北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室 王宇波，全貞花，靖赫然，王林成，趙耀華

       【摘   要】研發了一種可再生能源多能互補協同蓄能建筑供能系統，該系統將空氣源熱泵、水源熱泵、太陽能熱電聯組件以及蓄能技術（蓄冷、蓄熱）有效結合，通過夜間蓄能白天供能，實現“移峰填谷”以及可再生能源的高效利用與節能經濟運行。系統測試結果表明，夏季典型日工況時在夜間蓄能模式下機組平均COP為3.2，白天水箱的蓄冷量可以滿足用戶在峰電時段的需求。冬季典型日工況時夜間為空氣源熱泵耦合水源熱泵制熱蓄能模式，系統平均COP為2.3且能將蓄能水箱提升至57.5℃，白天蓄能水箱的蓄熱量可滿足建筑全天的供熱需求。通過對系統性能評價可知，該系統冬夏季運行均能達到設計要求，性能較好，且各評價指標均滿足《蓄能空調工程測試與評價技術規程》推薦限值。系統冬夏季的系統綜合效率分別為2和2.45、單位蓄能消耗費用分別為0.16和0.14元/kWh，表明該系統設計合理且運行高效，是值得推廣應用的可再生能源高效利用技術。

       【關鍵詞】可再生能源多能互補  蓄能  系統評價  熱泵  太陽能熱電聯產

       【基金項目】國家自然科學基金項目（NO.51778010）

0 引言

       隨著建筑技術的迅速發展，我國建筑能耗已經攀升到社會總能耗的1/3^[1]，隨著人民生活水平的提高，預計將在2030年上升到40%^[2]，其中作為“能耗大戶”的暖通空調設備能耗約占建筑能耗的50%^[3]，因此探究節能環保的供能技術具有重要的意義。在21世紀，中國經濟發展的步伐逐漸加快，經濟發展導致社會能源消費持續增加、城市化的持續進步、住宅建筑的持續增長，清潔能源的使用已成為冬季供暖和環境保護的主要手段^[4]。近年來，北方清潔取暖各項工作在國家政策引導下有序推進，但隨著“煤改電”工程的逐步深入，相關的技術問題也顯現出來^[5]。例如傳統單一技術產品的局限性極大：太陽能無法連續；空氣源熱泵不適合低溫或者多濕地區^[6]；地源熱泵在寒冷地區的地下熱不平衡問題嚴重^[7]；采暖末端溫度要求與熱源溫度不匹配（如熱泵與散熱器的匹配問題）等等。為了提升可再生能源消納能力，提高能源利用效率，多種能源綜合互補利用的概念被廣泛應用^[8~12]。然而，傳統的多能互補系統基本都是簡單拼合，設備重復建設卻又無法有機結合起來，既造成初期成本高昂，又造成運行成本高居不下，既不節能也不節錢^[13]。并且“煤改電”推廣面臨的主要問題是能源供應存在短板，部分地區的配電電網薄弱，改造成本極高，無法承擔高峰用電的負荷沖擊^[14]。隨著電網壓力越來越大，政府出臺了分時電價政策，以鼓勵用電用戶減少高峰用電負荷。因此蓄能空調憑借削峰填谷、運行費用低等優勢得到廣泛的應用^[15]。

       本研究開發了一種可再生能源多能互補協同蓄能的建筑供能系統，可以實現可再生能源高效利用，通過夜間蓄能，實現“移峰填谷”。本文對其原理及主要功能進行介紹，并對系統實際運行數據進行分析研究和系統評價，為系統優化管理提供基礎。

1  多能互補協同儲能建筑供能系統

       多能互補協同蓄能供能系統主要由空氣源熱泵、水源熱泵、蓄能水箱、緩沖水箱、用戶末端和太陽能光伏光熱組件組成，如圖1所示。夏季夜間利用空氣源熱泵同時為蓄能水箱和緩沖水箱蓄冷水，白天水箱供冷，不足部分由空氣源熱泵直供補充；冬季夜間若環境溫度較高則單獨運行空氣源熱泵為蓄能水箱蓄熱；若環境溫度較低則水源熱泵耦合空氣源熱泵聯合運行為蓄能水箱蓄熱，空氣源熱泵加熱緩沖水箱，水源熱泵將緩沖水箱中的熱量提升到蓄能水箱中。白天利用蓄能水箱的熱量供暖。光伏光熱組件全年發電，冬季可將熱量收集到緩沖水箱中，作為水源熱泵的低溫熱源，實現太陽能光伏廢熱的充分利用。

圖1  多能互補協同蓄能供能系統示意圖
表1 系統工作原理與運行模式

       備注：1）高溫水箱溫度Tt；室外環境溫度To；太陽輻照強度E；太陽能背板溫度Tpv。

       2）夏季11:30-16:00時段若水箱溫度高于12℃優先空氣源熱泵供冷。

       3）不滿足運行條件之一則關閉循環。

       將多能互補協同蓄能供能系統應用于山東某研究院，為辦公樓、地下室和實驗室等4500m2的建筑面積供能，如圖2所示。該系統主要設備如下所述：兩臺空氣源熱泵機組，每臺額定制熱量135kW；一臺水源熱泵機組，額定制熱量300kW；一個蓄能水箱，容量120t，采用完全溫度分層的一體式梯級蓄能方式滿足冬夏季蓄能需求；一個緩沖水箱，容量36t，主要功能是作為冬季空氣源熱泵與水源熱泵串聯運行的緩沖容納作用，在水箱的不同高度設置高、中、低3個溫度傳感器，溫度探點分別位于水箱的1/4、1/2和3/4處；太陽能光伏光熱組件采用單晶硅光伏電池板，共280塊，每塊尺寸1650×992mm，峰值發電功率285W。系統設置16個電動調節閥，通過控制閥門啟閉，實現冬夏季不同蓄能供能的運行模式，如表1所示。

       為了更好地對本系統進行優化控制與管理，建立了智慧能源監控平臺。該平臺可進行數據采集、系統控制，并通過互聯網實現用戶全方位運行管理。本系統主要測量參數包括溫度、流量、電功率和用電量，具體測量參數如下：水源熱泵機組測量參數包括蒸發、冷凝側進出水溫度和流量，機組電功率等；空氣源熱泵機組測量參數包括進出水溫度和流量，環境溫度和機組電功率等；蓄能水箱測量參數有水箱內部不同高度的溫度和進出水溫度；太陽能光伏光熱組件測量內容包括太陽能背板溫度，進出口水溫溫度與流量，太陽能電池發電量；用戶側測量參數主要有風盤供回水溫度和流量。

(a）系統設備機房                           (b）屋頂太陽能光伏光熱組件
圖2  多能互補協同儲能建筑供能系統照片

2  評價方法

       隨著蓄能空調在我國全面發展，蓄能空調工程項目的應用范圍和規模也有較大的增長，構建合理的評價指標體系、研究有效的評價方法成為促進蓄能空調進一步發展的前提。許多研究^[16]也提出了較為規范、統一的測試與評價方法，隨著《蓄能空調工程測試與評價技術規程》的發布與實施，蓄能空調系統的評價體系也逐漸完善了起來。

       蓄能空調系統的評價主要包括蓄能裝置性能測試、冷熱源設備性能測試和蓄能-釋能周期的聯合運行測試，主要評價指標和計算公式如下：

       蓄能裝置的蓄能效率ηs：

       η_s=Q_ed/Q_es                (1)

       式中，Q_ed為蓄能裝置的釋能量，kWh；Q_es為蓄能裝置的蓄能量，kWh。

       蓄能裝置的利用效率ηsl：

       η_sl=Q_es/Q_es,0              (2)

       式中，Q_es,0為蓄能裝置名義蓄能量，kWh。

       蓄能空調的系統效率ηsys：

       η_sys=Q_ses/Q_l            (3)

       式中，Q_sec為空調系統的累計供能量，kWh；Q_l為冷熱源的累計產熱量，kWh。

       蓄能空調系統的綜合效率SCOPes：

           (4)

           (5)

       式中，Nz為冷熱源設備在測試期的輸入功率，kW；Nl為負荷側循環泵在測試期的輸入功率，kW；Nes為機組蓄能泵在測試期的輸入功率，kW；不等號右側為標準限值要求，其中SR為測試蓄能率，%；COPes,0為設計蓄能工況下的機組性能系數；COPac,0為設計空調工況下的機組性能系數；β1為調整系數，采用風冷機組時取0.78。

       一次能源綜合性能系數SCOP-Ies：

           (6)

       式中，τ1為低谷電結束時間；τ2為低谷電開始時間；αd為白天的一次能耗折算系數，取2.651；αn為夜間的一次能耗折算系數，取2.386。

       移峰電量Npes：

           (7)

       式中，Npes為移峰電量，kWh；Nz,es為用于蓄能的冷熱源設備在測試期的輸入功率，kW。

       單位供能消耗費用Cec,u：

       Cec,u=Cec/Qsec   (8)

       式中，Cec,u為單位供能消耗費用，元/kWh；Ces為測試蓄能-釋能周期內的能耗費用，元。

       單位蓄能消耗費用Cec,ued：

           (9)

       式中，Cec,ued為單位蓄能消耗費用，元/kWh；Cec,es為測試蓄能-釋能周期內的蓄能所產生的能耗費用，元；Pv為當地谷段電價，元/kWh；不等式右側為標準限值要求，其中Pav為當地平均電價，元/kWh；SCOP0為常規空調系統的冷熱源性能系統基準值。

       典型日工況是指在接近當地設計室外氣象條件下, 蓄能空調系統正常蓄放能時,可通過實地測試對蓄能空調系統進行績效評價、反映系統典型運行狀態的工況。故本文選取與設計室外參數相近的一天作為典型日工況。

3  系統運行分析與評價

       3.1  夏季系統分析

       通過智慧能源在線監測平臺對本系統運行數據進行監控記錄，2019年7月24日夜間氣溫25~27℃，白天氣溫35~42℃，與設計室外氣象條件相近，故選取這天為夏季典型日進行分析。從圖3可以看這天出蓄能水箱經歷了一個完整的蓄能-釋能過程。夜間23:00-07:00谷電時段蓄冷工況正常運行，共蓄能8h，水箱最低蓄冷溫度達到5.2℃。機組總制冷量1503 kWh，蓄能水箱實際蓄冷量1433 kWh。第二天07:00-11:30峰電時段蓄能水箱向用戶供冷，系統在平電時段13:00時檢測到水箱溫度達到12℃，切換到空氣源熱泵直供末端的工況。16:00時平電時段結束，第二個峰電時段開始，系統使用蓄能水箱中剩余的冷量向用戶供冷，最終水箱溫度為14℃。白天空氣源熱泵累計供冷量660 kWh，水箱釋冷量1370 kWh。

圖3  機組制冷量與蓄能水箱溫度                   圖4  機組COP與系統耗電量

       圖4展示了機組COP與系統耗電量的變化?？梢钥闯隹諝庠礋岜眯钅軙r段受機組蒸發器側進水溫度的減小，機組制冷量明顯下降，但COP較為穩定，平均COP為3.2。白天由于建筑負荷較大，蓄冷量不足以滿足全天的需求，所以在平電時段13:00-15:00這三個小時使用空氣源熱泵直供末端。受室外溫度變高的影響，空氣源熱泵的COP較夜間有所降低，保持在2.4左右。系統夜間總耗電量619 kWh；白天總耗電量375 kWh。

       由上述分析可知，在夜間氣溫26℃左右時空氣源熱泵可將蓄能水箱由14℃降至5.2℃，同時維持COP在3.2左右。白天在室外溫度達到35~42℃時空氣源熱泵COP仍可維持在2.4左右。經計算，夏季蓄能裝置蓄能效率為0.942、蓄能裝置利用效率為0.967、蓄能空調系統效率為0.917、蓄能空調系統綜合效率為2.45、單位蓄能消耗費用為0.14 元/kWh，均滿足《蓄能空調工程測試與評價技術規程》推薦限值要求，數據見表2。

       3.2  冬季系統分析

       2019年12月31日夜間氣溫-11~-7℃，白天氣溫-7~0℃，與設計室外氣象條件相近，故選取這天為冬季典型日進行分析。根據天氣條件，系統自動選擇空氣源熱泵耦合水源熱泵梯級制熱工況運行，空氣源熱泵為低溫過渡水箱制備20℃左右的低溫熱水，保證低溫環境下空氣源熱泵機組較高的COP能效比；同時水源熱泵利用過渡水箱低溫熱水作為蒸發器側低溫熱源，為高溫蓄熱水箱制熱。從圖5可以看出，空氣源熱泵環路23:00開始啟動，10 min后耦合水源熱泵環路串聯運行達到完全穩定的工作狀態。蓄熱工況持續8h，谷電結束時蓄能水箱達到最高儲熱溫度達到57.5℃，機組總制熱量2700 kWh，蓄能水箱實際蓄熱量2622 kWh。第二天全天蓄能水箱供熱，最終蓄能溫度為36℃。

       圖6展示了耦合運行系統COP與系統耗電量的變化?？梢钥闯鲭S著蓄能水箱溫度的增加，耦合運行系統COP和制熱量都呈下降的趨勢，平均COP為2.3。受機組功耗的增加，夜間系統耗電量呈上升的趨勢。系統夜間總耗電量1360 kWh；白天總耗電量120 kWh。

圖5  機組制熱量與蓄能水箱溫度                圖6  耦合系統COP與系統耗電量

       由上述分析可知，在夜間氣溫-9℃左右時空氣源熱泵耦合水源熱泵運行可將蓄能水箱由37℃提升至57.5℃，同時系統COP維持在2.3左右。經計算，夏季蓄能裝置蓄能效率為0.954、蓄能裝置利用效率為0.936、蓄能空調系統效率為0.926、蓄能空調系統綜合效率為2、單位蓄能消耗費用為0.16 元/kWh，均滿足《蓄能空調工程測試與評價技術規程》推薦限值要求，數據見表2。

表2  多能互補協同蓄能供能系統評價指標

4  結論

       可再生能源多能互補協同蓄能的建筑供能系統在滿足用戶需求的同時，充分利用可再生能源，協同蓄能技術“移峰填谷”，實現系統的高效經濟運行。本文分別對冬夏季典型日工況進行了運行數據分析并進行了系統評價，主要結論如下：

       （1）系統在夏季夜間環境溫度25~27℃時，熱泵機組蓄能平均COP為3.2。白天水箱蓄的冷量可以滿足用戶在峰電時段的需求，平電時段需用空氣源熱泵直供末端，環境溫度35~42℃時熱泵機組平均COP為2.4。

       （2）系統在冬季夜間環境溫度-11~-7℃時，以空氣源熱泵耦合水源熱泵梯級制熱工況運行，系統平均COP為2.3且可將蓄能水箱提甚至57.5℃。白天水箱可滿足建筑全天的供熱需求。

       （3）通過對系統性能評價可知，冬、夏季系統運行均能達到設計要求，性能較好，且各評價指標均滿足《蓄能空調工程測試與評價技術規程》推薦限值。系統冬夏季的系統綜合效率分別為2和2.45、單位蓄能消耗費用分別為0.16和0.14元/kWh，表明該系統設計合理且運行高效，是值得推廣應用的可再生能源高效利用技術。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。