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附录A 外文译文
一种主动响应智能电网电力需求的新型空调系统
摘要：电力需求响应被认为是最有前途的解决给电网和终端用户带来了一系列严重的问题电网功率不平衡问题的方法之一。为了有效利用建筑的需求响应潜力，在智能电网发展的背景下，这篇文章提出了一种具有主动需求控制每日负荷转移和实时功率平衡功能的新型空调系统。该系统由冷冻水存储系统(CWS)和温湿度独立控制(THIC体)空调系统组成，可以显著降低蓄冷水箱的容积并有效地使建筑具有更大的灵活性去改变用电模式。前面提到的空调系统的电力需求可通过实施两种类型的需求响应策略来灵活控制:需求侧竞价(DSB)策略和需求作为频率控制储备(DFR)策略，分别响应电网日前和小时前的电力变化要求。巨大的好处（比如能源和成本的节省）将在为电力公司和建筑物业主在优惠定价或关税下实现。在一个模拟平台上进行了一个案例研究来证明所提到的系统在办公大楼中的应用。
关键词: 主动需求响应智能电网，冷冻水存储，温湿度独立控制，空调系统
一种用于主动电力需求响应的新型空调系统智能电网
- 引言
电网面临的最大挑战之一是可能导致效率低下、剩余能源浪费、污染物排放高、电压下降、设施损坏等一系列问题的供需侧电力不平衡。 随着可再生能源(如太阳能光伏发电和风电场)的广泛融合，以及许多国家舒适制冷或空调(A/C)使用的迅速增加，这种不平衡进一步加剧[1]。智能电网通过共同控制供电侧的电力生产和需求侧的电力消耗来减少电网不平衡，因此被许多研究者认为是一种很有前途的解决方案[2-4]。最终用户对电网信号(如动态价格和可靠性信息)的电力需求控制被称为需求响应(DR)，已成为智能电网愿景的重要组成部分[5,6]。根据启动容灾程序的信号类型，容灾程序可分为紧急(或可靠性)容灾程序、经济(价格)容灾程序和需求侧辅助服务程序[7]。
楼宇作为主要的最终用户，耗电量约占美国总电量的30%，而占香港总电量的90%以上，在电力需求响应方面可担当重要角色。为了在用电高峰期减少或转移电力需求，许多建筑物都采取了需求响应措施。在住宅建筑中，需求响应措施通常用于在高峰期间主动关闭大型用户(如空调、洗衣机和加热器)，从而减少电力消耗，并通过参与住户将同时的电力需求最小化。在商业建筑中，建筑热质量(即被动蓄热)和蓄热系统(即主动蓄热)通常用来转移热/冷负荷，从而将电力需求从高峰时段转移到非高峰时段。例如，Braun[11]评估了不同建筑热质量控制策略的性能，这些策略通过调节室内空气温度设定值来控制建筑的冷却需求。Sun等人[12]提出了一种限制需求的策略，利用建筑热质量在清晨对建筑进行预冷。采用热质量的主要缺点是储能能力和效率低，冷能放电的可控性差。热质量储存的数量和持续时间变化很大，这取决于各种因素，包括建筑结构、热时间常数和内外热量。另外，利用热质量进行电力需求控制，或多或少地影响室内温度，对居住者的热舒适也有一定的影响。
相比之下，采用主动蓄热系统在降低峰值负荷方面具有更大的容量和更好的可控性，同时对居住者的负面影响较小。它通过在非高峰期间生产和储存冷能量，并在高峰期间使用储存的能量进行冷却，从而减少建筑高峰需求。冷能通常以冰、冷冻水、相变材料(PCMs)或共晶溶液的形式储存[15,16]。其中，冷冻水储存技术和冰储存技术是世界上应用最广泛的技术。与冰蓄冷系统相比，冷冻水蓄冷系统具有系统配置简单、控制策略简单、初始运行成本[17]低等优点。然而，冷冻水蓄热系统的容积蓄热密度远小于冰蓄热系统。在存储相同冷量时，冷冻水库所需容积大约是冰存储系统[18]的5-8倍。对大型储罐的需求及由此带来的储水成本高是冷冻水储水系统在建筑中应用的主要障碍。幸运的是，一些措施，如减少冷量存储和增大水温差的存储密度，可以降低冷冻水存储系统对存储容量的要求。
水煤浆系统的温差主要取决于冷水机组的供给温度和A/C终端的回流温度。在常规空调系统中，空气冷却和除湿(即通过冷凝来去除水分)，冷却水的供应温度和回流温度通常分别固定在7℃和12℃。如果在这种空调系统中采用水煤浆，则水煤浆系统的温差一般在5℃以上(考虑热交换器的温差损失)。然而，在温度和湿度独立控制(THIC)空调系统(也称为“温湿度独立控制系统”)中，室内空气温湿度可分别使用单独的温度控制子系统和湿度控制子系统[19]独立调节。温度控制子系统的冷却线圈返回水温可显著提高(例如，从12℃提高到21℃)，水煤浆的储存密度可以相应地提高。另外，可以将感冷负荷与潜热负荷(水分负荷)分离。如果只储存感冷负荷(约占总冷却负荷的50-60%)，则与需要储存全部冷却负荷的传统冷冻水储存系统相比，所需储罐的容积可进一步减少。
为了有效地利用冷冻水系统的需求反应势,减少所需的存储卷,本文提出了一种冷冻水存储系统(水煤浆)与温度和湿度独立控制(THIC)相结合新型空调系统。通过对冷冻水系统的充放电进行调度和优化，可以有效地控制空调系统的电力需求，以响应电网日前、小时前的改造要求。
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系统配置和运行模式
- 系统配置
图1是所述空调系统的示意图。系统冷源由冷水机组和蓄冷水箱组成。理想情况下，冷冻水被分层储存在水箱内，以便以后使用来满足冷却的需要。在排放模式中，冷冻水从水箱底部供应，然后以低流速返回到水箱顶部，以尽量减少各层的混合[20]。系统的制冷量主要取决于分层储罐之间的温差(即CWS系统的温差)，如式(1)所示。
(1)
其中Vtank为水箱所需的储存量。Qs是储罐的容量。Delta;T是CWS系统的温度差，等于回水箱水温(TR)与回水箱出水水温(Ts)之差。
终端系统由两个子系统组成，即湿度控制子系统和温度控制子系统，它们分别用于控制室内空气的湿度和温度，湿度控制子系统是一个被破坏的新鲜空气系统(例如，空气处理单元)和温度控制子系统是一个房间终端系统(例如，风机盘管单元)或辐射天花板系统。在湿度控制子系统中，室外新鲜空气在AHU线圈中进行除湿，冷却机(或罐内)的低温冷却水在短时间内循环运行，除湿空气(即干燥空气)供给房间，以处理整个室内潜在(或水分)负荷和部分感负荷，因为供给的空气温度(例如，13℃)低于室内空气温度。在温度控制子系统中，使用FCU或辐射天花板终端消除最热感负荷。在不需要室内终端除湿的情况下，冷热水的供应/回流温度可以显著提高。从传统的7℃/12℃到18℃/21℃。
通常，高温冷水应由高温冷水机组(供应/回流温度为18℃/21℃)来提供，而不是由常规冷水机组(供应/回流温度为18℃/21℃)提供，因为前者的COP比后者高得多(例如30%)，但在预冷系统中，冷却水是从储罐中提供的，在储罐中，冷却水仍然是由常规冷却器生产的，而COP相对较低。这样，系统的能量性能不如典型情况。其好处是水煤浆系统的温差明显增加(例如，从5℃增加到14℃)，这有助于相应地减少所需的储存量，如方程所示(1)。
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- 系统操作模式
该系统可采用四种不同的模式：(1)冷充电方式，(2)冷放电模式，(3)冷透支模式，(4)冷补模式。表1显示了这四种模式下关键设备和阀门的具体运行状态。在非高峰时段(如夜间)，系统以冷充电方式运行：所有冷却器都以6℃左右的温度进入储存在水箱中的生产能量，在正常办公时间内，系统以冷排放方式运行：储存的冷能是通过换热器(如图中的EX2)从储罐中提取出来的，在温度控制子系统中，FCU的冷却负荷由FCU来处理。
图1 采用冷冻水储存(CWS)的温湿度独立控制(THIC体)系统原理图
同时，仅开启部分冷水机提供冷冻水，以处理湿度控制分系统内AHU的冷负荷。通过这样做，在办公时间期间(包括高峰期间)的电力需求可以显著提高，因为在这段时间只需要处理总冷负荷的大约一半。此外，与不使用冷库的系统相比，制冷机的容量也可以减少。
如果需要立即降低建筑用电需求，以响应智能电网的实时需求（即紧急灾难恢复事件），该系统可在冷超负荷模式下运行：所有正在运行的冷水机组可立即关闭，用于处理湿度控制子系统中AHU冷负荷的冷能也可由水箱提供（通过图1中虚线所示的分支）。DR事件发生后，需要将透支的冷能偿还给储罐。否则，储罐中剩余的冷能可能不足以在接下来的时间内处理温度控制子系统的冷负荷。因此，冷超负荷模式之后总是会出现冷补偿模式，在这种模式下，所有冷却器都会打开，以尽可能多地产生冷能。一部分冷能用于处理空气处理机组的冷负荷，其余储存在储罐中，用于偿还透支的冷能。
- 实施积极主动的需求响应策略
现有的电力需求响应策略通常是以被动的方式实现的:在需求高峰时段为了减负荷而适度牺牲室内环境(如调暗灯光或在制冷季节提高设定值温度)。这种被动行为可能导致不舒适或不可接受的室内环境，然后可能损害居住者的表现，因为温度和照度偏离了预期值。相比之下，提前生产和储存更多的冷能，并将其用于高峰时段的制冷供应，则是一种更为积极的需求方式响应。采用建议的空调系统，冷冻水储存系统使大厦能主动响应电力需求。主动一词是指通过提前主动将负荷从高峰时段转移到非高峰时段，而不是被动地忍受室内环境的牺牲来实现电力需求的降低。针对电网日前和小时前的需求变更要求，提出了两种主动需求响应策略:需求侧竞价策略(DSB)和需求作为频率控制储备策略(DFR)。DSB策略可以通过系统在冷充放电模式下运行来实现。通过系统在冷透支模式和冷偿还模式下运行，可以实现DFR策略。
3.1. 日前需求侧招标（DSB）
需求侧竞价（DSB）是一种竞争机制，使电网的需求侧能够参与电力谈判。提前一天的需求侧优化为供应侧提供了对未来一天输送到需求侧的能源量的估计[21]。DSB可以通过增加批发能源市场的竞争，并作为传统发电的替代品，提高电力供应链的效率。例如，DSBC可以用来平衡电力供应和需求，还可以维持供电质量和安全。实施需求响应（如DSB）的成功主要取决于最终用户以对电源供应商和最终用户都有利的方式改变负荷的能力[22]。
为了实施DSB策略，建筑物必须充分响应日前电价，以便在运营成本方面获得最大收益。根据预先设定的电力市场规则和投标机制，日前电价由提交的电力供应报价和电力需求报价决定。一般来说，非高峰时段的价格比高峰时段低得多，如图2所示。因此，建筑物愿意将电力使用转移到非高峰时段。然而，改造能力在很大程度上取决于其建筑服务系统的特点和限制。
在该空调系统中，可以在非高峰时段以相对较低的价格产生相当数量的冷能，并储存在冷冻水箱中(即冷充方式)。在办公时间内，可将储存的冷量排放，以处理显冷负荷，而只有潜冷负荷和新风负荷需由冷水机提供(即排冷方式)。因此，可以将原有的(不含存储系统的)冷负荷曲线调整为改变后的曲线，如图3所示。由于冷水机组通常占建筑电力需求的主导地位，且冷水机组的功率与所提供的冷负荷几乎成正比，因此这种安排可以在高峰时段大幅降低电力需求。
图2 使用DSB时的概念日前定价和存储安排 图3 使用DSB时建筑物冷负荷变化的说明
3.2. 作为频率控制储备（DFR）的需求
另一种主动式需求响应策略，即需求频率控制储备（DFR）策略，可在拟建空调系统中实施，以响应基于DSB策略的电网小时水头需求变更需求。如上所述，提前一天的DSB策略可以帮助电网更加安全和节能。然而，由于负荷预测的不准确或供应/需求的计划外变化（例如，发生了紧急事件），电力失衡仍有可能在亚小时（例如半小时）内发生。这种电力不平衡会导致电力过剩或电力短缺，导致能源浪费或最终用户投诉。一个更关键的问题是，功率不平衡可能导致电网频率不稳定，这对电网的健康运行非常有害。为了在电网中保持稳定的频率，发电供应侧的额外容量（例如，旋转备用发电机）主要用于实时平衡电力供应和需求。其结果是，在负荷较高的日子，电价会出现极端波动[23,24]。作为一种替代方案，作为频率控制备用（DFR）的需求（也称为动态需求）成为一种更具成本效益的解决方案，当电力不平衡实时发生时，通过快速调整终端用户在需求侧的负荷来帮助维持电网频率[25]。
当使用拟议的空调系统时，DFR策略（例如，应急需求响应计划）可以通过立即关闭部分或所有运行的冷水机来实现，以响应实时功率降低要求，同时不影响室内热舒适性。当电网上的电力短缺预计将在下一个短时间内提前发生时（例如，图4中的12:45到13:15），用于请求功率降低的信号（例如，降低量和相关持续时间）将被发送给DR参与者。一旦建筑物接收到信号，冷却装置可以关闭一段时间（例如，小时）。在此期间，除向温度控制子系统提供冷能以处理FCU中的负载外，冷冻水储罐还需要向湿度控制子系统提供冷能（即，将存储的冷能透支），以处理AHU中的负载。相反，当预测在接下来的短时间内（例如，图4中的15:00到16:00），电网上的电能将过剩时，可以通过运行更多的冷却器（即冷补偿模式）生产更多的冷冻水来补偿储
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