引言21世纪初期的供暖煤改电项目多直接利用电热设备，此方式虽然可以实现清洁供暖，但其发电源头的燃煤消耗量巨大，一次能源利用率较低，并不节能；使用电力设备所消耗的电量急剧增加，导致供热成本巨大[1]。为了解决以上问题，国家能源局发布通知，提倡各类企业积极实施电供暖，研究探索新能源、清洁能源发电，逐步扩大蓄热式、热泵式供暖比例。许多学者在供暖系统优化以及运行策略优化方面进行了很多尝试。Stamatellos[2]等以希腊Volos地区某住宅建筑为对象，对空气源热泵系统和屋顶光伏装置的全年性能进行研究。文中基于电价和政策补贴，建立了光伏电池板安装面积和倾角优化的目标函数，提出了优化系统设计参数的运行策略。Pospíšil[3]等研究通过预测控制算法提高季节性能系数的方法。通过预测未来48 h室外空气温度，控制热泵启停；并且针对不同的系统运行参数和蓄热装置容量，开发并测试预测控制算法。Wei[4]等提出一种基于空气源热泵系统的超低温分段运行控制策略，并在试验台进行应用。结果表明，该系统与集中供热和电锅炉相比，一次能源效率分别提高18.67%和140.54%；CO2排放分别降低15.41%和58.27%。为了减少弃风电量的消耗，宫铭远[5]利用遗传算法得到电采暖蓄热系统优化运行策略。结果表明，该策略可以节约16%的运行费用。祝彩霞[6]以经济性作为目标函数，利用遗传算法进行最优解求解，提出太阳能空气源热泵供暖系统控制策略。赵芝蓉[7]以集热器面积、热泵功率和蓄热水箱容积为影响因素，采用正交试验法，得到某小型工厂空气源热泵辅助太阳能供暖系统的优化方案和系统优化运行策略。在此基础上，文中借助仿真模拟软件Trnsys对空气源热泵蓄热供暖系统进行研究。1理论基础1.1建筑热负荷模拟以北京某高校综合办公楼为研究对象，该办公楼为南北朝向，长度67.89 m，宽度35.5 m，高度54 m，总建筑面积为35 964 m2，体形系数为0.3，综合窗墙比为0.4，供暖季每天8：00~20：00供暖。利用Trnsys模拟软件搭建建筑模型，设置相关参数后进行逐时负荷模拟，仿真模拟时间为11月15日至次年3月15日，仿真步长为1 h，共2 880 h。供暖季建筑逐时热负荷以及典型日（1月13日）逐时热负荷如图1和图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F001图1供暖季建筑逐时热负荷10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F002图2典型日（1月13日）逐时热负荷由图1和图2可知，供暖季最大负荷为2 275 kW，最冷日非谷电时段总负荷为23 533 kW。1.2设备选型Qa=QK1×K2 (1)式中：Qa——机组制热量，kW；Q——建筑热负荷，kW；K1——热泵机组融霜修正系数，一般取0.8~0.9；K2——室外干球温度修正系数。根据式(1)，文中选定热泵机组的融霜修正系数为0.9，根据室外平均干球温度-1.6 ℃，选定室外干球温度修正系数为0.79，模拟得出最大热负荷为2 275 kW，计算可得热泵机组设计工况下的制热量为3 200 kW。文中选用FS-L-R（标准型200）型空气源热泵机组15台，常规方案与优化方案的参数对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.T001表1常规方案与优化方案的参数对比项目热泵机组额定制热量/kW水箱容积/m3满蓄温度/℃常规方案3 2001 03055优化方案2 56092053Ql=2πλhln (d2d1)Z∆t+π2d12λδZ∆t (2)式中：λ——导热系数；h——系统要求的维持温度与当地最低环境温度之差，℃；d1、d2——保温层内径和外径，m；Z——传热时间，取24 h；δ——保温材料厚度，mm；∆t——传热温度，℃。蓄热水箱容积根据式(2)计算，最冷日非谷电时段累计热负荷为23 533 kW，可得蓄热水箱容积为1 030 m3。L=Qe×3 600ρcp∆T (3)式中：L——循环水量，m3/h；Qe——最大热负荷，kW；ρ——水的密度，取980 kg/m3；cp——水的比热容，取4.2 kJ/(kg·℃)；∆T——供回水温差，℃。水泵流量根据式(3)计算，最大热负荷为2 275 kW，设供回水温差为5 ℃，可得循环水量为385 m3/h。经上述计算得到供暖系统常规方案参数，依据空气源热泵蓄热供暖系统正交试验方案设计得到的优化方案选取方法，最优配置方案取热泵容量为常规方案的0.8倍、水箱容积为常规方案的0.9倍、满蓄温度为53 ℃。1.3运行策略优化构建由于前文的满蓄温度根据供暖季最大热负荷优化配置得出，其满蓄温度满足最冷日热负荷要求，但是整个供暖期的每日热负荷变化较大，在热负荷较小时会出现水箱余热过多的情况。水的满蓄温度越高，其蓄热水箱与周围环境的温差越大，热量耗散量越大，不利于系统节能。供暖季建筑逐日热负荷如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F003图3供暖季建筑逐日热负荷由图3可知，在供暖初、末期总热负荷较小，供暖期每日热负荷波动较大。受到室外干球温度以及节假日对热负荷的影响，每日热负荷最小为1 481 kW，最大为21 541 kW，相差超过14倍。故制定运行策略：根据次日所需热负荷，决定当天满蓄温度。在充分利用蓄热装置容量的前提下，通过调整满蓄温度，确保蓄热量不高于次日供暖总量，从而降低蓄热水箱与周围环境温度的温差，减少每日蓄热水箱余热的浪费，有效降低空气源热泵蓄热供暖系统的能耗。2结果讨论及分析2.1室内温度供暖季室内温度如图4所示。在整个供暖季供暖时段，白天室内温度均为20~22 ℃，夜间低温运行时段的温度保持在10 ℃以上，说明经优化配置后的供暖系统完全可以保证供暖需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F004图4供暖季室内温度2.2经济性分析为了验证优化配置与优化策略确实具有节能性和经济性，将优化后方案与常规方案进行对比，供暖季累计用电量及电费如图5和图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F005图5供暖季累计用电量10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.F006图6供暖季累计电费由图5和图6可知，各方案的累计用电量和累计电费排序均为常规方案最优配置方案优化策略方案。说明文中提出的优化配置与运行策略方法具有可行性。各方案的全年用电量、初投资、电费以及费用年值如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.T002表2各方案的全年用电量、初投资、电费以及费用年值方案电量/kWh初投资/万元电费/万元费用年值/万元常规方案767 553427.6529.3172.08最优配置方案750 236348.8428.8663.74优化策略方案683 571348.8426.9961.87每年最优配置方案可比常规方案节省电量约2.3%，费用年值减少约11.6%；优化策略方案可比常规方案节省电量约10.9%，费用年值减少约14.2%。说明最优配置方案以及优化策略方案可以降低空气源热泵供暖系统的能耗，具有经济性的特点。2.3能耗效益分析将天然气和电力分别折算为标准煤，对比该建筑原有燃气锅炉供暖系统与模拟使用的空气源热泵蓄热供暖系统的能源消耗量，系统运行能耗对比结果如表3所示。天然气、电力折合标准煤系数分别取1.33 千克标准煤/m3、0.12 千克标准煤/kWh。通过对比两种系统运行能耗可以得出，使用文中最优运行策略的空气源热泵供暖系统可以节省198.64吨标准煤，节能70.28%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.008.T003表3系统运行能耗对比结果供暖方式能源种类能源消耗量标准煤耗量燃气锅炉供暖系统天然气212 519.6 m3282.65吨标准煤空气源热泵供暖系统电力68 357 kWh84.01吨标准煤3结语经优化配置后的供暖系统完全可以保证供暖需求，在整个供暖季供暖实测周期内，白天室内温度均在20~22 ℃之间，夜间低温运行时段温度也在10 ℃以上。每年最优配置方案可比常规方案节省电量约2.3%，费用年值减少约11.6%，最优配置方案较常规方案累计用电量减少2.0%，费用年值减少11.2%。优化策略方案比常规方案节省电量约10.9%，费用年值减少约14.2%。优化策略方案较最优配置方案供暖季累计用电量减少8.7%；累计电费减少5.4%。累计用电量和累计电费排序均为常规方案最优配置方案优化策略方案。说明本文提出的优化配置与运行策略方法具有可行性。在供暖季内，对比传统燃气锅炉供暖系统，使用最优运行策略的空气源热泵系统每年可节省能源约70%。