家庭电器及冷暖设备能耗模拟解析

### 家庭电器及冷暖设备能耗模拟解析 在家庭能源消耗的研究中，对各类电器及冷暖设备的能耗模拟是至关重要的。这不仅有助于我们了解家庭能源的使用模式，还能为能源管理和规划提供有力的支持。下面将详细介绍一般电器消耗、加热和冷却消耗的相关模型及模拟算法。 #### 一般电器消耗 一般电器消耗指的是既不与照明系统相关，也不与加热或冷却设备相关的电器能耗。在电能消耗方面，这类电器通常需求最高，涵盖了食品冷藏和冷冻设备、烹饪系统、洗衣设备、娱乐设备等。 在欧洲家庭中，这类消耗平均每年约为2600 kWh，但各国差异显著。丹麦和挪威最高可达约3500 kWh/年，而捷克共和国或罗马尼亚最低约为1500 kWh/年。 ##### 模型基础 设备消耗模型引入了家庭活动的概念。大多数电器与家庭中进行的特定活动相关联，但冰箱、冰柜或处于待机模式的设备除外，它们不依赖于活动。所有这些活动与活跃居住者共同决定了不同电器更可能开启的时间段。 活动与TUS数据相关，受访者会记录每10分钟内进行的主要和次要活动，如熨烫、房屋清洁、烹饪、洗衣、个人护理、看电视或使用电脑等。许多活动与电器直接相关，例如熨烫需要熨斗；洗衣活动可能会使用洗衣机或烘干机。 获取活动概率的方法如下：首先确定每个时间段内具有选定活跃居住者数量的家庭数量，然后统计至少有一名活跃居住者进行该活动的家庭数量，从而计算出每个时间步长和不同活跃居住者数量下的活动概率。这种方法考虑了电器共享的概念，例如，一名活跃居住者进行活动的概率为35%，两名活跃居住者时并非翻倍，而是45%。 | 活跃居住者数量 | 具有该数量活跃居住者的家庭数量 | 至少有一名居住者进行活动的家庭数量 | 活动概率 | | --- | --- | --- | --- | | 1 | 2367 | 822 | 35% | | 2 | 956 | 429 | 45% | ##### 输入数据 - **居住者概况**：与之前的模型一样，需要了解住宅内活跃居住者的数量，以估计电力消耗的强度。 - **活动概率**：对于TUS中定义的每个活动，建立概率分布，区分活跃居住者的数量，从而确定在一天中任何时间段进行选定活动的概率，并考虑星期几、地区或一年中的时间段等额外参数。 - **电器特性**：遵循自下而上的方法，每个电器的消耗基本定义为单个功率率（可能包括无功功率）和开启周期。此外，还可以分配待机功率和关闭延迟。对于洗碗机或洗衣机等电器，实际工作周期定义为开启期间的可变功率。 ##### 模拟算法 模拟过程会对每个时间间隔和每个电器进行迭代，根据活跃居住者和住宅活动等决策因素，决定电器是开启、保持开启状态、保持关闭状态还是关闭。 首先检查每个电器的状态。如果电器有延迟周期，如冰箱、冰柜等，先检查是否处于等待状态，若是则减少等待周期；若没有等待时间，则继续进行。 接着检查活跃居住者数量。若为零，依赖于居住者的活跃电器将关闭，不依赖的则正常工作；若有活跃居住者，则测试电器状态。 若电器已开启，系统将减少开启周期并计算消耗的能量；若关闭，则开始随机过程，将与电器相关的活动概率P(Activity)和校准标量z与随机生成的数字R进行比较，以决定是否开启电器。 以下是模拟算法的流程图： ```mermaid graph TD A[开始] --> B{是否有更多间隔?} B -- 是 --> C{是否有更多电器?} C -- 是 --> D{电器是否在等待?} D -- 是 --> E[减少等待周期] E --> F[添加功率] F --> G[减少开启周期] D -- 否 --> H{是否有活跃居住者?} H -- 是 --> I{电器是否开启?} I -- 是 --> G I -- 否 --> J[R = 随机数] J --> K{R < P(Activity) * z?} K -- 是 --> L[开启电器] K -- 否 --> M[保持关闭] H -- 否 --> N{电器是否依赖居住者?} N -- 是 --> O[关闭电器] N -- 否 --> P[保持开启] B -- 否 --> Q[结束] C -- 否 --> B ``` #### 加热和冷却消耗 加热和冷却设备的能源需求是模型考虑的最后一个元素。这些消耗强烈依赖于气候区和季节，即使在同一国家内，观测数据也有显著差异。 地中海国家的加热消耗每年约为40 - 100 kWh/m²，而德国、捷克共和国或芬兰等国家可达160 - 240 kWh/m²