引言近年来，国家大力推行可再生能源的开发及利用，各级政府积极推行“煤改气”“煤改电”等清洁供暖方式，城市用气用电的峰谷差距愈发明显。在“西气东输”“西电东送”的国家能源战略下，发电高峰与用电高峰存在较大的缺口。京津冀地区北部与内蒙古的交界处是我国主要的陆上风电场，但是该地区存在严重的弃风现象，风电出力对京津冀电网用电负荷的反向调峰特性是弃风的主要原因之一[1]。采用燃煤锅炉、燃气锅炉供暖为现在普遍的供暖方式，燃煤锅炉污染大、能耗高，燃气锅炉能耗大、运行费用高，较为节能的热泵供暖也存在期间高峰时刻费用高、电网高峰期供电压力大的问题。为缓解现有供暖方式存在的问题，选用蓄热装置参与供暖是较好的解决办法。本文探讨一种初投资及后期运行成本较低、能够充分利用峰谷电，缓解用电高峰电网压力的热泵蓄热供暖系统。以北京市一建筑面积约4万m2的办公建筑为例，利用Python程序和Matlab软件，分析该类型系统不同选型策略下的运行效果及经济性。1热泵蓄热供暖系统热泵蓄热系统主要由热泵机组、蓄热装置和热用户等3部分组成。热泵利用逆卡诺循环原理，消耗少量的电能，吸收不可直接利用的低位热能，并将其与所耗电能全部转化为可利用的高位热能，用于供热。热泵的制热效率远高于燃气锅炉和电锅炉，当采用可再生能源发电或者通过消纳弃风电量蓄热时，可以实现零污染供暖，是一种高效、清洁的热源。系统采用空气源热泵，空气源热泵性能曲线如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F001图1空气源性能曲线为方便后续的系统模拟运行分析，其性能系数COP的拟合计算为：COP=0.00002t3+0.0011t2+0.0587t+3.178     T=400.00002t3+0.001t2+0.0487t+2.6193     T=500.00002t3+0.00081t2+0.0417t+2.2581 T=60  （1）式中：t ——室外环境温度（℃）;T ——热泵出水温度（℃）蓄热技术根据蓄热介质不同，分为水蓄热、固体蓄热和相变蓄热等，本文采用水蓄热作为蓄热介质。水蓄热技术成熟且设备造价低，但需要较大的安装空间[2-3]。蓄热装置与空气源热泵相结合，在用电低谷时段制热并蓄热，在用电高峰时段释放所蓄热量，既可明显降低供暖运行成本，又可削峰填谷，缓解电网高峰时期供电的压力[4-5]，对提升可再生能源发电消纳能力、减少弃风弃光具有积极意义。2热泵蓄热供暖系统模型2.1基本数据以某建筑面积4万m2的办公楼为供能负荷对象，供热指标依据工程经验定为40 W/m2；环境温度取自当地气象数据中的逐时温度；供暖期为每年的11月16日零时至次年3月15日24时，共2 880 h。一日内不同时段电价参照如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.T001表1一日内不同时段电价参照表时间段0:00～7:007:00～10:0010：00～15：0015：00～18：0018：00～21：0021：00～23：0023：00～24：00电价/ （元/kWh）低谷平时高峰平时高峰平时低谷0.302 30.769 71.288 40.769 71.288 40.769 70.302 32.2用户逐时热负荷预测办公楼作为典型的非连续热负荷用户，工作日工作时段需要正常供热，而在节假日以及非工作时段只需维持低负荷防冻运行。这一用能特点为采用蓄热装置提供了有利条件。建筑物的逐时负荷计算中,工作日的8:00～19:00，实际负荷取计算值；节假日全天及工作日19:00～次日8:00，实际负荷取计算值的15%，以维持系统低负荷防冻运行。Qi=10Aqf18-twi18-tjs （2）式中:Qi ——供热期第i小时逐时热负荷（kW）；A——建筑物建筑面积(万m2);qf ——面积热指标（40 W/m2）；twi ——供热期第i小时室外环境温度（℃）；tjs ——冬季供暖室外计算温度，取-10 ℃。2.3蓄热装置容量确定根据计算得到的逐时热负荷，统计每日高峰电价时段的热负荷及供热量，取最大值的110%作为蓄热装置的设计蓄热容量，结合系统的供回水温度，蓄热装置的容积计算为：V=3 600Qrρcp(ti-th) （3）式中：V——蓄热装置容积（m3）；Qr ——设计蓄热容量（kW）；ρ——水的密度，取980 kg/ m3；Cp ——水的比热容，取4.2 kJ/(kg·℃)；ti、th ——系统进、出水温差（℃）。该办公建筑蓄热装置的设计蓄热容量约为12 755 kW。2.4系统模拟运行逻辑系统模拟运行逻辑如图2所示。其中，Qc为蓄热装置中所储的热量，∑Qh(n+1)为次日高峰时段热负荷之和，Qs为热泵制热量，Qc’为蓄热量，QP(n)为当日平电时段热负荷，QL(n)为当日低谷时段热负荷，Qh(n)为当日高峰时段热负荷，QZ为热泵额定制热量。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F002图2系统模拟运行逻辑图在低谷电时段，热泵蓄热系统首先应满足当时建筑物的供暖需求。在满足当时热负荷的前提下，依据对次日热负荷的预测，利用热泵富余的制热能力来制热并蓄热，尽可能满足次日高峰电时段的供暖需求。如低谷电时段蓄热装置中储存的热量不满足预测的次日高峰电时段的热负荷，则在平段电时段内继续蓄热，以满足次日高峰电时段的供暖需求。在高峰电时段，优先使用蓄热装置中储存的热量进行供暖，在蓄热不足时，启动热泵，消耗高峰电进行供暖，以满足热负荷。Python计算程序按照上述运行逻辑编写。3模拟运行结果及经济性3.1建筑负荷分析配置根据公式（2）可获得该办公建筑整个供暖季的逐时热负荷主要分布在办公时间，即每日8:00至19:00。一周时间的逐时负荷分布如图3所示。由图3可知，热负荷较大时段恰好涵盖所有高峰电价时段，错峰蓄热运行的优势将比较明显；而非工作时段较低的热负荷需求为利用设备裕量实现错峰蓄热提供了便利。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F003图3逐时热负荷变化曲线采用热泵蓄热供暖系统，在热泵容量较小时，低谷电价时段的蓄热量将不满足次日高峰电价时段的热负荷需求，会在高峰电价时段启动热泵直接供热，与本系统的设计初衷相违背。在热泵额定容量为1 200 kW时，供暖期内仅有1 h不能满足热负荷，认为此时选型满足供暖需求，故该办公建筑的热泵蓄热供暖系统的额定容量应大于1 200 kW。在不采用蓄热装置时，热源的制热能力须大于1 873 kW（考虑10%的富余系数）。3.2系统配置系统模拟运行结果表明，热泵容量对系统的初投资以及运行成本影响明显[6-8]。热泵额定容量增加，初投资增大，但可减少热泵高峰电价和平价电时段的运行时间，每年的购电成本会降低。热泵容量1 200～1 800 kW时不同系统配置的总费用对比如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F004图4系统配置总费用由图4可知，热泵额定容量1 200 kW的蓄热供暖系统经济性最好。3.3系统运行经济型分析以额定制热量1 200 kW的蓄热供暖系统为例（简称蓄热供暖系统），与不采用蓄热装置的系统进行比较。逐时购电成本如图5所示，逐时耗电量如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F005图5逐时购电成本10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F006图6逐时耗电量在供暖期内，不采用蓄热装置的供暖系统的购电花费集中在日间高峰电价时段，平均日购电成本约为3 873.64元；而蓄热供暖系统的制热集中在低谷电价时段，平价电时段消耗电量较少，高峰电价时段热泵几乎不启动，购电成本大幅降低，仅为1 956.33元。每年供暖的购电成本可降低23.2万元。在每年的供暖期内，热泵蓄热供暖系统每年能够为电网减少24.77万kWh的高峰时段供电压力，并将此能耗转移至低谷电时段。蓄热供暖系统及无蓄热热泵供暖系统各种供暖方式供热量的比较如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.007.F007图7各种供暖方式供热量由图7可知，供暖系统的蓄热装置蓄热集中在低谷电价时段，在非高峰电价时段蓄热供暖系统由热泵直接供暖，高峰电价时段系统由蓄热装置释放所蓄热量供暖。4结语（1）热泵蓄热供暖可以明显降低办公建筑供暖设备运行成本，每万平方米办公建筑每年可节约5.8万元，蓄热装置增加的初投资在3年内即可收回。（2）热泵蓄热供暖系统可以平峰填谷，每万平方米办公建筑每年可将6.19万度的高峰时段耗电转移至低谷时段，有效缓解电网高峰供电压力。（3）热泵系统制热效率高、清洁无污染，且夏季可用于制冷，能够减少建筑设备并节约投资成本。