兼顾节能降碳与用户舒适度的公共建筑中央空调系统协调控制方法

本发明涉及综合能源系统需求侧优化控制领域，尤其涉及一种兼顾节能降碳与用户舒适度的公共建筑中央空调系统协调控制方法。

背景技术：

1、建筑与能源领域节能降碳是实现全球范围内“碳中和”目标的重要途径。建筑领域最终能源消耗约占全球的33％，直接和间接二氧化碳排放量约占全球的40％。从全国的视角看，据2022年发布的《中国建筑能耗研究报告》研究结果：随着城镇化率的增长，建筑面积由2010年的489亿m2，增加至2020年696亿m2，建筑在生产和运行过程中碳排放总量达到49.8亿吨二氧化碳，占全国总排放的49.9％，其中公共建筑运行过程中碳排放达到21.6亿吨二氧化碳。而公共建筑电力作为消耗化石能源的大户，是造成间接碳排放的主要因素，理应成为节能减排的主力军，如何制定先进的优化策略，实现电能资源绿色化。中央空调系统能耗占公共建筑总能耗近60％，而其中冷源系统能耗又约占中央空调总能耗的50％，是造成公共建筑能耗巨大的主要原因，而且呈逐年增长的趋势。如何采用先进的优化策略对冷源系统在内的中央空调系统实施整体的、动态的控制，是实现公共建筑电能资源绿色化发展的关键前提。

2、建筑中央空调系统节能优化方法大多是局部优化，而中央空调系统是非线性多耦合系统，系统之间存在着相互影响和制约。在研究中央空调系统节能优化控制中，除控制策略外还应在满足用户侧的冷量需求的前提下以降低整体中央空调系统的能耗。大多数中央空调系统控制是以固定制冷量为基础的，且研究目标较为单一。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种一种兼顾节能降碳与用户舒适度的公共建筑中央空调系统协调控制方法，通过对建筑用户用能所产生的电力碳排因子信息，考虑建筑bim模型中围护结构的内外部蓄热物质、外界温度等对建筑室内温度影响的差异化作用，充分考虑电力系统碳排强度的时空差异性，建立了兼顾用户舒适度与电力碳排的公共建筑中央空调系统低碳用能策略优化方法，用以提升建筑中央空调系统与电力系统综合节能降碳的能力。

2、技术方案：本发明所述的兼顾节能降碳与用户舒适度的公共建筑中央空调系统协调控制方法，包括以下步骤：

3、(1)建立建筑室内空调温度设定值与室内冷负荷需求的关系函数；

4、(2)将人体热舒适度pmv和分时电价作为调节室内冷负荷需求的约束条件，权重系数引入分时电价信息，采用权重法优化得到各个时刻的最优温度设定值，降低室内冷负荷需求；

5、(3)考虑时滞效应，在确定各时刻最优温度的结果上，对室内冷负荷需求进行修正；

6、(4)根据修正后室内冷负荷需求、建筑的节能和碳排放需求，建立基于能量需求末端冷量修正的中央空调节能降碳优化策略。

7、进一步的，步骤(1)中，设定空调房间热平衡方程为

8、

9、qsys+a0hi(tm-ti)+e＝0

10、上式中，m为外部热物质的总质量，cm为热物质自身的热容，tm为外墙的平均温度，为温度的微分，a0为外部蓄热物质的总体面积，h0为外部蓄热物质和房间空气的对流系数，hi为第i个热物质和室内热交换的系数，ti为室内温度，qsys为空调房间所需的制冷量，即室内冷负荷需求，e为室内的热增益总和；

11、设定室外温度t0的变化过程为正弦函数，该正弦函数的角频率为ω，室外温度平均值为，周期为24h，室外温度变化由下式表示：

12、

13、进一步的，将室外温度t0带入空调房间热平衡方程得到建筑室内空调温度设定值与室内冷负荷需求的关系函数：

14、

15、

16、

17、上式中，τ为空调系统夜间关闭时通风率qv的时间常数，λo为室外环境和外墙的对流热传递系数，λi为室内环境和外墙的对流热传递系数，ρ为材料密度，cp为定压比热ω1容，ti＝tset，tset为建筑室内空调温度设定值；β1为相位，取值范围为(0,π/2)；c1为微分方程的通解系数。

18、进一步的，步骤(2)中权重系数为

19、

20、

21、δqsys＝qsys(tset,max)-qsys(tset,min)

22、δpmv＝pmv(tset,max)-pmv(tset,min)

23、上式中，ω1和ω2为权重系数，k为系数，取值范围为(0,1)，p(t)为t时刻的电价，tset,max为温度设定值的最大值，tset,min为温度设定值的最小值，qsys(tset,max)和qsys(tset,min)分别表示对应温度设定值下的冷负荷需求量，pmv(tset,max)和pmv(tset,min)分别表示对应温度设定值下的人体舒适度值。

24、进一步的，步骤(2)中调节室内冷负荷需求的约束条件minf为

25、

26、上式中，ω1、ω2为权重系数，ω1+ω2＝1；qsys,max为冷负荷需求的最大值；qsys,min为冷负荷需求的最小值；pmvb为舒适度值的基准值。

27、进一步的，步骤(3)中对室内冷负荷需求进行修正具体如下：

28、对中间每10分钟的冷量需求进行再优化，中间时刻的冷量需求qsys,middle(t)为

29、

30、进一步的，所述公共建筑中央空调系统的用能模型为

31、冷水机组的能耗模型

32、

33、上式中，plrchiller为冷水机组的部分负荷率，qchiller为水冷机组实际制冷量，qnom为水冷机组额定制冷量；a0，a1，a2为负荷修正系数；

34、

35、上式中，temp为压缩机的综合能耗系数，tchws为冷冻水供水温度；tcws为冷却水供水温度；b0，b1，b2，b3，b4，b5为温度回归系数；

36、pchiller＝wchiller·plrchiller＝qnom·copnom·temp·plrchiller

37、上式中，pchiller为压缩机的电功率，wchiller为冷水机组的功率；qnom为冷水机组额定制冷量；copnom为冷水机组额定制冷效率；

38、变频水泵的能耗模型

39、

40、上式中，plrpump为变频水泵的负载率；mnom为变频水泵的额定流量；mchw为变频水泵的实际流量；

41、

42、上式中，ppump为水泵的实际功率；ppump.nom为水泵的额定功率；d0，d1，d2，d3为系数；

43、冷却塔风机的能耗模型

44、

45、上式中，plrtfan为冷却塔风机的负载率；matfan为冷却塔风机的实际空气流量；matfan,nom为冷却塔风机额定的空气流量；

46、

47、上式中，ptfan为冷却塔风机的功率；ptfan,nom为冷却塔风机的额定功率；f0，f1，f2，f3为功率拟合系数；

48、风机盘管的能耗模型

49、

50、上式中，plrcfan为风机盘管的负载率；macfan,nom为风机盘管的额定风量；macfan为风机盘管的实际风量；

51、

52、上式中，pcfan为风机盘管的负载率；pcfan,nom为风机的额定功率；gi为风机盘管的能耗模型的系数，i＝0，1，2，3。

53、进一步的，步骤(4)中，建筑的节能和碳排放需求对应的中央空调系统节能降碳整体目标函数为

54、wtotal＝wchiller+wchwpump+wcwpump+wtfan+wcfan

55、上式中，wtotal为系统的总能耗；wchiller为冷水机组的能耗；wchwpump为冷冻水泵能耗；wcwpupm为冷却水泵能耗；wtfan为冷却塔风机能耗；wcfan为室内机风机盘管能耗；

56、min ctotal＝min(ε·wtotal)

57、min ctotal＝min∑t∈t[p(t)wtotal(t)+c(t)ε(t)wtotal(t)]

58、上式中，ctotal-中央空调系统碳排放成本；ε-动态碳排放因子。

59、进一步的，中央空调系统节能降碳整体目标函数满足以下约束：

60、冷冻水供水温度和冷却水进水温度约束：

61、

62、上式中，tchws为冷冻水供水温度；tcws为冷却水进水温度；

63、冷冻水流量和冷却水流量约束：

64、

65、上式中，mchws为冷冻水流量；mcws为冷却水流量；

66、冷却塔风机风量和风机盘管风量约束：

67、

68、上式中，matfan为冷却塔风机风量；macfan为风机盘管风量；

69、设备运行约束：

70、

71、上式中，cpw为水的比热容；tchwr为冷冻水回水温度；qchiller为冷水机组的实际制冷量；mcw为冷却水流量；cpw为水的比热容；tcwr为冷却水回水温度；tchws为冷冻水供水温度；tcws为冷却水进水温度；mchw为冷冻水流量；mcw为冷却水流量；mafan为冷却塔风量；mcfan为风机盘管风量；c1、c2、c3为常数。

72、本发明所述中央空调系统协调控制集成设备，包括：

73、信息获取模块，用于获取建筑内温度、设备用能参数和外界天气量测值；

74、决策模块，用于根据提取信息和上述的公共建筑中央空调系统协调控制方法，按照预设目标提出中央空调系统各部分设备的控制策略；

75、运行模块，用于发布控制策略方案和执行控制策略下的设备遥控。

76、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明考虑精细化建筑本体结构对建筑热负荷的影响，充分考虑电力系统碳排强度的时空差异性，建立房间的热平衡方程得到冷负荷和室内温度设定值的关系，并以人体热舒适度pmv和分时电价作为调节末端冷负荷需求量的约束条件，采用权重法优化得到各个时刻的最优温度设定值。最后基于中央空调系统主要设备能耗模型和末端冷负荷需量优化结果，建立了中央空调系统整体节能降碳的两阶段目标函数及相应的约束条件。优化结果显示，本发明建立的模型可以达到较好的中央空调系统节能降碳效果。