CN111947206A - 用于建筑物平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于建筑物平抑电能供给波动的热泵机组蓄热‑供热优化方法，所采用的热泵机组蓄热‑供热系统包括3个热泵机组，包括以下几个方面：建筑物热负荷的计算；供热回路控制方法；蓄热回路控制方法；建立平抑电能供给波动的热泵机组蓄热‑供热优化模型；输出结果。

Description

用于建筑物平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化方法

技术领域

本发明属于电力系统储能设备设计技术领域，具体涉及到一种适用于建筑物的平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化系统。

背景技术

由于近几年工业用电量的增加，导致电网的峰谷差逐渐增大，经常性的出现发电站的低负荷运行甚至停机，这造成了电网电压的不稳定以及大量电能的浪费，降低了电力系统的效率，造成社会资源利用低下。而储能技术可以在电网低负荷时进行储电，而在高负荷时再发电，实现削峰填谷的作用。另外可以根据目前的峰谷电价差，灵活的选择储能的时间和规模，实现储能效益的同时提高了常规电力的效率和经济性。储能可以有效实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，可以提高电力设备的利用率，降低供电成本，还可以促进新能源的利用。

储能系统可以改善电网性能，控制频率，提升输电线路能力，缓解电压波动，提高电能质量和可靠性，已成为配电网中实现削峰填谷的一个重要手段。从本质上讲，储能增加了生产、上网和消耗电力的灵活性。它提供了平衡电源和电力需求的能力，使电力网络比以前更具弹性，高效和清洁，并用于在不同的时间范围内调整负载。储能系统可以看作是电站与电网以及负荷之间的“调节阀”，将原本随机波动的低质量电能转变为稳定易控的高质量电能，发挥其削峰填谷和稳定输出的作用。因此，需要大规模的储能系统来适应过剩的非高峰能量产生，并在高峰负荷期间提供高功率，使发电厂全年运行效率保持最高，以及分配和传输灵活性和能源安全。

储能系统的投入是否合理与其功率配置有着直接的关系，因此对用于配电网削峰填谷的储能系统的逐时功率等运行参数进行优化，既能够得到满足符合削峰填谷要求的功率配置，又可以使经济收益最大。

目前虽然有很多适用于配电网削峰填谷的储能系统，但是针对建筑实际能耗对供热系统配电网耗电功率进行优化调节的储能系统还很少，未检索到专门针对建筑实际能耗的配电网功率调节的系统或控制方法。CN201310175242.X公开一种用于配电网削峰填谷的双储能系统储能容量的优化方法，可以实现双储能系统在配电网削峰填谷时储能容量配置的优化，但该优化方法存在下面的不足：

1.未考虑建筑实际能耗，需要历史数据库支持；

2.未考虑储能系统实际运行成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可用于建筑物如办公楼的平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化方法，用于解决现有储能系统在电能供给时耗电功率不恒定的问题。本发明的技术方案如下：

一种用于建筑物平抑电能供给波动的热泵机组蓄热-供热优化方法，所采用的热泵机组蓄热-供热系统包括3个热泵机组：其中热泵机组1和热泵机组3为供热热泵机组，热泵机组2为蓄热热泵机组，对于供热热泵机组，热泵机组1是以地下含水层中水源作为热泵机组供热的热源，热泵机组3是以蓄热水箱中热水作为热泵机组供热的热源，蓄热水箱中水温高于地下含水层中水温；热泵机组2为消纳夜间低谷时段电功率的蓄热热泵机组，热泵机组2运行，加热蓄热水箱中的水；供热过程中，热泵机组3承担部分的供热负荷，剩余热负荷由热泵机组1提供。其特征在于，包括以下几个方面：

(1)建筑物热负荷的计算：采集目标地区气候参数，包括气候特征、供热期典型日全天24h逐时平均温度变化，采集目标地区的某建筑物层数、建筑面积；根据公式CT＝AT+Bu，计算目标地区目标建筑物的瞬时供热负荷，式中：T—单一房间的所有温度节点；C—每个节点在单位温度变化率下，对应的蓄热能力矩阵；A—各相邻温度节点之间，因为温差而产生的热流流动关系的矩阵；B—反应各热扰因子和每个温度节点之间作用情况的矩阵；u—由各温度节点上的热扰因子组成的向量；

(2)供热回路控制方法：构建热泵机组1、3进行供热，对两个热泵机组的供热负荷进行分配，热泵机组1、3的供热负荷之和即为建筑物瞬时热负荷，即为Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)，式中，Q₁(τ)—热泵机组1瞬时供热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3瞬时供热负荷，Q(τ)—建筑的实时瞬时热负荷；

热泵机组的性能系数COP根据各热泵机组的蒸发温度和冷凝温度计算得到，考虑实际运行中的不可逆损失，热泵机组的效率系数η取为0.58；

根据上述各热泵机组的瞬时热负荷与性能系数COP，得到热泵机组1、3的逐时耗电功率为

(3)蓄热回路控制方法：蓄热过程主要由热泵机组2完成，设夜间热泵机组2向水箱的蓄热总量Q₂与日间热泵机组3从水箱的取热总量Q₃′相等，则有：

成立，且Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃，式中，Q₂(τ)—夜间蓄热水箱的瞬时蓄热负荷，即热泵机组2冷凝器的瞬时热负荷，Q₃(τ)—日间蓄热水箱的瞬时放热负荷，即热泵机组3蒸发器的瞬时热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3的瞬时供热负荷，即冷凝器的瞬时热负荷，COP₃—热泵机组3性能系数，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间；

根据蓄热瞬时负荷及热泵机组2性能系数COP₂得热泵机组2瞬时耗电功率

(4)建立平抑电能供给波动的热泵机组蓄热-供热优化模型：根据上述供热、蓄热控制过程，求取热泵机组蓄热-供热系统的瞬时耗电总功率P_stand(τ)＝P₁(τ)+P₂(τ)+P₃(τ)；

选取系统瞬时耗电总功率恒定、耗电成本最低为优化目标函数，以全天各时段瞬时耗电总功率变化率为零，即瞬时耗电功率对时间的一阶导数为零

与耗电成本最低为优化目标，以Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)与Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃、

为约束条件，对系统参数进行优化匹配，实际热泵机组蓄热-供热系统的运行需满足如下条件：

设热泵机组3供热负荷Q₃(τ)占建筑物实际瞬时供热负荷Q(τ)的占比为a，

1)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和等于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，即：P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，则选择相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷，进而确定热泵机组2相应蓄热负荷；

2)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和小于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＜P₂(τ)，则降低占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷；

3)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和大于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＞P₂(τ)，则提高占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷；

根据公式

对系统的运行成本进行计算，式中，P_a(τ)—高峰时段耗电功率，P_b(τ)—平段的耗电功率，P_c(τ)—低谷时段耗电功率，α₁、α₂、α₃—分别为高峰时段、平段、低谷时段电价，τ_a、τ_b、τ_c—分别为高峰时段、平段、低谷时段时间；

根据公式

对系统一天的总耗电量进行计算，式中，P₁(τ)—热泵机组1的瞬时耗电功率，P₂(τ)—热泵机组2瞬时耗电功率，P₃(τ)—热泵机组3的瞬时耗电功率，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间；

根据公式

计算得到供暖季系统的最大耗电量，式中，P—系统瞬时总功率，τ—供暖季总供暖时间；

(5)输出结果：系统日耗电总量、系统瞬时总耗电功率、各热泵机组瞬时耗电功率、各热泵机组瞬时供热负荷、蓄热负荷。

附图说明：

图1本发明的用于建筑物的平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化系统结构图

图中标号说明：1、3、5—蒸发器；2、4、6—冷凝器；7—蓄热水箱；8—办公楼；9—注入井；10—生产井；11、14、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28—节流阀；13、15、17—工质泵。

图2适用于建筑物的平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化方法流程图

图3用于用于建筑物的平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热系统优化模型图

图4本发明具体实施方式中供热期典型日逐时负荷与温度变化

图5本发明具体实施方式中供热期典型日热负荷曲线

图6本发明具体实施方式中热泵3供热负荷Q3占实际供热负荷Q百分比

图7本发明具体实施方式中供热期典型日用电负荷曲线

图8本发明具体实施方式中蓄热-供热系统与常规系统的逐时耗电功率

图9本发明具体实施方式中蓄热-供热系统与常规系统各时段的耗电量

表1本发明具体实施方式中热泵运行参数

表2本发明具体实施方式中天津市商用电价

表3本发明具体实施方式中系统运行费用对比

具体实施方式

本发明主要包括3个热泵机组，每个热泵机组分别由1台冷凝器、1台蒸发器、1台水泵和1个节流阀组成。其中热泵1和热泵3为供热热泵机组，热泵2为蓄热热泵机组，3个热泵机组与蓄热水箱7、注入井9、生产井10、建筑物(办公楼)8之间分别由节流阀连接。其中对于供热热泵，热泵1是以地下含水层中水源作为热泵供热的热源，热泵3是以蓄热水箱中热水作为热泵供热的热源(蓄热水箱中水温高于地下含水层中水温)。热泵2为消纳夜间低谷时段电功率的蓄热热泵，由于夜间建筑热负荷需求小，所产生的耗电功率明显下降，为消纳夜间谷电，热泵2运行，加热蓄热水箱中的水。由于蓄热水箱的水温高于地下水，热泵3供热的系统效率远高于热泵1，供热负荷相同时可消耗更少电功率，因此采用热泵3供热可有效降低高峰时段供热系统的电耗。供热过程中，热泵3承担部分的供热负荷，剩余热负荷由热泵1提供。

夜晚用电负荷低谷时段，热泵2运行：地下含水层中的水经过生产井10、节流阀22进入蒸发器5中释放热量，加热蒸发器5中的循环工质，然后经过节流阀21、注入井9重新返回地下含水层中，完成循环；循环工质在蒸发器5中吸收热量，然后经过节流阀18进入冷凝器中释放热量，加热循环水，然后经过工质泵17返回到蒸发器5中重新吸热，完成工质循环；蓄热水箱中温度相对较低的循环水经过节流阀20进入冷凝器6中吸收热量，提高循环水温度，然后经由节流阀19返回到蓄热水箱中，完成蓄热过程。

白天用电负荷高峰时段，热泵3首先开始运行供热，由于热泵2的蓄热作用，来自蓄热水箱7中的水的温度要明显高于地下含水层中水温，即热泵3的热源温度高于热泵1的热源温度，因此热泵3的性能系数COP要明显高于热泵1，这表明在产生相同供热量时，热泵3的耗电量明显低于热泵1耗电量，从而降低白天用电量。

热泵3的供热过程如下：热泵3以来自蓄热水箱7中的热水作为热源，来自蓄热水箱7的循环热水经过节流阀28进入蒸发器中释放热量，加热循环工质，然后经过节流阀27返回到蓄热水箱7中，完成循环；循环工质在蒸发器3中吸收热量，然后经过节流阀16进入冷凝器中释放热量，加热循环水，然后经过工质泵15返回到蒸发器3中，完成循环；来自建筑物供暖管路的回水经过节流阀25进入冷凝器4中吸收热量，提高温度，最后经由节流阀23返回建筑供暖管路进行供热。

热泵1的供热过程与热泵3相似：热泵1以地下含水层中水源作为热源，来自地下含水层中的水经由生产井10、节流阀12进入蒸发器1中释放热量，加热循环工质，然后经过节流阀11返回注入井9中，完成循环；循环工质在蒸发器1中吸收热量，经过节流阀14进入冷凝器2中释放热量，加热循环水，之后经过工质泵13返回到蒸发器1中，完成工质循环；来自建筑物供暖管路的回水经过节流阀26进入冷凝器2中吸收热量，然后经过节流阀24重新返回建筑物管路进行供暖，完成循环。

(1)建筑物热负荷的计算：采集目标地区气候参数(气候特征、供热期典型日全天24h逐时平均温度变化等)、目标地区的某建筑物层数、建筑面积等。根据公式CT＝AT+Bu，计算目标地区目标建筑物的全天时段内瞬时供热负荷，式中：T—单一房间的所有温度节点；C—每个节点在单位温度变化率下，对应的蓄热能力矩阵；A—各相邻温度节点之间，因为温差而产生的热流流动关系的矩阵；B—反应各热扰因子和每个温度节点之间作用情况的矩阵；u—由各温度节点上的热扰因子组成的向量。

(2)供热回路控制方法：构建热泵机组1、3进行供热，对两个热泵机组的供热负荷进行分配，热泵机组1、3的供热负荷之和即为建筑物瞬时热负荷，即为Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)，式中，Q₁(τ)—热泵机组1瞬时供热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3瞬时供热负荷，Q(τ)—建筑的实时瞬时热负荷。

热泵机组的性能系数COP根据各热泵机组的蒸发温度和冷凝温度计算得到，考虑实际运行中的不可逆损失，热泵机组的效率系数η取为0.58。热泵机组的COP即为：

根据上述各热泵机组的瞬时热负荷与性能系数COP，得到热泵机组1、3的逐时耗电功率为

(3)蓄热回路控制方法：蓄热过程主要由热泵机组2完成，设夜间热泵机组2向水箱的蓄热总量Q₂与日间热泵机组3从水箱的取热总量Q₃′相等，则有：

成立，且Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃，式中，Q₂(τ)—夜间蓄热水箱的瞬时蓄热负荷，即热泵机组2冷凝器的瞬时热负荷，Q′₃(τ)—日间蓄热水箱的瞬时放热负荷，即热泵机组3蒸发器的瞬时热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3的瞬时供热负荷，即冷凝器的瞬时热负荷，COP₃—热泵机组3性能系数，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间。

根据蓄热瞬时负荷及热泵机组2性能系数COP₂得热泵机组2瞬时耗电功率

(4)建立平抑电能供给波动的热泵机组蓄热-供热优化模型：根据上述供热、蓄热控制过程，求取热泵机组蓄热-供热系统的瞬时耗电总功率P_stand(τ)＝P₁(τ)+P₂(τ)+P₃(τ)；

选取系统瞬时耗电总功率恒定、耗电成本最低为优化目标函数，以全天各时段瞬时耗电总功率变化率为零，即瞬时耗电功率对时间的一阶导数为零

与耗电成本最低为优化目标，以Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)与Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃、

为约束条件，对系统参数进行优化匹配，实际热泵机组蓄热-供热系统的运行需满足如下条件：

设热泵机组3供热负荷Q₃(τ)占建筑物实际瞬时供热负荷Q(τ)的占比为a，

4)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和等于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，即：P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，则选择相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷，进而确定热泵机组2相应蓄热负荷；

5)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和小于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＜P₂(τ)，则降低占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷；

6)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和大于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＞P₂(τ)，则提高占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷。

根据公式

对系统的运行成本进行计算，式中，P_a(τ)—高峰时段耗电功率，P_b(τ)—平段的耗电功率，P_c(τ)—低谷时段耗电功率，α₁、α₂、α₃—分别为高峰时段、平段、低谷时段电价，τ_a、τ_b、τ_c—分别为高峰时段、平段、低谷时段时间；

根据公式

对系统一天的总耗电量进行计算，式中，P₁(τ)—热泵机组1的瞬时耗电功率，P₂(τ)—热泵机组2瞬时耗电功率，P₃(τ)—热泵机组3的瞬时耗电功率，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间。

根据公式

计算得到供暖季系统的最大耗电量，式中，P—系统瞬时总功率，τ—供暖季总供暖时间。

(5)输出结果：系统日耗电总量、系统瞬时总耗电功率、各热泵机组瞬时耗电功率、各热泵机组瞬时供热负荷、蓄热负荷。

本发明的实质性特点是：针对建筑物昼夜热负荷差异较大，所导致的用电负荷波动较大的问题，构建平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热系统，并进行提出了对应的优化运行策略。以热泵蓄热-供热系统耗电功率恒定及耗电成本最低作为优化目标函数，对蓄热和供热参数进行了优化分析，通过热泵1、2、3的运行动态匹配，实现全天耗电功率的恒定及耗电成本最低。

下面针对系统优化的目标函数和约束条件进一步说明。

系统优化的目标函数

为了在满足建筑热负荷需求的条件下，实现建筑供热系统的耗电平稳，以蓄热-供热系统逐时总耗电功率稳定且耗电成本最低为优化目标函数即：

ζ＝f(P_stand(τ),W) (1)

式中，P_stand(τ)—蓄热-供热系统耗电功率，kW；W—运行费用，元。

P_stand(τ)＝P₁(τ)+P₂(τ)+P₃(τ) (2)

式中，P₁(τ)—热泵1的实时耗电功率，kW；P₂(τ)—热泵2的实时耗电功率，kW；P₃(τ)—热泵3的实时电耗功率，kW。

式(3)的物理意义为：全天各时段实时耗电功率变化率为零，即实时耗电功率对时间的一阶导数为零。

P_a(τ)—高峰时段耗电功率，kW；P_b(τ)—平段的耗电功率，kW；P_c(τ)—低谷时段耗电功率，kW；α₁、α₂、α₃—分别为高峰段、平段、低谷段电价，元。

不同方案中的数据构成矩阵组X，X_ij为第i种方案下的第j个指标数据。鉴于每个评估指标的维度和数量级不同，应进行归一化以确保评估结果的可比性和真实性。无量纲评估指标定义如下：

j评估指标的熵为：

e_j＝-∑d_ijln(d_ij) (6)

X_j评估指标的差异性系数定义为：

g_j＝1-e_j (7)

X_j权重因子由其自身的差系数确定，其表示如下：

最后，得出每个程序的综合评价指标如下：

因此，得到式1所示以系统总耗电功率稳定且耗电成本最低为目标的双目标优化函数：

ζ＝f(P_stand(τ),W)

系统优化的约束条件

为满足建筑实际热负荷需求，供热热泵1、3的逐时供热负荷之和应等于建筑实际逐时热负荷，即：

Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ) (10)

式中，Q₁(τ)—热泵1逐时供热负荷，kW；Q₃(τ)—热泵3逐时供热负荷，kW；Q(τ)—建筑的实时热负荷，kW。

假设夜间热泵2向水箱的蓄热总量Q₂与日间热泵3从水箱的取热总量Q₃’相等，则有：

Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃ (12)

式中，Q₂(τ)—夜间蓄热水箱的瞬时蓄热负荷，即热泵2冷凝器的瞬时热负荷，kW；Q₃(τ)—日间蓄热水箱的瞬时放热负荷，即热泵3蒸发器的瞬时热负荷，kW；Q₃(τ)—热泵3的瞬时供热负荷，即冷凝器的瞬时热负荷，kW；COP3—热泵3性能系数。

3.系统耗电量计算

热泵1、热泵2和热泵3的运行时段不同，白天时段由热泵3完成基本供热，热泵1补充供热；夜晚时段由热泵2完成储热，但全天时段内系统的耗电量均由热泵1-3产生，因此，热泵蓄热-供热系统的各热泵逐时耗电功率分别为：

将式(6)-(8)代入公式(1)中即可得到系统总功率P_stand。热泵的性能系数COP可根据热泵系统的蒸发温度和冷凝温度计算得到。

基于谷电调峰的热泵蓄热-供热系统一天的总耗电量为：

式中，P₁(τ)—热泵1的瞬时耗电功率，kW；P₂(τ)—热泵2瞬时耗电功率，kW；P₃(τ)—热泵3的瞬时耗电功率，kW；τ₁—系统日间供热运行时间；τ₂—系统夜间蓄热运行时间。

供暖季系统的最大耗电量为：

式中，P—系统瞬时功率，kW；τ—供暖季总供暖时间。

算例分析

1建筑条件及热负荷

选取天津地区某办公楼，该办公楼高5层，建筑面积约2000m²。天津地处华北平原，属北方寒冷地区，气候呈现夏热冬冷特征。选取2019年平均温度最低一天为供热期典型日，其24h温度变化和逐时供热负荷变化如图4所示。全天时段内上午7:00-13:00时气温持续攀升，中午13:00温度达到最高，而在13:00-20:00时段内气温持续下降，直至20:00时达到最低值。

根据典型日的气温条件，并假设该办公楼内夜间无人员活动，即夜间热负荷需求为零，用DeST软件计算该办公楼的热负荷。供热期典型日的逐时热负荷如图4所示，从图中可看出办公楼的供热负荷高峰主要出现在工作时段8:00-21:00时，逐时供热负荷介于90-165kW之间，由于白天室外温度升高，供热负荷稳中有降。由于夜间办公楼内无人员活动，热负荷需求降至零。由于办公楼类型建筑的热负荷昼夜差异较大，所以热泵供热系统的昼夜用电负荷差异也较大。

2平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热系统能耗

热泵系统的COP可根据系统的蒸发温度和冷凝温度进行计算，考虑实际运行中的不可逆损失，热泵的效率系数取为0.58。三个热泵机组的相关参数见表1。根据办公楼的逐时热负荷，通过对该热泵蓄热-供热系统的优化计算，得到各热泵的供、储热负荷及耗电功率。

在供热期典型日，平抑电能供给波动的蓄热-供热系统中各热泵的逐时热负荷变化如图5所示。图中可看出，采取谷电蓄热后，日间办公楼的供热负荷由热泵1和热泵3同时提供，两者的供热负荷总和等于建筑的供热热负荷，即日间热泵1和热泵3同时运行满足了建筑供暖需求。白天工作时段9:00-13:00内热泵3的供热负荷大于热泵1，而在14:00-21:00时热泵1供热负荷高于热泵3。热泵3一天内累计供热量为2922.59MJ，实时最大供热负荷为141.84kW；热泵1一天内累计供热量为2653.96MJ。热泵2主要用于在电力低谷时段的蓄热，工作时段为22:00-次日7:00，运行时数10h，逐时蓄热负荷稳定在74.58kW，夜间的累计蓄量2684.92MJ。

图6给出了热泵3供热负荷及占实际热负荷需求的百分比。可以发现：热泵3逐时供热负荷平均可满足原实际需求供热负荷的50％；最高占比出现在上午9:00，可满足原实际需求热负荷的87％；最低占比出现在上午8:00，可满足原实际需求热负荷的26％。

供热期典型日各热泵机组及系统总的电耗功率如图7所示。图中可看出采用蓄热优化控制策略的热泵蓄热-供热系统全天时段的耗电功率稳定在16.15kW左右。夜间蓄热热泵2运行，逐时耗电功率16.15kW。日间各时刻热泵1与热泵3的耗电功率之和等于系统总耗电功率16.15kW。热泵1平均耗电功率为11.42kW，热泵3平均耗电功率为4.72kW。尽管日间热泵3与热泵1的平均供热负荷相差不大，但是热泵3供热的平均耗电功率远小于热泵1。这是由于夜间的蓄热作用，提高了热泵3供热的热源温度，COP增大，相同供热量的情况下耗电量降低。所以，采用蓄热-供热优化控制策略的系统，在满足建筑供热负荷实际需求的条件下，可以实现全天时段耗电功率的恒定。

图8为平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化系统的逐时电耗与原系统的电耗对比。图中可看出无蓄热常规热泵供热系统耗电功率逐时波动较大，供热时段的最高耗电功率35.36kW，夜间系统停机电耗为0kW；采取谷电蓄热并对系统运行优化后，系统耗电功率全天稳定在16.15kW；通过谷电蓄热优化控制后，高峰时段耗电功率最大降低了54.33％，日间的平均电耗功率降低32.71％。因此采用谷电蓄热优化控制后，大大降低了日间高峰时段耗电功率，提升了夜间耗电功率，实现了全天时段内供热系统耗电功率的平稳，保证了电网的稳定。

热泵蓄热-供热优化系统与常规热泵供热系统全天各时段的耗电量对比如图9所示。可发现蓄热-供热系统的高峰时段耗电量较原供热系统降低了42.78kW·h，降低率为24.87％；平段耗电量较原供热系统降低了34.77kW·h，降低率为21.21％；原供热系统在低谷时段耗电量为零，而蓄热-供热系统的低谷耗电量明显提升，耗电量为129.40kW·h。蓄热-供热系统的供热期典型日累计耗电总量为387.79kW·h，较原供热系统增加了51.84kW·h。

因此，平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热系统提高了夜晚谷电的消纳，降低了白天高峰及平段的用电负荷，可以显著提升办公楼供热的用电稳定性，减少办公楼热负荷时间不均匀性对电网产生的冲击；由于系统夜间的蓄热作用，建筑供热的日耗电总量有所增加。

3热泵蓄热-供热系统运行费用

不考虑系统运行期间的运维人员管理费及设备维修费等费用，对系统一个供暖季的运行费用进行分析。天津市采暖季为当年的11月1日-次年3月1日，电价如表2所示。

平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化系统、无蓄热的常规热泵供热系统在一个供暖季的系统耗电费用见表3所示。对比两系统的运行费用发现：采用平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热优化系统，供热期典型日一天可节约电费13.56元，运行费用降低4.30％。在一个采暖季可节约电费2034元。尽管采用谷电蓄热-供热优化控制策略后，系统日总耗电量有所增加，但由于夜间蓄热作用提高了热泵供热的热源温度，热泵的COP增大，日间的耗电量降低。同时由于峰谷电价的分时差异，系统总运行费用降低。

表1本发明具体实施方式中热泵运行参数

表2本发明具体实施方式中天津市商用电价

表3本发明具体实施方式中系统运行费用对比

采用谷电调峰蓄热后，在满足实际热负荷需求的前提下，不仅实现了系统电耗的稳定，减少对电网不稳定性的影响，并且降低了供热运行电费，提高了系统运行的经济性。包括：

1)通过对采取平抑电能供给波动的热泵蓄热-供热系统的运行参数优化和控制，供热系统耗电功率稳定在16.15kW，可保证供热系统的用电稳定，减少系统用电不稳定对电网的冲击。

2)采用蓄热-供热优化控制策略后，日间平段、高峰时段耗电量分别降低了34.77kW·h和42.78kW·h，夜间低谷时段耗电量增加129.40kW·h。尽管全天时段内耗电总量有所增加，但由于峰谷电价的差异，系统供热的运行电费降低4.30％。

Claims (1)

1.一种用于建筑物平抑电能供给波动的热泵机组蓄热-供热优化方法，所采用的热泵机组蓄热-供热系统包括3个热泵机组：其中热泵机组1和热泵机组3为供热热泵机组，热泵机组2为蓄热热泵机组，对于供热热泵机组，热泵机组1是以地下含水层中水源作为热泵机组供热的热源，热泵机组3是以蓄热水箱中热水作为热泵机组供热的热源，蓄热水箱中水温高于地下含水层中水温；热泵机组2为消纳夜间低谷时段电功率的蓄热热泵机组，热泵机组2运行，加热蓄热水箱中的水；供热过程中，热泵机组3承担部分的供热负荷，剩余热负荷由热泵机组1提供。其特征在于，包括以下几个方面：

(1)建筑物热负荷的计算：采集目标地区气候参数，包括气候特征、供热期典型日全天24h逐时平均温度变化，采集目标地区的某建筑物层数、建筑面积；根据公式CT＝AT+Bu，计算目标地区目标建筑物的瞬时供热负荷，式中：T—单一房间的所有温度节点；C—每个节点在单位温度变化率下，对应的蓄热能力矩阵；A—各相邻温度节点之间，因为温差而产生的热流流动关系的矩阵；B—反应各热扰因子和每个温度节点之间作用情况的矩阵；u—由各温度节点上的热扰因子组成的向量；

(2)供热回路控制方法：构建热泵机组1、3进行供热，对两个热泵机组的供热负荷进行分配，热泵机组1、3的供热负荷之和即为建筑物瞬时热负荷，即为Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)，式中，Q₁(τ)—热泵机组1瞬时供热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3瞬时供热负荷，Q(τ)—建筑的实时瞬时热负荷；

热泵机组的性能系数COP根据各热泵机组的蒸发温度和冷凝温度计算得到，考虑实际运行中的不可逆损失，热泵机组的效率系数η取为0.58；

根据上述各热泵机组的瞬时热负荷与性能系数COP，得到热泵机组1、3的逐时耗电功率为

(3)蓄热回路控制方法：蓄热过程主要由热泵机组2完成，设夜间热泵机组2向水箱的蓄热总量Q₂与日间热泵机组3从水箱的取热总量Q₃′相等，则有：

成立，且Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃，式中，Q₂(τ)—夜间蓄热水箱的瞬时蓄热负荷，即热泵机组2冷凝器的瞬时热负荷，Q′₃(τ)—日间蓄热水箱的瞬时放热负荷，即热泵机组3蒸发器的瞬时热负荷，Q₃(τ)—热泵机组3的瞬时供热负荷，即冷凝器的瞬时热负荷，COP₃—热泵机组3性能系数，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间；

根据蓄热瞬时负荷及热泵机组2性能系数COP₂得热泵机组2瞬时耗电功率

(4)建立平抑电能供给波动的热泵机组蓄热-供热优化模型：根据上述供热、蓄热控制过程，求取热泵机组蓄热-供热系统的瞬时耗电总功率P_stand(τ)＝P₁(τ)+P₂(τ)+P₃(τ)；

选取系统瞬时耗电总功率恒定、耗电成本最低为优化目标函数，以全天各时段瞬时耗电总功率变化率为零，即瞬时耗电功率对时间的一阶导数为零

与耗电成本最低为优化目标，以Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)与Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃、

为约束条件，对系统参数进行优化匹配，实际热泵机组蓄热-供热系统的运行需满足如下条件：

设热泵机组3供热负荷Q₃(τ)占建筑物实际瞬时供热负荷Q(τ)的占比为a，

1)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和等于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，即：P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，则选择相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷，进而确定热泵机组2相应蓄热负荷；

2)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和小于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＜P₂(τ)，则降低占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷；

3)若热泵机组1与热泵机组3的供热瞬时耗电功率之和大于热泵机组2蓄热瞬时耗电功率，P₁(τ)+P₃(τ)＞P₂(τ)，则提高占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根据相应占比a确定热泵机组3瞬时供热负荷、热泵机组2相应蓄热负荷；

根据公式

对系统的运行成本进行计算，式中，P_a(τ)—高峰时段耗电功率，P_b(τ)—平段的耗电功率，P_c(τ)—低谷时段耗电功率，α₁、α₂、α₃—分别为高峰时段、平段、低谷时段电价，τ_a、τ_b、τ_c—分别为高峰时段、平段、低谷时段时间；

根据公式

对系统一天的总耗电量进行计算，式中，P₁(τ)—热泵机组1的瞬时耗电功率，P₂(τ)—热泵机组2瞬时耗电功率，P₃(τ)—热泵机组3的瞬时耗电功率，τ₁—热泵机组2夜间蓄热开始运行时间，τ₂—热泵机组2夜间蓄热结束运行时间，τ₃—热泵机组1、3日间供热开始运行时间，τ₄—热泵机组1、3结束运行时间；

根据公式

计算得到供暖季系统的最大耗电量，式中，P—系统瞬时总功率，τ—供暖季总供暖时间；

(5)输出结果：系统日耗电总量、系统瞬时总耗电功率、各热泵机组瞬时耗电功率、各热泵机组瞬时供热负荷、蓄热负荷。

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