平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統優化

劉雪玲，付偉娟，牛錦濤，王源銘

（1 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300350；2 天津大學地熱研究培訓中心，天津 300350）

隨著我國城市化進程的加快、人民生活水平及對室內環境舒適度要求的提升，建筑能耗迅速增加[1]。2015年，建筑能耗占社會總能耗近20.9%[2]，預計2050 年將增加至近50%[3-4]。辦公樓等類型建筑在建筑能耗中所占比重較高，并且由于辦公樓的能耗主要集中在日間，夜間負荷較小，導致熱泵供熱和空調系統的電耗晝夜差異較大，這種差異增加了電網峰谷電量的差值，不利于電網的穩定。

針對峰谷電量晝夜差距大的問題，一些學者選用需求響應（demand response，DR）模型對電力負荷進行時段調整，即在高峰時段改變電力需求，以平衡供需[5]。胡澤升等[6]基于負荷側需求響應的精細化建模，提出了一種計及需求響應的熱電耦合系統用能優化方法，結果表明該方法可降低供給側峰值段負荷，同時降低系統總成本。此外，還開展了基于負荷側儲能的研究，郭曉雨等[7]基于分時電價、管網的儲熱與延遲特性，提出電價高峰時段關閉冷機，利用管網的虛擬儲能效應實現區域供冷系統的電網需求響應。羅慶等[8]提出利用儲能（冷/熱）式負荷調控吸納電能的方法，構建了基于儲能式負荷的調度模型，結果表明采用該調度模型后，風力發電場的棄風率低于10%。Parwal 等[9]提出了一種電池和超級電容器相結合的混合儲能系統，以控制充/放電狀態，減輕電力波動并向電網提供平滑電力。Xu 等[10]基于年利潤最大化和風電削減率最小化的目標，提出電池和超級電容器相結合的多目標優化模型。Gayathri 等[11]使用飛輪儲能系統抑制風力波動，以確保電力分配的靈活性。上述儲能系統研究了采用電池、飛輪等儲能方式以及從負荷側需求響應研究如何減少電網電力波動，但對于熱泵用于需求響應系統的研究相對較少。

當熱泵用于大規模建筑物供熱時，在冬季會出現較大的峰值負荷[12]，Kreuder 和Spataru[13]研究了DR 對住宅建筑耗電峰值的影響，結果表明DR 可避免新的耗電峰值出現，但原有峰值負荷仍存在。一些學者提出將熱泵與蓄熱相結合，使熱量需求轉移到非高峰時段或具有多余可再生電力的時段，實現對電網的“削峰”[14]。Hong 等[15]將自然通風與HVAC（heating, ventilation and air conditioning）系統結合，使辦公樓在混合模式而非全空調模式下工作，可降低辦公樓能耗。Ioakimidis 等[16]通過限制電動汽車的充電率來調節建筑物的能耗，降低高峰時段建筑物能耗。Guelpa等[17]提出通過調節建筑物用戶熱需求曲線，削減用電高峰電力需求。邵索拉等[18]對使用新型蓄熱型直接冷凝式加熱板的空氣源熱泵系統進行了實驗研究，結果表明可以大幅提高系統性能并降低成本。鹿琳等[19]提出了一種雙水箱（加熱和儲水水箱）熱泵熱水系統，通過對某學生宿舍空氣源熱泵熱水系統的性能實驗，結果表明：與單水箱熱泵熱水系統相比，在低補水水溫、高加熱熱水溫度下，系統節能效果較顯著。Wu 等[20]構建了一種空氣源熱泵和蓄水箱組合的加熱系統，用于提高空氣源熱泵（air source heat pump，ASHP）在低溫環境下的運行效率，對北京某建筑的實際應用監測結果表明：在溫度最低的一天，ASHP 系統的日平均性能系數（COP）提高了14.0%，季節平均COP 提高了26.1%。Zhang 等[21]建立了太陽能集熱-空氣源熱泵-水箱的混合加熱系統，通過太陽能儲熱和太陽能直接供熱，降低熱泵供熱系統的負荷，結果表明：熱泵、儲熱系統和太陽能直接供熱系統分別占總供熱負荷的66.5%、23.1%和10.4%，與傳統的供熱系統（即單熱泵）相比，整個系統的耗電量減少33%。

以上方法有效降低了建筑日間的供熱負荷，削減了日間的電耗，但是晝夜間的峰谷電量差異仍未消除。為了抑制辦公建筑供熱系統全天時段內耗電功率的波動，實現系統在全天時段的耗電量穩定，本文針對辦公類建筑的熱泵供熱系統需求響應，構建了平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統。通過使用熱水儲罐作為熱能緩沖器，可使儲存的能量增加，從而提高系統靈活性。利用夜間谷電進行蓄熱，在削減日間供暖電耗的同時，增加谷電消耗，通過對蓄熱、供熱熱泵運行參數的優化，實現在滿足建筑熱負荷需求的前提下，保持系統耗電功率全天時段內恒定，并實現耗電成本最低的目標。

1 工作原理

為解決辦公建筑晝夜熱負荷需求差異大導致的系統耗電量晝夜波動較大的問題，提出如下解決方案：在夜間低負荷時，利用熱泵系統進行蓄熱，以增大谷電的消耗；蓄熱可以提高熱泵在日間供熱時的熱源溫度和熱泵系統的運行效率，降低日間的供熱電耗；從而實現平抑系統的耗電波動、削峰填谷、穩定電網負荷的目的。

平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統如圖1 所示，其工作原理為：夜間，閥門1、2、3、4、5、6、7、10、15開啟，閥門8、9、11、12、13、14關閉，即熱泵1停止運行，熱泵2用于蓄熱并提供建筑的值班負荷。該運行模式下，地下水作為熱泵2的熱源，在蒸發器內將熱量傳遞給工質；冷水箱中的水及供熱循環回水進入熱泵2的冷凝器，吸收工質釋放的熱量，溫度升高，這部分熱水一部分進入熱水箱儲存起來，一部分用于提供建筑物的值班熱負荷。其供熱負荷可通過閥門5的開度進行調節。

圖1 平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統

日間用電負荷高峰時段，熱泵2 與熱泵1 共同提供建筑的供熱負荷。此時，閥門3、4、5、6、8、9、11、12、13、14、15 開啟，閥門1、2、7、10關閉。熱泵2在供熱運行模式下，以熱水箱熱水作為熱源；熱泵1以地下水作為熱源。由于夜間蓄熱作用，熱水箱水溫明顯高于地下水溫度，熱泵2的性能系數COP高于熱泵1的COP。因此，與沒有蓄熱的情況相比，即僅采用熱泵1以地下水作為熱泵熱源的供熱模式相比，平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統可以有效降低日間系統的電耗。通過對熱泵1和熱泵2的供熱、蓄熱運行參數的優化調節，實現系統全天時段的電耗恒定。

為了避免冷熱水混合，蓄熱水箱溫度降低，機組效率下降，夜間蓄熱熱水與日間通過蒸發器換熱后的冷水分開儲存。熱水箱用于儲存夜間熱泵2在蓄熱運行模式生產的熱水，并用作其在日間供暖模式的熱源；日間，通過蒸發器與工質換熱后的冷水儲存在冷水箱，并用于夜間蓄熱的介質。

2 系統運行及優化計算模型

2.1 熱力計算模型

蒸發器、冷凝器的傳熱計算采用效能-傳熱單元數法進行計算，由于工質側具有相變，所以蒸發器和冷凝器的效能ε及傳熱單元數NTU 如式(1)、式(2)所示[22]，蒸發器效能εe、冷凝器的效能εc分別為式(3)、式(4)。

式中，(kA)c、(kA)e分別為冷凝器、蒸發器傳熱系數與傳熱面積的乘積，W/K；(qmc)e、(qmc)c分別為蒸發器熱源水的水當量（質量流量與比熱容的乘積）、冷凝器供水的水當量，W/K。

蒸發器、冷凝器的換熱量分別為式(5)、式(6)。

式中，t'e,1、t'e,2分別為蒸發器中熱源水、制冷劑進口溫度，℃；t'c,1、t'c,2分別為冷凝器中進口水溫度、制冷劑進口溫度，℃。

熱泵系統蒸發溫度和冷凝溫度根據熱源水和冷卻水的溫度確定，如式(7)、式(8)。

本文假設蒸發溫度與熱源水出口溫差Δte取5℃，冷凝溫度與供水出口溫差Δtc取5℃[23]。

壓縮機實際耗功W如式(9)～式(11)。

式中，Vsuc為制冷劑在壓縮機入口的體積，m3；r為絕熱指數；η為壓縮機效率；mr為制冷劑質量流量，kg/s；Psuc為吸氣壓力，Pa；Pdis為排氣壓力，Pa；Pe為蒸發壓力，Pa；Pc為冷凝壓力，Pa；ΔP為吸氣閥、排氣閥壓降，Pa。

假設為絕熱節流，則熱泵系統的性能系數COP為式(12)。

在部分負荷工況下，假設熱泵系統通過改變工質的流量進行工況調節，系統的蒸發溫度和冷凝溫度并未發生變化。熱泵系統的性能系數COP 主要取決于蒸發溫度和冷凝溫度，所以在部分負荷工作的熱泵COP 不發生變化；但在負荷變化時，系統的耗電量隨之發生變化。

2.2 系統運行優化模型

為滿足建筑實際熱負荷需求，白天熱泵1、2的逐時供熱負荷之和應等于建筑實際逐時熱負荷，如式(13)。

式中，Q1(τ)為熱泵1 白天逐時供熱負荷，kW；Q2,d(τ)為熱泵2 白天逐時供熱負荷，kW；Q(τ)為建筑實時熱負荷，kW。

假設夜間熱泵2向熱水箱的蓄熱總量與日間熱泵2從熱水箱的取熱總量相等，則有式(14)。

由于夜間熱泵2用于蓄熱并提供建筑供熱，所以夜間熱泵2的熱負荷為二者之和，如式(15)。

式中，Q2,d(τ)為日間熱水箱的瞬時放熱負荷，即日間熱泵2的蒸發器瞬時熱負荷，kW；Q2,ns(τ)為夜間熱水箱的瞬時蓄熱負荷，kW；Q2,n(τ)為夜間熱泵2逐時熱負荷，即夜間熱泵2 的冷凝器瞬時熱負荷，kW；Q2,nh(τ)為夜間建筑物的值班供熱負荷，kW。

日間熱泵1 提供基本供熱負荷，熱泵2 為調峰供熱；夜間熱泵2蓄熱并提供值班熱負荷，其耗電功率分別為式(16)～式(19)。

式中，P1(τ)為熱泵1逐時耗電功率，kW；P2(τ)為熱泵2 逐時耗電功率，kW；P2,d(τ)為日間熱泵2逐時耗電功率，kW；P2,n(τ)為夜間熱泵2 逐時耗電功率，kW；COP1為熱泵1性能系數，COP2,n為熱泵2 夜間性能系數，COP2,d為熱泵2 白天性能系數；τa、τb分別為熱泵蓄熱-供熱系統夜間運行起止時間，h；τc、τd分別為熱泵蓄熱-供熱系統日間運行起止時間，h。

為在滿足建筑熱負荷需求的條件下實現建筑供熱系統的耗電平穩，以蓄熱-供熱系統逐時總耗電功率Pstand(τ)穩定為優化目標函數，即式(20)。

式(21)的物理意義為全天各時段系統實時耗電功率穩定，即隨時間的變化率為零。熱泵蓄熱-供熱系統一天的總耗電量為式(22)。

式中，τ1為熱泵蓄熱-供熱系統運行時間。系統一個供熱季的總耗電量為式(23)。

式中，τ為供熱季總供熱時間。

2.3 系統運行參數

熱泵系統的主要運行參數見表1。

表1 系統運行參數

3 蓄熱-供熱系統用電分析

3.1 典型日熱泵蓄熱-供熱系統用電分析

3.1.1 建筑熱負荷

本文選取天津地區某辦公樓，該辦公樓高5層，建筑面積約9000m2，根據供熱典型日即溫度最低的一天的溫度變化，選用DEST軟件計算得到該建筑供熱典型日的逐時供熱負荷變化如圖2 所示。從圖中可看出辦公樓的供熱負荷高峰主要出現在工作時段8:00—21:00 時，逐時供熱負荷介于270～500kW 之間。夜間建筑熱負荷較小，晝夜間熱負荷需求差異大。

圖2 供熱期典型日逐時負荷與溫度變化

3.1.2 系統電耗分析

在供熱期典型日，平抑電耗波動的蓄熱-供熱系統中各熱泵的逐時熱負荷變化如圖3所示。由圖中可看出，采取優化策略后，日間辦公樓的供熱負荷由熱泵1和熱泵2同時提供，兩者的供熱負荷總和等于建筑的供熱熱負荷。9:00—13:00內熱泵2的供熱負荷大于熱泵1，而在14:00—21:00 時熱泵1供熱負荷高于熱泵2。夜間電力低谷時段熱泵2 運行，用于蓄熱和提供建筑物的夜間供熱負荷，工作時段為22:00—次日7:00。谷電時段熱泵2的逐時熱負荷穩定在265.53kW，其中建筑物的供熱負荷為15kW，夜間谷電時段蓄熱總量為8347.94MJ。

圖3 供熱期典型日熱負荷曲線

熱泵1、2及系統總耗電功率如圖4所示，可看出采用蓄熱優化控制策略的熱泵蓄熱-供熱系統全天時段的總耗電功率穩定在53.54kW。與常規供熱系統相比，由于蓄熱填谷作用，谷電電耗增加了50.29kW，夜間熱泵2 逐時耗電功率維持在53.54kW；日間各時刻熱泵1 與熱泵2 的耗電功率之和等于系統總耗電功率53.54kW。由于蓄熱作用，熱泵2的熱源溫度提高，與熱泵1相比，在相同供熱量的情況下其電耗大幅降低。所以，采用蓄熱-供熱優化控制策略后，可以在滿足建筑供熱需求的情況下，大幅降低峰電的電力消耗，實現全天時段電耗功率恒定，穩定了電網。

圖4 供熱期典型日用電負荷曲線

圖5 為平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱優化系統的逐時電耗與常規供熱系統的對比。由圖中可看出無蓄熱的常規熱泵供熱系統耗電功率逐時波動較大，供熱時段的最高耗電功率為107.72kW，夜間系統保持值班狀態耗電功率為3.25kW，峰谷電時段的耗電功率差值很大。采取谷電蓄熱并對系統運行優化后，系統耗電功率全天穩定在53.54kW，高峰時段耗電功率最大降低了50.29%，日間的耗電功率平均降低28.10%；夜間的耗電功率增加至53.54kW。因此采用優化控制策略后，大大降低了日間高峰時段耗電功率，夜間耗電功率增大，起到了完全的削峰填谷，全天時段內系統的電耗穩定。

圖5 供熱期典型日蓄熱-供熱系統與常規供熱系統的逐時耗電功率

天津市用電時段分為高峰、平段及低谷時段三種，如表2 所示。熱泵蓄熱-供熱優化系統與常規熱泵供熱系統全天各時段的耗電量及運行電費對比如圖6 所示。可發現蓄熱-供熱系統的高峰時段耗電量較原供熱系統降低了110.63kW·h，降低率為20.53%；平段耗電量較原供熱系統降低了102.84kW·h，降低率為19.35%；原常規供熱系統在低谷時段耗電量為26.02kW·h，而低谷耗電量明顯提升，耗電量增加至428.32kW·h，較原系統增加了402.30kW·h。盡管蓄熱-供熱系統的日耗電總量較原供熱系統有所增加，但由于峰谷電價的差異，運行電費略有下降，降低了13.21CNY。因此，平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統通過消納谷電蓄熱，降低了高峰及平段的用電負荷，顯著提升了系統電耗的穩定性，減少了熱負荷波動對電網的沖擊；并且系統的日運行電費減少。

表2 天津市商用電價

圖6 蓄熱-供熱系統與常規系統典型日各時段的運行情況

3.2 供熱期熱泵蓄熱-供熱系統用電分析

根據天津的供熱時間，即每年的11月1日到來年的3月1日，對該辦公樓整個供熱季的供熱電耗進行了計算，平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統及常規熱泵供熱系統的逐日耗電功率如圖7 所示。可以看出，采用蓄熱-供熱優化的系統大幅削減了供熱系統的耗電波動，雖然系統的逐日耗電功率有小幅波動，但保證了系統每日的電耗恒定（見局部放大的逐時電耗圖）。

圖7 供熱期熱泵蓄熱-供熱系統與常規熱泵供熱系統的逐日耗電功率

4 蓄熱-供熱系統運行費用分析

基于平抑電耗波動的蓄熱-供熱優化控制系統、無蓄熱的常規熱泵供熱系統在一個供暖季的系統耗電費用見表3。對比兩系統的運行費用發現：采用蓄熱-供熱優化控制策略后，一個采暖季蓄熱-供熱系統總耗電量較常規供熱系統增加了11542kW·h，但由于峰谷電價差異，總運行電費減少了467.38CNY，運行費用降低了0.71%。

表3 系統運行費用對比

常規熱泵供熱系統通常選用兩臺熱泵機組，采取一備一用模式，而本文提出的熱泵蓄熱-供熱系統將備用熱泵機組啟用，機組費用并未增加。相較于常規熱泵供熱系統，熱泵蓄熱-供熱系統僅增加一熱水箱和一冷水箱，初投資成本僅增加約50000CNY。

5 結論

采用谷電蓄熱調峰后，在滿足實際熱負荷需求的前提下，不僅實現了系統電耗的穩定，減少了電網的不穩定性，并且降低了供熱運行電費，提高了系統運行的經濟性。主要結論包括以下3點。

（1）通過對采取平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統的運行參數優化和控制，單日供熱系統耗電實現了完全的削峰填谷，保證了全天時段內系統的電耗穩定。

（2）采用平抑電耗波動的優化控制策略后，蓄熱-供熱優化系統大幅削減了整個供暖季的逐日電耗波動，并保證了系統每日的電耗恒定，大大降低了建筑熱負荷波動對電網的沖擊。

（3）平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統提高了谷電消耗，降低了高峰時段的電耗，盡管耗電量有所增加，但由于峰谷電價的差異，系統總的運行電費略有下降。