《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Impact of electricity tariff structures on the economic and flexibility potential of residential heat pumps ? evidence from Jeju Island
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住宅供暖电气化要求可靠的运行和经济可行的电价。本研究评估了 R32 空气源热泵与热能存储（ASHP–TES）集成系统在韩国济州岛五栋有人居住的独立住宅中的现场性能及电价影响。研究人员利用实测数据评估系统运行、逐时用电量与热需求，以及替代电价结构下的运行成本。基
住宅供暖电气化要求可靠的运行和经济可行的电价。本研究评估了 R32 空气源热泵与热能存储（ASHP–TES）集成系统在韩国济州岛五栋有人居住的独立住宅中的现场性能及电价影响。研究人员利用实测数据评估系统运行、逐时用电量与热需求，以及替代电价结构下的运行成本。基于温度的 TES 控制支持空间供暖和生活热水供应。在 11:00–15:00 期间，热泵消耗电量为 1,722 kWh，占热泵总用电量的户均比例为 13.4%。逐时曲线刻画了用电量相对于热需求的特征，而计算得到的 TES 余量（headroom）表明在观测条件下理论上的附加热存储容量。将替代电价应用于实测用电量后，计算成本呈现出显著差异。在较高用电水平下，在评估的计费情景中，一般服务电价（general-service tariff）的成本低于住宅累进电价（residential progressive tariff）。这些发现提供了住宅 ASHP–TES 运行的现场证据，并凸显了电价结构对供暖电气化经济可行性的重要性。
研究背景方面，韩国住宅部门化石燃料占比虽逐步下降，但仍显著高于经济合作与发展组织（OECD）国家平均值和全球能源结构平均水平，而电力在住宅终端能源消费中的比例相对较低。因此，空间供暖和生活热水（DHW）电气化已成为建筑部门脱碳的关键策略。韩国政府《碳中和与绿色增长基本计划》提出到2030年将建筑部门温室气体（GHG）排放较2018年水平降低32.8%；济州特别自治道亦设定到2030年将住宅GHG排放较2015年水平降低31.9%、降至约20万tCO2eq的目标。济州岛因天然气供应率在韩国最低，住宅供暖和热水系统仍严重依赖化石燃料，尤其是液化石油气（LPG）和煤油。截至2023年，济州共有257,878栋住宅，供暖系统构成为燃气锅炉（61%）、燃油锅炉（21%）、其他系统（9%）、集中供暖（5%）、燃煤锅炉（3%）和区域供暖（1%）。鉴于相当部分燃气锅炉亦使用LPG，化石燃料仍主导该地区住宅供暖能源消费，济州岛因而成为评估住宅供暖电气化实际可行性的适宜环境。在各种电气化技术中，采用空气源热泵（ASHP）的电转热（P2H）系统因能显著提高能效、替代传统化石燃料锅炉而受到关注；将热能存储（TES）与热泵集成可实现用电与热需求的解耦，在电价低谷或可再生能源盈余时段储热、在后续供暖需求时段供热，并可向电力系统提供灵活性服务。随着住宅供暖日益电气化，电价结构已成为影响热泵系统经济性能的重要因素，分时电价（TOU）、动态定价等需求侧定价机制被认为可激励灵活用电。然而，韩国现行住宅累进电价可能在热泵运行导致用电量上升时大幅增加运行成本，而采用一般服务电价或TOU电价等替代方案可能减轻累进电价负担。2026年4月，韩国引入允许符合条件的住宅空气源热泵单独计量并按一般服务电价计费的电价安排，凸显了利用实测热泵用电量评估替代电价结构经济影响的必要性。
以往住宅P2H研究可归纳为系统灵活性、电价分析和现场示范三类，但多依赖仿真或优化模型，针对有人居住建筑中住宅供暖电气化的运行与经济影响的现场证据仍然有限；尤其是R32空气源热泵与TES集成用于水地板供暖和DHW在实际家庭条件下的运行性能关注不足，实测热泵用电量与住宅电价结构之间的关系（特别是累进电价与替代计费方案的比较）亦研究不充分。为此，本研究针对济州岛五栋有人居住的独立住宅，安装ASHP–TES系统替代传统化石燃料锅炉用于水地板供暖和生活热水，利用三个月冬季供暖季的实测运行数据，评估基于温度TES控制下的热泵用电量、热需求和系统运行特性，并进一步评估替代电价结构的经济影响，重点关注住宅累进电价与热泵用电单独计量。尽管系统设计考虑了未来可再生能源弃电响应，但未对主动需求响应进行实验评估，因此本研究提供的是住宅供暖电气化实际运行和电价依赖经济可行性的现场证据，而非可再生能源消纳或诱发负荷转移的直接量化。
技术方法方面（不超过250字）：研究人员在济州岛五栋独立住宅部署R32 ASHP–TES示范系统，配置500 L供暖储罐与500 L生活热水储罐，采用基于储罐温度的自动控制；于2025年12月至2026年2月供暖季在一分钟间隔下连续监测热泵用电量、水流量、供回水温度、储罐温度及室外气温等参数，经RS-485通信与Autobase系统传输至分布式P2H资源管理平台；以韩国电力公社（KEPCO）先进计量基础设施（AMI）记录获取历史用电量，并按KEPCO累进电价、住宅TOU电价和低压一般服务电价计算运行成本，与按热泵热输出折算的原有锅炉燃料成本比较。
研究结果方面，第一，住宅P2H系统的运行特性。现场示范期间系统连续运行并稳定满足各户热需求，无运行中断；各示范住宅月用电量差异在整个供暖季保持一致，House5在三个月中用电量均最高，House2和House4相对较低，差异主要归因于建筑面积、家庭人数和供暖需求的不同，住户供暖运行策略亦影响用电量；五栋住宅累计热泵用电量为1,535 kWh（House2）至4,236 kWh（House5），最低与最高者相差约2.8倍；实测季节性能系数（SPF）随住宅和月份变化，反映热需求、储罐温度和热泵运行负荷等户别运行条件下的实际性能差异。第二，时间运行特性与理论TES存储余量。以House5为例的逐时曲线显示热泵用电量并未完全与家庭热需求重合，体现热泵运行与热存储的时间交互；11:00–15:00期间五栋住宅热泵累计用电量为1,722 kWh，House5最高约500 kWh，House1约430 kWh，House2最低约220 kWh，House3和House4分别约290 kWh和274 kWh；11:00–15:00用电占比按式（4）计算，House4最高（16.3%），House2为14.3%，House5为11.9%，平均为13.4%，表明约八分之一的总热泵用电量发生在指定午间时段；该指标仅表征用电发生时间，本身并不量化从其他时段转移的负荷量。11:00时供暖TES温度均值为47.96–51.69°C、DHW TES温度均值为47.18–50.72°C，按56°C和52°C上限设定点及标称罐容积计算的平均日总可用热存储容量为3.48–7.48 kWh_th。按TOU时段分类，五栋住宅总热泵用电量的41.1%、30.7%和28.1%分别发生在低谷（22:00–08:00）、平段（08:00–16:00）和高峰（16:00–22:00）时段，表明仅靠温度控制未能消除最高电价TOU时段的运行。第三，不同电价结构下的经济评估。以用电量最高的House5为代表，传统锅炉运行成本12月、1月、2月分别为959.89、636.89、323.00千韩元；按住宅累进电价，热泵相应成本为1,108.72、1,389.42、483.07千韩元，较锅炉分别高约15.5%、118.2%、49.6%，1月增幅尤大归因于高用电量与累进电价结构叠加；按一般服务电价，相应成本为350.27、400.03、239.35千韩元，较住宅电价降低约68.4%、71.2%、50.5%，较传统锅炉降低约63.5%、37.2%、25.9%，尽管存在附加基本需量电费，非累进的一般服务电价在三个月中均实现最低运行成本。整个供暖季House5总运行成本为传统锅炉1,919.78千韩元、住宅电价2,981.21千韩元、一般服务电价989.65千韩元，即住宅累进电价使总运行成本较锅炉高约55.3%，一般服务电价则较锅炉低约48.4%、较住宅电价低约66.8%。电费构成分解显示一般服务电价下较低运行成本主要源于能量电费降低，尽管其基本电费更高。第四，电价结构对住宅供暖电气化的启示。两种电价结构的交叉点约为445 kWh/月，对应电费约101.5×103韩元：低于该阈值时住宅累进电价因较低基本电费和低档能量电费而更经济，高于该阈值时一般服务电价因累进电价边际电费上升而更经济；在评估的家庭情景中一般服务电价均导致较低计算电费。国际经验（日本夜间储热TOU与季节电价、美国公用事业管理热泵季节电价、英国热泵用户TOU或固定电价、芬兰公用事业控制电供暖实时定价（RTP）、德国基于单独计量和电网运行的专用固定电价）虽结构不同，但共同目标是改善住宅热泵经济性并通过需求侧管理增强电网灵活性，提示韩国可引入热泵专用电价或减轻累进电价影响的替代方案；2026年4月引入的单独计量并按一般服务电价计费的电价安排提供了相关政策框架。研究亦指出需利用更多住宅建筑全年运行数据在多样气候和居住条件下进一步验证。
讨论部分总结：电价结构比较显示计算电费存在显著差异，住宅累进电价下电费随月用电量进入更高档次而急剧上升，一般服务电价因不适用累进能量电费而增长更平缓；住宅TOU电价依用电时间适用不同费率，当更多热泵用电发生在低谷时段时可能具有经济优势。研究结论部分翻译如下：本研究通过济州岛五栋独立住宅的现场示范，评估了住宅R32 ASHP–TES的现场性能和电价依赖的经济影响。现场示范证实所提出的P2H系统可在实际住宅运行条件下可靠供应地板供暖和生活热水，时间分辨分析刻画了基于温度TES控制下热泵用电量与家庭热需求之间的时间关系。在11:00–15:00指定时间窗口内，五栋示范住宅热泵总用电量约1,722 kWh，平均占各户热泵总用电量的13.4%；11:00时五栋住宅理论TES容量为3.48–7.48 kWh_th，反映各户热存储条件的差异，这些结果说明了热泵运行时间与指定时间窗口的吻合程度以及温度型TES控制下的理论存储潜力。经济评估表明电价结构显著影响住宅热泵的计算运行成本：住宅累进电价下电费随月用电量进入更高档次而急剧上升，而一般服务电价尽管固定基本电费更高，在评估的家庭情景中导致较低的供暖季计算运行成本；对两种电价结构应用相同月用电量的单独比较确定交叉点约为445 kWh/月。这些发现凸显了电价安排在降低住宅供暖电气化运行成本负担方面的重要性。总体而言，研究结果证明了住宅R32 ASHP–TES系统的实际运行以及电价结构对其计算运行成本的显著影响。尽管系统设计以适应未来可再生能源弃电响应为目标，但采用基于温度的控制运行，因此其需求响应能力未经实验评估，电价或弃电引发的负荷转移亦未得到证明；要将计算得到的TES存储余量实现为主动需求响应，需要采用基于时间表、可再生能源发电预测、电价信号或需求响应信号的监督控制，同时维持空间供暖和生活热水可接受的TES温度；未来研究应利用更多住宅建筑的全年现场数据评估此类策略，并量化由此产生的负荷转移、可再生能源消纳和经济收益。
