【社区-建筑-用户多模式回水源热泵调峰系统的运行特性与适用性】

《Energy and Built Environment》：Operational Characteristics and Suitability of Community–Building–User Multi-Mode Return-Water-Source Heat Pump Peak-Shaving Systems

　　

区域供热系统因其巨大的供热能力和高能源利用效率，已成为北方地区冬季供热的主导形式。然而，长传热距离和显著的热工与水力惯性往往导致对末端热需求波动的响应滞后，造成供需不匹配、供热过量以及能耗增加。为解决这些问题，研究人员开发了一种基于回水源热泵的社区-建筑-用户多模式调峰系统的热工-水力模型。考虑住宅、学校、办公及商业建筑等典型社区建筑的供热负荷时空分布特征，建立了多场景社区能耗模型，并探究了不同调峰模式的优化设计与容量配置。随后，从室内温度未满足率、运行能耗、平准化供热成本、?效率和碳排放方面评估了系统性能。并进一步采用熵权TOPSIS法评估了各模式的适用性。结果表明，社区负荷特征差异显著，直接影响多模式调峰系统的运行性能。用户级调峰系统表现出最稳定的整体性能，更适用于负荷异质性显著的场景，如住宅社区。建筑级系统在建筑间负荷差异较大的场景中展现出更高的经济适用性，如学校社区。相比之下，社区级系统更适合负荷高度同步的场景，如商业社区。这些发现为区域供热管网中调峰系统的模式选择和工程应用提供了基础。

区域供热因其规模大和能源利用效率高，是中国北方冬季供暖的主导形式。随着城市化进程加快，社区建筑功能日益多样，居住者行为和用热模式差异不断增加，导致末端供热负荷呈现显著的时间和空间变化。传统区域供热系统由于长距离传热和较大的热工与水力惯性（Thermal and Hydraulic Inertia，即系统在热量和流体传输过程中的延迟响应特性），对负荷变化的响应迟缓，难以实现供需的动态匹配，易引发过量供热、热损失增加及运行能耗升高等问题。为增强系统调节能力，已有研究探讨了利用热网和建筑热惯性、引入蓄热装置以及优化建筑热需求等方式进行调峰。调峰系统与近年来备受关注的第五代区域供热供冷系统有所不同，后者通常采用接近环境温度的低温水环路，而调峰系统则是在现有基础负荷供热系统中增设热泵、锅炉或蓄热装置，以补偿峰值负荷和短期需求波动。随着研究深入，调峰层级逐渐从社区级向建筑级和用户级延伸。然而，现有研究多局限于单一末端用能场景，不同负荷场景下调峰系统的运行特性和适用性尚不清晰。为此，研究人员构建了社区-建筑-用户多模式回水源热泵调峰系统，建立了热工-水力数学模型，结合典型社区场景进行多维性能评估与适用性分析。研究表明，不同社区负荷特征显著影响系统性能，用户级、建筑级和社区级系统分别在住宅、学校和商业社区中表现最优。该研究为区域供热调峰系统的模式选择与工程应用提供了理论依据，论文发表于《Energy and Built Environment》。

研究人员为开展此项研究采用了以下关键技术方法：首先基于UMI和EnergyPlus建立涵盖住宅、学校、办公和商业建筑的社区尺度负荷仿真模型，样本队列来源为西安市的典型社区。其次，构建了基于回水源热泵的多模式调峰系统仿真模型，并开发了以全生命周期成本最小化为目标的系统设计优化模型，采用遗传算法求解管网布局、管径及设备容量的最优配置。最后，构建了涵盖室内温度未满足率、运行能耗、平准化供热成本、?效率和碳排放的多维评价体系，并引入熵权TOPSIS法对不同场景下系统的综合性能进行评估与排序。

系统设计优化结果：基于系统设计优化模型，研究人员对各类社区场景下三种调峰模式的管网布局、管径组合及设备容量进行了优化配置。

室内未满足率：通过对比不同系统在不同社区的室内未满足率，研究发现用户级调峰系统由于设备靠近末端用户，响应迅速，在所有社区类型中均保持最低的未满足率（约0.06）。在负荷异质性较强的混合型住宅社区，建筑级和社区级系统的未满足率分别比用户级高出28.1%和43.2%；而在负荷一致性较高的商业社区，两者的增幅仅为9.8%和15.5%。

运行能耗：研究比较了各系统的运行能耗，结果表明总体能耗顺序为用户级小于建筑级小于社区级。用户级系统传热距离短、热损失小；社区级系统管网庞大、调节滞后，能耗相对较高。在学校社区，建筑级系统能耗仅比用户级高1.5%；但在混合住宅社区，由于负荷异质性强，建筑级和社区级能耗分别上升14.4%和27.3%。

碳排放：通过评估各系统年度CO₂排放强度，发现碳排放顺序同样为用户级小于建筑级小于社区级。在商业社区，建筑级和社区级碳排放仅比用户级高2.5%和5.8%；在混合住宅社区，由于负荷异质性及调节延迟，两者碳排放增幅达8.5%和13.6%，表明用户级系统在负荷异质性强的社区中具有显著的低碳优势。

经济性能：分析平准化供热成本发现，用户级系统的成本稳定在0.305至0.306 CNY/kWh。建筑级系统在学校社区表现较好（约0.304至0.305 CNY/kWh）；社区级系统在负荷高度重合的办公和商业社区因集中配置和较低初投资而更具经济性（0.290至0.302 CNY/kWh）。

?效率分析：通过计算各热交换过程的?效率（Exergy Efficiency，即系统中可用能的利用效率），发现总体效率顺序为用户级大于建筑级大于社区级。负荷异质性会导致设备长期高负荷低效运行，降低热泵?效率。在混合住宅社区，热泵?效率降幅达11.2%和20.0%，而在商业社区仅为4.5%和9.2%。

综合性能分析：基于熵权-TOPSIS综合评价结果，系统适用性主要由负荷差异的层级分布决定。在以工作人群为主的住宅社区，建筑级系统实现最佳平衡；在老年人和混合住宅社区，用户级系统因末端调节灵活性而最适用；学校社区因建筑间负荷差异大，建筑级系统表现最佳；办公和商业社区因负荷高度重合，社区级系统最优。总体而言，随着负荷差异从用户级向建筑级及整个社区逐级减弱，最优调峰层级也从用户级向建筑级和社区级转移。

总结讨论与结论：研究人员通过构建多模式调峰系统模型，系统评估了不同社区负荷特征下各层级的运行差异与适用条件，为区域供热调峰模式选择和设备配置提供了科学依据。然而，当前研究是在常规运行控制边界下进行的对比，尚未考虑基于天气预报、负荷变化及末端热舒适需求驱动的实时多级协调控制。研究得出以下主要结论：首先，不同社区类型的供热负荷时空分布差异显著。以工作人群为主的住宅社区负荷模式较为一致，负荷参差系数为1.10；老年人和混合住宅社区的用户级负荷差异显著，参差系数分别增至1.25和1.51。学校社区主要表现为不同功能建筑间的负荷差异，而办公和商业社区负荷高度重合，参差系数分别为1.05和1.04。其次，三种调峰模式的运行性能存在显著差异。用户级系统在室内未满足率、运行能耗、?效率和碳排放方面总体表现最佳。建筑级系统在以工作人群为主的住宅和学校社区表现出更优的经济性能，平准化供热成本分别为0.291和0.292 CNY/kWh。在办公和商业社区，社区级系统受益于集中设备配置和较低投资，平准化供热成本分别为0.290和0.289 CNY/kWh。最后，调峰系统的适用性取决于其调节层级与负荷分化规模的对应关系。当用户间能源使用差异显著时，用户级系统最为适合；当单个建筑内部负荷相对相似但建筑间差异显著时，建筑级系统更具优势；当用户负荷与整体社区负荷高度重合时，社区级系统综合性能最佳。