利用基于规则的预测控制实现住宅建筑灵活性响应

这篇文章利用PRBC进行灵活性响应，看这篇论文本想看看PRBC的制定方法，但是没有想到这篇文章并不以此为重点，但文中解决事情还挺有趣的，特别是那个规则和基金的定投策略有点类似。文章中还有一个比较有意思，本来是对研究对象的限制，但写作时当作一个创新点，挺有意思。

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概要

本篇文章利用“预测规则控制（PRBC）”和“建筑性能模拟（主要使用IDA ICE）研究了挪威地区的独立住宅建筑的建筑能源灵活性潜力利用。做了三部分的研究：

• 第一是研究分析了三种目标下PRBC的执行效果（降低运行成本、降低二氧化碳排放、削峰）；
• 提出了利用热泵与直接使用电加热对于结果的影响（热泵由于复杂的控制系统在一定程度上会削弱PRBC的影响）；
• 分析了受控对象热分区对于结果的影响（影响较小）。

前言

对于供暖工况下建筑需求侧的灵活性就是在满足功能要求的前提下系统运行的裕度，最常用且认为最有效的方法是将热泵系统与热储能系统联合在一起使用，”热泵-储能“系统的灵活性潜力取决于：a)建筑的类型；b)热泵、蓄能设备的类型；c)应用的控制策略。然后对建筑供暖系统灵活性的研究进行了介绍。

首先是针对建筑（围护结构）方面的研究，建筑部分对于需求响应的影响影响的是灵活性响应潜力，就是一个建筑能够实现多少负荷的转移（灵活性潜力量化），建筑灵活性潜力来源于围护结构蓄热特性带来的可用储能容量，可以用于短期的负荷转移，因此对于建筑部分带来的影响的研究可以归纳为针对两种特性的研究，建筑结构蓄热特性与建筑结构隔热特性（传热特性）。此外建筑部分的热分区情况会对灵活性产生影响，例如当建筑拥有多个分区时，一些分区偏好于更低的设定点温度，这将会降低一部分的建筑供暖系统灵活性。因此，围护结构对于建筑供暖系统的研究有三个方面：

• 建筑隔热水平对于灵活性潜力的影响
• 建筑蓄热能力对于灵活性潜力的影响
• 建筑不同热分区导致不同的HVAC系统控制对于灵活性潜力的影响

其次是针对控制策略影响的研究，它决定着系统能够发挥多少灵活性潜力。这一部分中模型预测控制（MPC）的良好表现得到大部分学者的认可，但其问题在于其计算成本以及模型搭建上。相比之下，基于规则的控制（RBC）并不需要模型实现在线计算，更容易在实际系统中实现，在RBC的基础上，还可以融入对于系统未来边界（例如未来气象条件、电价水平）的预测，就有了基于规则的预测控制（PRBC），其效果也在很多文章中得到验证。

文中提到一个现象，在对热泵的控制进行调节时，MPC与RBC有着显著的不同，大部分的MPC在研究时假设压缩机的功率是可以直接控制的，而RBC在调节时会考虑热泵中自身PI控制器的问题，只会对PI设置值进行调节。（个人并没有发现这种现象，即使有也可能只是由于MPC需要更快的运行速度，能够尽可能减少模型规模就尽量简化，先计算出所需功率再进行修改也是可行的）

小细节

除了上述的控制手段的不同方面的研究外，在不同的场景下优化控制的目标也有不同，这也是研究的一个方面，常见的优化目标有：降低能源成本、最大限度使用可再生能源、增加现场光伏发电自耗、降低峰值负荷，从上面的叙述可以发现，对于控制策略的影响的研究有两个方面：

• 不同控制技术手段的影响：MPC、RBC、PRBC
• 不同优化目标的影响：以能耗为目标、以削峰为目的

针对设备类型的影响的研究，本文中没有去进行详细介绍，只是认为热泵系统是构建建筑能源灵活性的关键技术，但提到了一个问题，当研究涉及热泵系统对灵活性利用的详细建模时，往往会忽视建筑模型，采用简单的建筑模型或者不考虑建筑热质量的利用，而当建筑关注于建筑热质量对建筑能源灵活性的影响时，又会忽视热泵系统的模型搭建，使用简单的热泵简化模型。

本篇文章将使用PRBC控制供暖系统，研究建筑能源灵活性潜力，考虑建筑热质量以及蓄热水箱的利用，并使用详细热泵模型（实现建筑+系统的详细建模），对比了热泵与直接电加热设备对结果的影响。

前言中，总结了本文回答的4个问题：

1. 在挪威地区，PRBC实现的灵活性潜力是什么？
   • 挪威拥有不同隔热水平的建筑，常用的系统形式包括”直接电加热“、“热泵”，建筑主要为轻型木制建筑，电力来源主要为水电。
2. 建筑热分区如何影响？
   • 挪威有许多人偏好寒冷的卧室，在实际使用建筑时，会采用开窗的方式来降低室内温度，对于隔热效果较好的建筑，这种通风换气的方式将大幅降低建筑的蓄热特性，针对这种情况，目前也缺少研究。
3. 热泵系统建模复杂性对于供暖系统发挥灵活性潜力有怎样的影响？
   • 前文中也提到，大多数研究都会对模型进行大量简化再进行研究，例如对于热泵的系统，要么无法调节，要么就是0%~100%之间的无极调节，是不符合现实情况的（正常情况下热泵应该是启停控制与连续控制相结合的，在低负荷时进行启停控制，高负荷时进行连续控制），还有像热储能系统，简化分层现象以及连接情况，那么这些简化会对结果有怎样的影响是需要回答的问题。
4. PRBC如何在持续时间和周期频率上影响热泵的运行？（没太理解）（这一部分似乎是在说：使用DR的这些策略时候，会不会降低或者拉长热泵的持续运行时间，会不会使启停频率过于频繁）

案例

这一部分主要对研究的案例进行介绍，包括建筑结构、系统形式等等

建筑结构

建筑的形态是不变的，然后依据挪威的相关法规（不同时期、不同要求的规范文件）构造建筑模型，利用IDA-ICE构建多区模型，并进行了校准，校准的文章可见：挪威零排放房屋热动力模型逆向识别。

供热系统

本篇文章中的供热系统比较有特点，热源有三处来源，一个是太阳能集热器，一个是空气源热泵，还有一个是直接的电阻丝（包括直接用于供热的电阻丝以及储水罐中的电阻丝），末端有两种形式，一个是地暖，另一个是电加热，平时使用时利用电暖为房间供热，高峰时会利用电加热进行补充，整个系统形式如下：

之后对于系统各个设备的选型进行了介绍（因为涉及不同隔热水平的建筑，可能会有不同的系统规模）。在热泵部分，在对系统建模描述时，并没有对其组件有更详细的描述，但是设备组件之间以及设备之间的交互有着详细的描述，像热泵模型，模型是较为简单的稳态模型，但对于其控制的建模较为详细。建模时，对IDA-ICE中默认模型进行了拓展使其能够反映更多的物理现象。相比其他的研究有几个改变：

• 0%~30%~100%，两段调节，第一段执行启停控制，第二段执行连续控制；
• 对启停进行了限制，制定了最小运行时间与停机时间；
• 指定了有限顺序，优选生活热水的供给，在提供生活热水时，热泵系统无法支撑区域供热系统。

热泵系统的控制示意图如下：

此外，供暖系统中还包括电采暖系统，也就是电暖器，在此案例中，每一个房间配备一个电暖器，功率为房间的最大热负荷功率。

边界条件

在本论文中，边界条件包括四个部分，外扰（室外温度、室外风速）、内扰（人员、设备）、能源成本（包括电力成本、电力混合强度成本用于计算排放的水平）、舒适水平（包括对于室内温度的要求以及对于热水的需求）

仿真场景

首先制定了不同的控制策略，最开始是基线策略，也就是建筑全年保持21℃的室内设定温度，然后生活热水的启动温度与停止温度分别指定为50℃与53℃。在此基础上，进行需求响应，需求响应的方式本篇文章考虑得较为简单，就是设定值的加减（生活热水的设定值增加10℃或者降低5℃、建筑室内设定温度增加3℃或者降低1℃），也就是说，需求响应的手段只有4个，但什么时候执行是需要进行确定的。这一点将会使用3种方式来进行分析：

• CPS（Control Strategy Price）使用能源价格作为控制信号；
  • CPS-A：简单上下区间控制，先预测未来一天的能源价格，当价格处于低区间时，使用升高的设定值（生活热水设定值增加10℃、室内温度设定点升高3℃）当价格处于高区间时，使用降低的设定值（生活热水设定值降低5℃，室内温度设定点降低1℃），如果价格处于中间区域，则不改变。
  • CPS-B：对处于中间区域的进行修改，当价格处于上升期的时候，执行高设定点控制，当价格处于下降期时，使用低设定点控制，有点类似于基金中的定投策略。
• CSC（Control Strategy Carbon）使用排放量作为控制信号
  • CSC-A：也是上下区间控制，排放量低则高设定值运行，大幅使用能源，当排放量高时减少能源的使用。
  • CSC-B：与CPS-B的一样，在中间设置变化规则。
• CSS（Control Strategy Schedule）使用时间比表作为控制信号
  • 其实就是想实现削减高峰负荷的目的，用的方法比较简陋，高峰期前使用高设定值，高峰期间使用低设定值。

然后是分区与不分区的影响，对分区与不分区的研究主要是在基线策略下进行的，探究了不同系统形式下的表现，整体构造的场景如下：

结果分析

接下来就是结果的分析，就不赘述了，放一张图撑一下这一部分的内容，一句话总归不太好。

接下来是对前面提到的四个问题的回答：

1. 问题一：评估挪威的实施背景下评估PRBC的效果
   • 这一部分发现，针对挪威的情况，使用以价格为指标的PRBC并没有很好的降低成本，其原因在于挪威电价波动较小，并且，电价高的时候，热负荷也会出现较高的水平，文中提出，如果是针对日变化波动更大的场景应该会有更好的效果。在挪威，使用时间表的PRBC效果较好。
2. 问题二：热分区对于应用潜力的影响？
   • 这一部分的研究发现热分区对于结果的影响是有限的，一个热区的温度并没有因为其他房间控制策略的改变而产生较大的影响，但这种结论也源于挪威大部分建筑材料为木材，会有较大的热阻。
3. 问题三：热泵系统建模复杂度对于灵活性潜力的影响？
   • 在一定程度上削减了灵活性潜力，当热泵的启停次数受到约束时，辅助热源的动作将变得更加频繁，相比直接使用电加热的方式，利用的潜力更小。