《Cleaner Energy Systems》：Techno-economic performance of air source heat pump and thermal energy storage considering peak-valley time-of-use electricity prices
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摘要：随着能源结构持续转型，空气源热泵（air source heat pump，ASHP）凭借高效、节能和环保等优势，在建筑节能领域获得了广泛应用。然而，传统ASHP系统的实际应用受到较高资本投资成本的制约，而集成储能技术可有效解决这一问题。通过利用峰谷电价
摘要：随着能源结构持续转型，空气源热泵（air source heat pump，ASHP）凭借高效、节能和环保等优势，在建筑节能领域获得了广泛应用。然而，传统ASHP系统的实际应用受到较高资本投资成本的制约，而集成储能技术可有效解决这一问题。通过利用峰谷电价政策，并结合谷时热能存储，实现了负荷转移（peak load shifting），从而最大限度地降低建筑运行能耗与运行费用，同时减少碳排放。本研究以位于天津的一栋典型办公建筑为研究案例，建立了空气源热泵耦合储能系统与传统ASHP系统的模型，并从热力学性能、经济效率和环境效益三个维度开展了综合对比分析。结果表明，与传统ASHP系统相比，所设计系统可降低初始投资29.7%，减少年运行费用65.8%，并实现年碳减排18.83吨。该系统供暖性能系数（coefficient of performance，COP）与制冷能效比（energy efficiency ratio，EER）均保持在3.0以上，平均COP与EER分别为4.54和3.04。
空气源热泵耦合热能存储系统的技术经济性能研究——论文解读
随着全球二氧化碳排放量的持续攀升，气候变化问题日益严峻，建筑部门作为全球能源消耗的主要贡献者，其节能减排已成为实现可持续发展目标的关键路径。在此背景下，空气源热泵（air source heat pump，ASHP）技术凭借其高效、节能和环保等优势，在建筑供暖与制冷领域获得了广泛应用。然而，传统ASHP系统在实际应用中面临初始投资成本较高、低温环境下制热性能衰减明显等问题，且传统系统在运行时段上与办公建筑日间集中用能的负荷特征存在失配，导致运行费用偏高，并对电网造成较大的峰时负荷压力。
为弥补上述研究不足，来自河北工业大学的李太禄、李硕、梁晓龙和王佳鹏等研究人员提出了一种创新的空气源热泵耦合储能（air source heat pump coupled energy storage，ASHPCES）系统，以天津市一栋典型办公建筑为研究对象，基于峰谷分时电价政策（peak-valley price policy，PVP），设计夜间谷电时段蓄能、日间峰电时段释能的运行策略，并与传统空气源热泵直供系统开展了系统性的对比研究。该研究成果发表在《Cleaner Energy Systems》期刊上。研究结果表明，ASHPCES系统充分利用了储能设备的调峰能力，在降低系统初始投资和运行费用的同时，有效削减了碳排放，为寒冷地区办公建筑的低碳化改造与运行优化提供了新的技术方案与理论依据。
在技术方法层面，研究人员采用了模块化耦合建模方法，构建了由建筑负荷模型、空气源热泵模型和储能水箱模型组成的系统仿真框架。建筑负荷模拟采用清华大学开发的DeST软件，以天津地区典型办公建筑为对象，该建筑为六层结构，总空调面积10,030 m2，通过逐时模拟获得了全年8,760小时的建筑冷热负荷数据。空气源热泵模型基于热力学第一和第二定律建立压缩循环模型，并引入了结霜工况下的性能衰减修正系数。储能水箱模型采用分层多节点模型描述水箱内部温度分布。此外，研究人员还构建了系统能效指标、经济指标和环境指标的评价体系，并通过与参考文献数据的对比验证了模型的可靠性，最大相对误差控制在5%以内，满足工程精度要求。
在系统设计与运行策略方面，ASHPCES系统主要由空气源热泵机组、储能水箱和用户末端三部分组成。系统设计了三种与峰谷分时电价时段严格匹配的运行模式：谷电时段（23:00-7:00）为储能模式，热泵满负荷运行向储能水箱蓄存冷量或热量；峰电时段（8:00-18:00）为释能模式，热泵关机，由储能水箱向建筑供能；平时段为调峰模式，根据蓄能量预测结果，在必要时启动热泵补充储能。
研究结果部分可概括为以下几个方面。在全年运行性能分析方面，通过对比两种系统全年逐时运行数据发现，传统ASHP系统供暖季累计运行1,142小时，平均COP为3.08；供冷季累计运行1,220小时，平均EER为4.38，全年总耗电量为272.0 MWh。ASHPCES系统供暖季运行428小时，平均COP为2.67；供冷季运行903小时，平均EER为4.54，全年总耗电量为248.1 MWh。与传统系统相比，ASHPCES系统热泵年运行时长减少了43.6%，供冷季耗电量降低了14.7%，但供暖季耗电量增加了3.0%。这种季节性差异主要源于夜间运行导致的低温环境对制热性能的不利影响与夜间冷凝器散热条件改善对制冷性能的促进作用。
在经济性效益分析方面，研究人员从初始投资、年运行费用和全生命周期成本（life cycle cost，LCC）三个层面进行了对比评估。基于建筑设计热负荷，ASHPCES系统需配置6台额定制热量为146 kW的空气源热泵机组，而传统系统需配置11台，机组数量减少了5台，初始投资由3,425,100 CNY降至2,405,537 CNY，降幅达29.77%。年运行费用方面，传统系统为293,388 CNY，ASHPCES系统仅为141,958 CNY，降低了51.60%。经计算，ASHPCES系统的LCC为3,486,380.83 CNY，较传统系统降低38.37%；动态投资回收期约为3.57年，净现值（net present value，NPV）为133,325.62 CNY，内部收益率（internal rate of return，IRR）约为12.24%，高于10%的基准折现率，验证了系统良好的经济可行性。
在环境效益分析方面，通过碳排放核算发现，ASHPCES系统供暖季碳排放较传统系统增加1.9吨，但供冷季碳减排量达19.5吨，全年合计减少电力消耗21.9 MWh，实现净碳减排17.6吨，对应减排率为8.8%，展现了显著的环境效益。
在讨论部分，研究人员指出，ASHPCES系统与传统ASHP系统在运行性能上的差异主要归因于运行时段的不同。ASHPCES系统利用夜间谷电时段运行，夜间较低的室外温度削弱了热泵制热能力，同时结霜问题加剧了性能衰减，导致供暖季平均COP略低于传统系统。相反，供冷季夜间较低的室外温度为冷凝器创造了有利的散热条件，增大了换热温差，且无实时负荷约束使热泵可持续稳定地在满负荷工况下高效运行，从而获得了较高的平均EER。尽管供暖季能耗略有增加，但供冷季的显著节能效果完全抵消了该不利影响，使系统在全年尺度上实现了净节能。
研究结论可归纳为以下几点：（1）借助储能实现削峰填谷后，ASHPCES系统无需按照建筑最大瞬时峰值负荷配置热泵机组，机组配置数量减少5台，初始投资相应降低29.7%。（2）与传统ASHP系统相比，ASHPCES系统结合PVP政策可显著降低建筑年运行能源费用，年运行成本降低51.4%，动态回收期约3.57年，LCC降低38.37%。（3）ASHPCES系统利用PVP在夜间将热能存储于蓄热水箱中，并在日间释放以满足建筑供暖需求，能有效削减电网峰值负荷，实现削峰填谷。（4）与传统ASHP系统相比，ASHPCES系统每年可节约电能21.9 MWh，减少碳排放8.8%，契合建筑节能减排目标。（5）由于ASHPCES系统主要在夜间运行，夜间室外环境温度较低，与传统ASHP直供系统相比，冬季供暖季系统COP较低，而夏季供冷季EER较高。（6）传统ASHP系统可通过增设热水蓄存水箱并优化控制策略来降低运行费用；在易结霜的潮湿地区，建议采用除霜控制方案以保证冬季供暖的稳定性能。
综上所述，该研究提出的ASHPCES系统通过合理配置储能设备与优化运行策略，实现了建筑供暖制冷系统在技术经济性和环境效益方面的综合提升，对推动寒冷地区办公建筑低碳转型和电网负荷调节具有重要的工程参考价值与应用前景。
