量化德国住宅领域热泵性能提升所带来的影响：基于模拟的情景分析

《ENERGY AND BUILDINGS》：Quantifying the impact of improved heat pumps in Germany's residential sector: A simulation-based scenario analysis

　　摘要：通过热泵实现住宅供暖的电气化是能源转型战略的核心内容。尽管有许多研究评估了大规模部署热泵对系统层面的影响，但热泵性能通常是基于静态或平均电流效率假设来计算的。与此同时，电力电子技术和压缩机控制技术的不断发展有望提升组件层面的效率。然而，从组件层面到建筑乃至国家能源系统，这类效率提升所带来的系统级影响尚未得到系统性的量化分析。本文通过构建一种自下而上的框架来填补这一空白，该框架将实验观测所得的组件效率提升与建筑层面的性能表现以及国家电力需求变化联系起来。这一方法以具有代表性的市售空气源热泵的变频器-压缩机系统实验室测试数据为基础。测试结果显示，变频器的效率取决于压缩机的转速，在最适宜的运行条件下，其效率可在88%至91%之间，这表明还有提升空间。通过假设效率会随运行条件变化而提升，进而得出改进后的热泵性能曲线，这些曲线被用于动态建筑模拟中。研究结果通过德国具有代表性的住宅建筑模型进行全国范围汇总，并根据不同的脱碳路径预测到2045年的情况。结果表明，所考虑的效率提升平均可带来约2%的效率增加，从而使得国家电力需求减少数太瓦时，到2045年这一数值还将超过3太瓦时。该研究证明了基于实验数据的组件改进在系统层面的重要性，并为技术评估提供了透明的框架。

引言：建筑领域的脱碳是德国气候与能源政策的核心目标。建筑约占最终能源消耗的35%，其中空间供暖和生活热水供应占据了最大比例[1]。因此，正如《气候变化法》所规定的那样，为了在2045年前实现德国的气候中和目标，必须摆脱依赖化石燃料的供暖系统[1]。热泵作为一种减少温室气体排放、实现电力与热能领域相互耦合的关键技术，已得到广泛认可。据BWP的研究显示[2]，最近的市场发展进一步凸显了其战略意义。2025年，德国共售出了约299,000台供暖用热泵，相比上一年增长了55%[2]。热泵首次占到了新售出供暖设备的近一半，这表明供暖市场正在发生重大的结构变化[2]。电驱动的空气源热泵能够在适宜的运行条件下，从周围的可再生能源中获取大量热量，并实现高效率运行[3]。鉴于其战略重要性，诸如《建筑能源法》和“高效建筑联邦资助计划”等政策工具都在推动新建筑和现有建筑中热泵的广泛应用[1]。德国的“热泵发展路线图”设定在2030年前安装600万台热泵，这意味着未来几年内热泵的安装数量将迅速增长[1]。在欧洲层面，“欧洲绿色协议”和“REPowerEU计划”等举措也将供暖的大规模电气化以及可再生能源的整合作为减少排放和降低能源进口的核心措施[4]、[5]。然而，热泵的快速普及也带来了新的挑战，比如冬季高峰负荷上升导致的电力需求增加。为缓解高峰负荷压力，需要将热泵系统与配电网以及可再生能源电力系统进行协同整合，因为未经控制的供暖电气化可能会大幅加剧冬季高峰负荷[6]。虽然大规模部署热泵至关重要，但热泵技术的持续发展同样重要。尤其是变频器方面的效率提升，能够降低电力消耗并改善季节性性能。尽管在组件层面这类提升看似微不足道，但一旦应用于数以百万计的已安装设备，其总体效应在国家层面可能会相当显著。本章将阐述与本研究相关的理论背景以及当前研究进展的综述。

热泵依据热力学第二定律，通过机械功将热量从低温源传递到高温宿，从而提供热能[3]。其效率通常用性能系数来表示，该系数定义为在特定理想运行条件下，有用热输出与电能输入的比值[3]、[7]。虽然性能系数是在受控测试条件下确定的，但它并不能反映在不同季节气候条件下的实际性能。为考虑季节性差异，人们采用了季节性能系数，该系数是根据EN 14825标准，在假定的气候和负荷条件下通过实验室测试计算得出的[7]。虽然这些都是实验室测试得到的指标，但在实际应用中，衡量季节性能系数的相关指标是季节性能因子[7]。热泵的效率很大程度上受运行条件的影响，尤其是热源与热宿之间的温度差。较大的温度差会导致性能系数下降、压缩机压力比升高以及转速增加，这些都是热力学的基本规律所决定的[8]、[9]。变频驱动的压缩机能够在部分负荷条件下实现调节，与固定速度运行相比，这类压缩机能够通过减少循环损耗来提升季节性能和使用舒适度[3]、[8]。在变频驱动的热泵系统中，压缩机的运行由变频器直接控制。这就使得变频器的电气效率成为整个系统性能的重要组成部分。S. Shao等人[10]的研究表明，变速压缩机的性能并非与运行频率成正比。在低频率下，由于润滑相关损耗，性能会出现下降；而在较高频率下，泄漏现象以及电磁效应的变化又会影响性能。这表明，变速运行条件下压缩机的行为无法用简单的比例关系来描述，而是取决于具体的运行点。此外，C. Cuevas和J. Lebrun[11]的实验研究也表明，变频器的效率会随运行条件变化，而且压缩机在低速和高速运行时的性能都会出现偏差。在低速运行时，由于润滑不足和泄漏增加，性能会下降；而在高速运行时，额外的电磁损耗又会成为影响性能的因素。T. Afjei和F. Jenni[12]也强调了变频器相关损耗以及对整个系统效率的影响。R. Ossorio和E. Navarro-Peris[13]的最新研究进一步证实，变速压缩机系统的特性描述尚未完全标准化，由于难以区分各项损耗的贡献程度，通常会将变频器与压缩机视为一个整体系统来评估。他们的研究还表明，系统效率会随压缩机转速的变化而改变，这进一步凸显了考虑运行条件对性能影响的必要性。为在模拟中体现热泵的行为特性，人们开发了多种建模方法。Blervaque等人[14]将建模方法分为经验近似模型、简化的热力学模型以及详细的物理组件模型，这些模型都可以以准稳态或动态形式实现。Afjei等人[15]则进一步将热泵模型分为标准化计算方法、动态系统仿真模型以及组件级设计模型，同时指出了物理细节、数据需求以及计算复杂度之间的权衡关系。在实际应用中，许多建筑和系统仿真工具都依赖于基于标准化测试数据得到的准稳态性能曲线。这类曲线可以用来插值计算在不同热源和热宿温度条件下的性能系数和电能消耗情况。Polysun、TRNSYS和EnergyPlus等工具都广泛使用了这类曲线[16]、[17]。当这类曲线被嵌入到动态系统仿真环境中时，就能够实现对完整供暖系统的时序建模，包括控制策略、热储存、生活热水制备以及部分负荷运行等方面的模拟[15]、[16]。因此，这种方法在保持物理真实性的同时又能兼顾计算效率，非常适合用于详细的建筑层面分析，以及后续针对全国建筑总量的汇总分析。现代仿真工具还通过引入与调节方式相关的插值方案以及部分负荷效率表征方法，将这种建模方式扩展到了变速热泵领域[18]、[19]。这样一来，就无需使用计算成本较高的完整物理制冷循环模型，就能根据实际的年度负荷曲线来评估不同运行条件下的性能。对于变速热泵，还有更先进的建模方法，比如多维多项式模型以及明确考虑压缩机转速和部分负荷行为的建模公式[18]、[19]。虽然这类模型在设备层面能够提供更高的精度，但由于其对数据需求较高且计算复杂，往往难以在国家级或长期研究中应用。因此，基于准稳态性能曲线的动态系统仿真方法仍然是一种被广泛采用的手段，它可以将热泵的性能与建筑运行情况以及整体建筑量评估联系起来[15]、[16]。不过，这类模型通常假定性能特征是固定的，没有明确体现未来组件层面的效率提升，而这正是本研究旨在探讨的方法论发展方向。据Vela Solaris AG的研究[20]，Polysun软件中的变速空气源热泵是采用部分负荷插值方案来建模的。这类方案是基于对压缩机和风扇效率的实验及理论研究制定的，Gasser等人[21]对此进行了记录，而这些方案的实现也是依据瑞士联邦能源局的指导原则来进行的[20]。实证监测研究为了解实际热泵的性能提供了重要依据，同时也能够补充基于仿真的分析结果。Fraunhofer ISE开展的“WPsmart im Bestand”监测项目在多个供暖季节对大约100套现有独栋住宅中的热泵系统进行了检测。该项目得出的结果是，与传统的化石燃料锅炉相比，这些热泵系统的季节性能因子更高，但减排效果却更低[22]。在前期研究的基础上，“WP-QS im Bestand”项目对现有独栋住宅中的77套现代热泵系统进行了评估，结果显示空气源热泵的平均季节性能因子约为3.4，同时该项目也指出了设备尺寸过大以及运行模式等问题[23]。这些研究都表明，安装质量、系统设计以及运行温度都会对热泵的实际性能产生重大影响。为了将建筑层面的性能数据转化为对全国范围的影响评估，人们通常会采用自下而上的建筑总量模型。在欧洲，TABULA建筑类型学为不同时期的建筑以及不同翻新状态的住宅提供了标准化的类型参考[24]。Dabrock等人[25]提出了ETHOS.BUILDA数据集，该数据集利用人口普查数据和地理空间数据，将TABULA类型的建筑信息与国家建筑统计数据进行关联，从而便于进行统一的规模换算。Aliba?和Yu[26]则基于TABULA数据以及多种统计资料，为德国开发了一个区域化的代表性建筑总量模型。他们的研究证明了基于建筑类型的自下而上分析方法在开展国家能源分析时的有效性，但这些方法仍然依赖于假设的或固定的热泵性能参数，而没有对技术上的渐进式改进进行建模分析。在能源系统层面，许多研究都强调了热泵在通过电气化和行业间协同作用实现气候中和目标过程中的核心作用。Fraunhofer ISE开发的可再生能源模型（REMod）这类集成建模框架，能够体现电力生成、供暖需求以及灵活调节措施之间的相互作用，已被广泛用于分析长期的脱碳方案[27]、[28]、[29]。这些研究一致表明，大规模部署热泵虽然会增加冬季的电力需求，但通过热储存和需求侧管理措施，依然能够提升系统的灵活性。还有其他研究指出，用户的使用习惯以及系统运行方式也会影响节能效果。Staffell等人[3]的研究表明，更高的使用舒适度可以在一定程度上抵消理论上应有的效率提升效果。Fischer和Madani[6]则研究了热泵对配电网的影响，他们发现，如果不对住宅热泵的运行进行合理调控，就会加剧冬季的用电高峰负荷，而通过协调控制热泵的运行，则可以有效提升系统的灵活性，减轻电网的压力。尽管已经取得了这些进展，但现有的国家能源系统模型在长期预测中，往往还是采用固定或平均的效率假设来表征热泵的性能。因此，诸如电力电子技术和变频器方面的组件级效率提升所带来的系统级影响，至今仍未得到充分的研究。现有的文献表明，人们在多个分析层面上都取得了显著的进展。在组件和设备层面，研究人员主要致力于热泵效率的表征和建模工作[14]、[15]、[16]。像“WPsmart im Bestand”和“WP-QS im Bestand”这样的建筑层面监测项目，则为了解实际季节性能以及运行过程中存在的问题提供了实证依据[22]、[23]。自下而上的建筑总量模型则有助于将供暖需求以及技术应用带来的影响推广到全国范围[25]、[26]。而那些使用REMod这类集成模型进行的能源系统研究，则能够分析长期的电气化发展路径以及系统之间的相互作用[27]、[28]、[29]。然而，目前这些不同的分析层面之间很少有相互关联的、可追溯的工作流程，无法从组件级的效率特性出发，量化分析相应的性能提升是如何影响到建筑系统的运行、全国建筑总量的变化，以及长期的能源转型路径的。尤其需要指出的是，以往的研究大多采用静态的或均匀分布的效率假设，也没有充分考虑近期研究中所强调的变频器-压缩机系统在运行条件变化时的特性差异。据作者所知，目前尚无研究将基于运行条件变化的组件性能改进模型——通过修正后的热泵性能图——与动态建筑系统模拟相结合，并进一步进行自下而上的全国范围scaling分析，以量化不同未来情景下的电力需求变化。本文旨在填补这一空白，提出了一种透明且可重复的自下而上框架，将该框架将组件级的效率提升与全国范围的电力需求影响联系起来。该框架以德国的住宅用空气源热泵为研究对象，并在“InnoWP”研究项目[30]的背景下得以开发。该方法的一个关键要点是将实验中观察到的、受运行条件影响的组件行为纳入建模框架中。研究人员对代表主流市场空气源热泵的变频器-压缩机系统在多种运行条件下（68个测试点）进行了实验室测量。这种测量方式与近期用于变速热泵特性研究的实验方法一致，正如R. Ossorio和E. Navarro-Peris[13]所指出的，由于难以分离各项损耗，通常会将逆变器-压缩机系统视为一个整体系统来进行分析。测量结果显示，变频器的效率明显取决于压缩机的旋转速度，这一发现为后续建模中定义基于运行条件的效率提升曲线提供了依据。这样一来，模型中所模拟的效率提升就有物理依据，能够反映真实的设备级行为，而非统一的或纯粹假设的改进值。分析范围仅限于用于空间供暖和生活热水供应的单一功能配置的住宅用空气源热泵系统。相关的典型建筑类型取自TABULA分类体系[31]，并通过ETHOS.BUILDA[25]工具进行全国范围scaling。效率提升仅限于电力电子器件带来的电能输入功率降低，且这些改进会在热泵性能图中以符合物理规律的方式体现出来。长期影响则通过REMod模型得出的2045年前的各种情景参数来进行评估。本研究的主要科学贡献包括：•一种透明且模块化的自下而上框架，能够明确地将热泵组件级的效率提升与全国范围内的能源系统影响联系起来；•对代表主流市场热泵的变频器-压缩机系统进行了实验性研究，为建模基于运行条件的效率提升提供了实证基础；•一种在动态建筑系统模拟中，以符合物理规律的方式呈现热泵性能图中非均匀效率提升的方法；•将详细的建筑级热泵模拟与全国建筑存量模型以及长期能源系统情景相结合。方法部分本节介绍了用于分析住宅用热泵组件级效率提升如何影响建筑整体性能及全国电力需求的方法。该分析结合了实验室测得的性能修正数据、动态建筑能源系统模拟、全国建筑存量scaling分析以及截至2045年的长期情景预测。各项具体方法将在以下小节中详细阐述。结果部分本节展示了基于模拟的分析结果，以及将其应用于德国住宅建筑存量的分析结果。具体内容如下：1. 变频器效率的实测值及效率提升曲线2. 热泵系统级模拟3. 建筑整体性能影响4. 2025年的全国范围影响5. 截至2045年的长期系统影响1.2 变频器效率的实测值及效率提升曲线为了获得有物理依据的表征……讨论部分本研究通过所提出的透明自下而上方法，展示了热泵组件的微小效率提升如何转化为具有全国意义的影响。分析过程中考虑了修正后的性能图、建筑模拟、建筑存量聚合以及基于情景的预测。研究结果表明，无论是在设备层面还是建筑层面，都存在着持续的技术进步，而当将这些进步应用到住宅建筑领域时，就能实现可测量的电力消耗减少。结论部分本研究提出了一种自下而上的框架，将该框架将住宅用空气源热泵中基于运行条件的组件级效率提升与建筑整体性能变化以及具有全国意义的电力需求影响联系起来。该方法结合了对代表主流市场空气源热泵的变频器-压缩机系统的实验观测结果，以及基于运行条件的热泵性能图修正方法……手稿准备过程中的生成式AI及AI辅助技术声明在撰写本文的过程中，作者使用了ChatGPT来协助语言润色、文本结构优化以及提升可读性。在使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终文章的内容负全责。CRediT作者贡献说明Karim Yassin：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据整理。Sahil Vishram Vadadkar：撰写——审阅与编辑，软件。Beatrice Rodenbücher：软件。Hannes Fugmann：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，项目管理，资金获取。Norman Tr?tschler：撰写——初稿，可视化，数据整理。Lukas Joos：研究。Stefan Reichert：撰写——审阅与编辑。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢作者感谢德国经济事务和能源部（BMWE）通过InnoWP研究项目（资助编号：03EN4080E和03EN4080F）对这项工作的支持。同时，我们也衷心感谢Jülich项目管理机构（PtJ）所提供的专业项目管理与支持。此外，还要感谢所有参与InnoWP项目的合作伙伴们所给予的宝贵协作。Karim Yassin|Sahil Vishram Vadadkar|Beatrice Rodenbücher|Hannes Fugmann|Norman Tr?tschler|Lukas Joos|Stefan Reichert|Hans-Martin Henning|Andreas Velte-Sch?fer