中国报告大厅网讯，随着社会经济的不断发展，电力峰谷差矛盾日益突出，电网峰值大、峰值时间短，电力系统调峰困难。国家能源局发布《关于推进新型电力负荷管理系统建设的通知》后，各地出台相关的管理办法，对于10kV及以上等级用户，除安保负荷以外的全部负荷接入负荷管理终端，用电高峰采取切除负荷的方法，加强对需求侧的管理。
一、研究背景与价值：中央空调在电力需求侧管理中的战略地位
《十五五中央空调行业发展研究与产业战略规划分析预测报告》指出，针对以上问题，采用虚拟电厂对电力峰谷进行调控的措施越来越受到关注，它既可向系统供电调峰，又可配合系统填谷。其以三类可控资源的发展为前提，分别是可调用电负荷、分布式能源、储能。对于公共建筑来说，可调用电负荷主要有楼宇中央空调、照明及动力用电负荷，约占整个楼宇用电负荷的25%，其中中央空调用电负荷占比较大。以上海为例，迎峰度夏(冬)期间空调用电负荷占比超过40%，调节潜力可达216.37万～253.54万kW，调节潜力巨大。
已有研究针对空调用电负荷的调控相继展开了相关探索，提出了楼宇中央空调参与电网调峰的总体架构，设计了典型用户侧系统改造及部署方案，建立了中央空调柔性调控策略优化决策模型并通过实际工程案例验证了所提策略及模型的有效性。然而，以上研究的重点大多在中央空调系统自身的柔性调控策略，并未将中央空调系统的服务对象，即室内温、湿度环境纳入研究中。
室内的温、湿度环境主要用以保证人员的热舒适，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中根据不同的室内温度、相对湿度将室内热舒适度分为2级。I级：温度为24～26℃，相对湿度40%～60%;II级：温度为26～28℃，相对湿度≤70%。在规范要求的热舒适度等级内，均可满足使用人员需求，但室内热舒适度等级的降低，会使建筑对室内温度及相对湿度的要求降低，进而导致室内的空调冷负荷降低，进而引起中央空调系统的运行策略变化，系统的运行用电负荷降低。因此，调节室内热舒适度，可以实现中央空调系统的柔性调控。将室内热舒适度纳入中央空调系统柔性调控策略研究中就显得尤为重要，值得深入研究。
二、调控策略设计：中央空调柔性调节的双路径实现
调整室内热舒适度后，会导致建筑的空调冷负荷变化，在电力供应紧张的情况下，降低室内热舒适度等级，建筑对室内的温度、相对湿度要求变低，空调冷负荷减小，从而降低中央空调系统的运行用电负荷。对于中央空调系统来说，实现以上目标的途径主要有两种：一是根据建筑空调冷负荷，调节冷水机组的制冷量，同时调节与冷水机组相对应的水泵流量，即调节制冷系统的供冷量;二是维持冷源系统运行工况不变，通过调节冷冻水温度，改变空调末端的供冷能力，即调节空调末端供冷能力。
(一)中央空调制冷系统供冷量调节策略
在冷冻水温度不变的条件下，当建筑的室内热舒适度降低时，建筑空调冷负荷需求随之降低，反馈至冷水机组，即降低机组的制冷量，同时与机组对应的水泵流量也相应降低，从而降低设备的运行用电负荷，达到调控的目的。
(二)中央空调末端供冷能力调节策略
室内热舒适度等级降低后，空调冷负荷降低，对空调末端的制冷能力的要求相应降低。使空调末端的制冷能力降低的措施除上述调节制冷系统供冷量外，在冷水机组制冷量及水泵流量不变的条件下，还可以通过提升冷冻供水温度来实现。相关研究表明，冷冻水温度提高1℃，冷水机组的能耗降低约3%～5%，故提升冷冻水供水温度可以提高机组的性能系数，降低机组能耗，降低机组的用电负荷。调节冷水机组的冷冻供水温度可以实现调节空调末端供冷能力的效果，对冷水机组的用电负荷也有影响，可以达到调控的目的。
三、数学模型构建：中央空调系统用电负荷的精确计算
为分析所提出的柔性调控策略的效果，需对不同室内热舒适度下的中央空调冷源系统内的冷水机组、水泵及冷却塔的用电负荷分别进行计算，再对整个系统的用电负荷进行对比。以下介绍各设备用电负荷所采用的计算数学模型。
(一)中央空调冷水机组用电负荷模型
单台冷水机组的用电负荷可表示为：Nc=Q/COP，其中Nc为冷水机组的用电负荷，Q为制冷机组的制冷量，COP为冷水机组的性能系数。COP与机组本身、室外湿球温度及机组的负荷率有关。
如果系统由多台冷水机组组成，则需根据各机组的供冷量及COP对机组的用电负荷分别进行计算，再统计总用电负荷。假设系统内有n台冷水机组，则n台机组的总用电负荷可表示为：Nc'=Σ(Qi/COPi)。
(二)中央空调冷冻水泵用电负荷模型
冷冻水系统属于闭式系统，其不同运行工况下的轴功率可根据泵的相似定律求得。计算公式为：G1/G2=√(H1/H2)=³√(N1/N2)，N2=N1(H2/H1)^(3/2)=N1(G2/G1)³，其中G1为设计工况下的水泵流量，G2为运行工况下的水泵流量，H1为设计工况下的水泵扬程，H2为运行工况下的水泵扬程，N1为设计工况下水泵的轴功率，N2为运行工况下的水泵轴功率。
G2=Q/(3.6cΔt)，其中Q为冷水机组的供冷量，c为冷冻水的定压比热，Δt为冷冻水的供、回水温差。N1=(G1H1)/(102η)，其中η为水泵效率，取0.8。
如果系统由多台冷冻水泵组成，则需分别计算各台水泵的轴功率，再统计总轴功率。假设系统内有n台冷冻水泵，则n台冷冻水泵的总轴功率可表示为：Np=ΣN2i。
(三)中央空调冷却水泵用电负荷模型
由于中央空调系统常规采用开式冷却塔，冷却水泵计算模型以开式系统为对象。开式系统的水泵轴功率计算不能采用泵的相似定律，需根据特定公式进行计算。冷却水泵不同运行工况下的流量G及扬程H可分别表示为：G=(Q+Nc)/(3.6cΔt)，H=ΔH+SG²，其中G为水泵运行流量，ΔH为开式系统起点及终点之间的高度差，冷却水系统中为塔体扬程，S为管路阻力系数。
如果系统由多台冷却水泵组成，则需分别计算各台水泵的轴功率，再统计总轴功率。假设系统内有n台冷却水泵，则n台冷却水泵的总轴功率可表示为：Ncp=ΣN2i。
(四)中央空调变频器及电动机效率模型
冷冻水及冷却水泵的实际运行功率还需考虑变频器及电动机的效率。变频器及电动机效率可分别表示为：ηv=0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³，ηd=0.94187(1-e^(-9.04k))，其中ηv为变频器效率，ηd为电动机效率，k为水泵转速比。
利用上述公式计算得到变频器及电动机效率后，水泵的实际运行用电负荷可表示为：N'=N/(ηvηd)，其中N'为水泵实际运行用电负荷，N为水泵轴功率。
(五)中央空调系统总用电负荷模型
根据以上各部分的介绍，中央空调系统单位时间内的总用电负荷计算式为：N=Nc'+Np'+Ncp'，其中Nc'为所有冷水机组用电负荷，Np'为所有冷冻水泵的用电负荷，Ncp'为所有冷却水泵的用电负荷。
四、案例分析：中央空调柔性调控的实际应用效果
(一)项目概况与系统配置
项目位于深圳市，为1栋高度不超过百米的高层办公楼，包含办公、商业、食堂和物业服务用房等功能。其中5层为员工食堂，4层、7～19层为办公用房。根据负荷计算软件得到该建筑全年峰值冷负荷为4707kW。
选用1台制冷量1893.0kW的定频离心式冷水机组(CH-1)，1台制冷量1893.0kW的变频离心式冷水机组(CH-2)及1台制冷量为920.4kW的变频螺杆机组(CH-3)。机组设计工况下冷冻水供、回水温度分别为6、13℃，冷却水供、回水温度分别为32、37℃。分别设置与机组一一对应的冷冻泵、冷却泵及冷却塔，水泵均为变频，并采用变频电机，最低运行频率为5Hz。
CH-1机组额定工况COP为5.736，额定耗电量328.4kW，冷冻水泵流量232.5m³/h、扬程32m、轴功率25.33kW，冷却水泵流量379.1m³/h、扬程24m、轴功率37.4kW。CH-2机组额定工况COP为5.590，额定耗电量338.7kW，冷冻水泵参数同CH-1，冷却水泵参数同CH-1。CH-3机组额定工况COP为4.880，额定耗电量188.6kW，冷冻水泵流量113.1m³/h、扬程32m、轴功率12.32kW，冷却水泵流量192.0m³/h、扬程24m、轴功率22.45kW。
(二)中央空调负荷计算与运行策略
为得到调节室内热舒适度前后的中央空调系统用电负荷，并分析调控效果，需要先确定中央空调系统的运行策略，即冷水机组及水泵的逐时运行工况。确定系统运行策略的前提是建筑的空调冷负荷已确定。系统可以根据建筑的逐时冷负荷来确定运行策略，从而计算出系统的逐时用电负荷。
假设在电力供应紧张情况下，中央空调系统只保证办公室、员工食堂等必要功能房间的供冷，利用专业空调负荷计算及分析软件，计算以上功能区的逐时冷负荷，气象数据选用中国建筑热环境分析专用气象数据集中的气象数据。根据负荷计算结果，选取9月12日的数据作为研究数据，因为在这一天，空调的冷负荷为全年最大值，属于最不利情况。
经计算，室内热舒适度I级条件下(室内温度为24℃，相对湿度为55%)及室内热舒适度II级条件下(室内温度为28℃，相对湿度为70%)，建筑全天逐时冷负荷计算结果显示，调节为II级热舒适度后，由于降低了室内温湿度的设计要求，计算出的空调负荷较原计算数据有明显的降低，峰值冷负荷由3897.89kW减小至2107.95kW，冷负荷最大降幅约46%，下降效果明显。由此可见，可以通过适当降低室内热舒适度的方式，降低空调负荷，调整中央空调系统的运行策略，系统的用电负荷存在调控空间。
根据冷水机组在不同湿球温度及负荷率情况下的机组COP曲线，CH-1冷水机组运行在80%～100%负荷率时，机组的能效最高;CH-2机组运行在70%～90%负荷率时机组能效最高;CH-3冷水机组运行在50%～70%负荷率时机组能效最高。因此，冷水机组的运行负荷区间遵照以上原则，使其尽可能运行在高效区间，水泵、冷却塔等设备根据冷水机组的运行策略进行运行工况设置。
(三)中央空调调控策略效果对比
在I级热舒适度条件下，冷源系统在9月12日的各设备用电负荷为：CH-1机组用电负荷2322.59kWh，冷冻水泵用电负荷167.89kWh，冷却水泵用电负荷255.56kWh;CH-2机组用电负荷2887.42kWh，冷冻水泵用电负荷172.67kWh，冷却水泵用电负荷283.26kWh;CH-3机组用电负荷1523.53kWh，冷冻水泵用电负荷40.27kWh，冷却水泵用电负荷68.18kWh。总计冷水机组用电负荷6733.54kWh，冷冻水泵用电负荷380.83kWh，冷却水泵用电负荷607.00kWh。
调控策略一：调节制冷系统供冷量。 适当降低室内舒适度后，建筑的空调冷负荷明显降低，制冷系统中的冷水机组及冷冻、冷却水泵的运行可以根据实际负荷进行调节，以减少制冷系统供冷量，从而降低设备的运行用电负荷。由于室内热舒适度调整为II级后计算的冷负荷降低，制冷机组CH-1可不开启，仅开启CH-2和CH-3这2台机组即可满足室内负荷需求。
在II级热舒适度下，采取调节制冷系统供冷量策略时，系统用电量统计为：CH-2机组用电负荷2760.50kWh，冷冻水泵用电负荷176.04kWh，冷却水泵用电负荷268.13kWh;CH-3机组用电负荷1194.06kWh，冷冻水泵用电负荷21.60kWh，冷却水泵用电负荷51.88kWh。总计冷水机组用电负荷3954.56kWh，冷冻水泵用电负荷197.64kWh，冷却水泵用电负荷320.01kWh。
在0～6:00时和20:00～23:00时系统使用的低谷期，由于此时中央空调系统基本处于关闭的状态，故用电负荷下降并不明显。在7:00～19:00时(中央空调系统使用的高峰期)，建筑室内热舒适度调整为II级后，采取调节制冷系统供冷量的策略可以明显降低中央空调系统的用电负荷，峰值可由774.0kW降低至407.7kW，降幅约47%，且不同时刻用电负荷均有明显降低，最大下降幅度约50%;同时，该时段内也为用电高峰时段，在电力供应紧张的情况下，可以较好地缓解电网压力，达到调控的目的。
调控策略二：调节空调末端供冷能力。 采用此种调控策略需改变冷水机组的供水温度，同时因为供水温度的改变，还需对空调末端的供冷能力进行修正。当将室内热舒适度由I级调整为II级后，根据计算的空调冷负荷，得到空调末端所需提供的供冷量，进行迭代计算，最后得出所需冷冻水供水温度为15℃，供回水温差不变，回水温度为22℃。冷冻水的供水温度提高至15℃后，根据冷水机组厂家反馈，各冷水机组的COP均有提升，最高可提升约60%，对于整个制冷系统的用电负荷的节省有一定的作用。
在II级热舒适度下，采取调节空调末端供冷能力策略时，系统用电量统计为：CH-1机组用电负荷1133.14kWh，冷冻水泵用电负荷40.27kWh，冷却水泵用电负荷73.60kWh;CH-2机组用电负荷1873.25kWh，冷冻水泵用电负荷172.67kWh，冷却水泵用电负荷219.19kWh;CH-3机组用电负荷1912.64kWh，冷冻水泵用电负荷167.89kWh，冷却水泵用电负荷239.11kWh。总计冷水机组用电负荷4919.03kWh，冷冻水泵用电负荷380.84kWh，冷却水泵用电负荷531.90kWh。
采取调节空调末端供冷能力策略后，空调系统峰值用电负荷可由774kW降低至621kW，下降约20%。与调节制冷系统供冷量的策略相比，效果不明显，但也可起到一定的调控作用。
五、总结
中央空调行业现状分析指出，研究了基于室内热舒适度调节的公共建筑中央空调柔性调控策略，室内热舒适度的调节主要通过调节制冷系统供冷量及调节空调末端供冷能力的策略实现。以实际工程项目为例，对中央空调冷源系统建立数学模型，在不同室内热舒适度等级下，对冷源系统采用两种调控策略的系统用电负荷进行计算，分析调控效果。
通过数据对比，采用调节制冷系统供冷量改变室内热舒适度的策略，其调控效果较好，在计算案例中，最多可降低冷源系统用电负荷约50%。采用调节空调末端供冷能力改变室内热舒适度的策略，最多可降低冷源系统用电负荷约20%。与调控空调末端供冷能力的策略相比，调控制冷系统供冷量，冷源系统的用电负荷下降幅度更明显，调控效果更好。主要原因是在调控制冷系统供冷量的策略下，降低了室内舒适度后，建筑空调冷负荷降低，冷水机组的运行策略随之调整，可以减少1台冷水机组的运行，同时水泵流量也减少，从而使冷源系统的用电负荷明显下降;调控空调末端供冷能力的策略，只改变了冷冻水温度，没有改变机组使用数量及水泵流量，因此系统用电负荷的调控效果有限。
在电力供应紧张的情况下，可以根据国家规范要求，将室内设计热舒适度等级在合理范围内适当降低，以减少建筑室内冷负荷，降低冷源系统的用电负荷，达到中央空调系统调控的目的。这一研究为2026年中央空调行业发展提供了重要方向：柔性调控技术通过热舒适度分级管理，能够在保障基本使用需求的前提下，实现显著的节能降耗效果，是公共建筑空调系统应对电力供需矛盾、提升能源利用效率的有效路径。
