在工業(yè)發(fā)展中，大規(guī)模使用化石燃料導致溫室氣體排放過量，使溫室效應(yīng)不斷增強，由此引發(fā)了日益嚴重的氣候變化問題，控制碳排放以減緩全球氣候變暖已成為全球共識。在2020年9月召開的第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標。

 

　　隨著“雙碳”目標的提出，傳統(tǒng)化石燃料的使用逐漸減少，風能、太陽能、生物質(zhì)能等清潔可再生能源得到大規(guī)模利用。截至2020年，石油仍占全球能源結(jié)構(gòu)最大份額，約占31.2%；煤炭為第二大能源，占一次能源消費總量的27.2%；天然氣和可再生能源份額分別升至24.7%和5.7%。然而，我國清潔能源資源分布不均，我國風能資源豐富的地區(qū)主要分布在東北、華北、西北等區(qū)域，而太陽能資源的地區(qū)性差異較大，總體水平面輻射量表現(xiàn)為西部地區(qū)大于中東部地區(qū)，全國平均年水平面總輻射量約為1 493.4 kW·h/㎡。

 

　　為了優(yōu)化不同地區(qū)能源的使用，基于因地制宜、梯級利用的思路和多能互補理論，建立了綜合能源系統(tǒng)（Integrated EnergySystem，IES）。可再生能源的使用減少了環(huán)境污染，但也帶來了棄風、棄光等新問題。

 

　　IES將區(qū)域內(nèi)的能源進行整合優(yōu)化，利用各種先進供能技術(shù)，滿足區(qū)域內(nèi)用戶對冷、熱、電等負荷的需求。IES顯著提高了能源利用率及能源效率，促進了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，減少了環(huán)境污染。熱泵作為一種高效節(jié)能設(shè)備，在供熱及制冷方面得到了大規(guī)模使用，許多學者提出將熱泵與IES結(jié)合，既提高了系統(tǒng)性能，也擴大了熱泵的應(yīng)用場景，使熱泵成為IES中的關(guān)鍵設(shè)備之一。

 

　　文獻［基于光氣電混合供能的區(qū)域綜 合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置研究］將熱泵應(yīng)用于光-氣-電混合供能的區(qū)域IES，分析了不同運行模式下的系統(tǒng)容量配置及出力水平，證明熱泵供熱具有更好的成本及效率優(yōu)勢。

 

　　文獻［考慮儲能壽命特性的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟-靈活多目標優(yōu)化運行策略］選取典型的電-氣-熱能源系統(tǒng)框架并建立數(shù)學模型，以靈活性及運行成本為目標，確定系統(tǒng)最佳運行方案，其中地源熱泵出力最穩(wěn)定，起主要供熱作用。

 

　　目前，熱泵在IES中有著廣泛的應(yīng)用，但分析多針對某一熱泵在某一具體系統(tǒng)的應(yīng)用，很少有總結(jié)分析熱泵在IES中應(yīng)用的文章。本文簡要分析熱泵在IES中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對熱泵的應(yīng)用進行展望，為其將來在IES中的研究提供一定的參考。

 

　　01、IES及熱泵技術(shù)背景

　　傳統(tǒng)能源系統(tǒng)單一的能源結(jié)構(gòu)特性造成了能源利用率低、供能可靠性差等問題。多種能源在時空特性、供能方式及經(jīng)濟效益的差異，通過耦合、互補實現(xiàn)能源橫向統(tǒng)一規(guī)劃與協(xié)調(diào)優(yōu)化，是解決上述問題的重要方法。

 

　　IES在一定區(qū)域內(nèi)利用先進的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現(xiàn)多種異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行，協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補互濟，在滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求的同時，有效地提升能源利用效率，促進能源可持續(xù)發(fā)展。

 

　　IES是由供能網(wǎng)絡(luò)、能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、能量儲存環(huán)節(jié)、終端綜合能源供用單元（微電網(wǎng)等）和終端用戶共同組成。

 

　　IES的能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)一般由燃煤鍋爐、燃氣冷熱電聯(lián)供（CCHP）機組、光電機組、風電機組及熱泵組成。其中，燃煤鍋爐與風電機組、光電機組承擔系統(tǒng)的電負荷，燃氣CCHP機組及熱泵主要提供系統(tǒng)的冷熱負荷。CCHP系統(tǒng)受限于自身固有運行特性，在滿足冷熱負荷時往往電能過剩，產(chǎn)能與用能難以協(xié)調(diào)，降低了系統(tǒng)的運行效率。而熱泵可以根據(jù)自身的供熱及供冷能力調(diào)CCHP系統(tǒng)的冷熱負荷，進而提高系統(tǒng)運行效率，在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

 

　　本文主要討論了熱泵在IES中的相關(guān)研究及應(yīng)用，將熱泵的冷-熱-電轉(zhuǎn)化能力與IES集成，最終實現(xiàn)工業(yè)及民用領(lǐng)域低碳化供冷供熱的目標。

 

　　02、熱泵在IES中的應(yīng)用

　　熱泵技術(shù)因其高效率及低污染的特點在IES中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)熱泵在IES中的作用，將應(yīng)用場景其分為兩大類：第1類是熱泵作為供能單元在IES中起著供熱或冷的作用；第2類是熱泵作為儲能單元在能源系統(tǒng)中起著儲存能量的作用。

 

　　01熱泵作為供能單元

 

　　熱泵作為一種IES中的高效供熱或制冷設(shè)備，可基于能量來源的不同被分為空氣源、土壤源、水源及余熱等4種。

 

　　1.1空氣源熱泵技術(shù)

 

　　隨著“雙碳”目標提出，我國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，清潔能源行業(yè)迅速發(fā)展。在諸多新能源技術(shù)中，空氣源熱泵技術(shù)以其低排放及節(jié)能性在農(nóng)業(yè)、工商業(yè)、建筑和生活等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在北方“煤改電”項目中發(fā)揮著重大作用。熱泵以空氣能作為能量來源，適用范圍廣，投資成本低，效率高，具有較好的經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益。

 

　　文獻［綜合能源服務(wù)項目新增熱泵系統(tǒng)的案例分析］以北方某園區(qū)天然氣分布式能源系統(tǒng)為實例，結(jié)合冷熱負荷數(shù)據(jù)，論證了在原系統(tǒng)中增加空氣源熱泵的必要性，新增空氣源熱泵后的煙氣余熱深度回收系統(tǒng)流程如圖1所示。通過對比不同電價下空氣源熱泵與直燃機系統(tǒng)的運行費用，確定了冬季夜間空氣源熱泵的運行策略。

 

　　空氣源熱泵的配置容量選用2個方案：方案1是夜間供熱全部由空氣源熱泵滿足，方案2是夜間供熱由空氣源熱泵和直燃機共同滿足，其中75%的負荷由空氣源熱泵承擔。對比2個方案的經(jīng)濟性，結(jié)果為：方案1可節(jié)約供暖運行費用61.21萬元/a，靜態(tài)投資回收期為12.25 a；方案2可節(jié)約供暖運行費用42.45萬元/a，靜態(tài)投資回收期為10.74 a。推薦采用方案2的配置。

 

　　文獻［空氣源熱泵分布式能源站在寒冷地區(qū)的應(yīng)用］介紹了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用，通過采用超低溫噴氣增焓渦旋式空氣源熱泵機組，建立了集中供暖分布式能源站，運行原理如圖2所示（V表示閥門）。根據(jù)粒子群算法，以全生命周期成本為目標進行了系統(tǒng)優(yōu)化分析。最后得到結(jié)果表明，空氣源熱泵容量配比最優(yōu)值為16.3%，此時熱泵與蓄熱電鍋爐系統(tǒng)的供暖季綜合能效比可達2.56，明顯優(yōu)于系統(tǒng)采用單一電鍋爐時的0.66和電鍋爐配合蓄熱裝置的1.40。

圖1新增空氣源熱泵后的

煙氣余熱深度回收系統(tǒng)流程

圖2蓄熱電鍋爐與空氣源熱泵

運行原理

 

　　文獻［空氣源熱泵與天然氣分布式能源耦合系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性能分析］分析了空氣源熱泵與天然氣分布式能源耦合系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性能，根據(jù)設(shè)備容量及運行策略的不同，提出了3種分布式供能方案，并與常規(guī)供能方案對比。對比結(jié)果表明，3種方案中的最佳耦合方案可將綜合能源利用效率提高19%，將冬季燃氣消耗減少55%，將成本降低11.6%，具有較好的經(jīng)濟效益。

 

　　空氣源熱泵利用空氣能供熱，應(yīng)用范圍廣、效率高、系統(tǒng)運行成本低，但在低溫環(huán)境特別是0℃以下時，效率大幅降低，還會出現(xiàn)結(jié)霜問題，需要設(shè)置除霜系統(tǒng)以提高熱泵效率。

 

　　1.2土壤源熱泵技術(shù)

　　隨著我國冬季供暖需求區(qū)域不斷擴大，供熱邊界線不斷南移，需求的快速增長帶來了能源消耗的急劇增加。為此，國家能源局提出“到2035年地熱能供暖面積比2025年翻一番”的目標，要求重點推進中深層地熱能供暖，積極開發(fā)淺層地熱能資源，高效替代燃煤供暖。

 

　　目前土壤源熱泵技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，可大規(guī)模發(fā)展利用，但土壤源熱泵和其他能源耦合的多能源供能系統(tǒng)研究還比較少，其耦合運行特性需進一步研究。采用土壤源熱泵與多種能源耦合，發(fā)展多能利用的耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)多種能源優(yōu)勢互補，將是未來土壤源熱泵的發(fā)展方向。

 

　　文獻［主動式熱平衡NG-CHP與GSHP耦合分布式系統(tǒng)集成研究］通過對天然氣與淺層地熱能的耦合能源系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)目前的耦合方式都無法解決的2個問題：第1個是含硫低溫煙氣由于酸露點的存在而難以被深度回收利用；第2個是無法從本質(zhì)上解決地源熱泵的低溫熱源熱失衡問題。

 

　　基于這2個問題，提出了一種新型天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)（GHP）與土壤源熱泵（GSHP）一體化能源系統(tǒng)，如圖3所示。借助Aspen-plus進行模擬計算，新系統(tǒng)總能系統(tǒng)效率達到82.7%，?效率為28.8%，對比參比系統(tǒng)（傳統(tǒng)天然氣發(fā)電機組與地源熱泵簡單并聯(lián)耦合系統(tǒng)）效率有了顯著提高，為中低溫煙氣高效應(yīng)用提供了新的解決途徑。

圖3新型天然氣分布式能源與

地源熱泵一體化能源系統(tǒng)

 

　　文獻［夏熱冬冷地區(qū)區(qū)域供能系統(tǒng)供冷季的運行策略研究］以一次能源節(jié)約率與成本節(jié)約率為優(yōu)化目標，利用eQUEST軟件模擬夏熱冬冷地區(qū)典型公共建筑的冷熱負荷，以此對燃氣分布式能源系統(tǒng)與土壤源熱泵耦合的供能系統(tǒng)供冷運行進行了優(yōu)化研究，以年折算費用最小為優(yōu)化目標，得到供冷管網(wǎng)供回水最佳溫差為6.3℃。土壤源熱泵的運用彌補了燃氣分布式能源系統(tǒng)單獨運行的不足，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性與節(jié)能性。

 

　　文獻［基于土壤源熱泵的寶雞市某項目區(qū)域能源站規(guī)劃研究］以寶雞市某大型區(qū)域能源項目為研究對象，通過對比不同能耗模擬軟件的適用性，選擇TRNSYS軟件進行模擬工作，得到區(qū)域全年動態(tài)冷熱負荷指標，最后結(jié)合地熱資源條件，確定了土壤源熱泵的設(shè)計參數(shù)。能源站的設(shè)計在滿足區(qū)域內(nèi)負荷的同時使土壤取熱量和排熱量基本保持一致，不平衡率僅為9.79%。

 

　　文獻［北京市某科技商務(wù)中心區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃］以北京市某科技商務(wù)中心能源供應(yīng)為例，分析外部資源條件和區(qū)域用能特點，測算區(qū)域熱負荷、冷負荷、生活熱水負荷、天然氣年耗氣量和用電負荷，制定區(qū)域IES規(guī)劃方案，采用燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)、燃氣CCHP系統(tǒng)、太陽能生活熱水系統(tǒng)、地埋管地源熱泵系統(tǒng)、污水源熱泵系統(tǒng)及太陽能光伏發(fā)電供電系統(tǒng)等供能方式，實現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化互補，較好地滿足區(qū)域能源需求。

 

　　其中，地源熱泵工作流程如圖4所示。在整個策劃方案里，地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供冷熱負荷，其年供熱量達到806.959TJ，占總供熱量的21.41%；年供冷量達到698.918TJ，占總供冷量的14.53%。地源熱泵的使用有效提高了可再生能源的利用率，具有較好的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益。

圖4地埋管地源熱泵系統(tǒng)流程

 

　　土壤源熱泵技術(shù)的應(yīng)用能夠提高系統(tǒng)效率，緩解我國能源壓力，但受限于地區(qū)的土壤熱源情況，不同區(qū)域的熱泵最佳配置不同，同時熱泵的初投資成本較高，還需要考慮土壤的熱平衡問題。

 

　　1.3水源熱泵技術(shù)

　　水源熱泵通過制冷劑吸收地下水、湖水、江水、城市污水、海水以及工業(yè)廢水等水源中的低品位熱能，然后提升為可用的高品位熱能對水進行加熱。水源熱泵作為一種可再生能源利用技術(shù)，以其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)良性能得到了發(fā)展應(yīng)用。

 

　　文獻［區(qū)域能源系統(tǒng)一次能源梯級利用優(yōu)化設(shè)計方法］以上海某商務(wù)區(qū)區(qū)域能源項目為例，考慮到冬季空氣源熱泵難以提供52.0℃的熱水，提出了空氣源熱泵與水源熱泵串級供熱系統(tǒng)，如圖5所示。在冬季運行時，空氣源熱泵產(chǎn)生30.0℃的熱水，熱水作為水源熱泵的熱源，之后水源熱泵加熱回水提供52.0℃的熱水供用戶使用。串聯(lián)熱泵系統(tǒng)在提高熱泵供熱溫度的同時提高了發(fā)電自用比例，發(fā)電最大利用時長為2 687 h，自用比例為59.0%，CCHP系統(tǒng)的能源綜合利用效率由78.0%提高到84.3%。水源熱泵的使用實現(xiàn)了能源的梯級利用，節(jié)能減排效果顯著。

　　圖5空氣源熱泵與水源熱泵

串級制熱系統(tǒng)流程

 

　　文獻［含水源熱泵的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)低碳運行優(yōu)化研究］針對區(qū)域IES冬季供暖受“以熱定電”的限制，提出在水源充沛地區(qū)使用水源熱泵實現(xiàn)熱電解耦。綜合考慮系統(tǒng)運行成本與碳排放成本。構(gòu)建了區(qū)域IES低碳化運行的優(yōu)化模型，如圖6所示。引入水源熱泵后，新型熱電聯(lián)產(chǎn)運行的經(jīng)濟成本降低了50.9%，碳排放成本降低了49.7%，同時大幅提高了系統(tǒng)的靈活性和能源利用效率。

圖6含水源熱泵的區(qū)域IES架構(gòu)

 

　　水源熱泵提高了系統(tǒng)運行效率，降低了運行成本，環(huán)境效益顯著，同時可以與其他可再生能源供熱系統(tǒng)耦合以解決冬季供熱不足的缺點。但水源熱泵受水源水質(zhì)影響，需要注意機組的腐蝕問題。

 

　　1.4余熱回收熱泵技術(shù)

　　我國工業(yè)生產(chǎn)的能源效率為20%~60%，余熱總量大。工業(yè)余熱廣泛存在于冶金、建材、食品及化工等行業(yè)，而我國對工業(yè)余熱的回收率僅有30%，節(jié)能潛力巨大。將余熱充分回收、利用，可降低能源消耗量，是節(jié)能減排的有效途徑。常規(guī)天然氣鍋爐排放的煙氣含有大量水蒸氣，若未能將煙氣降低到露點溫度則水蒸氣的冷凝潛熱難以回收。

 

　　文獻［基于電動熱泵的天然氣鍋爐余熱深度回收研究］采用電動熱泵和間壁式換熱器回收天然氣余熱，余熱回收系統(tǒng)如圖7所示。煙氣回收的試驗結(jié)果表明，余熱回收后煙氣的平均排煙溫度為33.1℃，遠低于之前的67.1℃，熱泵的平均制熱性能系數(shù)達到5.4。同時經(jīng)濟性分析表明，余熱回收系統(tǒng)每采暖季可節(jié)省87 746.44元，投資回收期為2.2 a。余熱回收系統(tǒng)顯著提高了天然氣能源利用效率，同時具有較好的煙氣“消白”效果。

圖7煙氣余熱回收系統(tǒng)

 

　　文獻［耦合熱泵換熱器的原理及變工況性能研究］提出了一種新型耦合熱泵用來回收工業(yè)余熱制取高溫熱水，如圖8所示。通過對耦合循環(huán)的分析，該循環(huán)能回收工業(yè)余熱制取130.0℃的高溫熱水或蒸汽，當制取熱水溫度達到133.0℃時，熱泵性能系數(shù)達到3.6。該循環(huán)提供了一種制取高溫熱水的新途徑，在能源系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價值。

 

　　文獻［燃煤熱電廠串并聯(lián)耦合吸收式熱泵 供熱系統(tǒng)研究］采用品位分析法研究了中國北方某200 MW燃煤熱電廠典型熱泵供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力，發(fā)現(xiàn)二次換熱器損失占系統(tǒng)總損失的48.6%，熱泵供熱量僅占系統(tǒng)總供熱量的63.9%。為了充分發(fā)揮吸收式熱泵在燃煤電廠供熱系統(tǒng)中的節(jié)能性，提出一種由兩級第一類溴化鋰吸收式熱泵并聯(lián)耦合而成的新系統(tǒng)，如圖9所示（圖中A，C，G，E分別代表吸收器、冷凝器、發(fā)生器和蒸發(fā)器，W代表汽輪機做的功）。新系統(tǒng)采用高壓溴化鋰吸收式熱泵代替典型熱泵供熱系統(tǒng)中的二次換熱器，在鍋爐尾部增加余熱回收換熱器，利用排煙余熱提升循環(huán)水品味，達到回收鍋爐排煙余熱的目的。

 

　　該系統(tǒng)以汽輪機抽汽為驅(qū)動熱源，回收鍋爐排煙和汽輪機排汽的低品位余熱來加熱熱網(wǎng)水。分析結(jié)果表明，新系統(tǒng)的效率提高了10.5%，供熱量提高了16.5%，年節(jié)煤量提高了59.2%，投資回收期為5.2 a。新系統(tǒng)的提出為燃煤電廠余熱高效利用、節(jié)能減排提供新途徑。

圖8耦合熱泵流程圖

 

　　文獻［第二類吸收式熱泵在分布式能 源系統(tǒng)中的應(yīng)用］為了提高分布式能源系統(tǒng)的效率利用第二類吸收式熱泵代替閉式冷卻塔回收缸套水余熱生產(chǎn)高品位蒸汽，以安徽某工業(yè)園分布式能源站的冬季工況為例，與冷卻塔相比，增加第二類熱泵后系統(tǒng)效率提高了6.7%，?損失減少了4.4%。余熱回收熱泵技術(shù)提高了能源利用率，降低了碳排放，有著較高的應(yīng)用價值。針對不同的余熱熱源情況，選擇適宜的熱泵循環(huán)，是實現(xiàn)熱能的高效利用將是耦合的關(guān)鍵。

 

　　1.5熱泵技術(shù)對比分析

 

　　不同熱泵技術(shù)具有不同的運行特性，上述4類熱泵的參數(shù)對比見表1。4類熱泵的適用范圍及能效均不同，為了更好的發(fā)揮熱泵的作用，研究新型熱泵對現(xiàn)有熱泵循環(huán)進行改善，以提高熱泵循環(huán)性能，將是一個重要的研究方向。同時由于IES中多種能源的使用，供能單元存在不同的耦合方式，研究熱泵與系統(tǒng)的耦合特性，進行最優(yōu)化運行設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳化及高效化運行，這將是另一個重要研究方向。

圖9并聯(lián)耦合吸收式熱泵供熱系統(tǒng)

　　表1熱泵參數(shù)對比

　　02熱泵作為儲能單元

　　隨著“雙碳”目標的提出，具有高效率、低污染特性的可再生能源得到大規(guī)模發(fā)展。然而由于新能源具有較強的隨機性、波動性、難以預測性以及可調(diào)度性差的特點，直接導致了可再生能源大規(guī)模利用時的棄風、棄光等問題。儲能技術(shù)能夠在時間以及空間尺度上儲存能量，在合適的時間再放出，實現(xiàn)對能量的消納。本節(jié)將從熱泵的儲熱（冷）及儲電2方面來介紹熱泵在系統(tǒng)中的儲能特性。

 

　　2.1儲熱（冷）

　　儲熱技術(shù)是以儲熱材料為媒介將太陽能光熱、地熱、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放，解決由于時間、空間或強度上的熱能供給與需求間不匹配帶來的問題，最大限度地提高整個系統(tǒng)的能源利用率。儲熱技術(shù)主要分為顯熱儲熱、潛熱儲熱與熱化學儲熱三大類。目前顯熱儲能仍是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)研究最成熟的儲能技術(shù)，水作為常見的顯熱材料在低溫應(yīng)用領(lǐng)域以及大規(guī)模儲能中得到了大范圍應(yīng)用。

 

　　熱泵作為一種節(jié)能裝置，也具有儲能作用，其儲能原理如圖10所示。熱泵在提供冷熱負荷后，若仍有剩余能量，即可將之存儲進儲能裝置；當有需要時，可以將儲存的熱能直接用于供能。熱泵儲能一方面可以削峰填谷，實現(xiàn)對電能的消納，另一方面可以儲存熱量，保證熱量的平滑輸出，提高系統(tǒng)效率。

圖10熱泵儲能原理

 

　　文獻［一種柔性超級熱泵：CN216347158U］提出了一種柔性超級熱泵專利技術(shù)，如圖11所示。它解決了熱泵受冷熱負荷制約而難以參與電網(wǎng)調(diào)峰的應(yīng)用難題。與普通水蓄熱罐相比，柔性超級熱泵利用相變裝置儲存熱量，儲熱介質(zhì)為循環(huán)工質(zhì)。該熱泵在電網(wǎng)低負荷時儲存高溫循環(huán)介質(zhì)，電網(wǎng)高負荷時利用儲存的高溫介質(zhì)完成冷熱負荷供應(yīng)，從而達到對可再生電力的消納，實現(xiàn)對電網(wǎng)主動調(diào)峰。

圖11柔性超級熱泵流程

 

　　文獻［儲能式地熱能綜合能源系統(tǒng)效益分析］以雄安新區(qū)12萬㎡的組團式建筑群為研究對象，提出了多能互補式和儲能式2種地熱能利用系統(tǒng)方案，儲能式方案如圖12所示。通過模擬計算分析了初始投資、運行成本、能源節(jié)約、費用年值等能源系統(tǒng)綜合效益評價指標。結(jié)果表明：與多能互補式方案相比，儲能式方案的初始投資減少14.6%，運行成本降低7.1%，費用年值降低9.9%，故儲能式系統(tǒng)更優(yōu)。

圖12儲能式系統(tǒng)

 

　　文獻［冷熱雙蓄與熱泵耦合的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析］以鄭州市某商務(wù)辦公樓建筑為研究對象，提出了冷熱雙蓄與熱泵耦合的IES，如圖13所示。與空氣源熱泵直接供冷供熱對比，耦合系統(tǒng)的投資回收期縮短了2.77 a，具有較好的經(jīng)濟效益。

圖13熱泵與冷熱雙蓄耦合示意

 

　　文獻［含地源熱泵與混合儲能的區(qū)域能源 系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度］將地源熱泵及混合儲能系統(tǒng)引入?yún)^(qū)域IES，以地源熱泵系統(tǒng)解耦CCHP機組“以熱定電”約束，以系統(tǒng)運行成本最小為目標建立了包含能量轉(zhuǎn)換、能量儲存在內(nèi)的區(qū)域IES模型。通過對系統(tǒng)進行仿真分析，地源熱泵的加入能有效吸收負荷低谷期的棄風、棄光，提高了可再生能源消納量，夏季典型日下系統(tǒng)總運行成本降低了41.1%，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14所示（v代表閥門）。

 

　　在IES中加入儲能裝置，提高了能源利用效率，降低了系統(tǒng)運行成本，最大程度地緩解了棄風、棄光等問題，但同時儲能裝置的加入也增加了系統(tǒng)的復雜程度，須針對不同的系統(tǒng)確定最優(yōu)運行策略。

 

　　2.2儲電

　　儲電通常指利用介質(zhì)或設(shè)備將電能儲存，在需要的時候?qū)⑺鶅Υ婺芰哭D(zhuǎn)化為電能釋放。儲電技術(shù)是解決可再生能源不穩(wěn)定性及間歇性，實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的儲電技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池儲能、飛輪儲能、超導儲能與超級電容儲能等。只有壓縮空氣儲能與抽水蓄適合100 MW級以上大規(guī)模儲能，但這2種技術(shù)都受限于地理位置。因此，需要找到一種新的受地理位置限制較小的大規(guī)模儲電技術(shù)。熱泵儲電就是一種成本低、能量密度高、不受地理位置限制的新型物理儲電技術(shù)。

圖14地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

　　熱泵儲電的原理如圖15所示（圖中W代表電量；QC代表與蓄冷器的換熱量；QH代表與蓄熱器的換熱量）。在儲能階段，熱泵利用電能驅(qū)動逆向動力循環(huán)，將低溫熱能輸送至高溫狀態(tài)并存儲，從而獲得低溫冷能和高溫熱能；在放能階段，利用儲存的低溫冷能和高溫熱能驅(qū)動正向動力循環(huán)，依靠循環(huán)產(chǎn)生的機械能驅(qū)動發(fā)電單元放電。熱泵儲電的效率受蓄熱器和蓄冷器影響較大，而蓄熱裝置的特性又由儲能介質(zhì)決定，研究性能更好的儲熱材料是熱泵儲電的研究熱點。

 

　　文獻［新型熱泵儲電系統(tǒng)的設(shè)計方案 及其性能分析］基于新型相變?nèi)埯}膠囊的換熱特性，提出了一種新型熱泵儲電系統(tǒng)。結(jié)合對系統(tǒng)的熱力學性能與做功過程的分析，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)熱泵儲電系統(tǒng)相比，系統(tǒng)內(nèi)最高溫度降低了418 K，同時新型熱泵儲電系統(tǒng)儲能密度提高了221.8 kW·h/m³，降低了系統(tǒng)占地面積，減小了系統(tǒng)初期投資。

 

　　文獻［基于相變儲能介質(zhì)熱泵儲電 系統(tǒng)的模擬與分析］以相變材料為儲能介質(zhì)，以氬氣為工作流體，建立了一個基于逆向布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)，模擬分析了儲能密度、功率密度與往返效率等參數(shù)性能，結(jié)果表明：儲能密度相比顯熱材料提高了118.5%，往返效率達到63.1%，功率密度達到175.8 kW/m³，節(jié)約了約12%的初投資費用。

圖15熱泵儲電循環(huán)

 

　　熱泵儲電作為一種新型的大規(guī)模儲電技術(shù)，低成本、高效率以及高靈活度使得其在當前能源背景下有著較高的應(yīng)用潛力，但由于該技術(shù)尚不夠成熟，還需要進一步的深入研究來實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

 

　　03展望及結(jié)束語

 

　　在“雙碳”目標下，可再生能源得到大規(guī)模發(fā)展，基于不同能源進行整合優(yōu)化，利用各種先進供能技術(shù)實現(xiàn)對冷、熱、電負荷供應(yīng)的IES得到了深入研究。熱泵作為一種節(jié)能技術(shù)在IES中發(fā)揮著重要作用，本文將熱泵的作用分為供能與儲能2部分分別進行了簡單介紹。

 

　　（1）熱泵作為供能單元時，基于不同的能量來源可以分為空氣源、水源、土壤源以及余熱回收型熱泵，熱泵的使用明顯提高了系統(tǒng)的能源利用率，降低了系統(tǒng)的運行成本，減少了碳排放及運行成本。

　　（2）熱泵作為儲能單元時，能夠有效解決熱電聯(lián)產(chǎn)時的“以熱定電”問題，實現(xiàn)熱能的跨時間及空間利用，解決供需不匹配問題；同時可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)削峰填谷，消納可再生能源棄電，緩解地區(qū)性用電供需不平衡問題。

 

　　IES通過資源整合、協(xié)調(diào)優(yōu)化來促進可再生能源的消納與節(jié)能減排，提高能源的利用率。基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，熱泵在IES中的應(yīng)用聚焦于以下2個方面：一是根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)選擇適宜的熱泵來匹配IES，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行；二是根據(jù)不同熱泵與系統(tǒng)的耦合特性，對IES的容量配置及運行策略進行優(yōu)化研究，同時根據(jù)相關(guān)的示范工程，建立統(tǒng)一的評價體系，形成熱泵應(yīng)用的標準與規(guī)范，實現(xiàn)熱泵的模塊化運行，將是熱泵應(yīng)用的主要發(fā)展方向。

 

　　綜上所述，熱泵技術(shù)因其高效率及低排放在IES中有著廣泛地應(yīng)用。隨著IES的發(fā)展，熱泵與能源系統(tǒng)之間的耦合特性的研究尤為重要。熱泵與IES其他單元的靈活高效匹配運行需要在設(shè)備及系統(tǒng)2個維度進行優(yōu)化設(shè)計及調(diào)度，新型高效靈活低碳化熱泵技術(shù)及IES優(yōu)化設(shè)計調(diào)度將是未來的重點關(guān)注研究的領(lǐng)域。熱泵作為一種高效節(jié)能裝置，在供能及儲能方向都有著明顯的優(yōu)勢，將在“雙碳”目標下的IES中得到更多的應(yīng)用及推廣。