馮國會，李艾濃，常莎莎，黃凱良，張 磊

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

熱泵技術實現(xiàn)了能量從不同品位上的轉移，谷電蓄熱技術實現(xiàn)能量從時間上的轉移。因此將熱泵與谷電蓄熱技術結合起來，可以平衡建筑用能和有效地利用低品位能源。然而，蓄熱技術結合峰谷電價雖然能夠節(jié)省一定比例的電費，但需要根據(jù)建筑負荷運行特點，合理選擇其設計匹配模式，才能充分發(fā)揮熱泵與谷電蓄熱技術的優(yōu)勢[1]。黃鑫等[2]確定電蓄熱供暖用蓄熱水箱的有效體積的計算公式，給出了電蓄熱供暖蓄熱水箱有效體積對應建筑面積的估算指標。郭鐵明等[3]根據(jù)供冷期負荷出現(xiàn)比例的累計分布，選擇適合的蓄冷方式和運行策略。郭嘯峰等[4]認為，水作為地熱公共建筑供暖儲熱材料的技術經(jīng)濟性最好，以陜西為例，當采用水作為儲熱材料時最佳儲熱比例為42.2%。尹建杰等[5]根據(jù)負荷分布以系統(tǒng)日運行費用最低為目標函數(shù)，對地源熱泵機組和蓄熱裝置進行合理的優(yōu)化控制，降低了系統(tǒng)運行費用。李倩如[6]針對地埋管地源熱泵水蓄熱系統(tǒng)提出了一種3階段決策過程的運行策略優(yōu)化方法，并結合實際工程得到不同負荷條件下系統(tǒng)的運行策略。石玉香等[7]介紹了某地源熱泵水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)各種負荷時段的運行策略。王宏偉等[8]從太陽能與地源熱泵聯(lián)合和交替供暖兩方面比較，各有其優(yōu)點。陳進等[9]從能效和經(jīng)濟兩個方面提出了蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的主要技術評價指標、計算方法和測試方法。王含等[10]對比了多能互補式和水罐儲能式兩種地熱能利用系統(tǒng)，選取初投資、運行成本、能源節(jié)約、費用年值等評價指標進行對比，表明水罐儲能式方案更具經(jīng)濟性。

熱泵與谷電蓄熱系統(tǒng)結合的方式雖然已有研究，但系統(tǒng)的設計形式與運行匹配模式較單一，通常為谷電時熱泵制熱儲存于蓄熱水箱中，峰電時根據(jù)負荷需要提取蓄熱水箱中的熱來為末端供熱；蓄熱水箱與熱泵系統(tǒng)結合的運行模式通常為把蓄熱水箱布置在熱泵機組的負荷側。供熱形式多偏向于若是谷電蓄熱不滿足蓄熱水箱放熱期間的負荷時，一般采用電加熱進行補熱，電加熱的效率要遠低于熱泵，采用電加熱進行補熱的方式反而會降低系統(tǒng)的綜合性能，在熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)中蓄熱水箱的匹配模式還需要進行研究[11]。

筆者基于TRNSYS模擬對蓄熱水箱放置于熱泵源側和負荷側的設計模式與谷電時為末端用戶供熱的不同匹配模式進行研究，同時對承載系統(tǒng)的超低能耗建筑不同使用建筑面積下的設計模式進行分析。通過對模擬結果進行分析，得到在滿足不同使用需求下蓄熱水箱在熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)中的運行方案。

1 熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)模型

1.1 建筑概況與建筑負荷

供暖系統(tǒng)搭載建筑為遼寧省沈陽市某一超低能耗建筑，總占地面積為167.95 m2。該項目為示范建筑，根據(jù)DEST負荷計算，得到極端負荷日為1月13日，建筑最大熱負荷為9.93 kW，日間用電峰電 16 h，建筑總熱負荷為101.5 kW。

1.2 熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)設計形式

搭建熱泵與蓄熱水箱相互結合的熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)，按照蓄熱水箱布置在熱泵機組的源側或負荷側，將系統(tǒng)的設計形式分為：源側水箱和負荷側水箱。

(1)源側水箱。源側水箱的設計形式為蓄熱水箱布置在熱泵機組源側(如圖1所示)。在夜間谷電時，熱源向水箱中蓄存熱量，日間峰電時放出水箱中的熱量到熱泵機組中制熱，為用戶末端供暖。源側水箱的設計形式，不同匹配模式對系統(tǒng)性能和經(jīng)濟性影響不大。

圖1 源側水箱設計形式

(2)負荷側水箱。負荷側水箱的設計形式為蓄熱水箱布置在熱泵機組的負荷側(如圖2所示)。在夜間谷電時，熱泵機組制熱向水箱中蓄存熱量，日間峰電時放出水箱中的熱量,為用戶末端供暖。

圖2 負荷側水箱設計形式

1.2.2 系統(tǒng)匹配模式

筆者基于負荷側水箱的設計形式(見圖2)，根據(jù)系統(tǒng)在夜間谷電熱泵機組制熱向水箱蓄熱時為用戶末端供暖的熱量來源的不同，將負荷側水箱設計形式的系統(tǒng)進一步分為3種匹配模式。

(1)負荷側水箱，熱泵放熱

在夜間谷電時水泵3開啟，為熱泵機組制熱，水泵4開啟，向蓄熱水箱蓄熱時，水泵6同時開啟,由熱泵機組制熱為用戶末端供暖；日間峰電水泵5開啟，釋放水箱中熱量為用戶末端供暖。熱泵放熱的匹配模式概述為夜間谷電水箱蓄熱時由熱泵制取熱量直接供給用戶。

(2)負荷側水箱，水箱放熱

在夜間谷電時水泵3開啟，為熱泵機組制熱，水泵4開啟，向蓄熱水箱蓄熱時，水泵5同時開啟,放出水箱中熱量為用戶末端供暖；日間峰電水泵5開啟,釋放水箱中熱量為用戶末端供暖。水箱放熱的匹配模式概述為夜間谷電水箱蓄熱時釋放水箱中熱量間接供給用戶。

(3)負荷側水箱，判斷放熱

在夜間谷電時水泵3開啟，為熱泵機組制熱，水泵4開啟，向蓄熱水箱蓄熱時，水泵5和水泵6根據(jù)溫差控制在夜間谷電交替開啟，為用戶末端供暖；日間峰電水泵5開啟，釋放水箱中熱量為用戶末端供暖。判斷放熱概述為根據(jù)溫差控制由熱泵機組或是蓄熱水箱為用戶末端供暖。具體溫差判斷的控制條件為：熱泵與蓄熱水箱出口水溫度之間的溫差是否低于2 ℃。若溫差小于2 ℃，則優(yōu)先選取水箱放熱；反之，選取熱泵放熱。

1.2.3 系統(tǒng)模式

根據(jù)系統(tǒng)的設計形式和匹配模式，筆者建立4種設系統(tǒng)模式。系統(tǒng)設計形式中源側水箱為模式一，系統(tǒng)匹配模式確立為模式二、三、四。

模式一：源側水箱。在夜間谷電時，水泵1和水泵3開啟，由熱源向水箱中蓄存熱量的同時為熱泵機組制熱提供熱源；日間峰電時，水泵2開啟，釋放水箱中的熱量到熱泵機組制熱為用戶末端供暖。模式二：負荷側水箱，熱泵放熱。模式三：負荷側水箱，水箱放熱。模式四：負荷側水箱，判斷放熱。

1.3 選 型

1.3.1 蓄熱水箱容積計算

蓄熱水箱容積VX的計算式為

(1)

式中：QP為蓄熱水箱承擔負荷時間段內(nèi)總負荷，kJ/h；c為水比熱容，4.19 kJ/(kg·K)；Δt為熱泵源側進出口水溫差，℃；ΔT為運行時間，h。

(1)負荷側水箱蓄熱率100%容積計算

不同的設計形式下，QP的值不同。負荷側水箱蓄熱率100%，蓄熱水箱需要承擔的是極端負荷日的日間峰電16 h負荷段負荷，此時總負荷為101.5 kW，QP=101.5 kW。蓄熱水箱容積按照供回水溫差、流量與時間來計算，代入式(1)得：

源側水箱蓄熱率100%容積計算

蓄熱水箱的容積選取應按照承擔最極端負荷日時間段內(nèi)的源側負荷。

QP=QS.

(2)

式中：QS為源側負荷，kW。

熱泵供熱模式下源側負荷與負荷側負荷轉換為

(3)

式中：COP為熱泵機組的制熱性能系數(shù)，取4.5。

源側水箱蓄熱水箱容積確定代入式(1)、式(2)、式(3)得：

1.3.2 熱泵機組額定制熱量計算

(1)源側水箱熱泵機組承擔負荷

熱泵機組全天制熱，所需的制熱量應能滿足最不利日1月13日最大熱負荷9.93 kW。

(2)負荷側水箱熱泵機組承擔負荷

熱泵機組需要在夜間8 h向水箱中蓄存日間16 h熱負荷，同時還要滿足夜間8 h的最大熱負荷。選取最不利日進行計算，最終熱泵機組所需承擔的熱負荷為31.01 kW。

根據(jù)對系統(tǒng)的模擬結果，并確保熱泵機組供暖熱水出口溫度達到45 ℃，最終得到的源側熱泵機組額定制熱量為11 kW，負荷側熱泵機組額定制熱量為40 kW。

1.3.3 水泵流量計算

水泵所需流量計算式為

(5)

式中：G為水泵流量，m3/h。

1.3.4 水泵功率計算

(6)

式中：P為水泵功率，W；H為揚程，m；η為水泵效率。

1.4 系統(tǒng)模型的建立

對4種系統(tǒng)模式在TRNSYS中建立仿真模型，TRNSYS模擬系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 TRNSYS系統(tǒng)模擬圖

2 結果與分析

2.1 系統(tǒng)性能分析

(1)系統(tǒng)設計形式的COP與負荷率

COP與負荷率對比如圖4所示，模式一為源側水箱，模式二、三、四為負荷側水箱。

負荷側水箱模式二、三、四的系統(tǒng)COP在3.08～3.29，要比源側水箱模式一的系統(tǒng)COP的2.36高出31%、39%、35%。從負荷率的變化來看，負荷側水箱熱泵機組只在夜間運行，在夜間谷電時需要向蓄熱水箱中蓄存峰電時所需的熱量，同時要制取出能供給建筑實時負荷的熱量，熱泵機組在夜間8 h集中制取全天24 h的熱量，熱泵機組的負荷率也就較大。而源側水箱在全天運行，熱泵機組根據(jù)負荷的實時變化制取熱量來滿足建筑負荷，實時負荷不定，且波動較大，相較負荷側水箱負荷率較小。而機組的負荷率和機組的制熱能效相關，當機組的負荷率在 50%～100%，機組的COP維持在比較高的范圍內(nèi)，不會有太大的變化；當負荷率在 50%以下時，機組的COP會出現(xiàn)較大的下降[12]。由圖4可以看出，蓄熱水箱位于源側時機組的負荷率在50%以下。蓄熱水箱位于負荷側位置時機組的負荷率在70%～80%。負荷側水箱的負荷率高于源側水箱，機組的COP也較源側水箱的機組COP高于20%，相應系統(tǒng)的COP高于源側水箱30%以上。

(2)系統(tǒng)匹配模式的COP與負荷率

從系統(tǒng)設計形式可以看出，負荷側水箱的形式系統(tǒng)性能更佳?；谪摵蓚人涞脑O計形式下，熱泵機組在谷電蓄熱時為用戶末端供暖的熱量來源可分為熱泵放熱、水箱放熱、熱泵與水箱切換放熱這樣3種匹配模式，分別對應模式二、模式三、模式四。通過對圖4中這3種匹配對整個系統(tǒng)的影響進行分析，從而選出最佳的匹配模式。

負荷側水箱的設計形式下，3種模式的負荷率均在50%～100%，模式二熱泵放熱的負荷率最低。蓄熱水箱在蓄熱的同時放熱，蓄熱水箱中蓄存的水為高溫水，蓄熱水箱的熱損失量也相應增大，熱泵機組在日間谷電時間內(nèi)時制取的熱量相應較其他模式增多，從而導致機組的負荷率增大，機組和系統(tǒng)的COP增加。模式三水箱放熱的系統(tǒng)COP最高為3.29，相對于模式二的3.08和模式四的3.18，分別高出7%和3%。模式四判斷放熱的模式，是水箱放熱和熱泵放熱兩種模式的綜合，從負荷率上看，判斷放熱的負荷率要高于水箱放熱，但機組COP和系統(tǒng)COP上沒有水箱放熱的模式高，且在系統(tǒng)設計上，多增加了一條環(huán)路，并且判斷放熱的模式控制較復雜，不予推薦。

2.2 經(jīng)濟性分析

2.2.1 耗電量與電費

(1)系統(tǒng)設計形式的耗電量與電費

從對源側水箱和負荷側水箱的機組制熱量選型參數(shù)可以看出，對于熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)，負荷側水箱的設計形式由于熱泵機組在夜間谷電電費較低時需要制熱承擔全天負荷的高溫水。源側水箱的設計形式中，谷電節(jié)能的核心則是在夜間利用大流量蓄熱泵把來自源側的水蓄存在蓄熱水箱中，峰電時只需要用小流量泵將蓄熱水箱中的水源供給熱泵機組，只需要按照最大負荷來對熱泵機組選型。相對比可以看出，源側水箱的熱泵機組選型要遠小于負荷側水箱熱泵機組選型。

如圖5所示，在熱泵供暖系統(tǒng)中，熱泵機組的耗電量要遠大于水泵的耗電量，所以模式一源側水箱的耗電量和電費要遠低于模式二、三、四對應的負荷側水箱。源側水箱的電費相對比負荷側水箱分別降低17%、33%、26%。

圖5 耗電量與年電費對比

為了進一步驗證建筑面積大小對熱泵谷電蓄熱供暖系統(tǒng)中源側水箱和負荷側水箱的耗電量和電費的影響，改變系統(tǒng)搭載建筑面積，對熱負荷進行縮小與放大，分別選取熱負荷與原建筑負荷比值為0.2、0.5、2、3倍，對兩種設計形式進行對比分析。由于蓄熱水箱位于負荷側的設計形式中模式二熱泵放熱最為節(jié)能，選取熱泵放熱的匹配模式與源側水箱進行對比。

模擬結果如圖6所示。

圖6 耗電量和電費與系統(tǒng)設計形式擬合曲線

從圖6中可以看出，隨著建筑面積的增長，在建筑熱負荷增大下，負荷側水箱的耗電量持續(xù)增加，但峰谷電費的增加趨勢變緩，說明峰谷電價在負荷側水箱的運行模式，減少的電費幅度更大。但峰谷電費減少的電費不足以抵消耗電量增大而導致的電費增加量，隨著建筑面積的增大，負荷側水箱的電費超出源側水箱電費的比例逐漸增大。

利用origin將源側水箱和負荷側水箱和年電費之間的數(shù)據(jù)擬合成曲線，結果如下：源側水箱設計形式時，建筑熱負荷與年電費的曲線表達式為：y=2 076.71x2+0.96；負荷側水箱設計形式時，建筑熱負荷與年電費的曲線表達式為：y=2 442.54x2+1。經(jīng)過擬合結果分析，在建筑熱負荷與該超低能耗建筑熱負荷的比值為0.015時，源側水箱電費才會低于負荷側水箱的電費。在蓄熱水箱的蓄熱率為100%的情況下，源側水箱的設計形式更為節(jié)能。

從利用峰谷電降低電費的角度分析，負荷側水箱電費的價格降低幅度比源側水箱的設計形式更大。但由于影響耗電量的關鍵部件仍然為熱泵機組，負荷側水箱的熱泵機組選型遠大于源側水箱的熱泵機組選型，仍然是源側水箱的年電費要低于負荷側水箱的年電費。相對比可知，峰谷電價的政策更適合應用于負荷側水箱的設計形式，這時降低的電費更多。

(2)系統(tǒng)匹配模式的耗電量和電費

從耗電量和電費上來分析，如圖5所示，最節(jié)能經(jīng)濟的模式為模式二熱泵放熱，模式四判斷放熱和模式三水箱放熱較其分別節(jié)省電耗13%和23%；節(jié)省電費12%和22%。這是由于熱泵放熱在水箱中蓄存的熱量和水箱的容積相較于另兩種匹配模式要少，由此熱泵放熱的匹配模式熱損失最少，耗電量和電費最低。

2.2.2 初投資計算

(1)熱泵機組初投資計算

負荷側水箱的熱泵機組按照所需負荷選型要比源側水箱熱泵機組選型要大，熱泵機組的價格F按照額定制熱量0.38 元/W來進行計算[13]。

源側水箱，對應于模式一熱泵機組的價格為

負荷側水箱，對應于模式二、三、四熱泵機組的價格為

(2)蓄熱水箱容積價錢按500元/m3的價格計算[14]。

(3)水泵的價格選擇按照1 000元/臺來計算[14]。

(4)安裝調(diào)試費。安裝調(diào)試費按照設備材料費15%計算[15]。

初投資費用最低為模式一，最高為模式三。初投資計算如表1所示。

表1 初投資計算表

從表1可以看出，源側水箱模式一的初投資最低為18 080元，負荷側水箱的3種匹配模式中熱泵放熱模式二的初投資最低為33 580元。

系統(tǒng)的設計形式蓄熱水箱位于熱泵機組源側的設計形式模式一，系統(tǒng)初投資和運行費用上都更加節(jié)能，相較于蓄熱水箱位于熱泵機組負荷側的設計形式模式二、三、四，運行費用分別節(jié)省26%，53%，41%。蓄熱水箱位于熱泵機組負荷側的設計形式系統(tǒng)的性能最佳，機組COP和系統(tǒng)COP分別高于源側水箱的20%和30%。

系統(tǒng)的不同匹配模式中，熱泵放熱模式二的最為節(jié)能經(jīng)濟，至少節(jié)約電量和電費13%和12%。水箱放熱模式三的模式系統(tǒng)性能最佳，機組的COP提高4%，系統(tǒng)的COP至少增大3%。

3 結 論

(1)峰谷電政策在系統(tǒng)中的運用可以降低系統(tǒng)的運行費用，從設計形式上看，蓄熱水箱位于熱泵機組的負荷側降低費用的比例更大，但若蓄熱水箱位于熱泵機組的負荷側時熱泵機組選型過大，仍然為蓄熱水箱位于熱泵機組源側的設計形式更為經(jīng)濟。

(2)在蓄熱水箱蓄熱率為100%的情況下，源側水箱與負荷側水箱的對比中，源側水箱利用谷電蓄熱仍然比負荷側水箱更為節(jié)能。且通過對系統(tǒng)搭載的超低能耗建筑熱負荷進行縮放下，只有在與原熱負荷比值為0.015以下時，負荷側水箱的電費才比源側水箱更低，而負荷側水箱的系統(tǒng)性能要比源側水箱更佳。

(3)基于負荷側水箱的設計形式下，系統(tǒng)在夜間谷電向水箱中蓄熱不同熱量來源的匹配模式中，熱泵放熱的匹配模式最為節(jié)能經(jīng)濟，水箱放熱的模式系統(tǒng)性能最佳。