地源熱泵系統(tǒng)的改進(jìn)與運(yùn)行控制方法研究

李義巖，李曉君

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司 電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000）

地源熱泵系統(tǒng)的改進(jìn)與運(yùn)行控制方法研究

李義巖1，李曉君2

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司 電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000）

在傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)，可使地源熱泵用電負(fù)荷具有可調(diào)度性。針對(duì)以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為主要電源，采用地源熱泵制冷、供暖的地區(qū)，基于最大限度消納新能源發(fā)電的目的，提出了一種地源熱泵的系統(tǒng)運(yùn)行策略。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明，采用新型運(yùn)行策略后地源熱泵系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷有明顯的“削峰填谷”作用，同時(shí)使電網(wǎng)達(dá)到最大限度利用新能源的作用。

風(fēng)力發(fā)電；光伏發(fā)電；地源熱泵；儲(chǔ)能系統(tǒng)；運(yùn)行策略

近幾年，由于煤炭資源的日益短缺，環(huán)境問(wèn)題更加嚴(yán)峻，新能源發(fā)電成了當(dāng)下的熱門話題，而風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)更加受到關(guān)注。由于風(fēng)力資源和光照資源具有時(shí)空分布特性，采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)具有一定的出力互補(bǔ)性。眾所周知，風(fēng)電和光電具有間歇性、隨機(jī)性，這對(duì)電網(wǎng)造成一定的影響。新能源發(fā)電供地源熱泵使用，將這部分多余的電量轉(zhuǎn)換為熱能，不但對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷有削峰填谷的作用，同時(shí)可避免傳統(tǒng)集中供暖方式造成的煤煙型污染。目前尚無(wú)文獻(xiàn)研究風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)，本文對(duì)傳統(tǒng)地源熱泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，基于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電互補(bǔ)出力特性，提出了一種地源熱泵運(yùn)行策略，旨在最大限度利用新能源發(fā)電，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷的作用。

1 地源熱泵

1.1 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵是一種利用淺層或深層的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源，由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng)，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。圖1為傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)。不同類型的地源熱泵系統(tǒng)不做詳細(xì)介紹，本文以豎直地埋管地源熱泵為例進(jìn)行分析研究。

圖1 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)將地下水中的熱能提取出來(lái)對(duì)建筑物供暖或者將建筑物種的熱能釋放到地下水中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的制冷。

在寒冷的冬季，外界溫度很低，而地下水溫度相對(duì)較高，當(dāng)?shù)厣系睦渌?jīng)過(guò)地下，溫度升高，再經(jīng)過(guò)萃取能量加熱在建筑物內(nèi)循環(huán)的水，達(dá)到舒適溫度。如圖2為地源熱泵系統(tǒng)冬季工作示意圖。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)冬季工作示意圖

深層地下水屬于恒溫?zé)嵩?，不隨外界環(huán)境溫度變化而變化，全年較穩(wěn)定。在炎熱的夏季，地源熱泵系統(tǒng)將較熱的地上水經(jīng)過(guò)地下循環(huán)后變得較為涼爽，在建筑物內(nèi)循環(huán)，降低室內(nèi)溫度。如圖3為地源熱泵系統(tǒng)夏季工作示意圖。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)夏季工作示意圖

1.2 地源熱泵系統(tǒng)的改進(jìn)

目前廣泛使用的地源熱泵系統(tǒng)不能儲(chǔ)存熱量，用電負(fù)荷無(wú)法靈活調(diào)節(jié)，對(duì)新能源電力豐富的地區(qū)，無(wú)助于新能源消納，不利于電網(wǎng)負(fù)荷“削峰填谷”。

本文在傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中增加了儲(chǔ)熱系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 含儲(chǔ)熱系統(tǒng)的新型地源熱泵系統(tǒng)

1.3 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略

圖5為某電網(wǎng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，其中包括新能源發(fā)電電源、地源熱泵系統(tǒng)、當(dāng)?shù)刎?fù)荷等。新能源發(fā)電有功出力為PDP.i，地源熱泵消納有功功率為PUC。

圖5 電網(wǎng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)母線上有功功率平衡關(guān)系有如下公式

地源熱泵系統(tǒng)用電功率為

本文旨在使當(dāng)?shù)刎?fù)荷最大限度的消納新能源發(fā)電，因此盡可能使P′Grid最小。

有功功率轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中：m、n分別為有功功率損耗系數(shù)。

新型地源熱泵系統(tǒng)吸收有功功率轉(zhuǎn)換為熱量的關(guān)系表達(dá)式為

式中：β為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中：QD為日常消耗熱量；QC為儲(chǔ)熱系統(tǒng)中存儲(chǔ)熱量，QC≥0。

新型地源熱泵系統(tǒng)中儲(chǔ)熱系統(tǒng)將吸收來(lái)的熱量QC用于制冷或加熱水的溫度，其關(guān)系式為

式中：η為轉(zhuǎn)換因子。

式中：ts為室內(nèi)適宜溫度；t0為用戶室內(nèi)循環(huán)水溫度，冬季t0＜ts，夏季t0＞ts；t1為儲(chǔ)熱系統(tǒng)中冬季循環(huán)水溫度，t1≥ts；t2為儲(chǔ)熱系統(tǒng)中夏季循環(huán)水溫度，t2≤ts；a、b、c、d為混合比例系數(shù)。

圖6為能量傳遞和轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。

新型地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)新能源出力與當(dāng)?shù)刎?fù)荷之間的差值進(jìn)行控制策略變換。

圖6 能量傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

（1）當(dāng)PDG＞0時(shí)，新能源系統(tǒng)出力可以滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷，此時(shí)可將多發(fā)的電量PDP-PLoad供給地源熱泵，這部分有功功率PUC可用于地下水循環(huán)系統(tǒng)中，萃取出的熱量為Q，其中一部分熱量QD直接供給用戶日常消耗，使用戶循環(huán)水保持在適宜溫度ts；另一部分熱量QC用于保溫或制冷儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的水，此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)中儲(chǔ)熱系統(tǒng)處于“充能”狀態(tài)，用QCa表示。

（2）當(dāng)PDG≤0時(shí)，新能源系統(tǒng)出力不能滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷，此時(shí)新型地源熱泵系統(tǒng)不消耗電網(wǎng)有功功率，即FUC≈0。直接由儲(chǔ)熱系統(tǒng)中儲(chǔ)存的溫度為t1、t2的水與溫度為t0的用戶循環(huán)水混合，使用戶循環(huán)水保持在適宜溫度ts，此時(shí)地源熱泵中的儲(chǔ)熱系統(tǒng)處于“放能”狀態(tài)，用QCb表示。若儲(chǔ)熱系統(tǒng)中能量放完，即儲(chǔ)熱系統(tǒng)中熱能QC=0，地源熱泵直接由電網(wǎng)提供日常消耗電量FD。

因此儲(chǔ)能系統(tǒng)中總能量為

約束條件為

2 實(shí)例驗(yàn)證

以新疆某地區(qū)的新能源發(fā)電和地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)為例，如圖7。

圖7 該地區(qū)電網(wǎng)示意圖

2.1 風(fēng)、光發(fā)電出力特性

該地區(qū)風(fēng)資源和光資源較為豐富，圖8為該地區(qū)典型日光伏電站出力曲線。

圖9為該地區(qū)典型日風(fēng)電出力特性曲線。圖10為該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電合成出力特性曲線。

圖8 典型日光電出力特性

圖9 典型日風(fēng)電出力特性

圖10 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)合成出力

2.2 傳統(tǒng)地源熱泵運(yùn)行特性

目前廣泛使用的傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)不能儲(chǔ)存熱量，圖11為傳統(tǒng)地源熱泵用電負(fù)荷曲線。

由圖11得知，地源熱泵日常消耗有功功率為FD，能量為Q′D，其中Q′D=βF′D。室內(nèi)溫度保持在ts，則全天24 h消耗電量基本保持不變。

在圖7中，該地區(qū)電網(wǎng)主要由新能源供電，功率差額P與含傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷特性曲線如圖12所示。

從圖12可見，僅靠新能源發(fā)電不能完全平衡當(dāng)?shù)刎?fù)荷，大部分時(shí)段功率差額較大，新能源發(fā)電沒有得到最大限度利用。

圖11 傳統(tǒng)地源熱泵日常消耗電量曲線

圖12 節(jié)點(diǎn)P處有功功率與負(fù)荷對(duì)比

2.3 新型地源熱泵運(yùn)行特性

根據(jù)該地區(qū)節(jié)點(diǎn)P處有功功率輸出與負(fù)荷的消耗情況，得到

ΔP為節(jié)點(diǎn)P處剩余有功功率，如圖13所示。

根據(jù)控制策略，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)而言具有以下特點(diǎn)：

（2）ΔP＜0，即PDG＜PGrid，電網(wǎng)給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，地源熱泵負(fù)荷消耗量為

新型地源熱泵負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率與圖13中節(jié)點(diǎn)P處有功功率在ΔP＞0時(shí)趨勢(shì)相同，如圖14所示。

由圖14看出

在新型地源熱泵中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行充放能，圖15為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放能過(guò)程。

圖13 該地區(qū)節(jié)點(diǎn)p處有功率曲線

圖14 新型地源熱泵負(fù)荷曲線

圖15 儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作曲線

通過(guò)圖15中對(duì)新型地源熱泵系統(tǒng)中儲(chǔ)熱系統(tǒng)分析如下：

（1）y＝0上方為儲(chǔ)熱系統(tǒng)充能過(guò)程：充入能量QCa為

（2）y＝0下方為儲(chǔ)熱系統(tǒng)放能過(guò)程：放出能量QCb為

在該區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)P處有功功率輸出與加入儲(chǔ)熱裝置的地源熱泵總負(fù)荷的差值如圖16所示。

圖16 新型地源熱泵加入的電網(wǎng)差額曲線

圖17 削峰填谷前后差額對(duì)比曲線

圖17為傳統(tǒng)地源熱泵與新型地源熱泵工作時(shí)電網(wǎng)有功功率輸出與負(fù)荷差值的對(duì)比曲線，由圖可知，采用新型地源熱泵系統(tǒng)并采用本文提出的運(yùn)行策略后，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電功率與用電負(fù)荷差額明顯減小，新能源發(fā)電得到了充分利用。

3 結(jié)束語(yǔ)

以新能源為主要電源的地區(qū)，采用改進(jìn)型的地源熱泵系統(tǒng)并采用合理的運(yùn)行策略可最大限度地消納新能源發(fā)電，達(dá)到對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用。D

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Improvement of ground source heat pump system and operation control method research

LI Yi?yan1，LI Xiao?jun2

（1.Xinjiang Electric Power Research Institute，Urumchi 830011，China；2.Xinjiang Electric Power Company，Urumchi 830000，China）

The typical structure of traditional ground source heat pump system on the increase of energy storage system,can make the ground source heat pump system schedulable.For in wind power,photo?voltaic power generation as the main power source,the use of ground source heat pump refrigeration,heating the region,based on the purpose of maximizing consumptive new energy generation.This paper proposes a ground source heat pump system operating strategy.Examples of validated,indicate the use of new ground source heat pump system operating strategy has the obvious effect that"cut peak and fill valley"for power grid load,at the same time has the function to make power reached maxi?mumuse of the new energy.

wind power;photovoltaic power generation; ground source heat pump;energy storage system;operation strategy

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.06.009

F407.61；TK018

C

2016-04-19