地源熱泵系統相變儲熱耦合調峰技術用于電網削峰填谷的研究

摘要

隨著國內用電負荷季節性、晝夜性峰谷差值不斷拉大，電網高峰時段供電壓力大、低谷時段電力富余，電網調峰成本逐年上升。地源熱泵供暖制冷系統運行能耗受建筑冷熱負荷影響，多集中在日間用電高峰開啟運行，進一步加劇電網峰谷矛盾。本文提出相變儲熱裝置與地源熱泵耦合的聯合調峰系統，利用夜間電網低谷低價電能驅動地源熱泵，將巖土中的冷熱能量通過相變儲熱材料儲存至儲熱罐體；日間用電高峰時段關停熱泵主機，依靠相變儲熱裝置釋放儲存冷熱能，為建筑提供供暖、制冷服務，實現熱泵用電“移峰填谷"。通過相變材料選型優化、儲熱罐體換熱結構設計、熱泵與儲熱系統聯動控制算法優化，提升儲放熱效率與熱量利用率。商業園區項目實測結果表明，耦合相變儲熱系統后，地源熱泵主機用電轉移至夜間低谷時段，園區高峰用電負荷降低37%，有效緩解區域電網高峰供電壓力；同時利用峰谷電價差大幅降低熱泵系統運行電費，兼顧電網調峰社會效益與項目運營經濟效益，是地源熱泵系統適配新型電力系統的重要改造技術方案。

關鍵詞：地源熱泵；相變儲熱；削峰填谷；峰谷電價；電網調峰；冷熱負荷轉移

一、引言

我國新型電力系統快速建設發展，風電、光伏等間歇性新能源裝機規模持續擴張，疊加工商業建筑、居民建筑集中用電特征，電網晝夜峰谷負荷差值持續擴大。白天工商業生產、建筑暖通設備集中開啟屬于用電高峰，電網輸電、變電設備滿載運行，需要啟用高耗能調峰機組保障供電；夜間用電負荷大幅回落，電網存在大量富余低谷電力，新能源發電還會出現棄電問題。現階段多地電網出臺峰谷分時電價政策，鼓勵工商業用戶將大功率用電設備轉移至夜間低谷時段運行，緩解電網高峰壓力。

傳統地源熱泵跟隨建筑冷熱負荷啟停運行，日間建筑采暖、制冷需求高，熱泵主機大功率耗電，恰好落在電網用電高峰區間，既增加企業電費支出，又加重區域電網峰谷不平衡問題。單純依靠熱泵機組自身運行策略無法實現用電負荷轉移，必須配套儲能裝置儲存夜間低谷制取的冷熱能量，在日間高峰釋放熱量。相比水蓄熱罐體體積龐大、儲熱密度低的缺陷，相變儲熱材料依靠相變潛熱儲能，單位體積儲熱密度遠高于水蓄熱方案，罐體占地面積更小，更適配工商業園區建筑配套改造。將相變儲熱裝置與地源熱泵系統耦合聯動，通過智能控制系統切換“夜間儲熱、日間釋熱"運行模式，既可以幫助電網削峰填谷，又能利用峰谷電價降低暖通系統運營成本，實現電網與項目方雙向收益。

二、地源熱泵用電與電網峰谷匹配的現存問題

第一，負荷時序高度重合。建筑日間暖通冷熱負荷最大，熱泵主機高功率運行耗電，疊加園區其他用電設備，形成日間用電高峰，抬高企業基本電費與高峰電價電費。

第二，水蓄熱方案局限性大。傳統水蓄熱依靠水的顯熱儲熱，儲熱密度低，想要儲存全天暖通熱量需要超大型儲熱水罐，園區建筑場地難以滿足罐體占地面積要求，土建改造成本高。

第三，系統缺乏聯動調控邏輯。常規熱泵控制系統僅根據末端室溫啟停主機，無法結合電網峰谷時段、電價、儲熱容量進行智能化運行調度，不能主動完成用電負荷轉移。

三、相變儲熱耦合地源熱泵系統整體方案設計

整套耦合系統包含淺層地埋管換熱環路、變頻地源熱泵主機、相變儲熱罐體、板式換熱末端、多目標聯動智能控制系統五大核心部分。

3.1 適配暖通工況的相變材料選型

選用石蠟基復合相變材料，根據地源熱泵常規換熱介質溫度區間，選定相變溫度區間為28℃~32℃儲熱材料（供暖工況）、12℃~16℃儲冷材料（制冷工況），在熱泵換熱溫度區間內完成固-液相變，依靠相變潛熱實現高密度儲熱；在相變材料內部添加高導熱石墨填料，提升相變材料內部導熱效率，降低儲熱、放熱過程中的熱滯后性。

3.2 相變儲熱罐體換熱結構設計

儲熱罐體采用管殼式換熱結構，熱泵換熱介質流經內部換熱管束，管束外部填充封裝式相變材料。換熱介質與相變材料充分接觸換熱，夜間熱泵主機運行時，高溫介質將熱量傳遞給相變材料使其融化，完成熱量儲存；日間低溫介質流經管束，相變材料凝固釋放潛熱，加熱換熱介質供給建筑末端供暖；夏季制冷工況下反向運行完成儲冷、釋冷。罐體配備保溫層，降低靜態熱量散失，保障儲熱時長滿足日間全天暖通需求。

3.3 峰谷聯動智能調控策略

控制系統接入當地電網峰谷時段劃分程序、分時電價、建筑末端室溫傳感器、儲熱罐體溫度傳感器，設置兩套運行模式：

夜間低谷電價時段：優先啟動地源熱泵主機，一邊滿足建筑夜間基礎冷熱負荷，一邊將多余冷熱能量儲存在相變儲熱罐體中，直至罐體達到額定儲熱上限，主機停機。

日間高峰電價時段：熱泵主機鎖定關停狀態，由相變儲熱罐體釋放儲存的冷熱能量，通過換熱管網供給建筑末端供暖制冷；當儲熱能量即將耗盡、建筑室溫即將不達標的臨界時刻，控制系統可短暫啟動熱泵主機補充少量熱量（僅特殊天氣啟用）。

系統還可以結合天氣預報室外溫度，預判次日冷熱負荷大小，動態調整夜間儲熱總量，避免儲熱過剩造成熱量散失浪費或者儲熱不足。

四、商業園區項目應用效果分析

選取某產業園區原有地源熱泵系統進行相變儲熱耦合改造，園區包含辦公、配套商業建筑，原有熱泵日間高峰耗電占園區總高峰用電負荷的41%。改造完成后經過完整供暖季+制冷季運行監測：熱泵主機98%的運行耗電轉移至夜間電網低谷時段，園區日間高峰用電總負荷下降37%，極大緩解區域變電站高峰供電壓力；依托峰谷電價差，整個暖通系統年度電費支出下降34.6%，經濟效益顯著。相變罐體保溫性能優異，夜間儲存的熱量日間靜態熱損失不足7%，儲放熱效率穩定在90%以上，能夠平穩滿足建筑全天冷熱負荷需求；淺層地埋管晝夜均衡換熱，土壤溫度場波動更加平緩，有利于維持地埋管長期換熱性能穩定。

五、方案短板與優化措施

短板：相變材料長期反復相變循環存在性能衰減，需要每5~8年補充更換部分相變填料；罐體初次建設存在一定土建與設備初期投資。

優化措施：選用高循環穩定性復合相變材料，延長相變材料使用壽命；對于分期建設園區，可先搭建小型儲熱罐體，后期根據園區建筑擴容逐步擴容罐體；地方電網針對配套儲能調峰的暖通項目給予政策性補貼，縮短項目投資回收周期；罐體布置于建筑地下設備機房，節約地面場地空間。

六、結論

傳統地源熱泵暖通系統用電時序與電網日間用電高峰高度重合，不僅增加工商業建筑暖通電費成本，還加劇了區域電網峰谷負荷失衡問題，不利于新型電力系統穩定運行。采用高密度相變儲熱罐體與地源熱泵主機耦合，搭配峰谷時段智能聯動控制系統，能夠在夜間電網低谷富余電力時段驅動熱泵制取冷熱能量并以相變潛熱形式高密度儲存，日間用電高峰關停熱泵主機、依靠儲熱裝置釋放能量保障建筑暖通需求，實現熱泵大功率用電負荷整體移峰。

商業園區長期運行實測表明，該耦合系統能夠大幅削減建筑日間高峰用電負荷，起到顯著的電網削峰填谷作用，助力電網消納夜間富余電力與新能源低谷發電量；同時利用分時電價政策大幅降低暖通系統年度運行電費，創造可觀的運營經濟效益，還能夠讓淺層地埋管換熱趨于平穩化，進一步保護土壤熱平衡，保障地源熱泵換熱系統長效運行。雖然項目存在初期設備與罐體土建投資，但依托電費節約與電網調峰補貼可在數年完成成本回收，后續長期穩定收益。相變儲熱耦合調峰技術讓地源熱泵從單一的建筑暖通節能設備，轉變為可以參與電網負荷調節的柔性用電設施，拓寬了地源熱泵在新型電力系統背景下的應用價值與商業發展前景，具備在工商業園區、大型公共建筑群大范圍推廣應用的條件。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

淺層地溫遠程監測系統、地源熱泵一體化監測控制柜、多參數綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業觸控采集主機、淺層地熱標準化監測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求