地源热泵系统相变储热耦合调峰技术用于电网削峰填谷的研究

摘要

随着国内用电负荷季节性、昼夜性峰谷差值不断拉大，电网高峰时段供电压力大、低谷时段电力富余，电网调峰成本逐年上升。地源热泵供暖制冷系统运行能耗受建筑冷热负荷影响，多集中在日间用电高峰开启运行，进一步加剧电网峰谷矛盾。本文提出相变储热装置与地源热泵耦合的联合调峰系统，利用夜间电网低谷低价电能驱动地源热泵，将岩土中的冷热能量通过相变储热材料储存至储热罐体；日间用电高峰时段关停热泵主机，依靠相变储热装置释放储存冷热能，为建筑提供供暖、制冷服务，实现热泵用电“移峰填谷"。通过相变材料选型优化、储热罐体换热结构设计、热泵与储热系统联动控制算法优化，提升储放热效率与热量利用率。商业园区项目实测结果表明，耦合相变储热系统后，地源热泵主机用电转移至夜间低谷时段，园区高峰用电负荷降低37%，有效缓解区域电网高峰供电压力；同时利用峰谷电价差大幅降低热泵系统运行电费，兼顾电网调峰社会效益与项目运营经济效益，是地源热泵系统适配新型电力系统的重要改造技术方案。

关键词：地源热泵；相变储热；削峰填谷；峰谷电价；电网调峰；冷热负荷转移

一、引言

我国新型电力系统快速建设发展，风电、光伏等间歇性新能源装机规模持续扩张，叠加工商业建筑、居民建筑集中用电特征，电网昼夜峰谷负荷差值持续扩大。白天工商业生产、建筑暖通设备集中开启属于用电高峰，电网输电、变电设备满载运行，需要启用高耗能调峰机组保障供电；夜间用电负荷大幅回落，电网存在大量富余低谷电力，新能源发电还会出现弃电问题。现阶段多地电网出台峰谷分时电价政策，鼓励工商业用户将大功率用电设备转移至夜间低谷时段运行，缓解电网高峰压力。

传统地源热泵跟随建筑冷热负荷启停运行，日间建筑采暖、制冷需求高，热泵主机大功率耗电，恰好落在电网用电高峰区间，既增加企业电费支出，又加重区域电网峰谷不平衡问题。单纯依靠热泵机组自身运行策略无法实现用电负荷转移，必须配套储能装置储存夜间低谷制取的冷热能量，在日间高峰释放热量。相比水蓄热罐体体积庞大、储热密度低的缺陷，相变储热材料依靠相变潜热储能，单位体积储热密度远高于水蓄热方案，罐体占地面积更小，更适配工商业园区建筑配套改造。将相变储热装置与地源热泵系统耦合联动，通过智能控制系统切换“夜间储热、日间释热"运行模式，既可以帮助电网削峰填谷，又能利用峰谷电价降低暖通系统运营成本，实现电网与项目方双向收益。

二、地源热泵用电与电网峰谷匹配的现存问题

第一，负荷时序高度重合。建筑日间暖通冷热负荷最大，热泵主机高功率运行耗电，叠加园区其他用电设备，形成日间用电高峰，抬高企业基本电费与高峰电价电费。

第二，水蓄热方案局限性大。传统水蓄热依靠水的显热储热，储热密度低，想要储存全天暖通热量需要超大型储热水罐，园区建筑场地难以满足罐体占地面积要求，土建改造成本高。

第三，系统缺乏联动调控逻辑。常规热泵控制系统仅根据末端室温启停主机，无法结合电网峰谷时段、电价、储热容量进行智能化运行调度，不能主动完成用电负荷转移。

三、相变储热耦合地源热泵系统整体方案设计

整套耦合系统包含浅层地埋管换热环路、变频地源热泵主机、相变储热罐体、板式换热末端、多目标联动智能控制系统五大核心部分。

3.1 适配暖通工况的相变材料选型

选用石蜡基复合相变材料，根据地源热泵常规换热介质温度区间，选定相变温度区间为28℃~32℃储热材料（供暖工况）、12℃~16℃储冷材料（制冷工况），在热泵换热温度区间内完成固-液相变，依靠相变潜热实现高密度储热；在相变材料内部添加高导热石墨填料，提升相变材料内部导热效率，降低储热、放热过程中的热滞后性。

3.2 相变储热罐体换热结构设计

储热罐体采用管壳式换热结构，热泵换热介质流经内部换热管束，管束外部填充封装式相变材料。换热介质与相变材料充分接触换热，夜间热泵主机运行时，高温介质将热量传递给相变材料使其融化，完成热量储存；日间低温介质流经管束，相变材料凝固释放潜热，加热换热介质供给建筑末端供暖；夏季制冷工况下反向运行完成储冷、释冷。罐体配备保温层，降低静态热量散失，保障储热时长满足日间全天暖通需求。

3.3 峰谷联动智能调控策略

控制系统接入当地电网峰谷时段划分程序、分时电价、建筑末端室温传感器、储热罐体温度传感器，设置两套运行模式：

夜间低谷电价时段：优先启动地源热泵主机，一边满足建筑夜间基础冷热负荷，一边将多余冷热能量储存在相变储热罐体中，直至罐体达到额定储热上限，主机停机。

日间高峰电价时段：热泵主机锁定关停状态，由相变储热罐体释放储存的冷热能量，通过换热管网供给建筑末端供暖制冷；当储热能量即将耗尽、建筑室温即将不达标的临界时刻，控制系统可短暂启动热泵主机补充少量热量（仅特殊天气启用）。

系统还可以结合天气预报室外温度，预判次日冷热负荷大小，动态调整夜间储热总量，避免储热过剩造成热量散失浪费或者储热不足。

四、商业园区项目应用效果分析

选取某产业园区原有地源热泵系统进行相变储热耦合改造，园区包含办公、配套商业建筑，原有热泵日间高峰耗电占园区总高峰用电负荷的41%。改造完成后经过完整供暖季+制冷季运行监测：热泵主机98%的运行耗电转移至夜间电网低谷时段，园区日间高峰用电总负荷下降37%，极大缓解区域变电站高峰供电压力；依托峰谷电价差，整个暖通系统年度电费支出下降34.6%，经济效益显著。相变罐体保温性能优异，夜间储存的热量日间静态热损失不足7%，储放热效率稳定在90%以上，能够平稳满足建筑全天冷热负荷需求；浅层地埋管昼夜均衡换热，土壤温度场波动更加平缓，有利于维持地埋管长期换热性能稳定。

五、方案短板与优化措施

短板：相变材料长期反复相变循环存在性能衰减，需要每5~8年补充更换部分相变填料；罐体初次建设存在一定土建与设备初期投资。

优化措施：选用高循环稳定性复合相变材料，延长相变材料使用寿命；对于分期建设园区，可先搭建小型储热罐体，后期根据园区建筑扩容逐步扩容罐体；地方电网针对配套储能调峰的暖通项目给予政策性补贴，缩短项目投资回收周期；罐体布置于建筑地下设备机房，节约地面场地空间。

六、结论

传统地源热泵暖通系统用电时序与电网日间用电高峰高度重合，不仅增加工商业建筑暖通电费成本，还加剧了区域电网峰谷负荷失衡问题，不利于新型电力系统稳定运行。采用高密度相变储热罐体与地源热泵主机耦合，搭配峰谷时段智能联动控制系统，能够在夜间电网低谷富余电力时段驱动热泵制取冷热能量并以相变潜热形式高密度储存，日间用电高峰关停热泵主机、依靠储热装置释放能量保障建筑暖通需求，实现热泵大功率用电负荷整体移峰。

商业园区长期运行实测表明，该耦合系统能够大幅削减建筑日间高峰用电负荷，起到显著的电网削峰填谷作用，助力电网消纳夜间富余电力与新能源低谷发电量；同时利用分时电价政策大幅降低暖通系统年度运行电费，创造可观的运营经济效益，还能够让浅层地埋管换热趋于平稳化，进一步保护土壤热平衡，保障地源热泵换热系统长效运行。虽然项目存在初期设备与罐体土建投资，但依托电费节约与电网调峰补贴可在数年完成成本回收，后续长期稳定收益。相变储热耦合调峰技术让地源热泵从单一的建筑暖通节能设备，转变为可以参与电网负荷调节的柔性用电设施，拓宽了地源热泵在新型电力系统背景下的应用价值与商业发展前景，具备在工商业园区、大型公共建筑群大范围推广应用的条件。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求