜力评估的典型蓄热式电采暖系统如图3所示。由图3可以看出，蓄热式电采暖系统一方面通过电锅炉直接给独立的供热管网提供热能，另一方面通过配备一定的蓄热装置，在电价低谷时期将热能蓄存，在电价高峰时期将热能释放，蓄热装置的作用表现为平衡供热量和热负荷之间的关系、减小设备容量和提高系统效率等方面。对蓄热装置自身运行状态的热负荷调节潜力也进行评估，才能更全面准确的评估蓄热式电采暖这类用户的负荷可调节潜力。
[0054]
本发明考虑建筑物特性、室外温度、室内舒适度等因素建立用户热负荷可调节潜力模型，考虑蓄热装置当前运行状态和蓄热容量建立蓄热装置的负荷可调节潜力，两者相加，得到蓄热式电采暖用户负荷可调节潜力评估模型。该模型既考虑了用户舒适度与所在建筑物的调节潜力，也考虑蓄热装置的调节潜力，能够更加全面准确的评估蓄热式电采暖用户负荷可调节潜力。
[0055]
本发明技术方案中，步骤1具体包括：
[0056]
1-1)给定用户的建筑物外表面积s、建筑物内空间体积v、建筑物外表面综合导热系数k、空气比热容ca、空气密度ρa。
[0057]
1-2)考虑居民的热舒适温度，确定室内温度调整范围即室内舒适度范围为[t
down
,t
up
]，以及用户电采暖配置的最大供热功率p
sn
。其中，t
down
为室内舒适度范围的下限，t
up
为室内舒适度范围的上限。
[0058]
1-3)取定室内温度t
in
为进行负荷调节能力评估时的初始温度t0，选取室外温度t
out
为天气预报所对应时段的环境温度。
[0059]
1-4)将步骤1-1)、1-2)和1-3)所获取的数据代入用户电采暖热平衡关系式即电采暖负荷热电耦合模型，如公式1所示，令室内温度变化率为0，确定出维持当前室内温度的平衡功率值p0。其中，公式1中的p
heat
为电采暖的功率值。
[0060][0061]
令
[0062]
得到p0＝(t
in-t
out
)k
·
s (公式3)
[0063]
1-5)以室内温度调整范围[t
down
,t
up
]为约束条件，以p0为基准值，根据设置的功率调控值p
con
改变电采暖的功率值。其中，p
con
的值具体可以采用一定的功率间隔(建议取p
sn
/10)增加或减少功率调控值，根据用户电采暖热平衡公式4计算温度变化值dt，若p
con
＞0，对应于温度上升过程，当室内温度上升至t
up
时截止，此时的p
con
记为p
con1
，迭代过程中同时确定室内温度随时间的变化关系，进而得到进行功率调节时温度能持续维持在热舒适性区间的时间即t
con
，记为t
con1
；若p
con
＜0，对应于温度下降过程，当温度下降到t
down
时截止，此时的p
con
记为p
con2
，迭代过程中同时确定室内温度随时间的变化关系，得到维持给定调节功率所
能够持续的时间t
con
，记为t
con2
。p
con1
对应的t
con1
为升温时间，p
con2
对应的t
con2
为降温时间。本实施例中，为计算用户热负荷可调节潜力，需要同时指定p
con1
和p
con2
的两个值，两个值都要进行后续的计算。功率调控过程中室内温度随时间变化关系具体如图4所示。
[0064][0065]
1-5)具体包括：
[0066]
1-5-1)判断p
con
≤0是否成立：若是，以p
con2
为p
con
的值并转入步骤1-5-3)；否则p
con1
为p
con
的值并转入步骤1-5-2)。本步骤中，p
con1
和p
con2
两个值对应的分支步骤都要执行。
[0067]
1-5-2)计算温度变化值并转入步骤1-5-4)。
[0068]
1-5-3)计算温度变化值
[0069]
1-5-4)更新室内温度：t
in
(i 1)＝t
in
(i) dt。其中，i表示当前时刻，i 1表示下一时刻。
[0070]
1-5-5)更新从开始时刻到当前时刻的持续时间t
sum
，t
sum
＝t
sum
dt，i＝i 1。
[0071]
1-5-6)判断下一时刻的室内温度是否在室内舒适度范围内，即判断t
down
≤t
in
(i 1)≤t
up
是否成立：若是，则转入步骤1-5-1)；否则转入步骤1-5-7)。
[0072]
1-5-7)进一步判断p
con
的值是p
con1
还是p
con2
：若是p
con1
，则转入步骤1-5-8)；若是p
con2
，则转入步骤1-5-9)。本步骤中，p
con1
和p
con2
两个值对应的分支步骤都要执行。
[0073]
1-5-8)获取升温时间t
con1
＝t
sum
，转入步骤1-6)。
[0074]
1-5-9)获取降温时间t
con2
＝t
sum
。
[0075]
1-6)积分得到用户负荷可调节潜力w
buildcontrol
。
[0076][0077]
步骤2具体包括：
[0078]
给定蓄热装置中的最高蓄热温度t
set
、一级网侧的供水温度t
high
、一次网侧的回水温度t
low
，蓄热介质体积v
sto
、蓄热介质密度ρ
sto
和蓄热介质比热容c
sto
。其中，蓄热容量为热装置中的最高蓄热温度t
set
，蓄热装置的运行状态为一级网侧的供水温度t
high
和一次网侧的回水温度t
low
。
[0079]
蓄热装置可调节潜力w
heatstocontrol
的计算式如下：
[0080]wheatstocontrol
＝[-(t
set-t
high
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
,(t
high-t
low
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
]
ꢀꢀ
(公式6)
[0081]
步骤3具体包括：
[0082]
对w
buildcontrol
和w
heatstocontrol
求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力w。
[0083]
w＝w
buildcontrol
w
heatstocontrol
ꢀꢀ
(公式7)
[0084]
实施例2：
[0085]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种电采暖可调节潜力评估系统，如图5所示，包括：
[0086]
所述用户负荷潜力模块，用于基于建筑物特性和室外温度，以室内舒适度范围为
约束，计算用户负荷可调节潜力；
[0087]
所述蓄热装置潜力模块，用于基于蓄热装置的运行状态和蓄热容量，计算蓄热装置可调节潜力；
[0088]
所述总潜力模块，用于对蓄热装置可调节潜力和用户负荷可调节潜力求和，得到蓄热式电采暖可调节潜力。
[0089]
其中，所述蓄热装置的运行状态，包括：一级网侧的供水温度和一次网侧的回水温度，所述蓄热容量为热装置中的最高蓄热温度。
[0090]
其中，所述蓄热装置可调节潜力的计算式如下：
[0091]wheatstocontrol
＝[-(t
set-t
high
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
,(t
high-t
low
)
·vsto
·
ρ
sto
·csto
]
[0092]
式中，w
heatstocontrol
为蓄热装置可调节潜力，t
set
为蓄热装置中的最高蓄热温度，t
high
为一级网侧的供水温度，t
low
为一次网侧的回水温度，v
sto
为蓄热介质体积，ρ
sto
为蓄热介质密度，c
sto
为蓄热介质比热容。
[0093]
所述蓄热装置潜力模块，具体用于：
[0094]
基于建筑物特性、室外温度和室内温度的初始值，采用电采暖热平衡关系式计算维持室内温度不变的电采暖的平衡功率值，其中，所述建筑物特性包括：建筑物外表面积、建筑物内空间体积和建筑物外表面综合导热系数；
[0095]
基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定功率调控值改变电采暖的功率值后，室内温度下降至室内舒适度范围的下限的降温时间和室内温度上升至室内舒适度范围的上限的升温时间，其中，所述功率调控值包括正值和负值，正值对应升温时间，负值对应降温时间；
[0096]
基于所述正值对升温时间求积分，得到用户负荷可调节潜力的上限，并根据所述负值对降温时间求积分，得到用户负荷可调节潜力的下限；
[0097]
以用户负荷可调节潜力上限和下限间的区间作为用户负荷可调节潜力。
[0098]
其中，所述基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定功率调控值改变电采暖的功率值后，室内温度下降至室内舒适度范围的下限的降温时间和室内温度上升至室内舒适度范围的上限的升温时间，包括：
[0099]
以室内温度的初始值作为温度初值，从初始时刻开始，基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，迭代计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，各时间的室内温度，直到室内温度超出室内舒适度的范围；
[0100]
当功率调控值为负值时，以初始时刻到室内温度小于室内舒适度范围的下限的前一时间之间的时间段作为降温时间；
[0101]
当功率调控值为正值时，以初始时刻到室内温度大于室内舒适度范围的上限的前一时间之间的时间段作为升温时间。
[0102]
其中，所述基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，迭代计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，各时间的室内温度，包括：
[0103]
基于所述平衡功率值和建筑物特性，通过电采暖热平衡关系式，计算按照指定的功率调控值改变电采暖的功率值后，单位时间内室内温度的变化量；
[0104]
基于单位时间内室内温度的变化量，迭代计算各时间的室内温度。
[0105]
其中，所述电采暖热平衡关系式如下式所示：
[0106][0107]
式中，t表示温度，t表示时间，p
heat
表示电采暖的功率值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积，v为建筑物内空间体积，ca为空气比热容，ρa为空气密度。
[0108]
其中，所述单位时间内室内温度的变化量的计算式如下：
[0109][0110]
式中，dt为单位时间内室内温度的变化量，dt为单位时间，p0表示平衡功率值，p
con
为功率调控值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积，v为建筑物内空间体积，ca为空气比热容，ρa为空气密度。
[0111]
其中，所述平衡功率值的计算式如下：
[0112]
p0＝(t
in-t
out
)k
·s[0113]
式中，p0表示平衡功率值，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，k为建筑物外表面综合导热系数，s为建筑物外表面积。
[0114]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0115]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0116]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0117]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0118]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。