农村空气源热泵系统蓄热模式对电网负荷的影响分析

吴云鹤，王 刚，高 寒，胡松涛

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266525)

采用空气源热泵进行清洁供暖，可有效解决传统燃烧散煤供暖所带来的能源利用效率低，污染严重等问题，在北方农村地区清洁能源供暖中得到了广泛应用。但空气源热泵的大规模使用也使电网尖峰负荷增加，增大了电网的不稳定性。刘艳茹等以北京、天津武清、河北保定为例，提出实施“煤改电”后各地区电网年负荷曲线和典型日负荷曲线峰谷均发生偏移，且“煤改电”工程新增负荷越大，电网负荷曲线的波动越明显，需要考虑负荷变化特性对电网带来的影响，确保电网安全运行[1]。杨露露等提出大规模“煤改电”设备的接入造成冬季电采暖负荷占比大夏季占比小，依靠传统配电网电压调整不能很好解决配电网末端电压不稳的问题，提出了基于智能启停调节的采暖设备控制策略，改善了配电网电压水平[2]。刘兴龙等提出大规模“煤改电”设备的使用，容易增大电网的尖峰负荷，加大电网的不平衡率，并以辽宁省为例提出了蓄热电锅炉在不同供暖模式下对电网负荷的影响[3]。霍宇露利用EnergyPlus分析了空气源热泵连续供暖、间歇供暖及低谷电蓄热供暖对电网的影响[4]，证明了利用空气源热泵系统对电网进行主动调节的可行性。

农户的生活习惯及农房的建筑形式都与城镇相差较大，导致供暖模式也存在较大差异，本文拟从农村供暖现状出发，通过TRNSYS模拟，以典型农村建筑为例分析适用的蓄热模式及其潜力，研究兼顾室内热舒适性与电网负荷特性的农村供暖模式。

1 模拟工况设置

1.1 建筑模型

研究对象为农村单层住宅，该建筑位于寒冷地区，坐北朝南，平面如图1所示。

图1 建筑平面

寒冷地区农村建筑围护结构的保温性能对室内热舒适性及建筑能耗影响较大，因此该建筑对围护结构进行了保温处理，外墙为普通24 cm砖墙，外侧增加8 cm膨胀聚苯板，传热系数为0.426 W/(m2·K)；屋顶为传统坡屋顶，主要材料为砖瓦，增加膨胀聚苯板吊顶保温，传热系数为0.513 W/(m2·K)；外窗材料为双层中空玻璃，传热系数为2.5 W/(m2·K)。各围护结构的传热系数均低于《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)的限值。

建筑层高3.2 m，南向窗墙比0.3，北向窗墙比为0.2。

对除储物间外的所有房间供暖，总供暖面积为85.5 m2，供暖方式为低温热水地板辐射供暖。

1.2 建筑负荷模拟

根据调查与测试结果，以及对农民生活习惯的分析，结合规范《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)要求，将室内供暖设计温度设置为14 ℃，建筑从11月15日至次年4月5日供暖，对建筑进行整个供暖季的能耗模拟。经模拟得采暖季峰值热负荷为4.3 kW，考虑室外干球温度及机组融霜对制热量的影响，选取额定制热量为7 kW、额定功率为2 kW的空气源热泵机组，机组额定COP为3.5，实际运行中机组COP随室外温度变化。循环水泵选取卧式离心泵，扬程为19 m，功率为97 W。

在TRNSYS中建立空气源热泵供暖系统(Air Source Heat Pump，ASHP)，分析供暖系统的能耗及对电网的影响。

2 ASHP直接供暖系统运行模拟结果

2.1 运行策略

ASHP直接供暖系统的模型如图2所示，系统中的缓冲水箱用于减少热泵机组的启停，无蓄热、辅助加热功能。热泵机组和供暖循环泵受供水温度和建筑负荷的控制，当供水温度小于40 ℃，建筑负荷大于热泵机组额定制热量的7%时热泵机组和供暖循环泵开始工作，系统开始供暖。

图2 ASHP直接供暖系统模型

2.2 能耗分析

模拟步长为7.5 min，以供暖典型日为例，ASHP直接供暖系统的运行情况如表1所示。

表1 ASHP直接供暖系统典型日运行数据分析

2.3 对电网影响

以某区域典型日的电网负荷曲线为例[5]，该区域用电以第二产业用电为主，第二产业全天用电情况较为稳定，在8：00，17：00左右达到用电高峰，与建筑所处地区用电特征相似[6]。该电网原最大峰谷差率为26%，负荷率为87%。假定区域内96万户住宅建筑与模拟住宅一致，且均采用空气源热泵供暖，则供暖前后典型日的电网负荷曲线如图3所示，电网的最大负荷由原来的8223.43 MW升至8991.09 MW，电网的总容量增大，最大负荷峰谷差率由26.0%增至29.1%，负荷率下降至85.3%，对电网带来了不利影响。

作为柔性负荷，建筑的热需求可以利用系统或建筑本身的蓄热特性，在时间上对负荷进行平移，起到削峰填谷的作用。AGYENIM等为了充分利用峰谷电价，在空气源热泵供暖系统中引入蓄热装置，对英国普通建筑供暖，证明该系统可100%满足用户热需求[7]。说明空气源热泵蓄热供暖具有一定的可行性。选定2种蓄热模式进行分析：水箱蓄热和建筑本体蓄热。在TRNSYS中分别搭建水箱蓄热和建筑本体蓄热的ASHP供暖模型，模拟2种蓄热供暖模式的系统运行特性及对电网负荷造成的影响。为便于对比，系统蓄热时间统一定为18：00至次日6：00。

3 分析与对比

3.1 水箱蓄热供暖运行策略

水箱蓄热供暖系统模型如图4所示，在该系统中增设蓄热循环泵和蓄热水箱，循环泵扬程为12 m，功率为67 W。蓄热水箱的容积根据水吸放热公式计算，水箱的蓄热量按最不利条件下白天停机时段建筑所需热量确定，共37 332 J。温差根据早上停机时刻最高供水温度和夜间开机最低供水温度的差值确定，取20 ℃，计算得水箱容积为0.45 m3，考虑水箱中水不能充满，水箱容积取0.5 m3。

图4 水箱蓄热供暖系统模型

蓄热水箱与周围环境存在传热，传热系数取0.2 W/(m2·K)，模拟中用type25对水箱的散热量进行积分，确定水箱供暖过程中的总散热量。

在夜间蓄热阶段，热泵机组将制取的热量传递给蓄热水箱，蓄热水箱根据建筑负荷需求向建筑供暖；在白天放热阶段，热泵和蓄热循环泵停止工作，水箱将蓄存的热量传递给建筑供暖。热泵机组和蓄热循环泵在蓄热时间段内受温差控制，温差控制与ASHP直接供暖系统相同。供暖侧循环泵只受负荷控制，控制条件与ASHP直接供暖系统相同。

3.2 建筑本体蓄热供暖运行策略

由于建筑围护结构的蓄放热特性，在停止供暖时，建筑蓄存的热量会释放出来，以围护结构及室内家具夜间的蓄热量和太阳辐射得热作为热源维持白天室温。

利用建筑本体蓄热时，适当提高夜间供暖温度可增加建筑蓄热量，但蓄热温度提高后，机组的制热量也相应升高，且夜间运行效率降低，因此蓄热温度不能设置过高。综合考虑蓄热效果、热舒适性以及能耗，经过模拟优化，选定蓄热温度为16 ℃，在供暖典型日，室内温度变化如图5所示。

停止供暖后，由于建筑热惰性，室内温度经过一段时间之后开始下降。10：00左右达到最低值，为14.26 ℃。随着室外温度的升高和太阳辐射照度的增加，室内气温逐渐升高，在14：00达到15.32 ℃，然后又逐渐降低。在停止供暖期间，室内温度始终高于14 ℃。付祥钊等在对空气源热泵与地板供暖的实验中，采用低温热水地板辐射供暖的房间在停止供暖后，室内最大降温幅度为2 ℃，与文中模拟结果基本一致[8]。可以看出，对于建筑本体蓄热的空气源热泵供暖系统，白天依靠围护结构蓄存的热量和太阳辐射得热可以保证供暖房间的热舒适要求。

3.3 运行能耗分析

两种蓄热模式的运行能耗如表2所示。

表2 ASHP-HS系统典型日运行数据分析

建筑本体蓄热的制热量、耗电量及白天供热量均高于水箱蓄热。相比ASHP直接供暖系统，水箱蓄热时由于水箱散热，机组制热量增加3.25%，系统的耗电量增加6.3%。建筑本体蓄热时，由于夜间供暖温度升高，建筑能耗增加10.9%，热泵制热量增加11.2%，耗电量增加12.8%。

3.4 对电网影响分析

采用两种蓄热模式后供暖典型日的电网负荷曲线如图6所示。

采用水箱蓄热后，电网最大负荷不变，由于系统夜间蓄热，增加了电力低谷期的用电量，电网最大峰谷差率降低至13.8%，负荷率增加至93.8%。相比于ASHP直接供暖系统，电网最大峰谷差率减少了52.5%，电网负荷率增加了9.9%。

采用建筑本体蓄热供暖后，电网最大负荷不变，电网最大峰谷差率减小至15.2%，负荷率增加至92.8%。相比于ASHP直接供暖系统最大峰谷差率减少了47.7%，电网负荷率增加了8.8%。峰谷差率越小，电网的稳定性越好，负荷率越高，越有利于提高发电设备的利用率，两种蓄热模式均可对电网产生有利的影响。

4 经济性分析

采用蓄热模式之后，空气源热泵供暖系统的电耗是增加的。对农村地区来说，经济性是影响清洁供暖的主要因素之一，若清洁取暖费用高于原散煤取暖费用2倍以上时，村民会产生返煤的想法。目前青岛市居民用电按照阶梯电价收费，年用电量不超过2520 kW·h按照0.5469元/(kW·h)收费。因此，利用TRNSYS软件模拟计算ASHP供暖系统整个供暖季的耗电量及运行费用，并计算在现行阶梯电价下ASHP供暖系统的运行费用，为了鼓励居民主动参与电网调峰，也参考目前的电价政策计算了峰谷电价条件下的电费，其中峰段电价为0.5769元/(kW·h)，谷段电价为0.3769元/(kW·h)。结果如表3所示。

表3 供暖季耗电量及运行费用

由于采取了保温措施，3种模式下建筑能耗均处在较低水平。对于2种蓄热供暖模式，由于夜间运行，耗电量均有所增加，水箱蓄热由于增加了水泵电耗，以及蓄热水温高带来的COP衰减，增加幅度较大，为18.7%，建筑本体蓄热增加了8.1%。在典型日，整个供暖季期间，3种模式下机组运行时的室外温度相差较小，ASHP直接供暖系统在室外气温较高时也是大部分能耗集中在夜间，因此蓄热本身带来的电耗增加程度并不明显。

采用峰谷电价之后，3种模式的运行费用均有所降低，ASHP直接供暖系统降低了22.8%，水箱蓄热和建筑本体蓄热的供暖系统电费降低了31.1%，幅度更大。张了对北京地区采用空气源热泵供暖的农宅进行了实测分析，空气源热泵地板辐射供暖时可节省一半的运行费用，当采用峰谷电价后采暖费用降低了三分之一[9]，与本文结果相符。

5 讨论

为便于分析，本文选择的蓄热时间为18：00至次日6：00，实际运行时可根据室温进行动态调整，白天适当的时段也可以根据需要开启机组，以改善室内热环境。

利用建筑本体蓄热时未考虑室内家具的热惰性，实际条件下，家具的蓄放热作用将减缓室内温度的波动，室内热舒适条件将优于模拟结果。

为更好地发挥蓄热系统的潜力，可在热泵机组末端安装智能调控装置，电力调度中心根据电网的负荷特性发出调控指令，用户端根据自身需求及室温等情况设定控制策略，决定是否参与主动调峰，并享受一定的电价优惠。目前很多空气源热泵供暖系统已实现了运行数据的上传，信息的双向传送及运行的智能控制没有技术上的障碍。王广保等通过实测验证了监控系统的稳定性、灵活性[10]。周海舰等利用监测系统对空气源热泵供暖系统的运行情况进行了监测分析，结果表明空气源热泵供暖对改善环境状况作用明显[11]。

6 结论

本文模拟分析了农村住宅空气源热泵供暖系统的2种蓄热模式，对比了各供暖模式的能耗，并以某区域电网为例分析了蓄热模式对电网负荷的影响，可以得到以下结论：

1) 规模化推广ASHP直接供暖系统后，电网总容量增大，峰谷差率增加了3.1%，负荷率下降1.7%，不利于电网的稳定运行，也降低了发电设备利用率。

2) 相比于ASHP直接供暖系统，水箱蓄热和建筑本体蓄热供暖系统充分利用了谷电，虽然系统电耗有一定程度增加，但未改变电网总容量，且分别使电网峰谷差率减小52.5%,47.7%，负荷率增加了9.9%，8.8%。

3) 在峰谷电价条件下，3种模式的运行费用均有较大程度的降低，蓄热模式的降低幅度更大，均降低了31.1%。