農(nóng)村空氣源熱泵系統(tǒng)蓄熱模式對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響分析

吳云鶴，王 剛，高 寒，胡松濤

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266525)

采用空氣源熱泵進(jìn)行清潔供暖，可有效解決傳統(tǒng)燃燒散煤供暖所帶來的能源利用效率低，污染嚴(yán)重等問題，在北方農(nóng)村地區(qū)清潔能源供暖中得到了廣泛應(yīng)用。但空氣源熱泵的大規(guī)模使用也使電網(wǎng)尖峰負(fù)荷增加，增大了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。劉艷茹等以北京、天津武清、河北保定為例，提出實(shí)施“煤改電”后各地區(qū)電網(wǎng)年負(fù)荷曲線和典型日負(fù)荷曲線峰谷均發(fā)生偏移，且“煤改電”工程新增負(fù)荷越大，電網(wǎng)負(fù)荷曲線的波動(dòng)越明顯，需要考慮負(fù)荷變化特性對(duì)電網(wǎng)帶來的影響，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行[1]。楊露露等提出大規(guī)模“煤改電”設(shè)備的接入造成冬季電采暖負(fù)荷占比大夏季占比小，依靠傳統(tǒng)配電網(wǎng)電壓調(diào)整不能很好解決配電網(wǎng)末端電壓不穩(wěn)的問題，提出了基于智能啟停調(diào)節(jié)的采暖設(shè)備控制策略，改善了配電網(wǎng)電壓水平[2]。劉興龍等提出大規(guī)模“煤改電”設(shè)備的使用，容易增大電網(wǎng)的尖峰負(fù)荷，加大電網(wǎng)的不平衡率，并以遼寧省為例提出了蓄熱電鍋爐在不同供暖模式下對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響[3]。霍宇露利用EnergyPlus分析了空氣源熱泵連續(xù)供暖、間歇供暖及低谷電蓄熱供暖對(duì)電網(wǎng)的影響[4]，證明了利用空氣源熱泵系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的可行性。

農(nóng)戶的生活習(xí)慣及農(nóng)房的建筑形式都與城鎮(zhèn)相差較大，導(dǎo)致供暖模式也存在較大差異，本文擬從農(nóng)村供暖現(xiàn)狀出發(fā)，通過TRNSYS模擬，以典型農(nóng)村建筑為例分析適用的蓄熱模式及其潛力，研究兼顧室內(nèi)熱舒適性與電網(wǎng)負(fù)荷特性的農(nóng)村供暖模式。

1 模擬工況設(shè)置

1.1 建筑模型

研究對(duì)象為農(nóng)村單層住宅，該建筑位于寒冷地區(qū)，坐北朝南，平面如圖1所示。

圖1 建筑平面

寒冷地區(qū)農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能對(duì)室內(nèi)熱舒適性及建筑能耗影響較大，因此該建筑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了保溫處理，外墻為普通24 cm磚墻，外側(cè)增加8 cm膨脹聚苯板，傳熱系數(shù)為0.426 W/(m2·K)；屋頂為傳統(tǒng)坡屋頂，主要材料為磚瓦，增加膨脹聚苯板吊頂保溫，傳熱系數(shù)為0.513 W/(m2·K)；外窗材料為雙層中空玻璃，傳熱系數(shù)為2.5 W/(m2·K)。各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)均低于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)的限值。

建筑層高3.2 m，南向窗墻比0.3，北向窗墻比為0.2。

對(duì)除儲(chǔ)物間外的所有房間供暖，總供暖面積為85.5 m2，供暖方式為低溫?zé)崴匕遢椛涔┡?/p>

1.2 建筑負(fù)荷模擬

根據(jù)調(diào)查與測(cè)試結(jié)果，以及對(duì)農(nóng)民生活習(xí)慣的分析，結(jié)合規(guī)范《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)要求，將室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度設(shè)置為14 ℃，建筑從11月15日至次年4月5日供暖，對(duì)建筑進(jìn)行整個(gè)供暖季的能耗模擬。經(jīng)模擬得采暖季峰值熱負(fù)荷為4.3 kW，考慮室外干球溫度及機(jī)組融霜對(duì)制熱量的影響，選取額定制熱量為7 kW、額定功率為2 kW的空氣源熱泵機(jī)組，機(jī)組額定COP為3.5，實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組COP隨室外溫度變化。循環(huán)水泵選取臥式離心泵，揚(yáng)程為19 m，功率為97 W。

在TRNSYS中建立空氣源熱泵供暖系統(tǒng)(Air Source Heat Pump，ASHP)，分析供暖系統(tǒng)的能耗及對(duì)電網(wǎng)的影響。

2 ASHP直接供暖系統(tǒng)運(yùn)行模擬結(jié)果

2.1 運(yùn)行策略

ASHP直接供暖系統(tǒng)的模型如圖2所示，系統(tǒng)中的緩沖水箱用于減少熱泵機(jī)組的啟停，無蓄熱、輔助加熱功能。熱泵機(jī)組和供暖循環(huán)泵受供水溫度和建筑負(fù)荷的控制，當(dāng)供水溫度小于40 ℃，建筑負(fù)荷大于熱泵機(jī)組額定制熱量的7%時(shí)熱泵機(jī)組和供暖循環(huán)泵開始工作，系統(tǒng)開始供暖。

圖2 ASHP直接供暖系統(tǒng)模型

2.2 能耗分析

模擬步長為7.5 min，以供暖典型日為例，ASHP直接供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況如表1所示。

表1 ASHP直接供暖系統(tǒng)典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.3 對(duì)電網(wǎng)影響

以某區(qū)域典型日的電網(wǎng)負(fù)荷曲線為例[5]，該區(qū)域用電以第二產(chǎn)業(yè)用電為主，第二產(chǎn)業(yè)全天用電情況較為穩(wěn)定，在8：00，17：00左右達(dá)到用電高峰，與建筑所處地區(qū)用電特征相似[6]。該電網(wǎng)原最大峰谷差率為26%，負(fù)荷率為87%。假定區(qū)域內(nèi)96萬戶住宅建筑與模擬住宅一致，且均采用空氣源熱泵供暖，則供暖前后典型日的電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖3所示，電網(wǎng)的最大負(fù)荷由原來的8223.43 MW升至8991.09 MW，電網(wǎng)的總?cè)萘吭龃螅畲筘?fù)荷峰谷差率由26.0%增至29.1%，負(fù)荷率下降至85.3%，對(duì)電網(wǎng)帶來了不利影響。

作為柔性負(fù)荷，建筑的熱需求可以利用系統(tǒng)或建筑本身的蓄熱特性，在時(shí)間上對(duì)負(fù)荷進(jìn)行平移，起到削峰填谷的作用。AGYENIM等為了充分利用峰谷電價(jià)，在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中引入蓄熱裝置，對(duì)英國普通建筑供暖，證明該系統(tǒng)可100%滿足用戶熱需求[7]。說明空氣源熱泵蓄熱供暖具有一定的可行性。選定2種蓄熱模式進(jìn)行分析：水箱蓄熱和建筑本體蓄熱。在TRNSYS中分別搭建水箱蓄熱和建筑本體蓄熱的ASHP供暖模型，模擬2種蓄熱供暖模式的系統(tǒng)運(yùn)行特性及對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷造成的影響。為便于對(duì)比，系統(tǒng)蓄熱時(shí)間統(tǒng)一定為18：00至次日6：00。

3 分析與對(duì)比

3.1 水箱蓄熱供暖運(yùn)行策略

水箱蓄熱供暖系統(tǒng)模型如圖4所示，在該系統(tǒng)中增設(shè)蓄熱循環(huán)泵和蓄熱水箱，循環(huán)泵揚(yáng)程為12 m，功率為67 W。蓄熱水箱的容積根據(jù)水吸放熱公式計(jì)算，水箱的蓄熱量按最不利條件下白天停機(jī)時(shí)段建筑所需熱量確定，共37 332 J。溫差根據(jù)早上停機(jī)時(shí)刻最高供水溫度和夜間開機(jī)最低供水溫度的差值確定，取20 ℃，計(jì)算得水箱容積為0.45 m3，考慮水箱中水不能充滿，水箱容積取0.5 m3。

圖4 水箱蓄熱供暖系統(tǒng)模型

蓄熱水箱與周圍環(huán)境存在傳熱，傳熱系數(shù)取0.2 W/(m2·K)，模擬中用type25對(duì)水箱的散熱量進(jìn)行積分，確定水箱供暖過程中的總散熱量。

在夜間蓄熱階段，熱泵機(jī)組將制取的熱量傳遞給蓄熱水箱，蓄熱水箱根據(jù)建筑負(fù)荷需求向建筑供暖；在白天放熱階段，熱泵和蓄熱循環(huán)泵停止工作，水箱將蓄存的熱量傳遞給建筑供暖。熱泵機(jī)組和蓄熱循環(huán)泵在蓄熱時(shí)間段內(nèi)受溫差控制，溫差控制與ASHP直接供暖系統(tǒng)相同。供暖側(cè)循環(huán)泵只受負(fù)荷控制，控制條件與ASHP直接供暖系統(tǒng)相同。

3.2 建筑本體蓄熱供暖運(yùn)行策略

由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄放熱特性，在停止供暖時(shí)，建筑蓄存的熱量會(huì)釋放出來，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)家具夜間的蓄熱量和太陽輻射得熱作為熱源維持白天室溫。

利用建筑本體蓄熱時(shí)，適當(dāng)提高夜間供暖溫度可增加建筑蓄熱量，但蓄熱溫度提高后，機(jī)組的制熱量也相應(yīng)升高，且夜間運(yùn)行效率降低，因此蓄熱溫度不能設(shè)置過高。綜合考慮蓄熱效果、熱舒適性以及能耗，經(jīng)過模擬優(yōu)化，選定蓄熱溫度為16 ℃，在供暖典型日，室內(nèi)溫度變化如圖5所示。

停止供暖后，由于建筑熱惰性，室內(nèi)溫度經(jīng)過一段時(shí)間之后開始下降。10：00左右達(dá)到最低值，為14.26 ℃。隨著室外溫度的升高和太陽輻射照度的增加，室內(nèi)氣溫逐漸升高，在14：00達(dá)到15.32 ℃，然后又逐漸降低。在停止供暖期間，室內(nèi)溫度始終高于14 ℃。付祥釗等在對(duì)空氣源熱泵與地板供暖的實(shí)驗(yàn)中，采用低溫?zé)崴匕遢椛涔┡姆块g在停止供暖后，室內(nèi)最大降溫幅度為2 ℃，與文中模擬結(jié)果基本一致[8]。可以看出，對(duì)于建筑本體蓄熱的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，白天依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄存的熱量和太陽輻射得熱可以保證供暖房間的熱舒適要求。

3.3 運(yùn)行能耗分析

兩種蓄熱模式的運(yùn)行能耗如表2所示。

表2 ASHP-HS系統(tǒng)典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

建筑本體蓄熱的制熱量、耗電量及白天供熱量均高于水箱蓄熱。相比ASHP直接供暖系統(tǒng)，水箱蓄熱時(shí)由于水箱散熱，機(jī)組制熱量增加3.25%，系統(tǒng)的耗電量增加6.3%。建筑本體蓄熱時(shí)，由于夜間供暖溫度升高，建筑能耗增加10.9%，熱泵制熱量增加11.2%，耗電量增加12.8%。

3.4 對(duì)電網(wǎng)影響分析

采用兩種蓄熱模式后供暖典型日的電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖6所示。

采用水箱蓄熱后，電網(wǎng)最大負(fù)荷不變，由于系統(tǒng)夜間蓄熱，增加了電力低谷期的用電量，電網(wǎng)最大峰谷差率降低至13.8%，負(fù)荷率增加至93.8%。相比于ASHP直接供暖系統(tǒng)，電網(wǎng)最大峰谷差率減少了52.5%，電網(wǎng)負(fù)荷率增加了9.9%。

采用建筑本體蓄熱供暖后，電網(wǎng)最大負(fù)荷不變，電網(wǎng)最大峰谷差率減小至15.2%，負(fù)荷率增加至92.8%。相比于ASHP直接供暖系統(tǒng)最大峰谷差率減少了47.7%，電網(wǎng)負(fù)荷率增加了8.8%。峰谷差率越小，電網(wǎng)的穩(wěn)定性越好，負(fù)荷率越高，越有利于提高發(fā)電設(shè)備的利用率，兩種蓄熱模式均可對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生有利的影響。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

采用蓄熱模式之后，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的電耗是增加的。對(duì)農(nóng)村地區(qū)來說，經(jīng)濟(jì)性是影響清潔供暖的主要因素之一，若清潔取暖費(fèi)用高于原散煤取暖費(fèi)用2倍以上時(shí)，村民會(huì)產(chǎn)生返煤的想法。目前青島市居民用電按照階梯電價(jià)收費(fèi)，年用電量不超過2520 kW·h按照0.5469元/(kW·h)收費(fèi)。因此，利用TRNSYS軟件模擬計(jì)算ASHP供暖系統(tǒng)整個(gè)供暖季的耗電量及運(yùn)行費(fèi)用，并計(jì)算在現(xiàn)行階梯電價(jià)下ASHP供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，為了鼓勵(lì)居民主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)峰，也參考目前的電價(jià)政策計(jì)算了峰谷電價(jià)條件下的電費(fèi)，其中峰段電價(jià)為0.5769元/(kW·h)，谷段電價(jià)為0.3769元/(kW·h)。結(jié)果如表3所示。

表3 供暖季耗電量及運(yùn)行費(fèi)用

由于采取了保溫措施，3種模式下建筑能耗均處在較低水平。對(duì)于2種蓄熱供暖模式，由于夜間運(yùn)行，耗電量均有所增加，水箱蓄熱由于增加了水泵電耗，以及蓄熱水溫高帶來的COP衰減，增加幅度較大，為18.7%，建筑本體蓄熱增加了8.1%。在典型日，整個(gè)供暖季期間，3種模式下機(jī)組運(yùn)行時(shí)的室外溫度相差較小，ASHP直接供暖系統(tǒng)在室外氣溫較高時(shí)也是大部分能耗集中在夜間，因此蓄熱本身帶來的電耗增加程度并不明顯。

采用峰谷電價(jià)之后，3種模式的運(yùn)行費(fèi)用均有所降低，ASHP直接供暖系統(tǒng)降低了22.8%，水箱蓄熱和建筑本體蓄熱的供暖系統(tǒng)電費(fèi)降低了31.1%，幅度更大。張了對(duì)北京地區(qū)采用空氣源熱泵供暖的農(nóng)宅進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，空氣源熱泵地板輻射供暖時(shí)可節(jié)省一半的運(yùn)行費(fèi)用，當(dāng)采用峰谷電價(jià)后采暖費(fèi)用降低了三分之一[9]，與本文結(jié)果相符。

5 討論

為便于分析，本文選擇的蓄熱時(shí)間為18：00至次日6：00，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可根據(jù)室溫進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，白天適當(dāng)?shù)臅r(shí)段也可以根據(jù)需要開啟機(jī)組，以改善室內(nèi)熱環(huán)境。

利用建筑本體蓄熱時(shí)未考慮室內(nèi)家具的熱惰性，實(shí)際條件下，家具的蓄放熱作用將減緩室內(nèi)溫度的波動(dòng)，室內(nèi)熱舒適條件將優(yōu)于模擬結(jié)果。

為更好地發(fā)揮蓄熱系統(tǒng)的潛力，可在熱泵機(jī)組末端安裝智能調(diào)控裝置，電力調(diào)度中心根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷特性發(fā)出調(diào)控指令，用戶端根據(jù)自身需求及室溫等情況設(shè)定控制策略，決定是否參與主動(dòng)調(diào)峰，并享受一定的電價(jià)優(yōu)惠。目前很多空氣源熱泵供暖系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)的上傳，信息的雙向傳送及運(yùn)行的智能控制沒有技術(shù)上的障礙。王廣保等通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性[10]。周海艦等利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明空氣源熱泵供暖對(duì)改善環(huán)境狀況作用明顯[11]。

6 結(jié)論

本文模擬分析了農(nóng)村住宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的2種蓄熱模式，對(duì)比了各供暖模式的能耗，并以某區(qū)域電網(wǎng)為例分析了蓄熱模式對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響，可以得到以下結(jié)論：

1) 規(guī)模化推廣ASHP直接供暖系統(tǒng)后，電網(wǎng)總?cè)萘吭龃螅骞炔盥试黾恿?.1%，負(fù)荷率下降1.7%，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也降低了發(fā)電設(shè)備利用率。

2) 相比于ASHP直接供暖系統(tǒng)，水箱蓄熱和建筑本體蓄熱供暖系統(tǒng)充分利用了谷電，雖然系統(tǒng)電耗有一定程度增加，但未改變電網(wǎng)總?cè)萘浚曳謩e使電網(wǎng)峰谷差率減小52.5%,47.7%，負(fù)荷率增加了9.9%，8.8%。

3) 在峰谷電價(jià)條件下，3種模式的運(yùn)行費(fèi)用均有較大程度的降低，蓄熱模式的降低幅度更大，均降低了31.1%。