電驅動熱泵技術在為建筑提供清潔冷熱的同時，也成為了與電網協同、消納清潔電力的關鍵環節。本文以電驅動熱泵技術為核心，冬季供熱采用中深層地埋管提供高品位低溫熱源，夏季供冷結合冷卻塔技術構建高效冷熱供應系統。在此基礎上結合用戶側蓄能技術，實現日間冷熱蓄存，同時以充分消納本場光伏發電及市政清潔電力為目標提出了系統的設計方法與運行控制策略。隨后以我國某大型公共建筑為例開展了定量分析，以明確其實際節能減排效果。

　　關鍵詞

　　中深層地埋管熱泵系統；蓄能系統；清潔電力；設計方法；控制策略

　　作者：

　　彭晨瑋¹  鄧杰文¹  朱超²  李驥³  孔維政⁴  李建峰⁵ 強文博¹  魏慶芃¹

　　1.清華大學；

　　2.國網陜西省電力公司電力科學研究院；

　　3.中國建筑科學研究院有限公司；

　　4.國網能源研究院有限公司；

　　5.陜西四季春清潔熱源股份有限公司

　　引言

　　電驅動熱泵技術以其分布靈活、清潔高效的特點，成為了城鄉建設領域節能低碳轉型的關鍵助力。與此同時，電驅動熱泵技術的應用，推動了建筑領域終端用能電氣化的進程，使得建筑能夠與電網更加充分協同，起到充分消納清潔電力的作用。但在應用過程中，仍然存在著諸多實際問題。運行性能方面，相關研究表明，電驅動熱泵技術仍然存在著管網漏熱損失大、供熱能耗偏高、系統運行性能不佳等共性問題，以及空氣源、淺層地源等低溫熱源品位較低、運行不穩定等特性問題，影響了其長期運行效果并限制了其推廣應用。與電網協同方面，由于建筑冷熱供應需求與清潔電力生產規律的不匹配，增加了電網供應負擔，并加劇了能源生產和能源需求不平衡的現象，棄風、棄光等成為我國可再生能源發展的頑疾。因而提升電驅動熱泵技術的運行性能，并實現其與電網的協同匹配成為了建筑領域及電力生產領域亟待解決的關鍵問題。

　　近年來，隨著勘探技術的提升，中深層地埋管熱泵供熱技術在我國北方地區得到了一定的推廣應用。該技術通過中深層地埋管間壁式換熱的方式提取中深層地熱能，為電驅動熱泵技術提供穩定、高品位的低溫熱源，實現為建筑物持續高效供熱。同時結合成熟穩定的冷卻塔技術，即可構建高效冷熱供應系統。在此基礎上，針對建筑冷熱供應需求與清潔電力生產規律不匹配的問題，采用蓄能技術將建筑供熱需求與熱源供給能力解耦，即可根據電網清潔電力生產規律靈活調控熱泵系統，實現提升熱泵系統運行性能、平衡電網負荷、消納清潔電力的多重作用。此外，隨著電網清潔電力比例的不斷提升，充分發揮蓄能系統的優勢成為了清潔電力消納的核心所在，近年來電驅動熱泵蓄熱供熱技術在全球范圍內得到了深入研究與廣泛應用。因此，本文提出了面向清潔電力消納的電驅動熱泵蓄能系統，并以充分消納本場光伏發電及市政清潔電力為目標提出了系統的設計方法與運行控制策略，隨后以我國某大型公共建筑為例開展了定量分析，以明確其實際節能減排效果。

　　研究案例基本情況分析

　　1.1 項目概況及負荷特征分析

　　以我國北方寒冷地區某大型公共建筑為例開展研究，總建筑面積約48.9萬m2。該建筑所在地以冬季干冷漫長、夏季濕熱多雨、春秋兩季短、干濕季節分明為特征。供暖季為11月1日至次年3月31日，供冷季為5月1日至9月30日。夏季空調室外計算溫度為31.5 ℃，冬季空調室外計算溫度為-12.8 ℃。基于設計單位提供的負荷計算結果，對該建筑全年冷熱供應需求開展分析，結果如圖1所示。該建筑尖峰熱負荷為28258kW，折合單位面積熱指標為57.8W/m²。尖峰冷負荷為47993kW，折合單位面積冷指標為98.2 W/m²。供暖季累計供熱量為3785.7萬kW·h，折合單位面積年累計供熱量為77.4 kW·h/m²（0.28 GJ/m²）。供冷季累計供冷量為4309.5萬kW·h，折合單位面積年累計供冷量為88.1 kW·h/m²。

　　對全年逐時冷熱負荷進行統計分析，結果如圖2、3所示。該建筑全年熱負荷大部分都集中在小于2萬kW的區間，僅293h熱負荷大于2萬kW，占比8.37%。全年冷負荷大于4萬kW的時間僅有73h，占比2.81%，而全年冷負荷率預計有33.7%的時間低于25%。因此對于冷熱源系統的設計選型，需要從容量搭配、系統高效運行調控等方面考慮提升全年平均負荷率，避免出現機組過低負荷率運行導致效率偏低的問題。

　　1.2 低碳冷熱供應需求分析

　　在明確建筑全年逐時冷熱供應需求后，擬采用中深層地埋管熱泵供熱技術實現清潔高效供熱，同時利用熱泵機組結合冷卻塔，實現夏季高效供冷，從系統配置和高效運行的角度進行精細化設計，以期實現冬季供熱、夏季供冷系統能效均達到5.0以上的運行目標。在此基礎上，結合蓄冷/蓄熱技術，實現本場光伏發電與市政清潔電力的充分消納，進一步打造近零碳運行冷熱源系統。

　　該建筑處于北半球中緯度地理位置和高原性的地理環境，全年水平面太陽總輻照量超過1400kW·h/m²，屬于我國太陽能資源二類區域。為了進一步構建面向清潔電力的中深層地埋管熱泵供能系統，基于PVsyst軟件，采用以結果為導向的設計方法，對空調冷熱源系統所需清潔電力總量進行測算分析。如圖4所示，根據該建筑全年冷熱消耗、系統運行能效計算得到該建筑冷熱源全年耗電量約為1702萬kW·h。

　　基于PVsyst軟件對光伏并網系統進行設計與模擬，采用固定朝向采光面的安裝方式，根據年輻照總量對系統進行優化。經計算，滿足該建筑能源站全年用電需求的光伏裝機總容量達到12.13MW，對應的光伏鋪設面積為67000m²。經測算，該光伏鋪設面積占全場光伏可鋪設面積的9.0%，具有可實施性。圖5給出了滿足全場用電需求下鋪設光伏的全年逐時發電量。

　　光伏發電雖然從全年總量上可以滿足冷熱源用電需求，但如圖6所示，從實時用電的角度看，光伏發電量與冷熱源用電需求存在較大的時間不匹配問題。特別是在供熱季，建筑供熱需求較大的陰雨天，往往光伏發電量不足。因此，如何協調光伏發電與市政電力的使用，實現本場光伏發電為主、市政清潔電力為輔，進而實現冷熱源系統凈零排放用能，成為該項目需要解決的關鍵問題。為此，結合用戶側蓄能技術，通過蓄熱與蓄冷的方式將建筑冷熱需求與冷熱源制備能力解耦，從而在滿足建筑連續的冷熱供應需求的基礎上，根據光伏發電、市政清潔電力生產規律，有序調節冷熱源用電需求，降低系統碳排放與運行成本。而未消納的光伏發電，則由其他機電系統消納使用，實現光伏發電全部本場消納的目標。

　　面向清潔電力消納的熱泵蓄能系統設計

　　如前所述，筆者充分利用中深層地埋管熱泵供熱技術的高效供熱特征，結合冷卻塔技術與用戶側蓄能技術，以充分消納本場光伏發電及市政清潔電力為目標構建熱泵清潔供能系統。圖7為該系統示意圖，該系統主要包括中深層地埋管、冷卻塔、冬夏兩用熱泵機組、用戶側蓄能水箱及相應水系統。系統利用用戶側蓄能水箱將建筑冷熱供應需求與制備端解耦，通過系統的間歇蓄冷/蓄熱、放冷/放熱運行來滿足項目建筑末端連續供冷/供熱的需求。

　　2.1 系統設計方法

　　在中深層地埋管熱泵供熱技術的基礎上，搭配光伏發電技術將太陽能轉化為零碳電力，驅動中深層地埋管熱泵系統結合冷卻塔實現為建筑零碳供冷供熱，同時利用蓄能水箱將末端連續的用冷用熱需求與冷熱源側解耦，根據太陽能光伏的發電情況及市政電網清潔電力的生產輸送情況，靈活選擇開機運行時間，充分制取冷熱量并儲存于蓄能水箱中，即可通過間歇運行滿足建筑用戶連續的供冷供熱需求，從而實現對零碳清潔電力的充分消納，進一步實現零碳供冷供熱。

　　圖8為該建筑中深層地埋管熱泵蓄能系統的設計和運行控制策略流程圖，具體設計步驟包括：

　　1） 根據建筑所在地氣象條件及建筑功能，結合全年太陽輻照度、項目峰谷平電價時段及光伏可發電時段，得到日累計供冷供熱需求及日累計光伏發電量作為輸入條件，開展逐日蓄冷蓄熱量、供冷供熱系統耗電量、光伏發電余量及需要從市政電力補充的清潔電力量的計算。

　　2） 在日累計光伏發電量全部驅動中深層地埋管熱泵清潔供能系統的情況下，進一步得到日累計制冷/制熱能力，如式（1）所示，結合鋪設的光伏年發電量，以及選取的冷熱源系統的COP，開展逐日制冷/制熱量的計算。

　　式中 Ws,d為日累計光伏發電量，kW·h。

　　3） 根據建筑的日累計光伏發電量、日累計制冷/制熱能力、建筑當日累計供冷/供熱需求、有太陽時段建筑累計供冷/供熱需求等參數，按照不同邏輯運行系統。具體運行控制策略將在2.2節中進一步介紹。

　　4） 通過上述步驟1）~3）可確定逐日蓄冷/蓄熱量，統計得到日累計最大蓄冷/蓄熱量。選取一定設計蓄水溫差（該建筑中蓄冷溫差取7 ℃，蓄熱溫差取25 ℃），即可計算得到蓄能水箱體積。

　　5） 以最大蓄冷/蓄熱需求確定熱泵供能系統的裝機容量。

　　6） 明確建筑所在地地熱地質條件，包括土壤導熱系數、溫升梯度，計算單根中深層地埋管累計取熱量的推薦值，進而根據需求的累計取熱量確定中深層地埋管數量及一個模塊化系統能承擔的供能面積。

　　7） 結合供冷/供熱尖峰負荷，以用戶側供回水溫差確定用戶側水泵裝機容量，以蓄能供回水溫差確定蓄能水泵裝機容量，以中深層地埋管供回水溫差確定冷熱源側水泵裝機容量。

　　2.2 運行控制策略分析

　　在日間充分利用太陽能光伏發電，驅動系統向蓄能水箱中蓄能，并用剩余電力滿足項目內其余功能的要求。而針對夜間或者陰天情況，提前預測并利用多余的光伏電力或結合電網谷電進行蓄能。在需要時由水箱放冷放熱以滿足建筑的需求。下面針對系統具體的運行控制策略進行分析。

　　1） 若日累計制冷/制熱能力Qs大于建筑當日累計供冷/供熱需求Qd，則在日尺度上存在光伏發電量的結余，建筑有太陽時段累計供冷/供熱需求Q1由光伏發電直接驅動系統來滿足，而建筑在無太陽時段的累計供冷/供熱需求Q2由光伏發電階段利用水箱蓄存的冷熱量來滿足。此時水箱累計蓄冷/蓄熱量Qh,s用式（2）計算，光伏剩余發電量Ws,e用式（3）計算。

　　2） 若日累計制冷/制熱能力Qs小于光伏系統有太陽時段累計供冷/供熱需求Q1，則需要在電網電力谷價階段進行蓄冷/蓄熱，以滿足該日剩余的累計供冷/供熱需求，而電網電力谷價階段累計供冷/供熱需求Q3則由市政電力驅動冷熱源系統直接供應。此時水箱累計蓄冷/蓄熱量用式（4）計算，電網電力谷價階段使用量Wo用式（5）計算。

　　3） 若日累計制冷/制熱能力Qs大于光伏系統有太陽時段累計供冷/供熱需求Q1，但小于電網非電力谷價階段累計供冷/供熱需求Q4，則光伏發電時段剩余的電量應該以冷量/熱量的形式蓄存，同時在電力谷價階段同步進行蓄冷/蓄熱，以滿足非電力谷價階段不足的供冷/供熱需求，而電網電力谷價階段累計供冷/供熱需求Q3則由市政電力驅動冷熱源系統直接供應。此時水箱累計蓄冷/蓄熱量用式（6）計算，電網電力谷價階段使用量用式（5）計算。

　　4） 若日累計制冷/制熱能力Qs小于建筑當日累計供冷/供熱需求Qd，但大于電網非電力谷價階段累計供冷/供熱需求Q4，則系統剩余的光伏發電量驅動冷熱源系統進行蓄冷/蓄熱，電力谷價階段累計供冷/供熱需求Q3則由市政電力驅動冷熱源系統直接供應，電力谷價階段無需進行蓄冷/蓄熱。此時水箱累計蓄冷/蓄熱量用式（7）計算，電網電力谷價階段使用量用式（5）計算。

　　中深層地埋管熱泵蓄能系統應用效果分析

　　3.1 項目實際應用效果分析

　　根據負荷模擬結果進一步對中深層地埋管熱泵蓄能系統進行設計。對熱源系統，該項目供熱季累計供熱量為3785萬kW·h，折合13.6萬GJ。考慮到熱泵供熱系統平均能效達到5.0，則全年供熱量中有10.9萬GJ來自于中深層地熱能。結合項目所在地地熱地質條件，按每年土壤平均溫降不大于0.2 ℃計算得到每根中深層地埋管供暖季累計取熱量為3000GJ，該項目共需建設37根2500m的中深層地埋管。由于該項目采用蓄能運行，熱泵系統供冷、供熱裝機容量需根據蓄能尖峰需求確定。

　　結合2.1節中的系統設計方法對冷熱蓄能系統進行設計分析。供冷工況下蓄能水箱設計供回水溫差為7 ℃（4 ℃/11 ℃），供暖工況下蓄能水箱設計供回水溫差為25 ℃（40 ℃/65 ℃）。根據系統運行控制策略計算出逐日蓄冷/蓄熱量，進一步計算出蓄能水箱體積延續圖，如圖9、10所示。結合實際情況，該建筑蓄冷工況下最終選取不保障5%天數，即水箱容量為8588m³，設計蓄冷量為69806kW·h。而蓄熱工況同樣選取不保障5%天數，即水箱容量為7595m³，設計蓄熱量為220453kW·h。綜合考慮兩者，該建筑設置蓄能水箱容量為8500m³。

　　隨后根據該建筑蓄冷/蓄熱需求，計算得到熱泵系統供熱裝機容量為40MW，供冷裝機容量為48MW。為靈活匹配冷熱供應需求的變化，該建筑最終設置4臺10551kW冷熱雙用熱泵機組及2臺3165.3 kW冷水機組。

　　根據設計的裝機容量及建筑的冷熱需求，對供暖季和供冷季逐日耗電量情況進行統計分析，結果如圖11所示。可以看出：供暖季累計耗電量為757萬kW·h，用電高峰大約在12月中旬到次年1月中旬；供冷季累計耗電量為862萬kW·h，用電高峰則在7月中旬到8月中旬。

　　進一步結合系統運行控制策略，對該建筑供冷季、供暖季清潔電力剩余情況及市政電力補充情況進行統計分析，結果如圖12、13所示。可以看出：在供冷季，除部分典型日存在光伏發電量缺口、需使用市政電力驅動冷水機組直供補充外，大部分時間光伏發電量均滿足使用需求，在供冷季初期和末期存在大量的剩余電力；在供暖季，剩余光伏發電量多存在于初、末寒期，而市政電力的消納集中在12月下旬至次年1月上旬供熱高峰期。結合上文電量需求側和供給側的“剪刀差”分析可以發現，從季節尺度出發，夏季為光伏發電峰值期，冬季為光伏發電低谷期，而由于供暖電氣化轉變，用電量峰值多出現在冬季，夏季、過渡季用電量相對較低。未來也可以通過與電網的協同，幫助電網消納綠色電力，解決不匹配缺口。

　　3.2 節能減排效益對比分析

　　根據前面的分析可知，該建筑供熱側累計供熱量為4015.2萬kW·h，熱泵機組裝機容量為40995kW，而供冷側累計供冷量為4420萬kW·h，冷水機組裝機容量為47992kW。在相同供熱量和供冷量下，與常規的供能方案進行經濟效益與節能減排效益對比，表1給出了初投資估算方法，表2給出了投資對比結果，表3給出了碳排放對比結果。針對冷熱供應系統選取了4種方案：方案1為上述介紹的光伏發電驅動中深層地埋管熱泵蓄熱系統，其中因該建筑全場全年發電量大于等于需求電量，因此系統運行費用為0；方案2為使用市政電力的常規中深層地埋管熱泵系統；方案3為常規的燃氣鍋爐供熱系統與常規水冷冷水機組供冷系統；方案4為使用市政電力的常規電鍋爐供熱系統與常規水冷冷水機組供冷系統。

　　該建筑不同方案的節能減排效益及初投資計算中設定的系統運行輸入條件分別為：對于供熱工況，中深層熱泵系統供熱能效為5.0，燃氣鍋爐供熱效率為1.0，電鍋爐供熱效率為0.95，而燃氣鍋爐及電鍋爐系統用戶側水泵輸送系數取為50；對于供冷工況，常規高效冷水機組供冷系統能效為5.0。計算得到各方案建設成本及全年運行費用如表2所示。

　　經計算，方案1的初投資為2.48億元，投資加15年運行總費用共2.48億元；方案2的初投資為2.02億元，投資加15年運行總費用共4.55億元；方案3的初投資為1.34億元，投資加15年運行總費用共2.78億元；方案4的初投資為1.64億元，投資加15年運行總費用共9.30億元。雖然該建筑選取方案1的初投資明顯高于其他方案，但若進一步結合運行費用進行估算，充分考慮各系統運行效率及能源轉換率等，可以看出該方案大大節省了系統的運行費用。進一步，分別以其余每一方案為基準進行方案1的增量投資回收期計算。可得以方案2為基準，方案1的增量投資回收期為3.4 a；以方案3為基準，方案1的增量投資回收期為5.7 a；以方案4為基準，方案1的增量投資回收期為2.0 a。因此，該建筑選擇的系統從投資和長期運行的角度分析是最合適的。

　　各方案全年碳排放及一次能源消耗量如表3所示。此處采用碳排放因子法進行核算，該核算方法根據碳排放清單，以活動數據和排放因子的乘積作為該類排放源頭排放量的估算值，具體參數遵循GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》。其中該建筑選取的方案1，因為采用近零碳目標倒逼的設計方法，從全年廣義的角度來看，該系統的一次能源消耗量和二氧化碳排放量都為0，雖然實際上系統仍然會存在一定的碳排放量，但從節能減排的角度分析，該建筑選擇的系統仍是最合適的。

　　結論

　　本文以我國寒冷地區大型公共建筑為例，以凈零碳運行為目標對冷熱源系統進行了設計分析，主要結論如下：

　　1） 該項目位于我國寒冷地區，供暖季尖峰熱負荷為28258kW，累計供熱量為3785.7萬kW·h；供冷季尖峰冷負荷為47993kW，累計供冷量為4309.5萬kW·h。為降低冷熱源運行能耗及碳排放，采用以中深層地埋管熱泵供熱技術為基礎的高效供熱系統，同時利用熱泵機組結合冷卻塔，實現夏季高效供冷，從系統配置和高效運行的角度進行精細化設計，以期實現冬季供熱、夏季供冷系統能效均達到5.0以上的運行目標。

　　2） 在此基礎上，充分利用公共建筑表面、園區空地鋪設光伏系統，是實現冷熱源用電零碳化的關鍵所在。該項目設計光伏裝機總容量達到12.13MW，光伏發電從總量上滿足冷熱源用電需求。結合用戶側蓄能技術，通過蓄熱與蓄冷的方式將建筑冷熱需求與冷熱源制備能力解耦，從而在滿足建筑連續的冷熱供應需求的基礎上，根據光伏發電、市政清潔電力生產規律，有序調節冷熱源用電需求，降低系統碳排放與運行成本，進一步實現零碳供冷供熱。

　　3） 經濟效益方面，本文所提出的中深層地埋管熱泵蓄能系統的增量投資成本，相較常規能源系統的靜態投資回收期短于6a，每年減少二氧化碳排放超過1.49萬t，節能減排效益顯著。