平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)優(yōu)化

劉雪玲，付偉娟，牛錦濤，王源銘

（1 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室(天津大學(xué))，天津 300350；2 天津大學(xué)地?zé)嵫芯颗嘤?xùn)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(nèi)環(huán)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(yù)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(dǎo)致熱泵供熱和空調(diào)系統(tǒng)的電耗晝夜差異較大，這種差異增加了電網(wǎng)峰谷電量的差值，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。

針對峰谷電量晝夜差距大的問題，一些學(xué)者選用需求響應(yīng)（demand response，DR）模型對電力負荷進行時段調(diào)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(cè)需求響應(yīng)的精細化建模，提出了一種計及需求響應(yīng)的熱電耦合系統(tǒng)用能優(yōu)化方法，結(jié)果表明該方法可降低供給側(cè)峰值段負荷，同時降低系統(tǒng)總成本。此外，還開展了基于負荷側(cè)儲能的研究，郭曉雨等[7]基于分時電價、管網(wǎng)的儲熱與延遲特性，提出電價高峰時段關(guān)閉冷機，利用管網(wǎng)的虛擬儲能效應(yīng)實現(xiàn)區(qū)域供冷系統(tǒng)的電網(wǎng)需求響應(yīng)。羅慶等[8]提出利用儲能（冷/熱）式負荷調(diào)控吸納電能的方法，構(gòu)建了基于儲能式負荷的調(diào)度模型，結(jié)果表明采用該調(diào)度模型后，風(fēng)力發(fā)電場的棄風(fēng)率低于10%。Parwal 等[9]提出了一種電池和超級電容器相結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)，以控制充/放電狀態(tài)，減輕電力波動并向電網(wǎng)提供平滑電力。Xu 等[10]基于年利潤最大化和風(fēng)電削減率最小化的目標(biāo)，提出電池和超級電容器相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化模型。Gayathri 等[11]使用飛輪儲能系統(tǒng)抑制風(fēng)力波動，以確保電力分配的靈活性。上述儲能系統(tǒng)研究了采用電池、飛輪等儲能方式以及從負荷側(cè)需求響應(yīng)研究如何減少電網(wǎng)電力波動，但對于熱泵用于需求響應(yīng)系統(tǒng)的研究相對較少。

當(dāng)熱泵用于大規(guī)模建筑物供熱時，在冬季會出現(xiàn)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(jié)果表明DR 可避免新的耗電峰值出現(xiàn)，但原有峰值負荷仍存在。一些學(xué)者提出將熱泵與蓄熱相結(jié)合，使熱量需求轉(zhuǎn)移到非高峰時段或具有多余可再生電力的時段，實現(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰”[14]。Hong 等[15]將自然通風(fēng)與HVAC（heating, ventilation and air conditioning）系統(tǒng)結(jié)合，使辦公樓在混合模式而非全空調(diào)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)進行了實驗研究，結(jié)果表明可以大幅提高系統(tǒng)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(tǒng)，通過對某學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能實驗，結(jié)果表明：與單水箱熱泵熱水系統(tǒng)相比，在低補水水溫、高加熱熱水溫度下，系統(tǒng)節(jié)能效果較顯著。Wu 等[20]構(gòu)建了一種空氣源熱泵和蓄水箱組合的加熱系統(tǒng)，用于提高空氣源熱泵（air source heat pump，ASHP）在低溫環(huán)境下的運行效率，對北京某建筑的實際應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果表明：在溫度最低的一天，ASHP 系統(tǒng)的日平均性能系數(shù)（COP）提高了14.0%，季節(jié)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(tǒng)，通過太陽能儲熱和太陽能直接供熱，降低熱泵供熱系統(tǒng)的負荷，結(jié)果表明：熱泵、儲熱系統(tǒng)和太陽能直接供熱系統(tǒng)分別占總供熱負荷的66.5%、23.1%和10.4%，與傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)（即單熱泵）相比，整個系統(tǒng)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(tǒng)全天時段內(nèi)耗電功率的波動，實現(xiàn)系統(tǒng)在全天時段的耗電量穩(wěn)定，本文針對辦公類建筑的熱泵供熱系統(tǒng)需求響應(yīng)，構(gòu)建了平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)。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(tǒng)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(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)在滿足建筑熱負荷需求的前提下，保持系統(tǒng)耗電功率全天時段內(nèi)恒定，并實現(xiàn)耗電成本最低的目標(biāo)。

1 工作原理

為解決辦公建筑晝夜熱負荷需求差異大導(dǎo)致的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的運行效率，降低日間的供熱電耗；從而實現(xiàn)平抑系統(tǒng)的耗電波動、削峰填谷、穩(wěn)定電網(wǎng)負荷的目的。

平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)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(guān)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(fā)器內(nèi)將熱量傳遞給工質(zhì)；冷水箱中的水及供熱循環(huán)回水進入熱泵2的冷凝器，吸收工質(zhì)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(diào)節(jié)。

圖1 平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)

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(guān)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(shù)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(tǒng)可以有效降低日間系統(tǒng)的電耗。通過對熱泵1和熱泵2的供熱、蓄熱運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)的熱水，并用作其在日間供暖模式的熱源；日間，通過蒸發(fā)器與工質(zhì)換熱后的冷水儲存在冷水箱，并用于夜間蓄熱的介質(zhì)。

2 系統(tǒng)運行及優(yōu)化計算模型

2.1 熱力計算模型

蒸發(fā)器、冷凝器的傳熱計算采用效能-傳熱單元數(shù)法進行計算，由于工質(zhì)側(cè)具有相變，所以蒸發(fā)器和冷凝器的效能ε及傳熱單元數(shù)NTU 如式(1)、式(2)所示[22]，蒸發(fā)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(fā)器傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積，W/K；(qmc)e、(qmc)c分別為蒸發(fā)器熱源水的水當(dāng)量（質(zhì)量流量與比熱容的乘積）、冷凝器供水的水當(dāng)量，W/K。

蒸發(fā)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(fā)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(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度根據(jù)熱源水和冷卻水的溫度確定，如式(7)、式(8)。

本文假設(shè)蒸發(fā)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(shù)；η為壓縮機效率；mr為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Psuc為吸氣壓力，Pa；Pdis為排氣壓力，Pa；Pe為蒸發(fā)壓力，Pa；Pc為冷凝壓力，Pa；ΔP為吸氣閥、排氣閥壓降，Pa。

假設(shè)為絕熱節(jié)流，則熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP為式(12)。

在部分負荷工況下，假設(shè)熱泵系統(tǒng)通過改變工質(zhì)的流量進行工況調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度并未發(fā)生變化。熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP 主要取決于蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，所以在部分負荷工作的熱泵COP 不發(fā)生變化；但在負荷變化時，系統(tǒng)的耗電量隨之發(fā)生變化。

2.2 系統(tǒng)運行優(yōu)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(yīng)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(shè)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(fā)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(diào)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(shù)，COP2,n為熱泵2 夜間性能系數(shù)，COP2,d為熱泵2 白天性能系數(shù)；τa、τb分別為熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)夜間運行起止時間，h；τc、τd分別為熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)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(xiàn)建筑供熱系統(tǒng)的耗電平穩(wěn)，以蓄熱-供熱系統(tǒng)逐時總耗電功率Pstand(τ)穩(wěn)定為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即式(20)。

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

式中，τ1為熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)運行時間。系統(tǒng)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(tǒng)運行參數(shù)

熱泵系統(tǒng)的主要運行參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)運行參數(shù)

3 蓄熱-供熱系統(tǒng)用電分析

3.1 典型日熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)用電分析

3.1.1 建筑熱負荷

本文選取天津地區(qū)某辦公樓，該辦公樓高5層，建筑面積約9000m2，根據(jù)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(xiàn)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(tǒng)電耗分析

在供熱期典型日，平抑電耗波動的蓄熱-供熱系統(tǒng)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(yōu)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(nèi)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(wěn)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(tǒng)總耗電功率如圖4所示，可看出采用蓄熱優(yōu)化控制策略的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)全天時段的總耗電功率穩(wěn)定在53.54kW。與常規(guī)供熱系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(xiàn)全天時段電耗功率恒定，穩(wěn)定了電網(wǎng)。

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(yōu)化系統(tǒng)的逐時電耗與常規(guī)供熱系統(tǒng)的對比。由圖中可看出無蓄熱的常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)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(tǒng)保持值班狀態(tài)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(tǒng)運行優(yōu)化后，系統(tǒng)耗電功率全天穩(wěn)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(yōu)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(nèi)系統(tǒng)的電耗穩(wěn)定。

圖5 供熱期典型日蓄熱-供熱系統(tǒng)與常規(guī)供熱系統(tǒng)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(yōu)化系統(tǒng)與常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)全天各時段的耗電量及運行電費對比如圖6 所示?？砂l(fā)現(xiàn)蓄熱-供熱系統(tǒng)的高峰時段耗電量較原供熱系統(tǒng)降低了110.63kW·h，降低率為20.53%；平段耗電量較原供熱系統(tǒng)降低了102.84kW·h，降低率為19.35%；原常規(guī)供熱系統(tǒng)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(tǒng)增加了402.30kW·h。盡管蓄熱-供熱系統(tǒng)的日耗電總量較原供熱系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)電耗的穩(wěn)定性，減少了熱負荷波動對電網(wǎng)的沖擊；并且系統(tǒng)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(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)典型日各時段的運行情況

3.2 供熱期熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)用電分析

根據(jù)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(tǒng)及常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)的逐日耗電功率如圖7 所示?？梢钥闯?，采用蓄熱-供熱優(yōu)化的系統(tǒng)大幅削減了供熱系統(tǒng)的耗電波動，雖然系統(tǒng)的逐日耗電功率有小幅波動，但保證了系統(tǒng)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(tǒng)與常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)的逐日耗電功率

4 蓄熱-供熱系統(tǒng)運行費用分析

基于平抑電耗波動的蓄熱-供熱優(yōu)化控制系統(tǒng)、無蓄熱的常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)在一個供暖季的系統(tǒng)耗電費用見表3。對比兩系統(tǒng)的運行費用發(fā)現(xiàn)：采用蓄熱-供熱優(yōu)化控制策略后，一個采暖季蓄熱-供熱系統(tǒng)總耗電量較常規(guī)供熱系統(tǒng)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(tǒng)運行費用對比

常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)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(tǒng)將備用熱泵機組啟用，機組費用并未增加。相較于常規(guī)熱泵供熱系統(tǒng)，熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)僅增加一熱水箱和一冷水箱，初投資成本僅增加約50000CNY。

5 結(jié)論

采用谷電蓄熱調(diào)峰后，在滿足實際熱負荷需求的前提下，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)電耗的穩(wěn)定，減少了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，并且降低了供熱運行電費，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。主要結(jié)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(tǒng)的運行參數(shù)優(yōu)化和控制，單日供熱系統(tǒng)耗電實現(xiàn)了完全的削峰填谷，保證了全天時段內(nèi)系統(tǒng)的電耗穩(wěn)定。

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

（3）平抑電耗波動的熱泵蓄熱-供熱系統(tǒng)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(tǒng)總的運行電費略有下降。