电驱动热泵技术在为建筑提供清洁冷热的同时，也成为了与电网协同、消纳清洁电力的关键环节。本文以电驱动热泵技术为核心，冬季供热采用中深层地埋管提供高品位低温热源，夏季供冷结合冷却塔技术构建高效冷热供应系统。在此基础上结合用户侧蓄能技术，实现日间冷热蓄存，同时以充分消纳本场光伏发电及市政清洁电力为目标提出了系统的设计方法与运行控制策略。随后以我国某大型公共建筑为例开展了定量分析，以明确其实际节能减排效果。

　　关键词

　　中深层地埋管热泵系统；蓄能系统；清洁电力；设计方法；控制策略

　　作者：

　　彭晨玮¹  邓杰文¹  朱超²  李骥³  孔维政⁴  李建峰⁵ 强文博¹  魏庆芃¹

　　1.清华大学；

　　2.国网陕西省电力公司电力科学研究院；

　　3.中国建筑科学研究院有限公司；

　　4.国网能源研究院有限公司；

　　5.陕西四季春清洁热源股份有限公司

　　引言

　　电驱动热泵技术以其分布灵活、清洁高效的特点，成为了城乡建设领域节能低碳转型的关键助力。与此同时，电驱动热泵技术的应用，推动了建筑领域终端用能电气化的进程，使得建筑能够与电网更加充分协同，起到充分消纳清洁电力的作用。但在应用过程中，仍然存在着诸多实际问题。运行性能方面，相关研究表明，电驱动热泵技术仍然存在着管网漏热损失大、供热能耗偏高、系统运行性能不佳等共性问题，以及空气源、浅层地源等低温热源品位较低、运行不稳定等特性问题，影响了其长期运行效果并限制了其推广应用。与电网协同方面，由于建筑冷热供应需求与清洁电力生产规律的不匹配，增加了电网供应负担，并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。因而提升电驱动热泵技术的运行性能，并实现其与电网的协同匹配成为了建筑领域及电力生产领域亟待解决的关键问题。

　　近年来，随着勘探技术的提升，中深层地埋管热泵供热技术在我国北方地区得到了一定的推广应用。该技术通过中深层地埋管间壁式换热的方式提取中深层地热能，为电驱动热泵技术提供稳定、高品位的低温热源，实现为建筑物持续高效供热。同时结合成熟稳定的冷却塔技术，即可构建高效冷热供应系统。在此基础上，针对建筑冷热供应需求与清洁电力生产规律不匹配的问题，采用蓄能技术将建筑供热需求与热源供给能力解耦，即可根据电网清洁电力生产规律灵活调控热泵系统，实现提升热泵系统运行性能、平衡电网负荷、消纳清洁电力的多重作用。此外，随着电网清洁电力比例的不断提升，充分发挥蓄能系统的优势成为了清洁电力消纳的核心所在，近年来电驱动热泵蓄热供热技术在全球范围内得到了深入研究与广泛应用。因此，本文提出了面向清洁电力消纳的电驱动热泵蓄能系统，并以充分消纳本场光伏发电及市政清洁电力为目标提出了系统的设计方法与运行控制策略，随后以我国某大型公共建筑为例开展了定量分析，以明确其实际节能减排效果。

　　研究案例基本情况分析

　　1.1 项目概况及负荷特征分析

　　以我国北方寒冷地区某大型公共建筑为例开展研究，总建筑面积约48.9万m2。该建筑所在地以冬季干冷漫长、夏季湿热多雨、春秋两季短、干湿季节分明为特征。供暖季为11月1日至次年3月31日，供冷季为5月1日至9月30日。夏季空调室外计算温度为31.5 ℃，冬季空调室外计算温度为-12.8 ℃。基于设计单位提供的负荷计算结果，对该建筑全年冷热供应需求开展分析，结果如图1所示。该建筑尖峰热负荷为28258kW，折合单位面积热指标为57.8W/m²。尖峰冷负荷为47993kW，折合单位面积冷指标为98.2 W/m²。供暖季累计供热量为3785.7万kW·h，折合单位面积年累计供热量为77.4 kW·h/m²（0.28 GJ/m²）。供冷季累计供冷量为4309.5万kW·h，折合单位面积年累计供冷量为88.1 kW·h/m²。

　　对全年逐时冷热负荷进行统计分析，结果如图2、3所示。该建筑全年热负荷大部分都集中在小于2万kW的区间，仅293h热负荷大于2万kW，占比8.37%。全年冷负荷大于4万kW的时间仅有73h，占比2.81%，而全年冷负荷率预计有33.7%的时间低于25%。因此对于冷热源系统的设计选型，需要从容量搭配、系统高效运行调控等方面考虑提升全年平均负荷率，避免出现机组过低负荷率运行导致效率偏低的问题。

　　1.2 低碳冷热供应需求分析

　　在明确建筑全年逐时冷热供应需求后，拟采用中深层地埋管热泵供热技术实现清洁高效供热，同时利用热泵机组结合冷却塔，实现夏季高效供冷，从系统配置和高效运行的角度进行精细化设计，以期实现冬季供热、夏季供冷系统能效均达到5.0以上的运行目标。在此基础上，结合蓄冷/蓄热技术，实现本场光伏发电与市政清洁电力的充分消纳，进一步打造近零碳运行冷热源系统。

　　该建筑处于北半球中纬度地理位置和高原性的地理环境，全年水平面太阳总辐照量超过1400kW·h/m²，属于我国太阳能资源二类区域。为了进一步构建面向清洁电力的中深层地埋管热泵供能系统，基于PVsyst软件，采用以结果为导向的设计方法，对空调冷热源系统所需清洁电力总量进行测算分析。如图4所示，根据该建筑全年冷热消耗、系统运行能效计算得到该建筑冷热源全年耗电量约为1702万kW·h。

　　基于PVsyst软件对光伏并网系统进行设计与模拟，采用固定朝向采光面的安装方式，根据年辐照总量对系统进行优化。经计算，满足该建筑能源站全年用电需求的光伏装机总容量达到12.13MW，对应的光伏铺设面积为67000m²。经测算，该光伏铺设面积占全场光伏可铺设面积的9.0%，具有可实施性。图5给出了满足全场用电需求下铺设光伏的全年逐时发电量。

　　光伏发电虽然从全年总量上可以满足冷热源用电需求，但如图6所示，从实时用电的角度看，光伏发电量与冷热源用电需求存在较大的时间不匹配问题。特别是在供热季，建筑供热需求较大的阴雨天，往往光伏发电量不足。因此，如何协调光伏发电与市政电力的使用，实现本场光伏发电为主、市政清洁电力为辅，进而实现冷热源系统净零排放用能，成为该项目需要解决的关键问题。为此，结合用户侧蓄能技术，通过蓄热与蓄冷的方式将建筑冷热需求与冷热源制备能力解耦，从而在满足建筑连续的冷热供应需求的基础上，根据光伏发电、市政清洁电力生产规律，有序调节冷热源用电需求，降低系统碳排放与运行成本。而未消纳的光伏发电，则由其他机电系统消纳使用，实现光伏发电全部本场消纳的目标。

　　面向清洁电力消纳的热泵蓄能系统设计

　　如前所述，笔者充分利用中深层地埋管热泵供热技术的高效供热特征，结合冷却塔技术与用户侧蓄能技术，以充分消纳本场光伏发电及市政清洁电力为目标构建热泵清洁供能系统。图7为该系统示意图，该系统主要包括中深层地埋管、冷却塔、冬夏两用热泵机组、用户侧蓄能水箱及相应水系统。系统利用用户侧蓄能水箱将建筑冷热供应需求与制备端解耦，通过系统的间歇蓄冷/蓄热、放冷/放热运行来满足项目建筑末端连续供冷/供热的需求。

　　2.1 系统设计方法

　　在中深层地埋管热泵供热技术的基础上，搭配光伏发电技术将太阳能转化为零碳电力，驱动中深层地埋管热泵系统结合冷却塔实现为建筑零碳供冷供热，同时利用蓄能水箱将末端连续的用冷用热需求与冷热源侧解耦，根据太阳能光伏的发电情况及市政电网清洁电力的生产输送情况，灵活选择开机运行时间，充分制取冷热量并储存于蓄能水箱中，即可通过间歇运行满足建筑用户连续的供冷供热需求，从而实现对零碳清洁电力的充分消纳，进一步实现零碳供冷供热。

　　图8为该建筑中深层地埋管热泵蓄能系统的设计和运行控制策略流程图，具体设计步骤包括：

　　1） 根据建筑所在地气象条件及建筑功能，结合全年太阳辐照度、项目峰谷平电价时段及光伏可发电时段，得到日累计供冷供热需求及日累计光伏发电量作为输入条件，开展逐日蓄冷蓄热量、供冷供热系统耗电量、光伏发电余量及需要从市政电力补充的清洁电力量的计算。

　　2） 在日累计光伏发电量全部驱动中深层地埋管热泵清洁供能系统的情况下，进一步得到日累计制冷/制热能力，如式（1）所示，结合铺设的光伏年发电量，以及选取的冷热源系统的COP，开展逐日制冷/制热量的计算。

　　式中 Ws,d为日累计光伏发电量，kW·h。

　　3） 根据建筑的日累计光伏发电量、日累计制冷/制热能力、建筑当日累计供冷/供热需求、有太阳时段建筑累计供冷/供热需求等参数，按照不同逻辑运行系统。具体运行控制策略将在2.2节中进一步介绍。

　　4） 通过上述步骤1）~3）可确定逐日蓄冷/蓄热量，统计得到日累计最大蓄冷/蓄热量。选取一定设计蓄水温差（该建筑中蓄冷温差取7 ℃，蓄热温差取25 ℃），即可计算得到蓄能水箱体积。

　　5） 以最大蓄冷/蓄热需求确定热泵供能系统的装机容量。

　　6） 明确建筑所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，计算单根中深层地埋管累计取热量的推荐值，进而根据需求的累计取热量确定中深层地埋管数量及一个?？榛低衬艹械５墓┠苊婊?。

　　7） 结合供冷/供热尖峰负荷，以用户侧供回水温差确定用户侧水泵装机容量，以蓄能供回水温差确定蓄能水泵装机容量，以中深层地埋管供回水温差确定冷热源侧水泵装机容量。

　　2.2 运行控制策略分析

　　在日间充分利用太阳能光伏发电，驱动系统向蓄能水箱中蓄能，并用剩余电力满足项目内其余功能的要求。而针对夜间或者阴天情况，提前预测并利用多余的光伏电力或结合电网谷电进行蓄能。在需要时由水箱放冷放热以满足建筑的需求。下面针对系统具体的运行控制策略进行分析。

　　1） 若日累计制冷/制热能力Qs大于建筑当日累计供冷/供热需求Qd，则在日尺度上存在光伏发电量的结余，建筑有太阳时段累计供冷/供热需求Q1由光伏发电直接驱动系统来满足，而建筑在无太阳时段的累计供冷/供热需求Q2由光伏发电阶段利用水箱蓄存的冷热量来满足。此时水箱累计蓄冷/蓄热量Qh,s用式（2）计算，光伏剩余发电量Ws,e用式（3）计算。

　　2） 若日累计制冷/制热能力Qs小于光伏系统有太阳时段累计供冷/供热需求Q1，则需要在电网电力谷价阶段进行蓄冷/蓄热，以满足该日剩余的累计供冷/供热需求，而电网电力谷价阶段累计供冷/供热需求Q3则由市政电力驱动冷热源系统直接供应。此时水箱累计蓄冷/蓄热量用式（4）计算，电网电力谷价阶段使用量Wo用式（5）计算。

　　3） 若日累计制冷/制热能力Qs大于光伏系统有太阳时段累计供冷/供热需求Q1，但小于电网非电力谷价阶段累计供冷/供热需求Q4，则光伏发电时段剩余的电量应该以冷量/热量的形式蓄存，同时在电力谷价阶段同步进行蓄冷/蓄热，以满足非电力谷价阶段不足的供冷/供热需求，而电网电力谷价阶段累计供冷/供热需求Q3则由市政电力驱动冷热源系统直接供应。此时水箱累计蓄冷/蓄热量用式（6）计算，电网电力谷价阶段使用量用式（5）计算。

　　4） 若日累计制冷/制热能力Qs小于建筑当日累计供冷/供热需求Qd，但大于电网非电力谷价阶段累计供冷/供热需求Q4，则系统剩余的光伏发电量驱动冷热源系统进行蓄冷/蓄热，电力谷价阶段累计供冷/供热需求Q3则由市政电力驱动冷热源系统直接供应，电力谷价阶段无需进行蓄冷/蓄热。此时水箱累计蓄冷/蓄热量用式（7）计算，电网电力谷价阶段使用量用式（5）计算。

　　中深层地埋管热泵蓄能系统应用效果分析

　　3.1 项目实际应用效果分析

　　根据负荷模拟结果进一步对中深层地埋管热泵蓄能系统进行设计。对热源系统，该项目供热季累计供热量为3785万kW·h，折合13.6万GJ。考虑到热泵供热系统平均能效达到5.0，则全年供热量中有10.9万GJ来自于中深层地热能。结合项目所在地地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2 ℃计算得到每根中深层地埋管供暖季累计取热量为3000GJ，该项目共需建设37根2500m的中深层地埋管。由于该项目采用蓄能运行，热泵系统供冷、供热装机容量需根据蓄能尖峰需求确定。

　　结合2.1节中的系统设计方法对冷热蓄能系统进行设计分析。供冷工况下蓄能水箱设计供回水温差为7 ℃（4 ℃/11 ℃），供暖工况下蓄能水箱设计供回水温差为25 ℃（40 ℃/65 ℃）。根据系统运行控制策略计算出逐日蓄冷/蓄热量，进一步计算出蓄能水箱体积延续图，如图9、10所示。结合实际情况，该建筑蓄冷工况下最终选取不保障5%天数，即水箱容量为8588m³，设计蓄冷量为69806kW·h。而蓄热工况同样选取不保障5%天数，即水箱容量为7595m³，设计蓄热量为220453kW·h。综合考虑两者，该建筑设置蓄能水箱容量为8500m³。

　　随后根据该建筑蓄冷/蓄热需求，计算得到热泵系统供热装机容量为40MW，供冷装机容量为48MW。为灵活匹配冷热供应需求的变化，该建筑最终设置4台10551kW冷热双用热泵机组及2台3165.3 kW冷水机组。

　　根据设计的装机容量及建筑的冷热需求，对供暖季和供冷季逐日耗电量情况进行统计分析，结果如图11所示?？梢钥闯觯汗┡纠奂坪牡缌课?57万kW·h，用电高峰大约在12月中旬到次年1月中旬；供冷季累计耗电量为862万kW·h，用电高峰则在7月中旬到8月中旬。

　　进一步结合系统运行控制策略，对该建筑供冷季、供暖季清洁电力剩余情况及市政电力补充情况进行统计分析，结果如图12、13所示?？梢钥闯觯涸诠├浼荆糠值湫腿沾嬖诠夥⒌缌咳笨凇⑿枋褂檬姓缌η渌橹惫┎钩渫?，大部分时间光伏发电量均满足使用需求，在供冷季初期和末期存在大量的剩余电力；在供暖季，剩余光伏发电量多存在于初、末寒期，而市政电力的消纳集中在12月下旬至次年1月上旬供热高峰期。结合上文电量需求侧和供给侧的“剪刀差”分析可以发现，从季节尺度出发，夏季为光伏发电峰值期，冬季为光伏发电低谷期，而由于供暖电气化转变，用电量峰值多出现在冬季，夏季、过渡季用电量相对较低。未来也可以通过与电网的协同，帮助电网消纳绿色电力，解决不匹配缺口。

　　3.2 节能减排效益对比分析

　　根据前面的分析可知，该建筑供热侧累计供热量为4015.2万kW·h，热泵机组装机容量为40995kW，而供冷侧累计供冷量为4420万kW·h，冷水机组装机容量为47992kW。在相同供热量和供冷量下，与常规的供能方案进行经济效益与节能减排效益对比，表1给出了初投资估算方法，表2给出了投资对比结果，表3给出了碳排放对比结果。针对冷热供应系统选取了4种方案：方案1为上述介绍的光伏发电驱动中深层地埋管热泵蓄热系统，其中因该建筑全场全年发电量大于等于需求电量，因此系统运行费用为0；方案2为使用市政电力的常规中深层地埋管热泵系统；方案3为常规的燃气锅炉供热系统与常规水冷冷水机组供冷系统；方案4为使用市政电力的常规电锅炉供热系统与常规水冷冷水机组供冷系统。

　　该建筑不同方案的节能减排效益及初投资计算中设定的系统运行输入条件分别为：对于供热工况，中深层热泵系统供热能效为5.0，燃气锅炉供热效率为1.0，电锅炉供热效率为0.95，而燃气锅炉及电锅炉系统用户侧水泵输送系数取为50；对于供冷工况，常规高效冷水机组供冷系统能效为5.0。计算得到各方案建设成本及全年运行费用如表2所示。

　　经计算，方案1的初投资为2.48亿元，投资加15年运行总费用共2.48亿元；方案2的初投资为2.02亿元，投资加15年运行总费用共4.55亿元；方案3的初投资为1.34亿元，投资加15年运行总费用共2.78亿元；方案4的初投资为1.64亿元，投资加15年运行总费用共9.30亿元。虽然该建筑选取方案1的初投资明显高于其他方案，但若进一步结合运行费用进行估算，充分考虑各系统运行效率及能源转换率等，可以看出该方案大大节省了系统的运行费用。进一步，分别以其余每一方案为基准进行方案1的增量投资回收期计算。可得以方案2为基准，方案1的增量投资回收期为3.4 a；以方案3为基准，方案1的增量投资回收期为5.7 a；以方案4为基准，方案1的增量投资回收期为2.0 a。因此，该建筑选择的系统从投资和长期运行的角度分析是最合适的。

　　各方案全年碳排放及一次能源消耗量如表3所示。此处采用碳排放因子法进行核算，该核算方法根据碳排放清单，以活动数据和排放因子的乘积作为该类排放源头排放量的估算值，具体参数遵循GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》。其中该建筑选取的方案1，因为采用近零碳目标倒逼的设计方法，从全年广义的角度来看，该系统的一次能源消耗量和二氧化碳排放量都为0，虽然实际上系统仍然会存在一定的碳排放量，但从节能减排的角度分析，该建筑选择的系统仍是最合适的。

　　结论

　　本文以我国寒冷地区大型公共建筑为例，以净零碳运行为目标对冷热源系统进行了设计分析，主要结论如下：

　　1） 该项目位于我国寒冷地区，供暖季尖峰热负荷为28258kW，累计供热量为3785.7万kW·h；供冷季尖峰冷负荷为47993kW，累计供冷量为4309.5万kW·h。为降低冷热源运行能耗及碳排放，采用以中深层地埋管热泵供热技术为基础的高效供热系统，同时利用热泵机组结合冷却塔，实现夏季高效供冷，从系统配置和高效运行的角度进行精细化设计，以期实现冬季供热、夏季供冷系统能效均达到5.0以上的运行目标。

　　2） 在此基础上，充分利用公共建筑表面、园区空地铺设光伏系统，是实现冷热源用电零碳化的关键所在。该项目设计光伏装机总容量达到12.13MW，光伏发电从总量上满足冷热源用电需求。结合用户侧蓄能技术，通过蓄热与蓄冷的方式将建筑冷热需求与冷热源制备能力解耦，从而在满足建筑连续的冷热供应需求的基础上，根据光伏发电、市政清洁电力生产规律，有序调节冷热源用电需求，降低系统碳排放与运行成本，进一步实现零碳供冷供热。

　　3） 经济效益方面，本文所提出的中深层地埋管热泵蓄能系统的增量投资成本，相较常规能源系统的静态投资回收期短于6a，每年减少二氧化碳排放超过1.49万t，节能减排效益显着。