地源热泵系统的改进与运行控制方法研究

李义岩，李晓君

（1.国网新疆电力公司 电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000）

地源热泵系统的改进与运行控制方法研究

李义岩1，李晓君2

（1.国网新疆电力公司 电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000）

在传统地源热泵系统典型结构的基础上增加了储能系统，可使地源热泵用电负荷具有可调度性。针对以风力发电、光伏发电为主要电源，采用地源热泵制冷、供暖的地区，基于最大限度消纳新能源发电的目的，提出了一种地源热泵的系统运行策略。通过实例验证表明，采用新型运行策略后地源热泵系统对电网负荷有明显的“削峰填谷”作用，同时使电网达到最大限度利用新能源的作用。

风力发电；光伏发电；地源热泵；储能系统；运行策略

近几年，由于煤炭资源的日益短缺，环境问题更加严峻，新能源发电成了当下的热门话题，而风光互补系统更加受到关注。由于风力资源和光照资源具有时空分布特性，采用风光互补系统具有一定的出力互补性。众所周知，风电和光电具有间歇性、随机性，这对电网造成一定的影响。新能源发电供地源热泵使用，将这部分多余的电量转换为热能，不但对电网负荷有削峰填谷的作用，同时可避免传统集中供暖方式造成的煤烟型污染。目前尚无文献研究风力发电、光伏发电和地源热泵联合运行的相关技术，本文对传统地源热泵结构进行了改进，基于风力发电和光伏发电互补出力特性，提出了一种地源热泵运行策略，旨在最大限度利用新能源发电，同时对电网起到削峰填谷的作用。

1 地源热泵

1.1 传统地源热泵系统

地源热泵是一种利用浅层或深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。图1为传统地源热泵系统。不同类型的地源热泵系统不做详细介绍，本文以竖直地埋管地源热泵为例进行分析研究。

图1 传统地源热泵系统

地源热泵系统将地下水中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物种的热能释放到地下水中，以实现对建筑物的制冷。

在寒冷的冬季，外界温度很低，而地下水温度相对较高，当地上的冷水经过地下，温度升高，再经过萃取能量加热在建筑物内循环的水，达到舒适温度。如图2为地源热泵系统冬季工作示意图。

图2 地源热泵系统冬季工作示意图

深层地下水属于恒温热源，不随外界环境温度变化而变化，全年较稳定。在炎热的夏季，地源热泵系统将较热的地上水经过地下循环后变得较为凉爽，在建筑物内循环，降低室内温度。如图3为地源热泵系统夏季工作示意图。

图3 地源热泵系统夏季工作示意图

1.2 地源热泵系统的改进

目前广泛使用的地源热泵系统不能储存热量，用电负荷无法灵活调节，对新能源电力丰富的地区，无助于新能源消纳，不利于电网负荷“削峰填谷”。

本文在传统地源热泵系统中增加了储热系统，如图4所示。

图4 含储热系统的新型地源热泵系统

1.3 地源热泵系统运行策略

图5为某电网简化结构，其中包括新能源发电电源、地源热泵系统、当地负荷等。新能源发电有功出力为PDP.i，地源热泵消纳有功功率为PUC。

图5 电网简化结构

根据母线上有功功率平衡关系有如下公式

地源热泵系统用电功率为

本文旨在使当地负荷最大限度的消纳新能源发电，因此尽可能使P′Grid最小。

有功功率转换关系为

式中：m、n分别为有功功率损耗系数。

新型地源热泵系统吸收有功功率转换为热量的关系表达式为

式中：β为转换系数。

式中：QD为日常消耗热量；QC为储热系统中存储热量，QC≥0。

新型地源热泵系统中储热系统将吸收来的热量QC用于制冷或加热水的温度，其关系式为

式中：η为转换因子。

式中：ts为室内适宜温度；t0为用户室内循环水温度，冬季t0＜ts，夏季t0＞ts；t1为储热系统中冬季循环水温度，t1≥ts；t2为储热系统中夏季循环水温度，t2≤ts；a、b、c、d为混合比例系数。

图6为能量传递和转换关系图。

新型地源热泵系统根据新能源出力与当地负荷之间的差值进行控制策略变换。

图6 能量传递转换关系图

（1）当PDG＞0时，新能源系统出力可以满足当地负荷，此时可将多发的电量PDP-PLoad供给地源热泵，这部分有功功率PUC可用于地下水循环系统中，萃取出的热量为Q，其中一部分热量QD直接供给用户日常消耗，使用户循环水保持在适宜温度ts；另一部分热量QC用于保温或制冷储热系统中的水，此时地源热泵系统中储热系统处于“充能”状态，用QCa表示。

（2）当PDG≤0时，新能源系统出力不能满足当地负荷，此时新型地源热泵系统不消耗电网有功功率，即FUC≈0。直接由储热系统中储存的温度为t1、t2的水与温度为t0的用户循环水混合，使用户循环水保持在适宜温度ts，此时地源热泵中的储热系统处于“放能”状态，用QCb表示。若储热系统中能量放完，即储热系统中热能QC=0，地源热泵直接由电网提供日常消耗电量FD。

因此储能系统中总能量为

约束条件为

2 实例验证

以新疆某地区的新能源发电和地源热泵联合运行系统为例，如图7。

图7 该地区电网示意图

2.1 风、光发电出力特性

该地区风资源和光资源较为丰富，图8为该地区典型日光伏电站出力曲线。

图9为该地区典型日风电出力特性曲线。图10为该地区风力发电和光伏发电合成出力特性曲线。

图8 典型日光电出力特性

图9 典型日风电出力特性

图10 风光互补系统合成出力

2.2 传统地源热泵运行特性

目前广泛使用的传统地源热泵系统不能储存热量，图11为传统地源热泵用电负荷曲线。

由图11得知，地源热泵日常消耗有功功率为FD，能量为Q′D，其中Q′D=βF′D。室内温度保持在ts，则全天24 h消耗电量基本保持不变。

在图7中，该地区电网主要由新能源供电，功率差额P与含传统地源热泵系统的负荷特性曲线如图12所示。

从图12可见，仅靠新能源发电不能完全平衡当地负荷，大部分时段功率差额较大，新能源发电没有得到最大限度利用。

图11 传统地源热泵日常消耗电量曲线

图12 节点P处有功功率与负荷对比

2.3 新型地源热泵运行特性

根据该地区节点P处有功功率输出与负荷的消耗情况，得到

ΔP为节点P处剩余有功功率，如图13所示。

根据控制策略，对地源热泵系统而言具有以下特点：

（2）ΔP＜0，即PDG＜PGrid，电网给当地负荷供电，地源热泵负荷消耗量为

新型地源热泵负荷从电网吸收的有功功率与图13中节点P处有功功率在ΔP＞0时趋势相同，如图14所示。

由图14看出

在新型地源热泵中，储热系统根据需要进行充放能，图15为储能系统充放能过程。

图13 该地区节点p处有功率曲线

图14 新型地源热泵负荷曲线

图15 储热系统工作曲线

通过图15中对新型地源热泵系统中储热系统分析如下：

（1）y＝0上方为储热系统充能过程：充入能量QCa为

（2）y＝0下方为储热系统放能过程：放出能量QCb为

在该区域电网结构中，节点P处有功功率输出与加入储热装置的地源热泵总负荷的差值如图16所示。

图16 新型地源热泵加入的电网差额曲线

图17 削峰填谷前后差额对比曲线

图17为传统地源热泵与新型地源热泵工作时电网有功功率输出与负荷差值的对比曲线，由图可知，采用新型地源热泵系统并采用本文提出的运行策略后，区域电网内发电功率与用电负荷差额明显减小，新能源发电得到了充分利用。

3 结束语

以新能源为主要电源的地区，采用改进型的地源热泵系统并采用合理的运行策略可最大限度地消纳新能源发电，达到对电网削峰填谷的作用。D

［1］ 毕月虹，陈林根.太阳能—土壤地源热泵的性能研究［J］.太阳能学报，2000，21（2）：214-219.

［2］ 于立强，旷玉辉，施志刚，等.太阳能集热器与热泵联合供暖装置的实验研究［J］.制冷空调与电力机械，2004，25（3）：8-11.

［3］ 孙洲阳.太阳能+地源热泵暖通空调新技术研究［D］.上海：上海交通大学，2005.

［4］ 陈祥.并网风光互补电站出力特性分析［J］.电气应用，2013（11）：79-82.

［5］ 李仕杰，王铁强.电网风电出力特性分析［J］.河北电力技术，2012，31（6）：32-34.

［6］ 洪翠，温步瀛.风电场出力特性及其不确定性的对策分析［J］.电网与清洁能源，2012，28（11）：65-68.

［7］ 行舟，陈永华，陈振寰.大型集群风电有功智能控制系统控制策略（一）风电场之间的协调控制［J］.电力系统自动化，2011，35（20）：20-23.

［8］ 何国庆，许晓艳，黄越辉，等.大规模光伏电站控制策略对孤立电网稳定性的影响［J］.电网技术，2009（15）：20-25.

［9］ 宗明，吴喜平，骆泽彬.地源热泵在变电站的应用研究［J］.华东电力，2011，39（5）：747-749.

［10］ 张一鸣，王冰，周建良.风能转换系统协调控制器设计方法［J］.机械制造与自动化，2012，41（6）：171-174.

［11］ 孙方敏.能量存储［J］.国外科技新书评介，2011（10）：11.

［12］ 靳文涛.电池储能系统用于风电功率部分“削峰填谷”控制及容量配置［J］.中国电力，2013（8）：16-21.

Improvement of ground source heat pump system and operation control method research

LI Yi⁃yan1，LI Xiao⁃jun2

（1.Xinjiang Electric Power Research Institute，Urumchi 830011，China；2.Xinjiang Electric Power Company，Urumchi 830000，China）

The typical structure of traditional ground source heat pump system on the increase of energy storage system,can make the ground source heat pump system schedulable.For in wind power,photo⁃voltaic power generation as the main power source,the use of ground source heat pump refrigeration,heating the region,based on the purpose of maximizing consumptive new energy generation.This paper proposes a ground source heat pump system operating strategy.Examples of validated,indicate the use of new ground source heat pump system operating strategy has the obvious effect that"cut peak and fill valley"for power grid load,at the same time has the function to make power reached maxi⁃mumuse of the new energy.

wind power;photovoltaic power generation; ground source heat pump;energy storage system;operation strategy

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.06.009

F407.61；TK018

C

2016-04-19