摘要
我国北方冬季供暖需要消耗大量的化石能源，产生大量的碳排放。考虑到我国北方冬季风能资源丰富，利用风能代替化石能源供暖可以几乎不产生碳排放，有利于早日实现双碳目标。但是风能的波动性和供暖要求的连续性存在矛盾，因此常常需要配合储能系统来保证供暖的连续性。电能等机械能储存技术成本较高，热能储存技术成熟且有成本低、易于储存的优点，目前热能储存在工程应用中较为普遍。热泵作为一种高效节能的制热装置，消耗一份电能可以得到多份热能，利用风电驱动热泵并和储热系统结合具有十分良好的发展前景。 空气源热泵由于不用打热水井和埋地热管，具有安装成本低和适用范围广等优点，在供暖领域使用较为广泛。本文把空气源热泵和蓄热系统结合起来用于消纳弃风电，并介绍了三种常见的风能供暖方式，其中热泵半直供式供暖系统只需要热泵机组把循环热水加热到中间温度，由蓄热系统内的蓄热介质对循环热水进行二次加热，减小了热泵的运行温差，提高了热泵的制热COP,具有良好的制热效果。为了研究其运行特性，本文构建了热泵半直供式供暖系统的数学模型并以内蒙古某示范性供暖项目为例进行了数值模拟，结果表明该系统配合上1MW·h的蓄热罐在一个供暖周期中理论上可以消纳4.4×105kW·h的弃风电，并且热泵机组可以在大部分时间段内可以满足供暖所需，在供暖初期和末期，热泵能提供供暖所需热负荷的90％以上，并且制热COP在2.2上下波动。即使是在极寒月份，热泵也能提供65％以上的热负荷，制热COP保持2.0左右。供暖所需热量缺口由蓄热系统和直接电加热系统补充，在减少碳排放的同时实现了对风电的高效消纳。 针对半直供式热泵供暖系统在低温下热泵机组制热能力不足且对电能依赖性较大等缺点，本文又提出了一种新型的复合式热泵系统，通过把蒸气压缩热泵和第一类溴化锂吸收式热泵机组耦合，蒸气压缩热泵机组只需要把循环热水的温度提升到中间温度即可，升温后的循环热水再由吸收式热泵机组进一步加热。 复合式热泵系统可以在用电低谷期或者弃风电充足的时间段内利用电能加热蓄热介质，当处于用电高峰期时，再通过蓄热介质驱动吸收式热泵制取热水，所以复合式热泵系统在用电高峰期对电能的依赖性不强。在环境温度为-30℃的工况下，复合式热泵供暖系统压缩机耗功也仅占18％。除此之外，复合式热泵系统还可以-30℃的环境下以1.42的COP制取50℃的循环热水，并且蒸气压缩热泵的制热COP可达3.28，远高于热泵半直供式系统。
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