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摘 要：冷热电负荷综合预测具有较高的预测准确度，是电力系统规划、电力系统经济调度和能量管理的重要模块。本文对常用的冷热电负荷预测方法有基于建筑结构的经典算法和简约算法、基于软件模拟的逐时负荷因子法、基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法和神经网络算法等进行了研究和分析。
关键词：冷热电负荷 建筑结构 逐时因子 分摊比例 神经网络
中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0004-02
负荷预测是根据电力负荷、经济、社会、气象等的历史数据，探索电力负荷历史数据变化规律对未来负荷的影响，寻求电力负荷与各种相关因素之间的内在联系，从而对未来的负荷进行科学预测。负荷预测是电力系统经济调度中的一项重要内容，是能量管理系统（EMS）的一个重要模块，负荷预测的准确度直接影响调度计划和能量管理系统的优化结果，人工智能算法的涌现和冷热电负荷的综合预测的研究都是为了提高负荷预测的准确度。
本文介绍各种常用的冷热电负荷预测方法，下面介绍冷负荷、热负荷、湿负荷和电负荷的概念。
冷负荷：为了保持建筑物或物体低于周围环境温度，在时间单位内所需要排除的热量，包括显热量和潜热量两部分。潜热量可以表示为单位时间内排除的水分，又称为湿负荷。因此冷负荷包括显热负荷和湿负荷两部分。
热负荷：为了保持建筑物高于周围环境的温度，满足生产过程加热、烘干、蒸煮等或生活热水需求等热湿参数，在单位时间内所需加入的热量。它同样包括显热量和潜热量两部分。
湿负荷：为了维持某空间的相对湿度，在单位时间内所需除去的湿量。
电负荷：为了保持建筑物内电器设备的正常运行，在单位时间内所需要的电力，不包括制冷制暖等空调设备。
1 冷热电负荷预测方法介绍
目前，建筑物逐时冷热负荷的模拟计算，已发展的较为成熟。现在，研究人员提出的各种研究方法或研发的各种模拟计算软件很多已经投入使用。
建筑冷负荷的经典计算方法有冷负荷系数法、谐波反应法等，热负荷的经典计算方法为传热系数法。在冷热电联供系统中除了经典计算方法外，应用比较成熟的有逐时负荷因子法、逐时能源负荷分摊比例法。
欧美有很多成熟的专业模拟计算软件，如美国的DOE-2、BLAST、EnergyPlus，英国的ESP-r。日本对于冷热电三联供的研究应用开始于20世纪70年代，专业模拟软件如HASP等也已经很成熟了[2]。中国对于冷热电三联供系统的研究很早，但是直到步入21世纪以来才得到重视。清华大学李辉等提出的基于负荷因子的算法已相当成熟，开发的DeST专门模拟计算软件已经开始应用。这些模拟计算软件大多数是基于大量的典型建筑物和设备模型，一般应用难度较大。
2 基于建筑结构的经典计算方法
2.1 冷负荷计算
冷负荷量的大小与除热量与除热方式有关。如果热源只有对流散热，各围护结构内表面和室内各设备表面的温差很小，则冷负荷基本等于得热量。如果有显著的辐射得热存在，由于各围护结构内表面和建筑内物体的蓄热作用，冷负荷与得热量之间就存在着一定的延迟，幅度也有衰减。因此冷负荷与得热量之间的关系取决于建筑物的构造、围护结构的热工特性和热源特性。
若计算冷负荷时只考虑室内外瞬时温差与围护结构的传热系数、传热面积的积来求取冷负荷的值，不考虑建筑物以前时刻传热过程的影响，此种方法称为稳态计算方法，CL=KAΔt。
若在设计时要综合考虑建筑结构和室内外各种因素的影响，则此时建筑冷负荷由室外因素引起的负荷、室内因素引起的负荷和室内空气湿含量的散湿形成的湿负荷组成。此时需要考虑太阳辐射、外界环境、通风、室内人员、室内照明设备散热、室内电器设备散热及室内湿负荷等多种因素所带来的显热负荷和潜热负荷，此时冷负荷为各项影响因素带来的负荷之和，此种计算方法为动态计算方法，CL=CL内扰+CL外扰，CL外扰=CL太阳辐射+CL温差+CL通风，CL内扰=CL人员+CL照明+CL电器+CL湿负荷。
2.2 热负荷计算
当室外温度低于室内温度时，热量经围护结构由室内传到室外，为保证室内温度维持在稳定值，必须保持建筑物失热量与得热量的平衡。建筑热负荷在计算时需要考虑采暖热负荷（即经围护结构传导出去的热量）、通风热负荷和热水供应热负荷及生产工艺热负荷等。在计算热负荷时，往往忽略室内人员和设备的热干扰和湿干扰HL=HL采暖+HL通风+HL热水。
2.3 电负荷计算
建筑有各种功能区，如办公区、电梯区、会议室、走道、机房、生活区等，功能区不同对应的电指标要求也不同，根据功能区的细分计算逐时电负荷，电负荷E=∑EiFi，Ei为功能区i的电指标，Fi为功能区i的面积。
3 基于建筑结构的简约计算
建筑物总冷负荷的简约计算以外围护结构和室内人员两部分为基础，把整个建筑物看成一个大空间，按各朝向计算冷负荷，再加上人员的人体散热（按116 W计算），CL=CL传导+CL人员。计算时若考虑通风的影响，则在此计算数据结果的基础上乘以一个新风系数，一般取1.2～1.5。
热负荷计算时以热负荷指标的形式进行，主要考虑建筑结构与室内外温差，若考虑新风影响，则同样计算结果乘以新风系数，一般取1.2～1.5。总空气调节热负荷等于热负荷指标乘以建筑的面积。建筑总热负荷等于空气调节热负荷加生活热水负荷，获取建筑生活热水热负荷指标或建筑生活热水热负荷数据展开计算。
电负荷简略计算时采用细分功能区形式，与经典算法类似。
此方法实在经典计算方法的基础上简化而来的，是基于建筑结构设计的、主要是利用传热系数法和谐波分析法等简化后进行计算。算法的优点有根据建筑的结构即可展开计算；由于跟建筑结合的比较密切，算法所得出的准确度也较高。 4 基于软件模拟的逐时负荷因子法
逐时负荷因子法是由清华大学建筑技术科学系的李辉、付林等人提出并开展研究，目前研究已比较成熟。逐时负荷因子法是根据模拟计算模拟软件DeST计算负荷因子，负荷指标通过参考查阅相关的设计手册或借鉴工程实例获得。
逐时负荷因子法的计算分为两步：动态冷热负荷计算和动态电负荷计算。
4.1 冷热负荷的计算
冷热负荷分为建筑负荷和内扰负荷两部分。建筑负荷主要包括围护结构传热负荷、太阳辐射和新风负荷等，该类负荷与外界气候条件关系密切。内扰负荷包括室内设备、照明、人员负荷等，其大小一般不随外界气候条件变化，而主要与建筑功能特性及作息时间相关。
对于第类建筑，逐时负荷因子有：
（1）
为第类建筑负荷因子，即时刻建筑负荷与设计建筑负荷之比。反映室外气象参数、新风量以及围护结构等对建筑负荷的影响，整个空调季在0～1之间变化；
为第类建筑空调负荷系数，即设计工况下建筑占总热负荷的比例；
为第类建筑的内扰负荷因子，即时刻内扰负荷与设计内扰负荷之比。由建筑物的使用状况决定，一天内随时间在0～1之间变化；
为面积因子，反映不同时间投入空调运行的面积比例，因而也与建筑物使用状况有关。
这四个参数或因子是要通过负荷计算模拟软件如DeST计算典型建筑而获得的。
然后，查阅相关的设计手册或者工程实例确定该类建筑单位面积的冷热负荷指标，即设计负荷，单位。
因此，对于第i类建筑物，单位面积逐时负荷可计算为：
（2）
最后确定冷热负荷，可计算为：
（3）
其中，为第i类建筑物占总空调面积的比例；
为空调总面积，单位。
4.2 电负荷的模拟计算
电力负荷主要由不同类型建筑物或不同建筑功能房间内各种用电设备所造成。电力负荷的大小与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电使用性能及作息时间直接相关。常见的用电设备有照明、空调、动力运输（主要指电梯）、电脑和打印机等办公设备、其它损耗等，实时计算公式如下：
（4）
式中，为逐时电负荷；
i，n为i为设备类型，n为不同建筑功能区域；
l为利用系数，最大实耗功率与安装功率之比；
为负荷系数，每小时的平均实耗功率与最大实耗功率之比；
为同时使用系数，反映设备同时投入的相对量；
N为设备的安装功率；
为用电设备的额定功率与输入容量之比；
为功耗系数，l和的乘积，每小时的实耗功率与安装功率之比；
为与的乘积，该建筑功能区域内该设备的逐时负荷因子。
电负荷的逐时计算关键在于确定用电设备的安装功率、功耗系数及同时使用系数，这三项可基于同类型建筑的统计调研数据获得，或在此基础上进行充实修正。
5 基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法
此方法是建立在对建筑冷热电负荷调查研究的基础上，采用日本三联供设计手册中的相关数据，利用逐时能源负荷分摊比例的方法，来模拟计算三联供系统中的全年逐时冷热电负荷。此方法在文献[2]中有详细的介绍，论文还给出了算例。
冷热负荷主要包括空调冷负荷、空调热负荷以及生活热水负荷。
电力负荷主要由建筑物内各种用电设备造成。电力负荷的大小及逐时变化特征与建筑物内各种用电设备的安装功率、设备的耗电性能及作息时间直接相关。由于建筑物内用电设备的使用及人员的作息时间具有很大的随机性，我们很难根据耗电设备来准确预测逐时电负荷。因此，在进行逐时冷热电负荷计算时，不考虑耗电设备的直接影响，而是在针对建筑类型进行市场调查研究的基础上来进行预测的。其步骤如以下几点。
（1）对建筑使用功能进行分析。
（2）对该气候区域内的同类建筑的能耗状况进行调查，得到单位面积的平均耗能量。
（3）查阅相关设计手册中的同类型经典数据，利用小时能源负荷分摊比例的方法，根据调查到的数据，对逐时冷热电负荷进行模拟计算。
6 基于历史数据的神经网络预测方法
国外冷热电联供CCHP或冷热联供CHP系统的研究开始的较早，现研究状况已较成熟。在冷热电联供系统中，负荷预测通常冷热负荷预测与电负荷是分开的，一般给出了冷热负荷的预测。冷热负荷预测通常采用的都是些比较经典的基于历史数据的负荷预测方法如神经网络法、向量机发等，文献正是采用的这两种方法。
采用神经网络法或向量机法时需要建立数学模型或编程，输入历史数据后模型进行学习和计算，最后得出预测结果。
7 结语
建筑冷热负荷跟地区、围护结构的形式、楼层、窗墙比、人员密度、新风取值、动力照明负荷、房屋使用性质等有关，在预测时需要综合考虑这些因素。
电负荷主要与建筑功能、建筑内人员的作息时间、建筑的使用情况相关，比冷热负荷的预测难度低。
基于建筑结构、综合考虑室内外各种干扰因素的冷热电负荷预测方法预测准确度高，但同时需要采集的数据多、计算过程复杂、计算量较大。
参考文献
[1] 杨木和，阮应君，李志英，等.三联供系统中逐时冷热电负荷的模拟计算[J].制冷空调与电力机械，2009，4（30）：85-88.
[2] 付林，李辉.天然气热电冷联供技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
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