地源熱泵系統(tǒng)相變儲熱耦合調(diào)峰技術(shù)用于電網(wǎng)削峰填谷的研究

摘要

隨著國內(nèi)用電負(fù)荷季節(jié)性、晝夜性峰谷差值不斷拉大，電網(wǎng)高峰時段供電壓力大、低谷時段電力富余，電網(wǎng)調(diào)峰成本逐年上升。地源熱泵供暖制冷系統(tǒng)運行能耗受建筑冷熱負(fù)荷影響，多集中在日間用電高峰開啟運行，進一步加劇電網(wǎng)峰谷矛盾。本文提出相變儲熱裝置與地源熱泵耦合的聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)，利用夜間電網(wǎng)低谷低價電能驅(qū)動地源熱泵，將巖土中的冷熱能量通過相變儲熱材料儲存至儲熱罐體；日間用電高峰時段關(guān)停熱泵主機，依靠相變儲熱裝置釋放儲存冷熱能，為建筑提供供暖、制冷服務(wù)，實現(xiàn)熱泵用電“移峰填谷"。通過相變材料選型優(yōu)化、儲熱罐體換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱泵與儲熱系統(tǒng)聯(lián)動控制算法優(yōu)化，提升儲放熱效率與熱量利用率。商業(yè)園區(qū)項目實測結(jié)果表明，耦合相變儲熱系統(tǒng)后，地源熱泵主機用電轉(zhuǎn)移至夜間低谷時段，園區(qū)高峰用電負(fù)荷降低37%，有效緩解區(qū)域電網(wǎng)高峰供電壓力；同時利用峰谷電價差大幅降低熱泵系統(tǒng)運行電費，兼顧電網(wǎng)調(diào)峰社會效益與項目運營經(jīng)濟效益，是地源熱泵系統(tǒng)適配新型電力系統(tǒng)的重要改造技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；相變儲熱；削峰填谷；峰谷電價；電網(wǎng)調(diào)峰；冷熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移

一、引言

我國新型電力系統(tǒng)快速建設(shè)發(fā)展，風(fēng)電、光伏等間歇性新能源裝機規(guī)模持續(xù)擴張，疊加工商業(yè)建筑、居民建筑集中用電特征，電網(wǎng)晝夜峰谷負(fù)荷差值持續(xù)擴大。白天工商業(yè)生產(chǎn)、建筑暖通設(shè)備集中開啟屬于用電高峰，電網(wǎng)輸電、變電設(shè)備滿載運行，需要啟用高耗能調(diào)峰機組保障供電；夜間用電負(fù)荷大幅回落，電網(wǎng)存在大量富余低谷電力，新能源發(fā)電還會出現(xiàn)棄電問題。現(xiàn)階段多地電網(wǎng)出臺峰谷分時電價政策，鼓勵工商業(yè)用戶將大功率用電設(shè)備轉(zhuǎn)移至夜間低谷時段運行，緩解電網(wǎng)高峰壓力。

傳統(tǒng)地源熱泵跟隨建筑冷熱負(fù)荷啟停運行，日間建筑采暖、制冷需求高，熱泵主機大功率耗電，恰好落在電網(wǎng)用電高峰區(qū)間，既增加企業(yè)電費支出，又加重區(qū)域電網(wǎng)峰谷不平衡問題。單純依靠熱泵機組自身運行策略無法實現(xiàn)用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移，必須配套儲能裝置儲存夜間低谷制取的冷熱能量，在日間高峰釋放熱量。相比水蓄熱罐體體積龐大、儲熱密度低的缺陷，相變儲熱材料依靠相變潛熱儲能，單位體積儲熱密度遠高于水蓄熱方案，罐體占地面積更小，更適配工商業(yè)園區(qū)建筑配套改造。將相變儲熱裝置與地源熱泵系統(tǒng)耦合聯(lián)動，通過智能控制系統(tǒng)切換“夜間儲熱、日間釋熱"運行模式，既可以幫助電網(wǎng)削峰填谷，又能利用峰谷電價降低暖通系統(tǒng)運營成本，實現(xiàn)電網(wǎng)與項目方雙向收益。

二、地源熱泵用電與電網(wǎng)峰谷匹配的現(xiàn)存問題

第一，負(fù)荷時序高度重合。建筑日間暖通冷熱負(fù)荷最大，熱泵主機高功率運行耗電，疊加園區(qū)其他用電設(shè)備，形成日間用電高峰，抬高企業(yè)基本電費與高峰電價電費。

第二，水蓄熱方案局限性大。傳統(tǒng)水蓄熱依靠水的顯熱儲熱，儲熱密度低，想要儲存全天暖通熱量需要超大型儲熱水罐，園區(qū)建筑場地難以滿足罐體占地面積要求，土建改造成本高。

第三，系統(tǒng)缺乏聯(lián)動調(diào)控邏輯。常規(guī)熱泵控制系統(tǒng)僅根據(jù)末端室溫啟停主機，無法結(jié)合電網(wǎng)峰谷時段、電價、儲熱容量進行智能化運行調(diào)度，不能主動完成用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

三、相變儲熱耦合地源熱泵系統(tǒng)整體方案設(shè)計

整套耦合系統(tǒng)包含淺層地埋管換熱環(huán)路、變頻地源熱泵主機、相變儲熱罐體、板式換熱末端、多目標(biāo)聯(lián)動智能控制系統(tǒng)五大核心部分。

3.1 適配暖通工況的相變材料選型

選用石蠟基復(fù)合相變材料，根據(jù)地源熱泵常規(guī)換熱介質(zhì)溫度區(qū)間，選定相變溫度區(qū)間為28℃~32℃儲熱材料（供暖工況）、12℃~16℃儲冷材料（制冷工況），在熱泵換熱溫度區(qū)間內(nèi)完成固-液相變，依靠相變潛熱實現(xiàn)高密度儲熱；在相變材料內(nèi)部添加高導(dǎo)熱石墨填料，提升相變材料內(nèi)部導(dǎo)熱效率，降低儲熱、放熱過程中的熱滯后性。

3.2 相變儲熱罐體換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲熱罐體采用管殼式換熱結(jié)構(gòu)，熱泵換熱介質(zhì)流經(jīng)內(nèi)部換熱管束，管束外部填充封裝式相變材料。換熱介質(zhì)與相變材料充分接觸換熱，夜間熱泵主機運行時，高溫介質(zhì)將熱量傳遞給相變材料使其融化，完成熱量儲存；日間低溫介質(zhì)流經(jīng)管束，相變材料凝固釋放潛熱，加熱換熱介質(zhì)供給建筑末端供暖；夏季制冷工況下反向運行完成儲冷、釋冷。罐體配備保溫層，降低靜態(tài)熱量散失，保障儲熱時長滿足日間全天暖通需求。

3.3 峰谷聯(lián)動智能調(diào)控策略

控制系統(tǒng)接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)峰谷時段劃分程序、分時電價、建筑末端室溫傳感器、儲熱罐體溫度傳感器，設(shè)置兩套運行模式：

夜間低谷電價時段：優(yōu)先啟動地源熱泵主機，一邊滿足建筑夜間基礎(chǔ)冷熱負(fù)荷，一邊將多余冷熱能量儲存在相變儲熱罐體中，直至罐體達到額定儲熱上限，主機停機。

日間高峰電價時段：熱泵主機鎖定關(guān)停狀態(tài)，由相變儲熱罐體釋放儲存的冷熱能量，通過換熱管網(wǎng)供給建筑末端供暖制冷；當(dāng)儲熱能量即將耗盡、建筑室溫即將不達標(biāo)的臨界時刻，控制系統(tǒng)可短暫啟動熱泵主機補充少量熱量（僅特殊天氣啟用）。

系統(tǒng)還可以結(jié)合天氣預(yù)報室外溫度，預(yù)判次日冷熱負(fù)荷大小，動態(tài)調(diào)整夜間儲熱總量，避免儲熱過剩造成熱量散失浪費或者儲熱不足。

四、商業(yè)園區(qū)項目應(yīng)用效果分析

選取某產(chǎn)業(yè)園區(qū)原有地源熱泵系統(tǒng)進行相變儲熱耦合改造，園區(qū)包含辦公、配套商業(yè)建筑，原有熱泵日間高峰耗電占園區(qū)總高峰用電負(fù)荷的41%。改造完成后經(jīng)過完整供暖季+制冷季運行監(jiān)測：熱泵主機98%的運行耗電轉(zhuǎn)移至夜間電網(wǎng)低谷時段，園區(qū)日間高峰用電總負(fù)荷下降37%，極大緩解區(qū)域變電站高峰供電壓力；依托峰谷電價差，整個暖通系統(tǒng)年度電費支出下降34.6%，經(jīng)濟效益顯著。相變罐體保溫性能優(yōu)異，夜間儲存的熱量日間靜態(tài)熱損失不足7%，儲放熱效率穩(wěn)定在90%以上，能夠平穩(wěn)滿足建筑全天冷熱負(fù)荷需求；淺層地埋管晝夜均衡換熱，土壤溫度場波動更加平緩，有利于維持地埋管長期換熱性能穩(wěn)定。

五、方案短板與優(yōu)化措施

短板：相變材料長期反復(fù)相變循環(huán)存在性能衰減，需要每5~8年補充更換部分相變填料；罐體初次建設(shè)存在一定土建與設(shè)備初期投資。

優(yōu)化措施：選用高循環(huán)穩(wěn)定性復(fù)合相變材料，延長相變材料使用壽命；對于分期建設(shè)園區(qū)，可先搭建小型儲熱罐體，后期根據(jù)園區(qū)建筑擴容逐步擴容罐體；地方電網(wǎng)針對配套儲能調(diào)峰的暖通項目給予政策性補貼，縮短項目投資回收周期；罐體布置于建筑地下設(shè)備機房，節(jié)約地面場地空間。

六、結(jié)論

傳統(tǒng)地源熱泵暖通系統(tǒng)用電時序與電網(wǎng)日間用電高峰高度重合，不僅增加工商業(yè)建筑暖通電費成本，還加劇了區(qū)域電網(wǎng)峰谷負(fù)荷失衡問題，不利于新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。采用高密度相變儲熱罐體與地源熱泵主機耦合，搭配峰谷時段智能聯(lián)動控制系統(tǒng)，能夠在夜間電網(wǎng)低谷富余電力時段驅(qū)動熱泵制取冷熱能量并以相變潛熱形式高密度儲存，日間用電高峰關(guān)停熱泵主機、依靠儲熱裝置釋放能量保障建筑暖通需求，實現(xiàn)熱泵大功率用電負(fù)荷整體移峰。

商業(yè)園區(qū)長期運行實測表明，該耦合系統(tǒng)能夠大幅削減建筑日間高峰用電負(fù)荷，起到顯著的電網(wǎng)削峰填谷作用，助力電網(wǎng)消納夜間富余電力與新能源低谷發(fā)電量；同時利用分時電價政策大幅降低暖通系統(tǒng)年度運行電費，創(chuàng)造可觀的運營經(jīng)濟效益，還能夠讓淺層地埋管換熱趨于平穩(wěn)化，進一步保護土壤熱平衡，保障地源熱泵換熱系統(tǒng)長效運行。雖然項目存在初期設(shè)備與罐體土建投資，但依托電費節(jié)約與電網(wǎng)調(diào)峰補貼可在數(shù)年完成成本回收，后續(xù)長期穩(wěn)定收益。相變儲熱耦合調(diào)峰技術(shù)讓地源熱泵從單一的建筑暖通節(jié)能設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詤⑴c電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的柔性用電設(shè)施，拓寬了地源熱泵在新型電力系統(tǒng)背景下的應(yīng)用價值與商業(yè)發(fā)展前景，具備在工商業(yè)園區(qū)、大型公共建筑群大范圍推廣應(yīng)用的條件。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地?zé)犴椖?、超低能?零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復(fù)合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質(zhì)黏土、土壤原始基準(zhǔn)地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地?zé)嵫h(huán)介質(zhì)

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結(jié)垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結(jié)晶垢堵、冷熱負(fù)荷差值超標(biāo)、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負(fù)荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地?zé)岜O(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵詞

標(biāo)準(zhǔn)編號全稱

DB11/T 1956-2022《地?zé)釀討B(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地?zé)崮荛_發(fā)利用監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、DB12/T 608-2015天津《淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范

四大標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標(biāo)準(zhǔn)化布設(shè)（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設(shè)測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質(zhì)與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議、年度地?zé)岜O(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標(biāo)準(zhǔn)專屬關(guān)鍵詞

北京地標(biāo)：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設(shè)、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地?zé)岜O(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預(yù)警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標(biāo)：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地?zé)岽髷?shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設(shè)備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標(biāo)：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標(biāo)準(zhǔn)化、管內(nèi)注水導(dǎo)熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標(biāo)準(zhǔn)化圖集

陜西地標(biāo)：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地?zé)崧?lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結(jié)構(gòu)、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預(yù)警、地質(zhì)環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標(biāo)四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標(biāo)配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地?zé)針?biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測成套設(shè)備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地?zé)岜O(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預(yù)警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標(biāo)準(zhǔn)化工程驗收報告導(dǎo)出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地?zé)岜O(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應(yīng)用功能關(guān)鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準(zhǔn)測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預(yù)警調(diào)控

冷熱負(fù)荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預(yù)判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調(diào)控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質(zhì)量核驗、分層測溫點位深度校準(zhǔn)、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復(fù)測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地?zé)崛∷S可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質(zhì)pH/電導(dǎo)率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地?zé)豳Y源年度普查、礦山地質(zhì)環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風(fēng)險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地?zé)岜O(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境評估資料、淺層地?zé)衢_發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)關(guān)鍵詞

分層測點布設(shè)間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結(jié)構(gòu)、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調(diào)光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設(shè)置

六、熱平衡修復(fù)、老舊熱泵提質(zhì)改造配套關(guān)鍵詞

間歇輪換運行調(diào)控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負(fù)荷調(diào)節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學(xué)酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內(nèi)襯防腐修復(fù)、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地?zé)嵋惑w化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關(guān)鍵詞

地?zé)衢_發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設(shè)計院、自然資源局地?zé)岜O(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構(gòu)、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設(shè)單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地?zé)豳Y源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質(zhì)隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產(chǎn)化設(shè)備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應(yīng)急售后、年度免費傳感器校準(zhǔn)防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地?zé)釘?shù)字化管控、雙碳目標(biāo)能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求