冷熱負荷預(yù)測在區(qū)域供能項目中的應(yīng)用——以上海西虹橋1號能源站為例
呂巖1，潘毅群1*，劉海靜1，嚴建宏2
（1. 同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院；2. 上海西虹橋新能源有限公司）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2021年第2期“城市能源系統(tǒng)智慧低碳轉(zhuǎn)型的驅(qū)動機制及關(guān)鍵技術(shù)”專題上，歡迎點擊品讀。本文受國家自然科學(xué)基金（51978481）、世界銀行全球環(huán)境基金技術(shù)援助項目資助。
文章導(dǎo)讀
在區(qū)域供能系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃階段，準確的負荷預(yù)測結(jié)果能為設(shè)備容量配置與經(jīng)濟性計算提供重要依據(jù)。與電負荷相比，區(qū)域內(nèi)建筑群的冷熱負荷會受到更多因素的影響，這使得冷熱負荷不確定性更大。因此，采用建筑模型進行較為準確的冷熱負荷預(yù)測，已成為項目工作流程中的必需環(huán)節(jié)。同時，為驗證其實際效果，還需利用運行數(shù)據(jù)來評價建筑冷熱負荷預(yù)測的準確性。隨著區(qū)域供能項目的建設(shè)投產(chǎn)與運行，從系統(tǒng)實際運行的角度檢驗規(guī)劃階段冷熱負荷預(yù)測的準確性就顯得尤為重要。
文章亮點
1）以上海西虹橋1號能源站作為冷熱負荷預(yù)測的應(yīng)用對象，工作內(nèi)容貫穿其規(guī)劃階段直至運行階段的全過程，既實現(xiàn)了在設(shè)計中利用負荷預(yù)測結(jié)果對其設(shè)備選型進行指導(dǎo)，又利用運行監(jiān)測數(shù)據(jù)對負荷預(yù)測結(jié)果的準確性進行了驗證；
2）引入了“入住率”這一參數(shù)，用以量化描述區(qū)域供能項目的實際運營情況，為其他類似項目在利用運行數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究的過程中，提供可參考的數(shù)值修正方法。
摘要
在區(qū)域供能系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃階段，準確估算建筑群的冷熱負荷，能夠為系統(tǒng)的設(shè)備容量配置與經(jīng)濟性分析提供合理的計算依據(jù)。隨著模型仿真工具與算法的進步，建筑冷熱負荷預(yù)測方法不斷發(fā)展成熟，但較少有研究從實際案例 運行情況的角度評價冷熱負荷預(yù)測的準確性。以上海西虹橋1號能源站作為應(yīng)用案例，在項目規(guī)劃初期采用基于建筑典型模型的冷熱負荷指標預(yù)測算法，預(yù)測該項目地塊內(nèi)的各類型建筑的冷熱負荷；在運行階段，通過管路計量數(shù)據(jù)得出各類型建筑的真實冷熱負荷，并引入“入住率”的概念量化冷熱負荷預(yù)測值與實際值的差異。結(jié)果表明，該項目投入運行 3年的“入住率”分別達到41.4%、62.1%、85.7%。該結(jié)論與實際情況基本一致，證明了冷熱負荷預(yù)測在區(qū)域供能項目應(yīng)用中的準確性。
主要內(nèi)容
上海西虹橋1號能源站于2018年年初建成并投產(chǎn)。目前，該能源站為其規(guī)劃區(qū)域內(nèi)占地面積約為160 hm2的大型建筑群供能。該項目是集商業(yè)、餐飲、辦公于一體的大型城市綜合體，其中包括了辦公、集中商業(yè)、街區(qū)商業(yè)等在內(nèi)的多棟單體建筑，功能綜合性較強，建筑群衛(wèi)星圖如圖1所示。
? 圖1 已建成能源站供能區(qū)域衛(wèi)星圖
本文采用基于建筑典型模型的冷熱負荷指標預(yù)測算法，并在模型仿真計算的過程中，結(jié)合對項目實際狀況的場景分析，對參數(shù)設(shè)置進行相應(yīng)調(diào)整。在場景分析中，包含以下三種類型的建筑：辦公、集中商業(yè)、街區(qū)商業(yè)，針對不同類型的建筑，生成其對應(yīng)的典型模型。使用EnergyPlus軟件計算各類典型建筑模型的冷熱負荷指標，在計算中輸入的氣象參數(shù)選擇上海市典型氣象年數(shù)據(jù)。
通過在全年尺度上的模擬計算，能夠得到各類型建筑逐小時的單位面積冷熱負荷指標。根據(jù)規(guī)劃階段的實際需求，為本項目中能源站提供了其供能區(qū)域全年的逐時冷熱負荷指標（如圖2所示），并將其總負荷的峰值作為該區(qū)域供能系統(tǒng)的冷熱負荷設(shè)計值，用以指導(dǎo)項目建設(shè)中的設(shè)備選型工作。
? 圖2 全年逐時冷熱負荷預(yù)測值
在本項目投產(chǎn)運行后，出于運營管理的需要，能源站利用其機房的節(jié)能控制系統(tǒng)對供能過程中的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)（冷熱水干管的流量、供回水的溫差）進行計量。在實際操作中，是由工作人員在每日固定時段執(zhí)行“抄表”操作來實現(xiàn)數(shù)據(jù)計量工作的，記錄從上一個“抄表”時刻到當(dāng)前時刻能源站供給的累計冷熱量，相當(dāng)于記錄了區(qū)域內(nèi)建筑群的逐日總冷熱負荷。如圖3所示，已記錄數(shù)據(jù)涵蓋了從項目開始投產(chǎn)（2018年5月）至2021年1月的全部供能系統(tǒng)運行日（即系統(tǒng)進行檢修的時段除外）的實際冷熱負荷。
針對該能源站采用的這種數(shù)據(jù)計量形式，可以先根據(jù)系統(tǒng)運行歷史記錄，將全部供能時段分割為若干個供冷季、供熱季，并對各個供能季中的逐日冷熱負荷求極值，將單日冷熱負荷最大的運行日作為實際系統(tǒng)運行時應(yīng)參照的設(shè)計日。通過比較設(shè)計日冷熱負荷的預(yù)測值與實際值，實現(xiàn)對冷熱負荷預(yù)測結(jié)果準確度的評價。
? 圖3 區(qū)域逐日冷熱負荷記錄結(jié)果
將冷熱負荷二者綜合來看，該年內(nèi)能源站所需承擔(dān)的峰值冷熱負荷約占設(shè)計冷熱負荷的65%。這一方面說明為保證設(shè)備容量的裕度，設(shè)計冷熱負荷往往會選取偏大；另一方面，該結(jié)果也從側(cè)面反映出新建建筑因入住率不足導(dǎo)致實際用能水平相較預(yù)測值偏低的情況。為了進一步探究“入住率”的變化情況，本文根據(jù)計量數(shù)據(jù)得出全部3個年份供冷季設(shè)計日的總冷熱負荷實際值，并依次對比預(yù)測值，將該比值視為當(dāng)年建筑群的“入住率”，。
計算結(jié)果如圖4所示，隨著建筑投入使用的時間變長，“入住率”隨之提升，對于辦公、商業(yè)建筑而言，這一現(xiàn)象是合理的。此外，最近的供冷季（即2020年5月至10月）設(shè)計日的數(shù)據(jù)顯示，其“入住率”達到了85.7%，考慮到設(shè)計冷熱負荷預(yù)留10%的余量，這與“2020年該建筑群的入住已基本飽和”這一實際情況基本相符，也可說明規(guī)劃階段的冷熱負荷預(yù)測結(jié)果比較準確，合理地指導(dǎo)了設(shè)備的選型設(shè)計。
? 圖4 近3年設(shè)計日冷負荷實測值及入住率
此外，隨著該能源站規(guī)劃范圍內(nèi)更多供能項目的建設(shè)完成與運營，采用本文提出的方法亦可分析其“入住率”的變化情況，從而有可能總結(jié)得到類似條件下辦公及商業(yè)建筑的“入住率”變化規(guī)律。從實際應(yīng)用的角度來說，將該指標作為一項影響驗證過程的因素進行分析是很有意義的。這是因為“新建成建筑的使用率在建成初期往往較低”這一客觀現(xiàn)實的存在，會導(dǎo)致利用實測數(shù)據(jù)對冷熱負荷預(yù)測結(jié)果進行驗證時產(chǎn)生較大的誤差；同時，又受到測量條件的限制，在當(dāng)前多數(shù)可獲得的建筑運行數(shù)據(jù)中，較難獲得其冷熱負荷數(shù)據(jù)，即使其中的部分數(shù)據(jù)由于“入住率”的原因?qū)е缕滟|(zhì)量不高，依然需要考慮對其進行處理從而提升對這些有限數(shù)據(jù)的使用率，例如可通過實地調(diào)研確定這一參數(shù)的取值。
本文引文信息
呂巖，潘毅群，劉海靜，等. 冷熱負荷預(yù)測在區(qū)域供能項目中的應(yīng)用——以上海西虹橋 1 號能源站為例[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2021, 4（2）：197-203.
LYU Yan, PAN Yiqun, LIU Haijing, et al. Application of Cooling and Heating Load Prediction for District Energy Supply: A Case in West Hongqiao 1# Energy Station [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4（2）：197-203(in Chinese).
