摘要：中国提出双碳战略，推进可再生能源利用和供热电气化，降低电供热成本已成为迫切需求。本文提出了一种新型含相变储热的热泵供热系统。供热系统利用富余的可再生能源发电量或谷电储热，在可再生能源间歇期或峰电时段放热，实现热电解耦、削峰填谷，提高系统经济性。基于相变储热装置使用的灵活性，控制策略可根据可再生能源发电特性或分时电价时段动态调整。本研究测试以谷电为主要驱动能源下的系统运行特性，分析不同储热时间和储热容量对系统经济性的影响，在青海高海拔地区进行供热实验。结果表明，含相变储热的热泵供热系统比热泵直接供热耗电量成本降低5.28%；储能容量为75 kW·h时，通过调节控制策略改变储热时间可使系统能耗和运行成本分别降低5.69%、13.5%；增加储能容量至150 kW·h可调节峰谷电用量，谷电占比最高可达84.52%，运行成本可再降低10%。含相变储热的热泵供热系统具有良好的经济效益，合理利用其热电解耦特性可助力可再生能源消纳和电网稳定运行。
随着全球气候变化和二氧化碳排放量的增加，节能减排已成为国际社会共识。2020年中国明确提出了“碳达峰”和“碳中和”战略目标。开发利用光伏、风能等可再生能源已成为实现“双碳”战略的重要途径。
2022年中国光伏与风电发电量达到全国用电量的13.8%。受制于环境因素，可再生能源发电具有间歇性和波动性，给新能源发电并网带来巨大挑战。储能技术可实现可再生能源就地消纳和电网削峰填谷。在综合能源系统中，利用电/热储能实现电热耦合，可有效消纳再生能源和低谷电量、提高能源利用率。中国西部地区可再生能源丰富，冬季供热周期较长，应用可再生能源制暖设备空气源热泵(Air Source Heat Pump，ASHP)，结合成本较低、使用方式灵活的热能存储技术(Thermal Energy Storage，TES)，利用可再生能源发电或谷电驱动热泵制热并将富余热量存储，在可再生能源发电间歇期或用电高峰时段释放存储的热能供热，可以消纳可再生能源、削峰填谷并降低供热成本。常用的储能方式分为显热储能、相变储能(潜热储能)和化学储能。目前广泛采用的相变储能具有能量密度高、相变过程温度变化较小的优点。
张亚磊等建立了基于TRNSYS的含相变蓄热热泵供暖系统模型，利用谷电与太阳能蓄热，该系统运行15年成本比无相变蓄热热泵供暖系统降低53%。Le等分别验证了无TES系统的热泵直接供热模式、TES系统作为缓冲装置供热的间接供热模式和基于分时电价、TES蓄热与负荷转移的组合供热模式。研究结果显示，利用谷电蓄热以满足用电高峰期供热需求的组合供热模式运行成本比直接供热模式低4.3%，比间接供热模式低53.2%。胡康等针对含相变储能装置的风电-热综合能源系统，构建了热阻网络模型和系统能量流模型并优化调度策略，结果表明相变储能装置可提高系统灵活性和风电消纳能力。Wang等提出了一种新型热泵储能双源建筑能源供应系统，利用夜间谷电储存能量，仿真结果表明系统全年运行成本为常规空气源热泵系统的55%，动态回收期为3.66年。Jin等模拟了含相变储能的空气源热泵供热系统，通过转移负荷至谷电时段，年均成本降低HKD 1071.1，碳排放减少52.5%。常健等将高温复合相变储热材料与电加热装置结合，消纳低谷电、弃风电、弃光电进行储热，与直热式供暖系统相比，一个供暖季的运行费用降低57.76%。
相较于传统的水箱储热，本文提出了一种含相变储热(Phase Change Heat Storage，PCHS)的空气源热泵供热系统。该系统可利用光伏发电、风电或谷电制热，相变储能装置储存多余的热量，在可再生能源间歇期或峰电时段释放存储的热能供热，实验场所屋顶光伏发电系统如图1所示。现有的含储热装置供热系统研究多为仿真计算，实际运行时热损耗等因素会影响供热系统运行效果。本文通过现场实验测试了含相变储热供热系统性能。在相同的系统构成中，通过改变控制策略可以降低运行成本。光伏发电系统尚未并网，基于实验地点分时电价政策和实验条件，本实验利用谷电制热满足建筑供热负荷与PCHS储能负荷，在用电高峰期由PCHS放热为建筑供热，测试PCHS储存、释放热量的性能和使用灵活性，实现系统的热电解耦与负荷转移。本研究所提出的新型热电耦合供热系统是一种经济、高效、稳定的供热解决方案，通过热能存储实现负荷转移，降低系统运行成本，有助于供热季电网削峰填谷。该研究为分布式热电耦合供热和供热系统能量管理控制提出了一种解决方案，验证了相变储能装置在实际应用中转移负荷的可行性，并为含相变储能供热系统消纳可再生能源提供参考。
图1屋顶光伏发电系统
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含相变储热的热泵供热系统
2023年3月10日-2023年4月10日在青海西宁兔儿干某民宿建筑内进行供热实验。供热系统的原理示意图如图2所示。
图2供热系统原理图
供热系统由空气源热泵机组、相变储能装置和供热管路组成。PCHS系统由4个储能介质和储能容量相同的相变储能箱组成，每个储能箱进出水阀门均可单独开启或关闭。系统运行分为储能阶段和放热阶段，一天中两个阶段可多次交替进行。在储能阶段，ASHP将水加热，热水先流经PCHS，水温高于相变储能介质(Phase Change Material，PCM)温度，PCM吸热储能，风机盘管利用流出PCHS的余温热水供热。在放热阶段，ASHP停止工作，温度较低的水流经PCHS，水温低于PCM温度，PCM放热释能，水升温后通过风机盘管散热给建筑供热。此外，系统还可由热泵直接供热。
本文采用的低温型空气源热泵使用R-410A制冷剂的室外机从环境空气中提取热量，供热末端为风机盘管型ASHP的名义制热COP(W/W)为2.41。
相变储能材料在相变化过程中吸收或释放大量潜热以实现热量储存和释放。本文采用复合CH3COONa·3H2O—KCl低温相变材料作为储能介质，其密度为1470 kg/m3、熔点为48℃，理论相变潜热约为180 kJ/kg。
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实验方法
2.1控制方案
控制策略可根据可再生能源发电特性或分时电价时段进行优化。本实验基于分时电价时段规划控制策略，在峰电时段释放PCHS储存的热量供热，减少热泵工作时间，降低系统运行成本，实现系统的经济高效运行。
本文共测试6个控制方案，以保持各屋室内温度在18℃以上为前提，评估供热系统的性能与运行成本。PCHS系统中单个储热箱的理论容量为37.5 kW·h，根据控制方案将一个或多个储热箱投入使用。方案1-4研究相同PCHS容量下，不同储热和放热时长对系统的影响。方案1-4如表1所示。
表1方案1-4
方案4-6测试不同PCES容量下供热系统的性能。方案4-6如表2所示。
表2方案4-6
方案1-6均设置ASHP出水温度为53℃。同时，对热泵直接供热的状态进行验证，热泵全天运行，设置ASHP出水温度为45℃。
2.2计算公式
当系统运行时，PCHS中的相变材料(PCM)与管路中的水存在温差，持续进行吸热或放热的热交换过程。PCHS储热量、PCHS放热量和末端放热量的计算，依据水与PCM、风机盘管进行热交换时进出口水温和水流量的变化。每60秒记录一次进出口水温与水流量数据，储热/放热过程在该时间间隔内认为是稳定的。
PCHS储热量、PCHS放热量和末端放热量的计算公式如式(1)、(2)所示：
式(1)、(2)中，
