与吸附热泵集成在一起的试点规模混合区域供热变电站

《Energy》：Pilot-scale hybrid district heating substation integrated with adsorption heat pump

　　沃伊切赫·布亚尔斯基（Wojciech Bujalski）、雅库布·巴纳扎克（Jakub Banaszak）、阿卡迪乌什·斯切斯尼亚克（Arkadiusz Szcz??niak）
华沙工业大学动力与航空工程学院

**摘要**
本文报告了波兰奥斯特罗伦卡（Ostro??ka）一栋办公建筑中安装的混合式区域供暖变电站的首次制冷季节运行经验。该变电站结合了区域供暖驱动的吸附式冷水机和三个利用相变材料的潜热储存单元，这些储存单元分别位于加热回路、冷却回路和热量排放回路中。2023年5月中旬至9月初期间，每隔30秒采集一次测量数据。在测试季节，区域供暖的供水温度非常稳定（平均为63.6°C，10分钟平均值的标准差约为1.0°C），且很少低于62°C。尽管在波兰夏季条件下吸附式冷却通常会导致区域供暖侧温降较小（约3–5°C），但这仍保证了冷水机的可靠运行。夜间由干式冷却器提供的冷却功能对于预充相变材料储存单元非常有用：在一个自然冷却周期内，冷水储存单元（标记为“潜热热能储存2”）可储存约12 kWh的冷量，而热量排放储存单元（标记为“潜热热能储存3”）可储存约15 kWh的冷量。假设平均能效比为0.35，满负荷的12 kWh冷水储存相当于减少了约34.3 kWh的所需驱动热量。此外，四小时的夜间冷水机运行可在20°C的设定温度下为冷水储存单元储存约14–16 kWh的冷量。使用相变材料储存单元（标记为“潜热热能储存3”）可将冷水机入口处的温度降低约2–3°C，作者估计这在代表性运行点下可使冷却功率提高约2 kW。研究结果证实了基于相变材料的区域供暖驱动冷却技术的技术可行性，并指出了实际调试挑战以及与广泛部署相关的控制和测量问题。

**引言**
区域供暖系统（District Heating Systems, DHS）不再仅仅被视为提供空间加热和生活热水。越来越多地，它们被视为城市能源基础设施的重要组成部分，通过整合多种低碳热源来加速脱碳。最近的欧洲研究强调了废热回收、可再生热能和行业耦合在区域供暖转型路径中的重要性[1]，并一致指出技术选择和网络温度水平对可实现的二氧化碳减排量和总体成本有显著影响[2]。长期以来，区域供暖网络在城市能源系统中起着关键作用，通过集中供热减少了人们对化石燃料供暖的依赖，从而降低了污染物排放[3]。因此，当前的区域供暖研究主要集中在几个方向：降低网络温度（例如，一项为期10年的327 MW案例研究引入了一种方法，将名义温度从150/80°C降至118/60°C，以最小的投资提高了约19%的供应效率[4]）、增加可再生能源的使用以及减少对环境和人类健康的影响[5]、以及热能和电力系统的耦合[6]。

然而，系统性能仍受热需求季节性波动的限制：在波兰和芬兰等国，冬季的能耗可能是夏季的十倍左右[7]。因此，对于许多现有的区域供暖运营商来说，热需求的强烈季节性是一个持续的运营障碍，尤其是对于围绕大型中央热源设计的系统。因此，一个反复出现的研究课题是如何利用可用的区域热能提供有价值的夏季服务（特别是冷却），从而增加非夏季的热能消耗并提高全年资产利用率[8]。

利用区域热能驱动冷却是区域冷却发展中的一个成熟概念，最常见的是通过吸附式冷水机来实现。Pellegrini的文献综述[9]指出，电动驱动的热泵被认为是提高区域供暖和冷却效率的有效解决方案[10]。多年来，热驱动吸附式热泵的应用已得到了广泛认可[11]。过去45年的吸附式热泵研发使这项技术得以市场化，其在冷却领域的应用也变得更加流行[12]。在更广泛的“混合式变电站”概念中，单个客户变电站成为了提供加热和冷却服务的多服务节点。Mostofizadeh等人[13]详细研究了利用夏季区域供暖温度生产冷却水的概念。在这项工作中，作者开发并测试了一种紧凑型、低容量（约50 kW）的单效LiBr/H2O吸附式冷水机，该冷水机专为夏季典型的低区域供暖供水温度设计。参考运行条件为区域供暖供水温度约80/60°C、冷却水温度12/6°C、冷却水温度27/35°C，这些条件反映了分散式空调应用的现实边界条件。在这些限制下，该装置在宽负荷范围内表现出稳定且灵活的性能，名义性能系数（COP）约为0.8，在部分负荷下COP值通常保持在0.6–0.8范围内。总体而言，这项研究提供了早期实验证据，证明约80°C的区域供暖可以通过吸附式冷却系统实现夏季冷却，并且当提供更高温度的区域供暖时还可以增加冷却能力。

吸附式热泵使用液态吸剂（例如溴化锂）进行连续过程，通常可以获得更高的COP，但由于腐蚀问题需要更高的驱动温度和更多的维护。相比之下，吸附式冷却是基于固态吸剂（例如硅胶）的循环过程，能够在较低温度下运行，维护需求较低且使用寿命较长，但COP通常较低且输出呈间歇性。Halon等人[14]展示了一种吸附-冷却系统，该系统由当地区域供暖网络提供的热能驱动，并辅以太阳能集热器和冷却水储存罐。他们使用硅胶-水吸附式冷水机进行了实验评估，发现提高驱动温度（从约65°C升至82°C）可将冷却能力从约7 kW提升至9.4 kW，同时COP也有所提高（从约0.40提升至约0.47）。基于这些测量结果，作者得出结论，太阳能辅助可使日冷却效果提高约14%。他们还指出，将区域供暖与冷却水储存结合使用，日冷却能力约为仅依靠太阳能配置的三倍，因为区域供暖在非阳光时段可以提供稳定的驱动热能，而储存功能有助于使冷水机运行与冷却需求相匹配。

Stańczyk等人[15]对一台双床硅胶-水吸附式冷水机（名义功率7 kW）进行了运行测试，该冷水机使用区域供暖水作为驱动源为空调系统生产冷却水。他们比较了约55°C和70°C的区域供暖供水温度，并改变冷却水入口温度（约18–37°C）。结果显示，入口温度是关键限制因素：随着入口温度的升高，冷却水温度上升，冷却能力显著下降。在供应热水温度约为55°C时，最大COP约为0.47（装置冷却循环出水温度约为24°C），峰值冷却能力约为3.7 kW（装置冷却循环出水温度约为19°C）；当供应热水温度≥32°C时，COP降至1 kW以下。将供应热水温度提高到约70°C后，性能得到改善，COP最佳值出现在装置冷却循环出水温度约为33°C时，达到约0.53，峰值冷却能力约为5.45 kW（装置冷却循环出水温度约为18°C）。通过积分热储存单元可以平滑冷却需求的变化。目前，区域供暖系统已与短期和长期储能单元集成[16]。Bentivoglio[17]报道了在一个变电站中运行的180 kWh PCM热储存单元的运行经验，Turski[18]研究了配备热储存单元的区域供暖变电站的性能，发现使用热储存单元可使整个供暖系统的效率提高22%。作者[19]指出，分散式PCM热储存器的使用总体上提高了系统效率。在所研究的情景中，系统的效率提高了41%。因此，尽管PCM在生产过程中对环境有负面影响，但通过提高系统效率可以减轻这种影响。

**表1** 总结了关于配置、特点、指标和差距/应用的关键研究，强调了实现可持续区域供暖改进的途径以及规模化和成本降低的领域。

总之，混合式区域供暖变电站（Hybrid District Heating Substations, HDHSs）结合了吸附式或吸附式热泵与PCM储存技术，创建了灵活的区域供暖网络节点，特别是在利用夏季热能驱动冷却和支持全年运行方面，同时满足欧盟的脱碳目标[2]。早期设计使用PCM来提高热源温度，可能使冷却输出增加三倍，并克服在50–70°C时COP较低的问题[18]。这类系统包括回水管/供水管泵、带储存功能的PVT混合系统、适用于散热器和地板的双温度系统，以及通过温度控制和市场信号精细调节的吸附-PCM组合[8]。第五代带有PCM TES的系统实现了双向流动、可再生能源整合和废热再利用，有研究推动热泵-TES组合以提高效率，并呼吁制定更好的指标和多能源研究[23]。然而，仍存在一些挑战，如高成本、独立吸附器的控制问题以及避免市场损失所需的法规要求，这些都限制了减排目标的实现[24]。

波兰的区域供暖网络在夏季月份通常以60–70°C的供应温度运行，此时商业建筑的冷却需求达到高峰。在这种条件下，吸附式冷水机是唯一能在低至55–60°C的供应温度下提供冷量的热驱动冷却技术，使其成为利用区域供暖热能进行冷却的有前景的选择。然而，吸附式冷水机在实际应用中受到其供应侧温差限制。在波兰系统的典型供应温度下，吸附式冷水机只能在供应侧实现3–5°C的温差。图1展示了示例变电站某一天的区域供暖供水温度（0TIT01）和回水温度（0TIT02）（10分钟平均值），以及冷水机运行期间的温差ΔT（ΔT在指定范围内）。图2展示了测量标签。

如此小的温差需要非常高的体积流量才能提供中等冷却能力，这反过来又需要 oversized（相对于热需求而言）的热交换器和管道直径。此外，将高温度的回水再引入区域供暖系统从热电联产和热损失的角度来看是不理想的。不过，可以通过将吸附式冷水机作为冷却过程的第一步来缓解这一问题，利用剩余温度作为生活热水。

在现有建筑中安装此类解决方案时，直接部署吸附式冷水机可能不可行。提供所需冷却能力所需的体积流量将显著超出现有区域供暖服务线路的水力容量，这些线路最初仅针对冬季供暖需求设计。将接口升级为更大直径在经济上并不合理，而且大规模部署过大的冷却流量甚至可能影响夏季区域供暖网络的运行稳定性。为克服这些限制，本文提出了冷储存方案，它将发电与需求分离，同时使吸附式冷水机能够在最佳、稳定的条件下运行。此外，冷储存装置必须紧凑、模块化、重量轻，并能在冷侧达到相变温度以提高温差ΔT并减少所需的流量。由于吸附式冷水机本质上不能在0°C以下运行，因此不能用水作为储存介质。因此，本研究选择了具有合适熔点的相变材料（PCM），用于三个储能单元，以实现以下目标：
- 高体积能量密度；
- 在小型变电站空间内实现模块化集成；
- 在不同室外条件下稳定供应冷水；
- 使安装的每个部分都能在相变温度下运行。

我们在之前的论文[20]中描述了一种结合潜热热能存储（LHTES）的混合区域供热变电站（HDHS）的新概念，该存储系统使用了相变材料（PCM）。通过在一个吸附式制冷机散热（再冷却）回路中添加辅助的LHTES，这一概念得到了进一步改进，并发展成为一个与区域供热系统（DHS）集成的试点规模安装。总共有三个LHTES系统和光伏发电装置，它们与电加热器配合使用，为办公楼提供冷水。论文介绍了从实际运行的HDHS中获得的运行数据。

**安装描述**
该变电站位于波兰奥斯特罗伦卡（Ostro??ka）的办公楼内，是奥斯特罗伦卡市区域供热系统（DHS）的一部分。其设计运行温度为115°C/60°C（在户外温度为-20°C的情况下）。根据《变电站规定表》，当户外温度为12°C时，供应温度应为67°C/50°C[25]，这是衡量办公楼在需要制冷期间预期接收到的供应温度的第一个指标。

**实验数据分析**
该装置于2023年5月开始运行。因此，完整的安装运行第一个测试季节为2023年5月至9月，数据覆盖了5月最后两周到9月第一周的内容。在此期间进行了大量使用不同自动化场景的系统运行测试。在安装运行过程中发现了一些问题，因为在实际应用中这些问题是无法完全避免的。

**实际可扩展性和区域供热网络的影响**
本文中呈现的试点结果不仅应被视为技术可行性的证明，也是评估这一概念是否可以在更大范围内应用的初步步骤。作者认为，所提出的混合区域供热变电站主要通过更广泛的部署来实现真正的经济吸引力，而不是单独在一个站点实施。其理由在于，当前的解决方案结合了多种非标准组件。

**结果与讨论**
对测量数据的分析证实，混合式安装的主要设计目标已经成功实现。

**作者贡献声明**
Jakub Banaszak：可视化、方法论、数据整理。
Wojciech Bujalski：调查、概念化。
Arkadiusz Szcz??niak：撰写初稿、方法论、调查。

**利益冲突声明**
? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
本项工作得到了波兰国家研究与发展中心（Poland National Research and Development Centre）在POIR.04.01.04-00-0100/17-00研究项目“利用PCM的创新热能和冷能存储，在现代装置中生成系统热能”（项目缩写：Innostorage）框架内的财政支持。