随着我国经济的快速增长,能源需求和消耗逐渐增加,带来雾霾、温室气体排放等环境问题。有关数据显示,2018年中国碳排放量约为100亿t,其中建筑运行碳排放总量为21亿t,约占碳排放总量的21% ^[1]。在建筑能耗中,供冷供热系统与生活热水系统所占的比例接近60%,随着人民生活水平的提高,建筑供冷供热系统的能耗将呈现持续上升的趋势 ^[2],实现其高效节能显得尤为重要。

　　 合理利用可再生能源是实现我国节能减排目标的有效途径。到2050年,我国能源生产环节非化石能源占一次能源比例(能源清洁化率)将超过50%;在能源消费环节,电能在终端能源消费中的比例(终端电气化率)将超过50% ^[3]。根据欧洲理事会2014年以来的气候和能源协议,2030年欧洲可再生能源占一次能源消费比例需至少达到27% ^[4]。可见,未来化石燃料利用率逐渐减小,可再生能源利用率不断提高,将成为我国能源发展的主要趋势。可再生能源在建筑中的应用,尤其是建筑供冷供热消耗的能源由化石燃料向可再生能源转变显得尤为重要。

　　 热泵利用低品位可再生能源,通过电力驱动实现建筑供冷供热。相比常规空调系统,其能效比较高,可替代常规能源、减少化石燃料的利用、消纳可再生能源发电,是有效降低建筑能耗、促进终端用能清洁化、提高建筑可再生能源利用率的有效方式。

　　 截至2017年年底,我国地源热泵装机容量达2万MW,位居世界第一 ^[2]。2017年,我国销售了290万台空气源热泵,比2016年增加了43.7%,预计未来5年我国空气源热泵市场将持续以超过20%的年增长率增长 ^[5]。此外,我国目前仍然是全球空气源热泵应用最广泛的区域之一 ^[6]。热泵由于其高效节能的特点,在我国得到了迅猛的发展。

　　 随着建筑供热和供冷趋于电力化(热泵为重要技术手段),建筑蓄能的需求逐渐增大。其主要受以下2个方面的影响:1) 供冷供热及生产生活等因素,我国电力消耗呈现不均衡现象;2) 可再生能源(风能、太阳能和水能)不连续性和时效性的特点,加剧了能源生产和能源需求不平衡的现象,弃风、弃光等成为我国可再生能源发展的顽疾。2018年,我国平均弃风、弃光率分别为7%和3% ^[7],且风光资源丰富的地方,弃风、弃光率仍然高于合理水平。

　　 利用热泵蓄能耦合系统实现建筑的供冷供热,可提高建筑的可再生能源利用率、降低建筑能耗,同时通过移峰填谷,有利于降低系统的运行费用,并实现电网的平衡调度,在我国建筑供冷供热中具有较好的应用前景。

　　 本文以热泵蓄能耦合系统为对象,介绍其在设计优化、运行控制优化、测评、蓄能装置和新型设备研发、系统集成应用、建筑灵活性应用等方面的研究进展及存在的问题,展望其在未来建筑能源系统中的发展方向。

　　 空气能和地热能是热泵蓄能系统常用的2种可再生能源形式。热泵蓄能系统通过热泵系统,将低品位热源转化为用户可以直接利用的高品位热源;同时,在电力低谷时段或低品位热源丰富的时段运行,通过蓄能系统将产生的高品位热能储存在某种介质中,在需要时释放出来。通过采用热泵蓄能耦合系统可以实现建筑高效节能供冷供热、平衡电网负荷。

　　 图1为以电为中心的“热泵+蓄能+光伏+微电网”建筑能源网络系统图,从图中可以看出热泵蓄能系统通过与电力耦合衔接,以热泵作为电力消耗设备,在电力低谷时期进行蓄冷蓄热,在峰电时期释冷释热,实现建筑供冷供热。热泵和蓄能承载着电力和热力系统衔接的重要角色,可以较好地实现能源系统互联互通、调度平衡。

　　 目前热泵蓄能耦合系统种类较多,包括热泵冰蓄能系统、热泵水蓄能系统、热泵相变蓄能系统等。其中地源热泵水蓄能系统形式较为简单、控制操作方便,既可以实现蓄冷又可以实现蓄热,在热泵蓄能系统中得到了广泛的应用。

　　 本文以地源热泵水蓄能耦合系统为例,介绍热泵耦合系统的基本组成。图2所示为一个典型热泵蓄能耦合运行的供冷供热系统,系统采用地源热泵,夏季供冷、冬季供热,在电力低谷期热泵机组利用消防水池或蓄能水箱蓄冷或蓄热。热泵蓄能耦合系统存在4种运行模式,分别为热泵直接供冷供热、热泵和蓄能罐联合供冷供热、蓄能罐单独供冷供热和热泵向蓄能罐蓄冷蓄热。

　　 国内外学者对热泵蓄能耦合系统的设计优化开展了多方面的研究,研究方向主要为系统最佳蓄能率、优化配置及水箱布置等。射场本忠彦等人采用热泵水蓄冷耦合系统实现建筑夏季供冷,项目充分利用温度分层型水蓄冷槽蓄冷,蓄冷水温度为4 ℃,水蓄冷槽的应用能满足每年制冷需求的40%左右 ^[8]。凌继红等人构建了地源热泵水蓄能耦合系统综合性评价指标,并以该综合性评价指标为目标基准,得出了系统的最佳蓄能率 ^[9]。杨静模拟分析了蓄冷蓄热装置不同蓄能率下的运行效率和经济性,得出系统运行20 a后,蓄冷率25%、蓄热率40%时系统运行性能和经济性较好 ^[10]。赵富强采用数值模拟软件对所设计的热泵蓄能耦合系统的蓄能水箱进行了冷热水瞬态模拟,发现在水箱中设置分隔能够很好地减少冷热水的混合,具有较好的冷热水分层效果 ^[11]。

　　 由于热泵蓄能耦合系统的应用场景、可再生能源条件和能源需求等各不相同,项目设计需要针对性地开展设计优化研究,包括:可再生能源调研、负荷匹配优化、蓄能装置优化等。笔者所在团队开展了多项热泵蓄能耦合系统优化设计工作。例如针对无锡软件园提出了污水源热泵+蓄能+辅助冷源的供热供冷系统设计方案。方案从污水资源数据调研及论证、蓄冷蓄热技术设计、异形蓄冷蓄热水池优化设计、热泵蓄能系统优化运行模式等方面展开了研究。该项目利用原有地下车库空间建设蓄冷蓄热水池,水池形状非常不规则,导致布水器设计复杂,在详细计算的前提下,进行了布水器蓄冷和蓄热工况的优化设计。项目通过整体优化设计,削减装机容量20%以上,系统冬季综合性能系数COP达到3.25,夏季综合性能系数COP达到4.02。

　　 为实现热泵蓄能系统的高效运行,应合理制定热泵蓄能系统的运行策略,并对其后续运行效果进行合理测评。

　　 合理的热泵蓄能系统运行控制策略在满足蓄热负荷需求的条件下,可以最大限度地利用峰谷电价,节省运行费用,平衡电网负荷 ^[12]。这方面目前的研究主要集中在分负荷阶段的系统优化控制。尹建杰等人在满足建筑负荷需求的前提下,以系统日运行费用最低为目标函数,采用动态规划法求解得到热泵蓄能系统的优化控制策略 ^[13],该方法根据负荷分布对地源热泵机组和蓄能装置进行合理的优化控制,可有效降低运行费用和转移高峰用电。李倩如针对地埋管地源热泵水蓄能系统提出了一种基于三阶段(包括:子系统优选过程、子系统设备运行模式、设备运行参数优化)决策过程的运行策略优化方法,针对每个过程确立了阶段目标,详细介绍了达到阶段目标的具体实施路线,并结合实际工程得到不同负荷条件下系统的运行策略 ^[14]。石玉香等人以某药厂地源热泵结合水蓄冷空调系统实际应用为例,介绍了该工程各种负荷时段的运行策略 ^[15]。目前国内很多工程通过采用热泵蓄能耦合系统优化运行,利用峰谷电价很大程度上降低了系统的运行成本。但大部分优化策略并未做到系统的全局优化,且耦合系统通过优化运行对电网侧和移峰填谷的实际影响较少涉及。

　　 完善的测试和评价方法,可以评价热泵蓄能系统的运行效果,从而优化系统运行,提高系统的整体性能。陈进等人从能效和经济2个方面提出了蓄能空调系统的主要技术评价指标、计算方法和测试方法 ^[16]。屈岩等人对热泵蓄能空调多个工况的蓄热和释热过程进行了测试,并对其经济性进行了分析 ^[17]。然而蓄能系统的测评需要更长的测试周期、更多的测试数据和更全面的测试评价方法。目前国内还缺乏针对蓄能空调行业统一规范的测试和评价方法,影响了蓄能空调工程的运行效果和进一步推广。

　　 笔者所在团队会同有关单位制订了中国工程建设标准化协会标准《蓄能空调工程测试与评价技术规程》。该规程对蓄能空调系统蓄能装置性能测试、冷热源设备性能测试和蓄能-释能周期的联合运行测试作出了规定,从而为蓄能空调工程的运行测试和效果评价提供了技术依据。该标准将于近期发布。笔者所在团队以该规程为基础,开展了多项蓄能空调系统的测试项目,并根据测评结果对其后续优化运行提出了意见。表1为北京某水蓄冷系统的测试评价结果,通过对其空调系统蓄能装置性能测试、冷热源设备性能测试、蓄能-释能周期的联合运行测试,获得了该蓄能系统运行评价指标。

　　 根据测试结果,为运营单位提供了运行优化建议,包括:校准监控系统传感器、优化制冷机组运行、优化末端和二次泵运行、提高蓄能装置利用效率等。同时,建议后期采用监控系统对主要评价指标进行长期监测,进一步优化系统运行 ^[18]。

　　 为提高热泵蓄能耦合系统的高效性和适用性,国内外学者针对热泵蓄能耦合系统的蓄能装置和新型设备陆续开展了研发,并先后出现了热泵相变蓄能系统(heat pump cooling and heating system with phase change material,HPS with PCM)、热泵耦合建筑物蓄能(heat pump cooling and heating system with building thermal mass,HPS with BTM)等多种形式的新型热泵蓄能耦合系统。新型装置和设备的研发基于热力学和传热学基本原理,改变设备的运行工况和运行模式,提升系统的能效和适用范围。

　　 目前就热泵相变蓄能系统而言,其研究主要集中在相变蓄能装置能效提升、新型高效热泵相变蓄能设备开发方面。Agyenim等人通过改进相变蓄热装置,提高了其传热性能,并与空气源热泵机组耦合实现了英国普通建筑的供热,该蓄热装置可以减少30%的机组装置容量 ^[19]。郑龙提出了一种新型空气源热泵相变蓄能装置联合供暖系统,该系统采用全相变材料进行蓄热,有效解决了热量供需在时间、空间、强度上的不协调 ^[20]。康利改研发了一种地源热泵与相变蓄热地板供暖结合的热泵相变蓄能系统,分析了供水温度、相变温度、相变半径、相变材料的填充量及盘管间距等因素对系统性能的影响 ^[21]。

　　 热泵耦合建筑物蓄能系统可在低谷用电期间,通过热泵将能量以冷热的形式存储在建筑物的围护结构中,在需要时释放出冷热量。丹麦一项关于热泵区域供暖的研究表明,在发电量较低的时期,通过利用热泵耦合建筑物蓄能可以消纳风力涡轮机产生的多余电力的20%,有效减少燃料的使用 ^[22]。

　　 目前,国内外关于热泵耦合系统种类的研究较多,主要为热泵相变蓄能系统、热泵耦合建筑物蓄能系统,但关于此类设备稳定性、持续性、不同系统之间的差异及优劣的对比研究较少。

　　 在蓄能装置和新型设备研发方面,笔者所在团队开展了研究。所研发的一种新型空气源热泵蓄能耦合供冷供热系统,可以通过空气源热泵技术高效利用光伏电能,转换为冷热量储存在相变蓄能材料中,用于给用户供冷、供暖和供热水,使光伏能源就地消纳、高效使用。同时,辐射末端改变热泵工作点,大幅度提升系统能效的同时扩大了系统对源侧温度的适应范围。新型热泵相变蓄能供冷供热系统原理图见图3,其中,系统的蓄能单元采用相变蓄能材料铺设在地面的毛细管网上,地面毛细管网循环热、冷水(或制冷剂),用于给蓄能单元蓄热或冷。根据初步分析与测试,将该新型系统应用于北京某办公建筑,冬季供暖费用约为13.33元/m²,较燃气供暖运行费用可降低74%;夏季供冷费用约为11.11元/m²,较家用分体式空调运行费用降低约70%。

　　 笔者所在团队作为国际能源署热泵技术(IEA HPT)国家代表单位,代表中国参加了IEA HPT Annex55会议。该会议主要目的为:1) 加快热泵蓄能系统开发,以促进其在不同气候区的应用;2) 开发质量优良、价格和尺寸合理的热泵蓄能系统;3) 推动热泵蓄能系统测试与评估工作。

　　 目前Annex55正在开展之中,已经取得部分成果。其中,Battaglia等人研发了一种小型地源热泵、热能存储、电力存储和光伏耦合的系统 ^[23](如图4所示),并分析了不同控制策略下该系统的经济性和可再生能源的消纳能力。研究结果表明,单独采用热能存储时,系统从电网采购电量可减少11%,当热能存储和电力存储相结合时,系统从电网采购电量可减少43%。同时研究人员提出了优化热泵和蓄能系统控制策略,如图5,6所示 ^[24]。在智能控制策略的帮助下,通过最大化光伏自用来最大程度地减少从电网汲取的电能,电网峰值负荷减小了50%,可再生能源利用比例达到了73%。

　　 Justin提出利用建筑物的热惰性储存热量,可有效缓解电网尖峰问题,并给出了加拿大不同气候区域不同类型建筑所需的热存储量建议值 ^[25]。Andreas通过热泵、蓄热水箱和光伏的组合,实现改造建筑物供冷供热,并对系统组合水箱进行了优化;在智能控制策略的帮助下,通过最大化光伏自用以最大程度地减少从电网汲取的电能,与定义的参考系统相比,减少了25%的电网能耗 ^[26]。

　　 在未来能源系统的低碳需求带来的电气化浪潮下,大量分布式可再生能源将接入电网,但由于电网承载能力无法消纳,将导致严重的弃峰现象,造成电网不稳定。对于低能耗建筑,这种现象更加严重。Baetens等人研究表明,一个具有33栋近零能耗建筑的社区,采用光伏发电、热泵供暖,该系统由于未进行建筑需求侧灵活性调配,弃光率达到47% ^[27]。因此,有必要采取控制措施,使能源生产和消纳相互匹配,最直接的方式为扩大电网容量,但这意味着电网投资成本的增加和资源利用率的进一步降低。需求侧响应(demand response)既增加了建筑的能源灵活性,有效解决可再生能源就地消纳问题,又避免了电网的增容,增加可再生能源应用比例。

　　 在此背景下,国内外研究人员持续关注建筑灵活性(也称柔性),及其对能源系统的调节和平衡作用。建筑的能源灵活性(building energy flexibility)是指根据当地的气象条件、用户和电网需求,合理管理生产和消耗能源的能力 ^[22]。因此可以根据周围的能源网络实际情况,进行建筑的需求管理和负荷控制,从而提高建筑的灵活性。建筑物的冷热需求具有波动性,极大地提高了建筑能源系统需求的灵活性。热泵耦合蓄能的应用可以使得建筑能源消耗变被动为主动,从而加强电网乃至能源系统灵活性。

　　 热泵蓄能系统对建筑灵活性调节研究主要集中在调控策略方面。Vanhoudt等人针对配置有光伏和风力涡轮机的居住建筑,开发了一种热泵主动控制策略,这种主动控制可以限制建筑物的峰值功率需求,并最大化自耗本地产生的可再生能源电力 ^[28]。通过搭建实测平台,研究人员分析测试了热泵系统的柔性潜力。经过供暖季两周的测试发现,当前的热泵控制器能够消除建筑物的能耗峰值。Masy等人针对配备有智能微网的空气源热泵蓄能系统的需求侧灵活性研究表明,在保证室内舒适性的条件下,可降低用户消费成本13%,负荷转移量达到了12% ^[29]。

　　 尽管目前已经对智能电网中的建筑物进行了很多研究,但是关于建筑物中的能源灵活性如何能够帮助稳定未来的能源系统并从而促进可再生能源的大规模普及的研究仍处于早期阶段,且在欧洲,建筑灵活性的应用仍然很少,主要集中在工业用户 ^[30]。

　　 近年来,随着我国建筑能效水平的逐渐提升,其能源消耗量逐渐降低,建筑负荷呈现出负荷峰值和累计值大幅度降低、时空分布更加不均匀、冷热负荷趋向于多样性的特征,这就导致集中供冷和供热系统中输配能耗占比增大,因此形成以电为中心的分布式建筑能源系统是未来建筑用能的主要形式。热泵技术在利用低品位热能的同时,可以灵活消纳电力,尤其是可再生能源生产的电力,并产生热量或冷量 ^[31]。采用蓄能技术、实现能源的产用一体化,通过智慧能源网络进行可再生能源的存储、消纳和转移,实现建筑的近零能耗或零能耗。

　　 智能电网能够监视和控制每个用户和电网节点,保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动,高效实现电力的平衡和调度 ^[32]。而通过热泵蓄冷蓄热方式可以解决建筑冷热负荷与电力负荷不平衡问题,削峰填谷,同时电能难储存、易输送,冷热量具有易储存、不易输送的特点,充分利用二者良好的互补性,应用热泵蓄冷蓄热技术大规模消纳弃峰电,对提升我国可再生能源结构比例具有重要意义。基于智能电网技术,使得供电侧与热泵蓄冷蓄热系统相互配合、高效联动,缓解地区性用电供需不平衡,同时实现建筑供热供冷清洁化、可持续化发展。