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構最大份額，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)域內的能源進行整合優(yōu)化，利用各種先進供能技術，滿足區(qū)域內用戶對冷、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結合，既提高了系統(tǒng)性能，也擴大了熱泵的應用場景，使熱泵成為IES中的關鍵設備之一。

 

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

 

　　01、IES及熱泵技術背景

　　傳統(tǒng)能源系統(tǒng)單一的能源結構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)調優(yōu)化，是解決上述問題的重要方法。

 

　　IES在一定區(qū)域內利用先進的物理信息技術和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現(xiàn)多種異質能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調規(guī)劃、優(yōu)化運行，協(xié)同管理、交互響應和互補互濟，在滿足系統(tǒng)內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是由供能網絡、能源轉換環(huán)節(jié)、能量儲存環(huán)節(jié)、終端綜合能源供用單元（微電網等）和終端用戶共同組成。

 

　　IES的能源轉換環(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，產能與用能難以協(xié)調，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中的相關研究及應用，將熱泵的冷-熱-電轉化能力與IES集成，最終實現(xiàn)工業(yè)及民用領域低碳化供冷供熱的目標。

 

　　02、熱泵在IES中的應用

　　熱泵技術因其高效率及低污染的特點在IES中得到了廣泛應用，根據(jù)熱泵在IES中的作用，將應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

 

　　隨著“雙碳”目標提出，我國能源結構持續(xù)優(yōu)化，清潔能源行業(yè)迅速發(fā)展。在諸多新能源技術中，空氣源熱泵技術以其低排放及節(jié)能性在農業(yè)、工商業(yè)、建筑和生活等領域得到了廣泛應用，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，具有較好的經濟效益以及環(huán)境效益。

 

　　文獻［綜合能源服務項目新增熱泵系統(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個方案的經濟性，結果為：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)的應用］介紹了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應用，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)的技術經濟性能分析］分析了空氣源熱泵與天然氣分布式能源耦合系統(tǒng)的技術經濟性能，根據(jù)設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%，具有較好的經濟效益。

 

　　空氣源熱泵利用空氣能供熱，應用范圍廣、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)結霜問題，需要設置除霜系統(tǒng)以提高熱泵效率。

 

　　1.2土壤源熱泵技術

　　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的研究已經比較成熟，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（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，最后結合地熱資源條件，確定了土壤源熱泵的設計參數(shù)。能源站的設計在滿足區(qū)域內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［北京市某科技商務中心區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃］以北京市某科技商務中心能源供應為例，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

 

　　土壤源熱泵技術的應用能夠提高系統(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

　　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，以其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)良性能得到了發(fā)展應用。

 

　　文獻［區(qū)域能源系統(tǒng)一次能源梯級利用優(yōu)化設計方法］以上海某商務區(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)產運行的經濟成本降低了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

 

　　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影響，需要注意機組的腐蝕問題。

 

　　1.4余熱回收熱泵技術

　　我國工業(yè)生產的能源效率為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水。分析結果表明，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%。余熱回收熱泵技術提高了能源利用率，降低了碳排放，有著較高的應用價值。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鍵。

 

　　1.5熱泵技術對比分析

 

　　不同熱泵技術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用最廣泛、技術研究最成熟的儲能技術，水作為常見的顯熱材料在低溫應用領域以及大規(guī)模儲能中得到了大范圍應用。

 

　　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，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調峰的應用難題。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，儲熱介質為循環(huán)工質。該熱泵在電網低負荷時儲存高溫循環(huán)介質，電網高負荷時利用儲存的高溫介質完成冷熱負荷供應，從而達到對可再生電力的消納，實現(xiàn)對電網主動調峰。

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)經濟效益分析］以鄭州市某商務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換、能量儲存在內的區(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)結構如圖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或設備將電能儲存，在需要的時候將所儲存能量轉化為電能釋放。儲電技術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)削峰填谷的關鍵技術之一。目前的儲電技術主要包括抽水蓄能、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。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。

圖14地源熱泵系統(tǒng)結構

 

　　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動正向動力循環(huán)，依靠循環(huán)產生的機械能驅動發(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)的設計方案 及其性能分析］基于新型相變熔鹽膠囊的換熱特性，提出了一種新型熱泵儲電系統(tǒng)。結合對系統(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［基于相變儲能介質熱泵儲電 系統(tǒng)的模擬與分析］以相變材料為儲能介質，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，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用潛力，但由于該技術尚不夠成熟，還需要進一步的深入研究來實現(xiàn)大規(guī)模應用。

 

　　03展望及結束語

 

　　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實現(xiàn)對冷、熱、電負荷供應的IES得到了深入研究。熱泵作為一種節(jié)能技術在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。

 

　?。?）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?；趪鴥韧庋芯楷F(xiàn)狀，熱泵在IES中的應用聚焦于以下2個方面：一是根據(jù)需求側響應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)相關的示范工程，建立統(tǒng)一的評價體系，形成熱泵應用的標準與規(guī)范，實現(xiàn)熱泵的模塊化運行，將是熱泵應用的主要發(fā)展方向。

 

　　綜上所述，熱泵技術因其高效率及低排放在IES中有著廣泛地應用。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備及系統(tǒng)2個維度進行優(yōu)化設計及調度，新型高效靈活低碳化熱泵技術及IES優(yōu)化設計調度將是未來的重點關注研究的領域。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中得到更多的應用及推廣。