《Energy Conversion and Management》：The flexibility-efficiency nexus in industrial heat electrification: Optimal operation of heat pump-storage systems under variable electricity price
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本文针对工业热过程电气化中电力需求激增和能源灵活性不足的问题，研究了热泵（HP）与储热系统（TES）耦合运行策略。通过建立混合整数线性规划（MILP）模型，以年度电费最小化为目标优化系统运行，并引入灵活性响应潜力（FRP）新指标量化系统性能。结果表明：优化运行可使热泵性能系数（COP）提升15%，碳排放减少70%，电价驱动的高效运行策略为工业低碳转型提供了关键技术路径。
随着欧盟绿色协议和"减碳55"一揽子计划持续推进，工业领域碳排放占欧洲能源相关总排放26.5%的现状亟待破解。工业热过程作为耗能大户，其电气化改造被视为 decarbonization 的关键路径，特别是温度需求低于100°C的工艺场景占据欧洲工业终端能耗13%的份额。然而，单纯采用热泵（Heat Pump, HP）进行热替代会显著增加电网峰谷压力，如何协调系统运行效率与电网互动灵活性，成为制约工业电气化成效的核心瓶颈。
在这项发表于《Energy Conversion and Management》的研究中，意大利那不勒斯费德里科二世大学团队构建了热泵-储热（HP-TES）协同系统的年度运行优化模型。研究者创新性地采用混合整数线性规划（MILP）方法，将热泵非线性性能曲线进行分段线性化处理，并设计灵活性响应潜力（Flexibility Response Potential, FRP）指标体系，从能耗转移幅度和能效提升维度量化系统综合性能。
关键技术方法包括：基于历史电价和气象数据的全年时序仿真、计及热泵部分负载率（PLR）影响的COP映射函数离散化、以及考虑储热装置动态特性的能量平衡约束建模。通过设置热泵额定容量与负荷峰值比值（0.5-3）和储热容积（0-2000 m3）的参数组合，完成120组情景的对比分析。
研究结果揭示出三大核心发现：
首先，系统能效与灵活性呈现协同增益特性。当配置2倍负荷峰值的热泵与120m3储热罐时，热泵年均COP达3.86，较基准场景提升15%，同时实现峰值电价时段100%的负荷削减能力（FRP+=-100%）。这种增效机制源于储热系统使热泵避让高效率工况（PLR≈0.4）的运行时长占比从20%增至60%。
其次，系统尺寸配比存在明确最优区间。灵敏度分析表明，当储热容积超过临界值（约120m3）后，继续扩容反而导致COP下降，这是因为过大储热容量会迫使热泵长期高负荷运行。而热泵容量不足（如0.5倍峰值）则需配置400m3储热罐才能满足需求，但会导致运行成本增加18.9%。
最后，经济性分析凸显储热系统的杠杆作用。在已电气化场景中，增加储热装置可使度电成本（LCOE）降低17%，简单投资回收期（SPB）缩短至1.4年。特别值得注意的是，虽然超大容量热泵（3倍峰值）与储热组合能实现71%的碳减排，但其设备投资激增导致回收期延长至19.6年。
讨论部分深入阐释了"效率-灵活性"的内在关联机制。研究发现，热泵高效运行（高COP）虽然会降低其在低价时段的增负荷潜力（FRP-），但这种"效率优先"模式恰恰与系统经济性优化目标一致。通过建立COP与FRP-的负相关关系（r=-0.48），研究证实了在电价信号驱动下，系统可自发实现能效与灵活性的协同优化。
该研究的创新价值在于首次构建了工业热泵-储热系统的全维度评估框架，提出的FRP指标为量化分布式资源灵活性提供了方法论工具。研究结果对电网调度部门具有重要参考意义：配置适当储热系统的工业用户可提供相当于额定负荷30%-100%的调节能力，这种"隐形电厂"效应将极大促进高比例新能源电网的稳定运行。未来研究可进一步融入可再生能源直接供电模式，探索"电-热"耦合系统在零碳工厂建设中的核心作用。
