供暖、通风和空调（HVAC）系统约占建筑物能源消耗的40%，其中舒适度驱动的需求通常集中在高峰时段[2]。夏季，高峰电力需求通常出现在炎热的下午；而在冬季，则多出现在寒冷的清晨[1]。这些季节性的需求高峰对电力生成造成了巨大压力，因此推动了能够在不影响室内舒适度的情况下调整负荷的电网交互式、高效建筑的发展[[3], [4], [5]]。尽管针对以制冷为主的应用已经广泛研究了需求灵活性策略，但在制冷和制热过程中同时减少高峰电力需求变得越来越重要，因此需要实现双季节负荷转移[6,7]。
热能储存（TES）通过将制冷或制热能量在非高峰时段储存并在高峰时段释放，实现了热能生成与实时建筑需求的解耦[8,9]。当与热泵（HP）系统结合时，TES可以通过稳定影响热泵效率和容量的运行条件来进一步提升系统性能[10]。在可用的热能储存选项中，使用相变材料（PCM）的潜热储存特别具有吸引力，因为其具有高能量密度和近似等温的行为，有助于在充放电过程中保持相对稳定的热源或散热器温度[[11], [12], [13]]。最近的研究表明，现代PCM配方在数千次循环中表现出稳定的热性能，并通过封装和材料设计有效缓解了相分离问题[14,15]。这些进展支持了基于PCM的热能储存技术在负荷转移应用中的使用。
对于旨在实现双季节负荷转移的TES集成HP（TES-HP）系统，有三个关键考虑因素：（1）系统配置，特别是其与常见HVAC架构的兼容性；（2）季节适用性，即支持制冷和制热的能力；（3）在广泛的环境温度和气候条件下的性能。这些考虑因素构成了本文系统设计的背景。
将冰或冷热能储存集成到冷水机组系统中已经得到了几十年的广泛应用[16,17]。在这些系统中，制冷能量通常在夜间储存，并在白天通过水-空气风扇盘管直接释放到调节空间，而冷水机组要么保持待机状态，要么根据需要同时运行[18,19]。相比之下，用于空间制热的TES-HP系统受到的关注要少得多[7,20]。表1总结了关于制热或双季节TES-HP系统的最新研究，并强调了上述三个考虑因素之间的差异。大多数报道的系统将热能储存装置安装在负荷侧，直接为调节空间提供制热或制冷。例如，Yu等人[21]展示了基于PCM的制热负荷转移，而Ryan等人[22]和Li等人[23,24]使用热水和冷水罐以及地源或空气源热泵系统来减少两个季节的高峰需求。尽管这些系统展示了良好的性能，但它们依赖于水力分配回路、额外的风扇盘管和管道改造，所有这些都会增加系统的复杂性和改造成本。因此，它们与主导住宅和中小型商业建筑的直接膨胀（DX）制冷剂-空气系统不太兼容。这些实际限制激发了人们对保留现有DX空气分配基础设施的热能储存集成策略的兴趣。在这种背景下，源侧热能储存装置提供了一种更易于部署的配置，其中储存过程改变了蒸发或冷凝条件，而不直接向空间提供热能[25,26]。
源侧热能储存HP可以在空间制热期间低温环境下减轻性能下降，使得这种方法适用于寒冷天气的应用。这种配置通常与补充热源结合使用，包括光伏-热（PV/T）集热器或地源输入[31]。Pelella等人[28]报告称，使用PCM和多种热源时，季节性COP（性能系数）提高了约50%到200%以上，而Li等人[29]通过实验验证了在蒸发器中使用太阳能辅助PCM时的平均制热COP为4.67。其他研究将源侧热能储存扩展到支持多种运行模式[30]。然而，这些源侧热能储存配置通常依赖于PV/T或地源输入来提高制热性能，这限制了它们作为独立负荷转移解决方案的适用性。
季节适用性是TES-HP系统的第二个关键考虑因素。制冷和制热对热能储存装置的运行温度有不同的要求：较低的温度有利于制冷操作，而较高的温度则有利于制热性能。为了解决这一矛盾，一些现有的TES-HP系统通过使用独立的热水和冷水罐或切换充注温度来实现双季节运行，如表1所示。虽然这些方法可以显著减少高峰负荷，但使用显热水箱需要较大的储存体积，这限制了它们在住宅和中小型商业建筑中的适用性。这一限制凸显了需要一种紧凑的TES-HP配置，以便使用单个潜热储存装置实现有效的双季节负荷转移。
除了系统配置和季节适用性之外，环境温度和气候也对TES-HP的负荷转移性能有显著影响[32]。如表1所示，只有少数地点对气候依赖的性能进行了评估。例如，Yu等人[21]对四个中国城市的冬季温度进行了建模，范围从-30°C到-5°C；而Pelella等人[28]评估了三种欧洲气候下的COP改进。对于基于PCM的TES-HP系统，因为在某个地区有效的相变温度在另一个地区可能并不理想，因此进行广泛的气候评估对于推广设计指导和量化电网侧效益至关重要。
如表1所总结的，大多数先前的TES-HP系统依赖于负荷侧储存，并专注于单季节运行，而源侧热能储存配置主要面向制热。虽然有实验验证的系统能够使用单个热能储存装置实现双季节负荷转移，并且与传统的DX空气系统兼容，但这类系统的数量仍然有限，而且在不同气候条件下的性能报告也不多[33]。为了解决这些不足，本文提出并实验验证了一种双季节TES-HP系统，该系统在制冷运行期间使用单个基于PCM的热能储存装置作为散热器，在制热运行期间作为热源。通过在热泵的源侧集成热能储存装置，所提出的设计能够在简单的基于规则的控制下实现有效的双季节负荷转移，而无需修改现有的空气分配基础设施。
本文的其余部分安排如下。第2节描述了TES-HP的概念、系统配置、运行模式和实验设置。第3节介绍了建模框架，包括性能曲线的建立和模型验证。第4节报告了代表性日子的模拟结果、季节性能和全国范围的分析。第5节总结了关键发现及其对电网交互式建筑部署的意义。
