住宅建筑需求柔性评价及建模技术综述

工程16（2022）123研究建筑需求能力-回顾住宅建筑需求弹性：定义、弹性负荷及量化方法罗正义a，b，彭锦青a，b，曹静瑜a，b，尹荣新a，b，邹斌a，b，刘伟，谭雨桐a、b、严金月ca湖南大学土木工程学院，湖南长沙410006b建筑安全与节能教育部重点实验室，长沙410006cMälardalen大学社会工程商学院，Vasteras 999027，瑞典阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2022年1月5日修订2022年1月28日接受2022年3月18日网上发售关键词：住宅建筑需求柔性柔性负荷建模技术量化指标A B S T R A C T本文从住宅需求弹性的定义、弹性负荷和量化方法等方面对住宅需求弹性的研究现状进行了综述。系统地区分了建筑物的需求柔性、运行柔性和能源柔性。在分析现有建筑需求柔性定义的基础上，提出了一个较为全面的建筑需求柔性定义。此外，还对主要住宅柔性负荷的柔性能力和运行特性进行了总结和比较。模型和评价指标，以量化这些柔性负载的灵活性进行了审查和总结。目前的研究差距和挑战，以及识别和分析。结果表明，以往的研究主要集中在中央空调、电热水器、湿家电、冰箱和照明的灵活性上，分别占36.7%、25.7%、14.7%、9.2%和8.3%。这些柔性负荷在运行方式、使用频率、季节、甩负荷、转移负荷、调制负荷等方面各不相同，其响应特性尚不清楚。此外，给出了白盒、黑盒和灰盒模型在不同情况下柔性负荷建模的应用建议。在以往的研究中，虽然提出了许多基于动力、时间性、能量、效率、经济性和环境等方面的静态柔性评价指标，但缺乏一个统一的、标准化的评价框架。本文的综述有助于读者更好地理解建筑需求柔性，了解不同住宅柔性负荷的特点，同时也为未来住宅建筑需求柔性建模技术和评价指标的研究提供了建议。©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。1. 介绍1.1. 背景建筑需求灵活性在确保公用电网稳定性方面发挥着越来越重要的作用，特别是在未来可再生能源渗透率预计将更高的情况下[1，2]。然而，利用建筑需求灵活性涉及几个关键问题，包括灵活性容量量化[3]、最优调度和灵活资源控制[4]以及灵活性*通讯作者。电子邮件 地址： jqpeng@hnu.edu.cn（J. Peng），zoubin9005@163.com（B.Zou）。商业模式和市场的发展[5]。量化建筑需求灵活性是解决剩余问题的基础。由于各类家用电器的使用具有不同的灵活性能力、运行特性、能源使用模式和响应特性，因此对建筑尤其是住宅的需求灵活性进行量化是一个巨大的挑战。一般来说，住宅建筑的能源需求包括空间制冷、空间供暖和热水，这些需求主要由空调和电热水器等各种家用电器来满足。其他家用电器的使用，包括洗衣机、干衣机、洗碗机等，也会导致电力需求。研究表明，构建负载配置文件可以https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.01.0102095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engZ. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123124通过需求方管理战略进行调整以提供灵活性[6]。恒温控制负载的温度设定点-即空调，电热水器和冰箱-可以调整以减少或增加功耗[7];洗衣机，干衣机，洗碗机等的操作时间可以转移到非高峰时间[8];电动汽车的充电时间可以调整[9]。住宅建筑具有很大的需求灵活性[10，11]。1.2. 以前的评论在量化建筑物的需求灵活性潜力方面，已经做出了相当大的努力。Ma等人[12]对区域供热中的能源灵活性进行了回顾性研究，其中涵盖了区域供热系统的组成部分、市场和能源灵活性潜力。参考文献[13，14]对用于评估建筑物能源灵活性的方法进行了审查，尽管这些方法并不通用，仅适用于采用某些技术的特定系统。布洛斯等人[15]回顾了电力-热能转换技术、建模方法和可再生能源集成的灵活性潜力，并得出结论，热泵和被动式热存储是特别有利的选择。此外，在参考文献[16]中总结和讨论了几种提高芬兰能源系统灵活性的技术方案，如区域供热和制冷、电动汽车、储能、智能电表和需求响应，而在参考文献[17]中可以找到类似的文献综述。然而，这些评论[12-事实上，当局亦曾进行数项有关楼宇负荷弹性的检讨。Chen等人[18]对提高建筑需求灵活性的措施进行了全面的文献综述。讨论的措施包括可再生能源发电;供暖、通风和空调（HVAC）系统;能量储存;建筑热质量;可转换的电器;以及居住者行为。然而，没有审查每种类型的灵活负荷的属性和能力，也没有提供建筑需求灵活性的定义、模型和指标来量化这些灵活资源的灵活性。在参考文献[19]中，总结了商业和住宅建筑中的不同灵活资源，包括建筑现场发电技术、静态电池、HVAC和可转换电气设备。然而，对住宅柔性负荷的评论是有限的，因为它们不包括它们在操作，能量和时间方面此外，委员会认为，建筑需求弹性的定义和量化建筑需求弹性的方法尚未得到审查。表1列出了这些综述文章的摘要，其中清楚地显示了与区域供热[12，16]、区域供冷[16]、电力变热技术[15，17]、热能储存[13，14，16住宅灵活负载的灵活性，包括暖通空调系统，可移动的电器，照明也进行了研究。[18、19]。然而，对这种柔性负载的评论是有限的，因为这些评论主要集中在其他柔性技术上。此外，在上述研究中，没有对建筑需求弹性的定义和量化方法进行回顾。因此，为了更好地理解，量化和利用住宅需求灵活性，有必要执行对其定义、柔性负荷和评估方法进行了全面的回顾。1.3. 本文的写作动机和工作上述文献回顾表明，以往关于建筑需求灵活性的大多数综述文章都致力于克服能源利用方面的技术障碍，以提高灵活性潜力，而忽略了建筑需求侧资源的灵活性。虽然一些研究回顾了住宅建筑需求的灵活性，同时考虑到不同类型的家用电器，这些调查是有限的，因为这些灵活的负载的灵活性能力和操作特性还没有得到很好的澄清此外，缺乏一个全面的定义，模型和评估指标来量化住宅建筑需求的灵活性。因此，本文的主要目的是对住宅需求弹性进行系统的研究关于定义、柔性载荷和量化方法。首先，概述了目前对住宅建筑需求弹性的研究。为了更好地理解建筑灵活性，与建筑能源灵活性，操作灵活性，建筑需求灵活性，建筑负荷灵活性的各种术语进行了区分。然后，对建筑需求柔性的定义进行了全面的概述，并提出了一个简明的定义。此外，还对主要住宅柔性负荷的柔性能力和运行特性进行了总结和讨论。本文对柔性荷载柔性的量化模型和评价指标进行了综述和总结，并指出了研究的不足和挑战。表1关于建筑物需求弹性的综述文章摘要年份灵活资源市场供应方现场发电区域供热区域供冷功率热比热能储存电能存储别人HVAC电动车辆递延电器照明2020年[12]UU2016年[13]U2018年[14]U2018年第15期U2018年第16期UUUUUU2015年[17]UUUUUU2018年[18]UUUUU2021年[19]UUUUUUZ. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123125识别并分析了故障。本文的综述有助于读者更好地理解建筑需求柔性，区分不同住宅柔性负荷的特点。本研究表2文献检索的查询集。设置关键词意义并对未来住宅建筑需求弹性的建模技术与评估指标提出建议。2. 方法本文详细分析了这些出版物的重点是1住宅或家庭或家用电器2‘‘Energy flexibility” OR ‘‘demand flexibility”OR ‘‘load flexibility” OR ‘‘operationflexibility” OR ‘‘demand response” OR ‘‘loadshift*”3数量 * 或估计 * 或计算 * 或评估 * 或定义 *将搜索范围设置为住宅建筑设置与能源灵活性相关的关键字设置与量化住宅建筑需求灵活性和是进行根据图1所示的技术路线图。关键是-用于文献研究的词被分成三个查询集，如表2所示。这三个查询集与在Web of Science搜索引擎中用于文献研究的“AND”逻辑运算符。然后将检索到的文章导入图1.一、本研究的技术路线图* 是截断符号，表示省略的字符。Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123126到一个引用管理器中进行过滤。首先，根据标题、关键词和摘要以及期刊的影响因子对检索到的文章进行粗略筛选。然后，通过对国内外有关建筑需求柔性定义、住宅柔性负荷特性、住宅柔性负荷建模、柔性量化指标等方面的文献进行深入阅读，筛选出相关文献。除了搜索到的论文外，还从专门的专业网站上下载了几份有价值的报告。每种类型的最终选定出版物的数量，包括综述文献、期刊论文、会议论文和报告，如图2所示。最后，根据所选出版物进行文献综述;它由四个部分组成，如图所示。1.一、3. 住宅建筑需求弹性研究综述本文综述的出版物已根据作者所属单位和研究对象进行了分类如表3所示，目前该领域的研究由欧洲领导，占所有出版物的54.4%。亚洲是出版物数量第二多的大陆，占总出版物的22.8%，其次是北美，占总出版物的21.5%。其余图二. 本文所综述的各类出版物的数量。表3综述出版物的作者所属机构分布各大洲国家比例欧洲丹麦10.1% 54.4%意大利7.6%比利时6.3%爱尔兰3.8%瑞典3.8%葡萄牙2.5%法国3.8%希腊2.5%西班牙1.3%德国3.8%英国2.5%卢森堡1.3%荷兰5.1%亚洲中国15.2% 22.8%新加坡2.5%日本1.3%印度1.3%韩国1.3%伊朗1.3%北美美国17.7% 21.5%加拿大3.8%非洲南非1.3% 1.3%图三.在以前的研究中，不同的住宅柔性负载的分布。非洲大陆的出版物仅占总出版物的1.3%，主要来自非洲。就具体国家而言，美国和中国对住宅建筑需求弹性的调查最多，分别占总需求弹性的17.7%和15.2%紧随美国和中国之后的是丹麦、意大利、比利时和荷兰。除了国与国之间的差异外，研究对象也存在差异 如示于图 3、这些研究者主要集中在空调、湿家电和电热水器的灵活性上，所占比例分别为36.7%、25.7%和14.7%。与此同时，关于冰箱和照明灵活性的出版物分别仅占9.2%和8.3%。对其他住宅柔性荷载（如电视机）的研究很少[20]。特别是关于空调负荷的灵活性，以往的研究主要集中在中央空调上，而对整装空调机组的灵活性研究很少但组合式空调值得研究，特别是在我国，由于多户住宅的形式，组合式空调机组在住宅建筑中得到了广泛的应用4. 建筑需求弹性的定义与特征4.1. 关于构建灵活性的根据牛津英语词典的定义，灵活性是“改变以适应新条件或情况的能力”。电力系统工程中首次引入灵活性可以追溯到20世纪90年代[21]。此后，这一概念逐渐被应用于能源和建筑领域，尤其是电网互动高效建筑[22，23]。然而，据我们所知，无论是电力系统领域[24，25]还是建筑节能领域[26与建筑物灵活性相关的几个术语，包括能源灵活性、需求灵活性、负荷灵活性和操作灵活性，已经出现，但在使用时没有明确区分。在一些报告[23，29]中，作者似乎暗示建筑物的能源灵活性、需求灵活性和负荷灵活性是相同的。一份报告[29]将建筑物需求灵活性定义为分布式能源在不同时间尺度上调整建筑物负荷分布的能力，并指出能源灵活性和负荷灵活性通常与需求灵活性互换使用。在许多研究[8，30远正如我们所看到的，需求灵活性和负荷灵活性这两个术语具有相同的含义是合理的。然而，诸如能源灵活性、需求灵活性和操作Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123127从建筑物的角度来看，建筑物的灵活性具有不同的含义。这些术语的系统区别在图4中表示，并详细描述如下。建筑能源灵活性是四个术语中涵盖范围最广的。它包含建筑物的所有灵活资源，包括建筑物能源系统、建筑物本身（例如，信封，暖通空调，电器和电动汽车）以及乘员在建筑物能量系统的供应侧，分布式能量产生（例如，太阳光电子学（PV）;风力涡轮机;以及组合的冷却、加热和电力）被普遍部署以减少从公用电网输入的建筑物的净负荷。因此，许多研究人员认为，建筑物此外，集成各种技术可以提高建筑能源系统运行的灵活性，这被称为运行灵活性[36]或系统灵活性[37]。参考文献[31]已经证明，公用电网和区域供热网络的组合可以提高空间供热的灵活性此外，集成建筑能源系统和储能系统可以通过优化充电和放电来提高运行灵活性[38通过在能源系统中采用先进的技术，如电力到天然气和电力到氢气，也可以提高操作灵活性[17，41]。对于需求侧，可以通过各种需求侧管理措施在一定程度上转移、削减或缓和某些建筑负荷，如HVAC、电气设备和电动车辆[42这被称为建筑需求灵活性或建筑负荷灵活性。因此，建筑的能源柔性、需求柔性和运行柔性具有不同的含义和适用范围。建筑能源柔性包括供给侧柔性和需求侧柔性。前者又分为发电柔性和运行/系统柔性。发电灵活性源于建筑物现场发电技术的灵活性，这些技术可降低建筑物的净功率，而运行灵活性描述了需求侧灵活性（或负荷灵活性）是指来自不同能源使用设备的建筑负荷的灵活性。对这些术语进行系统的区分，使它们的含义更加明确，避免今后混淆使用。它还可以帮助读者更好地理解和区分各种类型的建筑灵活性。4.2. 建筑需求弹性以上从灵活资源的角度对术语能量/需求/操作灵活性进行了区分。然而，区分它们并不能回答这个问题，目前，存在与这些术语相关的许多定义，并且没有共同商定的标准定义。在本文中，我们专注于建立需求灵活性。本节全面概述了建筑需求灵活性的定义，并表4[1，8，19，23，45-47]总结了先前文献中建筑需求灵活性的不同定义由于许多文献没有区分建筑能源弹性和建筑需求弹性的含义，因此建筑能源弹性的定义也列于表4中。很明显，建筑物柔性背后最常见的想法是调整建筑物见图4。 区分用于描述建筑物灵活性的各种术语。Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123128表4建筑能源弹性和建筑需求弹性的定义源术语定义Tang等人[19个]建筑能源灵活性能够根据电网的各种要求重塑正常的建筑消费模式。Jensen等人[1]第一章Johra等人[45个]建筑能源灵活性建筑能源灵活性①建筑物的能源灵活性是根据当地气候条件、用户需求和能源网络要求管理其需求和发电的能力;②建筑物的能源灵活性因此将允许需求侧管理/负荷控制，从而根据周围能源网络的要求进行需求响应。及时将供暖使用从高价格时期转移到低价格时期的能力，同时确保良好的室内Neukomm等人[23日]建立需求灵活性热舒适性分布式能源在不同时间尺度上调整建筑物负荷分布的能力De Coninck等人[46个]建筑能源灵活性偏离其参考电负载曲线的能力。Nuytten等人[47个]建筑能源灵活性在某个时刻，某个功率消耗可以延迟或额外调用的最长时间D'hulst等人[八]《中国日报》器具的灵活性白天的在这些功能和舒适性限制内，功率可能增加和减少，这些变化可以持续多久。用户需求、周围能量网络请求和电网要求。然而，大多数定义要么有些不明确，要么范围有些狭窄，而且非常具体。此外，大多数定义并没有清楚地表明建筑灵活性的使用不会牺牲居住者的舒适度，生产力和健康的原则，因为这些定义只是从一个业主的角度提出的-无论是电网运营商还是建筑业主。考虑到这些局限性，本研究提出了一个更明确的建筑需求弹性定义。建筑物需求灵活性被定义为管理建筑物的灵活资源的能力在这个定义中，要求是削减建筑物的峰值负荷，平坦化建筑物功耗曲线，提高可再生能源的自我消耗，保持能源网络的稳定性，提供电网服务，降低终端用户的能源成本，等等。最终用户的利益包括他们的舒适性、生产力、健康和便利性。拟议的定义具有更广泛的应用范围，因为它可以应用于供热网络，电力网络，如公用电网和微电网等。 它还可以应用于各种建筑类型，如商业建筑和住宅建筑。在本文中，我们重点研究了住宅的应用需求电力网络的灵活性。尽管该定义是针对建筑需求灵活性而提出的，但当定义中所提出的范围包括建筑的所有灵活资源时，它可以扩展到建筑能源灵活性。表5提供拟议定义与以往研究中提供的定义的优势之间的比较。由此可见，该定义更加明确、全面，适用范围更广。5. 住宅建筑住宅建筑物通常包含许多家用电器。 如图所示。 5、一栋住宅楼通常包含七类电器：冷、热、湿、烹饪、照明、棕色和电动车辆[48，49]，尽管这些类别在不同国家可能有所不同[50]。住宅建筑可以通过负荷转移、负荷削减和负荷调制（如频率调节和电压支持）为公用电网提供需求灵活性[29]。如图3所示，以前的研究集中在中央空调、电热水器、湿电器、冰箱和照明的灵活性上。从而阐明了这些柔性负载的柔性能力和运行特性在下面的章节中详细介绍。5.1. 供暖、通风和空调暖通空调系统是重要且独特的建筑灵活负荷，占建筑能耗的40%，并对夏季和冬季的建筑高峰需求做出重大贡献[51]。它们通常在夏季和冬季间歇运行将室内温度、湿度和CO2浓度保持在所需范围内，以保证居住者HVAC系统为公用电网提供需求灵活性的常见措施包括温度设定点重置和预冷却/预加热。通过增加室温设定点，可以在夏季高峰时间期间减少空调负荷;但是，这将导致反弹效应，因为室温需要恢复到原始值，如图6（a）所示。此外，预冷却/预加热是一种有前途的需求侧管理措施，其利用建筑物外墙和屋顶），室内空气量，和室内热质量（例如，家具和内墙）[53，54]，而不会降低居住者的舒适度。制冷/制热能力可以通过HVAC系统存储在建筑物的热质量中，然后在需求高峰期释放，为公用电网提供负荷转移和甩负荷服务，如图所示。 6（b）. 除了表5拟议定义与先前定义的优势比较影响以前的定义拟议定义目的减少高峰时段减少建筑物原则通常不考虑不损害最终用户的利益应用范围有限的应用场景各种能源网络，如供热网、公用电网、微电网等。方向降低能耗减少或增加能源消耗网格交互能源电价能源关税、当地可再生能源发电和二氧化碳税利益方个别利益攸关方最终用户、聚合器和公用电网灵活措施负荷转移和负荷削减负载转移、负载削减和负载调制（例如，调频调压支持）Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123129图五. 家用电器，可能会发现在一个典型的住宅楼。图六、HVAC需求响应：（a）全局热区温度重置;（b）预冷。Tset为暖通空调的设定点温度;Tlimit，upper和Tlimit，lower分别为热舒适温度范围的上限和下限;Tindoor为室内空气温度。为了降低峰值需求，HVAC系统可以通过静压调节、供水温度重置和频率控制策略提供负载调节服务[51]。HVAC系统可提供甩负荷、负荷转移和负荷调节服务[51，55，56]。通常，在各种需求侧管理策略下的HVAC系统在响应时间、斜坡时间、响应持续时间以及负荷转移和甩负荷潜力方面具有不同的响应特性。如表6中所总结的，在设定点调整策略下，HVAC系统通常在小于2分钟内响应，并且斜坡持续5持续0.5在预冷/预热策略下的响应持续时间为0.5为了提供频率调节，HVAC的响应时间通常小于1分钟，并且响应持续时间从秒到分钟。HVAC的响应特性取决于几个因素，如通信延迟、机械响应延迟或系统惯性延迟，这些因素因不同的HVAC系统而异[57]。目前，大多数关于HVAC灵活性的研究都是使用仿真软件进行的，包括TRNNIT[26，58]，EnergyPlus[55，59Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123130表6HVAC负荷的响应特性。[26354255658]61、63 -66]预冷/预热[2019 - 05 - 15 00：00：00]● 每户最大负荷减少1.2千瓦[42]● 每户最大负荷减少1.9 kW[35]● 15%● 22%● 200● 平均800 W负载减少[67]● 15%● 12● -2\f25 36Wh m-2\f6负荷转移-2\f25[43]● 25千瓦时/小时-2年负荷转移[60]静压调节、供水温度复位、频率控制<1分钟频率调节[69-72]● 15%的风扇功率可用于频率调节[69]● 在美国，4 GW的电力可以由变频风扇提供[70]。和一些软件组合[63，64]，以及一些数据驱动的方法[42，56，65]。然而，这是很难探索的响应特性的HVACs通过这些方式单独的，因为更全面的调查需要实验。此外，在以往的研究中，还得到了不同策略下的柔性势.然而，由于研究之间的不一致性，例如，所研究的HVAC系统的类型、强制执行的边界条件和采用的评估指标，很难将各种灵活性潜力相互比较。5.2. 电热水器电热水器通常有两种主要配置：储水式和无水箱式[51，73]。一种储水式电热水器，能够甩负荷和转移负荷。在许多住宅建筑中采用具有存储能力的水加热器，其加热容器内的水，然后将其存储以供以后使用。这种加热器通常间歇地工作，以将水温保持在期望的温度范围内，该温度范围通常在不同的季节被不同地设置。由于热水消耗或待机热损失，电热水器运行时水温升高，关闭时水温下降[74，75]。温度设定点和上/下限由最终用户确定;因此，它们因居住者而异。电热水器可提供甩负荷和负荷转移服务[51]，这受到居住者对水温和可耐受温度范围[76]的偏好的影响与HVAC系统一样，建筑物业主可以降低水设定温度以减少高峰时间的电力消耗，对居住者的影响很小这一行动也减少了热水存储系统的备用热损失[68]。一旦限电期结束，电热水器将以更高功率模式运行，以将水温加热到设定值[8]。预热也是电热水器的一种流行的需求侧管理措施，以将负荷从需求高峰期转移出去，这与HVAC系统的措施类似。然而，预热增加了热水储存单元的备用热损失[77]。电热水器还可以提供负载调制服务，包括频率调节，同步储备等[78]。对电热水器的灵活性进行了一些研究。例如，2.4 kW，基于先导试验中获得的数据根据其结果表明，电热水器最大限功率为0.3kW，可持续使用10h以上。为了在调峰、频率调节、同步储备等方面提供不同的电网服务，开发了一种新型电热水器模型[78]，该模型将热损失和用水量结合起来，以确定水箱中的水温提出了一种电压控制策略来管理住宅电热水器的总负载，以减少峰值需求[79]。见参考文件[80]，电热水器在典型的一天的调度被优化，以便最小化电力成本，同时将水温保持在期望的舒适范围内。也有类似的研究[81电热水器也被用来匹配住宅光伏发电[73]。电热水器是住宅建筑需求侧的重要灵活资源，可用于削减，转移和调节负载以保持公用电网稳定性。然而，由于对这一主题的研究很少，它们在不同需求策略下的响应特征仍不清楚[85]。5.3. 冰箱冰箱广泛应用于住宅建筑中，可以为公用电网提供需求灵活性[32，51]。与HVAC系统类似，冰箱运行蒸汽压缩循环，将热量从内部空间传递到外部环境[86]。它们间歇性地运行，以将冷藏室保持在特定的温度范围内，从而防止食物腐败[87]。冰箱可以通过低功率模式连续运行提供公用电网服务，以实现负载转移[51]和设定点复位减载[88]。它们还可以提供负载调制服务[89]。如参考文献[90]所述，冰箱可在30 s内响应功率请求，并可保持15 min的消耗调节以调节频率，并通过修改内部温度设定点保持1 h以提供甩负荷服务。对冰箱的响应特性的研究在其他研究中很少利用相变材料冰箱的灵活性，通过在使用时间费率下优化冰箱的循环操作来降低峰值负荷和运行成本5.4. 湿式电器湿式设备，也称为白色家电[92]，是有前途的灵活负载。这些设备包括洗碗机、洗衣机和干衣机，占家庭总设备的15需求战略响应时间斜变时间缓解持续时间网格服务潜在设定点调整<2分钟50.5峰值负荷降低● 峰值功率最大降低0.005kW·m-2[55]Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123131需求一般来说，这些电器在有限的周期中操作，这些周期通常由居住者根据他们的需要手动启动。一旦这些设备启动，它们通常不会关闭，直到有限周期结束。湿式器具的有限循环具有固定的持续时间。然而，不同的观点仍然存在;例如，参考文献的作者。[82，93]将湿式器具的操作分成一组连续的能量阶段，其中相邻的阶段可以被中断。湿式器具通过占用者延迟或提前这些器具的启动来提供需求灵活性，以便将整个周期从峰值需求时段移开，而对使用的影响很小。然而，这些电器没有减载能力，因为它们的周期只能在不同的时间运行因此，这些设备不能提供任何负载调制服务。湿式器具的需求灵活性取决于它们的使用频率：它们使用得越频繁它们提供的灵活性就在现实生活中，洗碗机可能一天使用两次或一天一洗衣机和干衣机在夏天可以每天使用，而在冬天则不那么频繁使用频率取决于居住者，并根据年龄、性别、生活习惯、人口和收入而因人而异[94，95]。 使用频率在工作日和周末以及不同季节也不同[8，50]。为了量化湿电器的切换灵活性能力D'hulst等人提出了“灵活性窗口”（t窗口）的概念[8]的一项建议。 湿器具在时间窗口中的灵活性如图所示。7.第一次会议。根据t窗口与峰值需求持续时间的关系，可以获得不同的柔性潜力。从图从图7（c-f）中可以看出，湿式器具的负载可以部分地从峰值需求时段转移;在图7（c-f）中所示的条件下，在图7（a）、（b）、（g）和（h）中，它们可以完全移位。湿式器具的灵活性取决于灵活性窗口的设置。先前的研究已经详细调查了湿式装置的灵活性，重点是评估湿式装置的需求灵活性[8，30，50，93，96-解决这些问题的不同方法，包括实验[8，50，92，97-评估湿式器具灵活性的常用方法是根据试点测试中的测量数据分析其潜力[98首先，建立了消费者行为的概率模型。然后，参与实验的家庭被分成不同的组。最后，使用统计方法计算每组的柔性曲线。这些过程对于在国家一级估计湿式器械的灵活性潜力至关重要[8，30，50，93，96，102]。这些研究得出了一些共同的结论。湿式电器具有显著的负荷转移潜力，周末负荷转移潜力高于工作日负荷转移潜力，冬季负荷转移潜力高于夏季负荷转移潜力[8，50，101，102]，并且可以长期保持稳定[99，100]。此外，洗碗机的负荷转移灵活性远高于洗衣机[30，98，101]。为了从湿式设备的负荷转移中受益，通常部署单目标优化模型来优化湿式设备的启动时间，目的是见图7。 湿电器的负载灵活性。twork：器具工作的持续时间。Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123132在特定的电费范围内最大限度地降低能源成本在该模型中，通过实验[104，107]、模拟[81，82，106，108-111]以及实验与模拟的结合[96，105]获得湿式器具的使用模式根据这些研究，湿式装置的负荷可以转移到电价低的时候，当地发电的自耗增加，电费降低。5.5. 照明照明被认为是一种灵活的负载;它占住宅建筑总能耗的10%[112]，对于商业建筑可以上升到15%[113]。照明系统广泛用于建筑物中，以保持居住者的视觉舒适度，并与自然日光一起发挥作用以实现这种舒适度。灯光主要在夜间使用，并且倾向于连续运行，只有当居住者睡觉或离开时才会关闭。照明负荷取决于天气条件、建筑物的几何形状和占用情况[114，115]。当有足够的日光满足室内照明需求时，可以在不损害居住者视觉舒适度的情况下关闭人工照明例如，当住宅房间的室内照度高于500 lx时，可以通过能量管理系统[117]关闭照明。因此，照明系统可以通过削减负载来提供需求灵活性。与其他柔性负载相比，作为HVAC和湿式电器，照明需求不能改变。此外，与其他家用电气设备相比，照明系统可以快速响应，无延迟地提供电网辅助服务[19]。照明负载的灵活性与时间无关，因为在某个时刻的室内照明仅与当前照明功率相关，并且不受较早时间点的照明情况的影响。可调光照明系统已经越来越多地被用于照明领域。近年来，现代建筑。这种系统的照明可以调节，以保持良好的视觉舒适度[118]。 在参考文献[35]中，采用了三种不同的调光水平来量化高峰期照明的灵活性潜力见参考文件[119]，研究了两种不同的照明负荷削减措施：改变光源的相关色温和调暗它们的光通量。Yu等人[115]开发了一种量化照明需求灵活性潜力的方法，考虑了动态日光和随机占用。灵活性评估指标包括用于识别多个维度的修改光需求的参数的特征度量和用于评估根据公用电网要求调整建筑物的负载分布的能力的性能指标。5.6. 摘要和比较分析根据我们的文献综述，本节总结了暖通空调、电热水器、冰箱、湿电器和照明在灵活性能力和操作特性方面的差异。如表7所示，这些柔性负载具有不同的柔性能力。恒温控制的负载可以脱落，转移和调制。照明负荷不仅可以被甩出，而且可以被调制，而湿式电器只能提供负荷转移服务。此外，这些设备具有不同的运行模式。HVAC系统、电热水器和冰箱间歇运行，照明连续运行，而湿式电器在运行时具有有限的周期和顺序过程。这些模式取决于设备的特性。此外，这些电器的使用频率也有区别。暖通空调系统在夏季和冬季几乎每天运行，电热水器和冰箱全天运行，照明每天使用;相比之下，湿式电器的使用频率由居住者决定，并且在工作日和周末有所不同。从季节运行特点来看，暖通空调系统在夏季和冬季分别运行于制冷和制热模式，电热水器的温度设置和待机热损失在不同季节也不同，季节影响洗衣机的使用频率。另一方面，在一项研究中，季节很少影响冰箱、洗碗机和照明的使用。表7住宅建筑中不同柔性荷载的特性类别设备能力运行特点能源时间天气行驶模式使用频率季节特征消费变化财产财产可调HVAC谢德，间歇几乎每天各种操作不断增加，依赖依赖负载电动频移和调节谢德，间歇寒暑整天跑冬夏模态各种温度减小还是保持不变不断增加，依赖依赖热水器冰箱移 位 和 调制Shed，频移和间歇整天跑设置和待机热损失无明显的季节性差异减少，或保持不变增加，减小还是依赖依赖移位洗碗机调制移位有限循环，取决于无明显的季节性保持不变的情况下剩余依赖独立负载洗涤移位顺序处理有限循环，居住者;一天两次或一天一次取决于差异各种使用恒定剩余依赖独立机器顺序处理居住者;在工作日、周末和不同季节恒定衣服移位有限循环，不同季节取决于各种使用剩余依赖独立脱落干燥器照明棚和顺序处理不断居住者;在工作日、周末和不同的季节，每天使用不同季节无明显的季节性恒定降低独立依赖负载调制差异Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123133此外，与没有响应事件发生的正常情况相比，当需求响应事件发生时能量消耗改变。与正常情况相比，在需求响应事件下，恒温控制负载的能耗增加、减少或保持恒定它由几个变量决定，包括环境温度、建筑物或设备外壳特征、响应持续时间和设备的时间依赖效率[51，59，67，120]。当峰值负载转移到非峰值时间时，湿式器具的能量消耗保持恒定，因为循环只是在不同的时间运行。然而，减少照明负载会降低能耗。此外，表7中列出的可调负载和移动负载的灵活性随时间变化，并且过去时隙中的灵活性将影响稍后时隙的灵活因此，这些负载的柔性是时间相关的。相比之下，照明的灵活性是与时间无关的，因为在稍后时隙的灵活性关于天气与负荷灵活性特性之间的关系，暖通空调、电热水器、冰箱和照明在任何特定时刻的灵活性取决于当时的天气条件相比之下，湿式装置的柔性很少受到室外环境的影响。除了对柔性负荷的特性进行总结外，这些柔性负荷的更具体的运行特性，例如不同运行阶段的功率特性，仍然不清楚。因此，需要基于家电实际运行数据对这一课题进行研究这种柔性负载的响应特性，如响应速度、斜坡持续时间、服务持续时间、能量转移或脱落潜力，也仍然不清楚。6. 建筑需求弹性的量化方法在明确了住宅建筑需求侧柔性荷载的特点后，如何量化其柔性能力是一个重要的挑战。量化建筑需求灵活性是一个复杂的过程，需要考虑许多因素。模型和评价指标作为其中最关键的两个要素，受到了广泛的关注。在本节中，回顾和总结了以往研究中提出的模型和评估指标。6.1. 住宅建筑6.1.1. 建模技术许多技术已被用于在文献中建立住宅建筑中的柔性荷载模型。关于一个模型在多大程度上代表了一个家用电器，以前的研究中的模型可以分为三种类型：白盒，灰盒和黑盒。每种类型的详细信息如下：白盒模型。这些模型通常是详细描述家用电器的物理模型，使用基于第一原理的几个数学方程（例如，牛顿白盒建模技术详细描述了物理过程，并允许分析具有各种边界条件的不同场景，这些边界条件在真实建筑中不易实现[43，54]。然而，这些模型的开发和校准都很耗时[26，58].一般来说，研究人员在商业软件的帮助下使用它们，如TRNNIT，EnergyPlus和Modelica。黑盒模型在某些应用中，底层的动态过程太复杂，无法从第一原理建模。黑盒建模从系统的输入和输出的测量开始不知道详细的内部物理过程[2，42]。然而，需要大量高质量的数据来训练黑盒模型，并且该模型通常缺乏可解释性[53，62]。也很难为所有情况和情景开发一个通用模型[89，90]。黑箱模型可以通过人工神经网络和支持向量机等机器学习方法建立。灰箱模型在许多实际应用中，研究人员寻求白盒和黑盒模型的组合，其结果被称为灰盒模型。 这些模型有一些组件可以从第一原理建模，而其他组件必须使用测量数据进行经验拟合[78，79]。灰箱模型简化了物理过程，并且更容易扩展。它们还提高了计算效率，尽管以牺牲精度为代价[102，109]。用于评估建筑需求灵活性的常见灰箱模型是6.1.2. 以往研究表8总结了先前研究中针对不同住宅柔性荷载采用的模型。可以看出，白盒模型被广泛采用，以模拟恒温控制的负载，包括HVAC，电热 水 器 和 冰 箱 。 各 种 商 业 软 件 ， 包 括 TRNECHANISM 、EnergyPlus和Modelica，在评估单个HVAC的灵活性和进行参数分析方面很受欢迎。借助商业软件，可以轻松实现各种建筑围护结构、空调末端、气候带和需求侧管理策略等不同条件下的模拟。因此，仿真软件适用于量化单个HVAC的灵活性此外，白箱模型已被用于许多研究[73灰箱模型主要应用于模型暖通空调和湿家电，与稀疏的应用冰箱。更具体地说，RC模型通常用于优化单个HVAC的控制[123，124]或与其他柔性负载一起优化它们[38，121，122，125，126]。这些模型也被用来评估HVAC在聚集水平的灵活性。在湿家电灰箱模型中，实际的湿家电模型被简化为一组连续的不间断能量阶段，其中功率被假设为恒定的，以优化调度的电器。黑盒模型已经被广泛部署来模拟湿电器，使用基于统计的方法，根据试点测试[127，128]的经验数据，评估聚合水平的灵活性。此外，HVAC在聚合水平下的减载潜力可以使用机器学习方法用黑盒模型来评估上述分析表明，白盒模型是一致的，当研究单个柔性载荷时，灰箱模型主要用于评价聚合层次的柔性和多柔性负荷的优化调度。采用黑箱模型来量化聚合层次的柔性。基于这一分析，表9给出了不同情况下模型应用的说明。虽然已经进行了大量的研究，对住宅柔性负荷建模，仍然存在一些挑战。白盒模型可以详细描述柔性负载的动态物理过程。然而，他们通常忽略了家庭异质性，居住者活动和能源使用习惯的影响，特别是当商业软件部署。在COM中，黑盒模型不需要复杂的物理模型，●●●Z. Luo，J.彭，J.Cao等人工程16（2022）123134.X1/4a小时表8总结了以前关于建筑需求灵活性的研究中所采用的模型模型类型柔性负载方法/软件引用目的白盒HVACTRNSYSEnergyPlusModelica[26，58][55，59 -61][35，46]单个HVAC的灵活性评估;灵敏度分析电热水器别人物理模型【43，57，62，63，68】[73- 76，78 - 80，83 -85]单个柔性负荷灰箱冰箱HVAC物理模型RC模型[九十一][38，121 -126]单个或多个柔性荷载RC模型[7，64，129 -133]综合层