Роль тепловых насосов в будущих городских энергетических системах

Hatef Madani a, David Fischer a,b , Per Lundqvist a
a KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
b Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Freiburg, Germany


В одной из наших недавно опубликованных научных статей мы предлагаем целостный взгляд на роль тепловых насосов в контексте «умных» сетей. Были определены три основные категории применения тепловых насосов в контексте «умной» сети: стабильная и экономичная эксплуатация электрических сетей, интеграция возобновляемых источников энергии и эксплуатация в условиях переменных цен на электроэнергию. Во всех этих категориях тепловые насосы - когда они управляются разумным образом - могут облегчить переход к децентрализованной энергетической системе, сопровождаемой более высокой долей возобновляемых источников энергии и, что более важно, расширением прав и возможностей будущих потребителей. В этой статье мы приводим краткий обзор роли тепловых насосов в будущих городских энергетических системах, разбивая их на четыре разных пограничных уровня. Мы также представляем концепцию интегрированного проектирования, измерения и контроля в рамках целостного подхода к будущим энергетическим системам.

Введение

Мы движемся к новой энергетической модели, для которой характерно:
  • Внедрение рассредоточенных возобновляемых источников энергии, имеющих переменную генерацию
  • Появление миллионов домашних хозяйств, действующих как локальные производители и потребители энергии
  • Увеличение доли использования электроэнергии во всех секторах энергетики, от транспорта до отопления и охлаждения зданий


Эти изменения бросают вызов традиционной энергетической системе, которая состоит из небольшого количества крупных электростанций, работающих в целях удовлетворения постоянного спроса. Развитие возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер, с их прерывистым характером и высокой изменчивостью, делает стабильную и рентабельную работу электроэнергетической системы сложной задачей. Для решения этой задачи необходимо модернизировать энергетическую инфраструктуру для обеспечения большей гибкости как со стороны предложения, так и со стороны спроса. Краткосрочное хранение энергии в виде батарей или тепловых электрических систем, подключенных к тепловому аккумулятору, может обеспечить необходимую гибкость.

В настоящем документе рассматривается роль тепловых насосов в будущей энергетической системе и то, как тепловые насосы могут способствовать экономии первичной энергии и оптимизации работы со стороны спроса.

В этой короткой статье рассматриваются несколько важных понятий.

Роль тепловых насосов в будущих интеллектуальных энергетических системах

Тепловые насосы соединяют секторы тепловой и электрический энергии. В будущем эти системы будут играть ключевую роль в энергетической инфраструктуре благодаря способности изменять электрический спрос в течение определенного времени и тем самым обеспечивать гибкость для энергосистемы. Это будет способствовать интеграции распределенных источников возобновляемой энергетики, поскольку управление спросом на электроэнергию является основным требованием при работе с изменяющимися источниками выработки электроэнергии. Чтобы обсудить, как реализовать роль тепловых насосов в возобновляемых и взаимосвязанных энергетических системах мы определили четыре системных уровня (см. Рисунок 1).


Рисунок 1.

Каждый из них имеет разные системные рамки - от узкой перспективы, в случае использования только насосного агрегата и до более широкой перспективы, если рассматривается энергетика города. Тепловые насосы представляют собой не только устойчивое решение для отопления и охлаждения зданий, но также могут выступать как технология эффективной адаптации для будущих энергетических систем.

Уровень 1 - уровень теплового насоса (отдельной единицы)
Наиболее простой системой является сам тепловой насос. Он содержит испаритель и конденсатор. Интеллектуальная система теплового насоса рассматривается на четырех разных уровнях (в зависимости от того, где на границе системы находится компрессор с электрическим приводом, расширительный клапан и рабочее тело, которые вместе, используя термодинамический процесс), позволяют «транспортировать» энергию от низкотемпературного возобновляемого источника к высотемпературному потребителю (для обогрева помещений и / или подогрева воды). >Интеллектуальный тепловой насос (на «уровне теплового насоса») может, например, использовать систему управления для обнаружения и диагностики любой неисправности на уровне устройства, например, неисправного компрессора или обмерзающего испарителя. Этот тип контроля более или менее становится стандартным. Типичным показателем эффективности является коэффициент эффективности (COP), рассчитанный на некоторые типовые температурные диапазоны и рабочие условия.

Уровень 2 - теплонасосная система Для увеличения возможностей, границы системы теплового насоса можно расширить, включив в него источник тепла (наружный воздух, отработанный воздух, неглубокая или глубокая геотермальная энергия, речная или морская вода), насосы, вентиляторы, системы распределения тепла, вспомогательные нагреватели, аккумуляторы холода или тепла. Интеллектуальный тепловой насос на уровне 2 («теплонасосной системы») может адаптироваться к условиям спроса и генерации намного больше, чем на уровне 1. Он может изменять скорость насоса или вентилятора для управления спросом на тепловую энергию или охлаждение. Аккумулирование тепла может быть использовано для манёвра производством тепла во времени и, следовательно, манёвром спроса на электроэнергию на теплоснабжение здания. Сложность контроля значительно возрастает из-за различий в динамике (временных масштабах) и каналах обмена информацией с окружающими системами. Это свойство может открыть много новых возможностей повышения эффективности теплонасосных систем при использовании прогнозов погоды, ценовых сигналов и т. д. Но полный потенциал этого свойства трудно определить, если не учитывать характеристики объекта энергоснабжения, например, здания.

Уровень 3 – система на уровне всего здания
На данном уровне, где система включает объект энергоснабжения (здание) в целом, можно использовать передовые стратегии управления с учетом поведения жителей, тепловой инерции здания или прогноза погоды. Система постоянно адаптирует параметры управления на основе изменения статических или динамических параметров здания и изменения количества жителей. Интеллектуальный тепловой насос на уровне здания может контролировать и прогнозировать потребность в отоплении и в горячей воде на основе массивов данных измерений и прогноза погоды. Эта информация может использоваться для планирования работы теплового насоса заранее и максимально использовать возможности хранения данных. Теплонасосная система на уровне 3 также может общаться с жителями здания через смартфоны или приложения для планшетов, чтобы обеспечить комфортное состояние самым экономичным способом. Если здание оборудовано солнечными панелями, тепловые насосы могут оптимизировать использование солнечной PV-системы здания.

4 уровень – уровень городской энергетической системы
Еще более инклюзивный системный уровень, уровень «городской энергетической системы», имеет более широкую перспективу в отношении применения теплового насоса и учитывает первичную энергию, подаваемую в систему. Интеллектуальный тепловой насос на уровне «городской энергетической системы» является частью интеллектуальной сети. Директивы ЕС, такие как Директива о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), способствуют увеличению доли ВИЭ в производстве электроэнергии. Это может привести к остаточным нагрузкам, вызванным большим количеством непостоянных ВИЭ, таких как ветровые турбины или солнечные станции. Управление нагрузкой с помощью тепловых насосов может использоваться для снижения перегрузки сети в часы пик или для согласования потребности в электроэнергии теплового насоса с возможностью генерации электроэнергии из ВИЭ. Кроме того, переменные цены на электроэнергию могут использоваться для стимулирования работы теплового насоса, когда стоимость производства электроэнергии низка. В таком случае локально оптимизированные элементы управления могут помочь снизить эксплуатационные расходы систем тепловых насосов.

Тепловые насосы, если они используются разумным образом, могут обеспечить гибкость для городских энергетических систем и способствовать в будущем полный переход на ВИЭ. Электрификация технологий отопления и охлаждения зданий и декарбонизированного сектора электроэнергетики с использованием солнца и ветра, можно рассматривать как наиболее естественный путь к более устойчивому будущему в пределах 2 К или даже 1,5 К сценариев. Тепловые насосы могут стимулировать будущих потребителей использовать произведенную из ВИЭ электроэнергию, сохранять энергию в аккумуляторах тепла и холода, использовать тепловую энергию и холод, когда это необходимо.

Суть интегрированного проектирования, измерения и контроля
Чтобы разблокировать весь потенциал тепловых насосов в будущих энергетических системах, мы предлагаем новую концепцию, называемую Интегрированный дизайн, измерение и контроль (IDDC) для систем тепловых насосов. Сегодня системы тепловых насосов включают, в том числе механизмы хранения энергии, которые рассчитаны и контролируют отдельные процессы. Но некоторые из наших исследований [2-5] показывают, что конфигурации системы, размеры компонентов и контроль стратегий сильно взаимосвязаны, и тривиальное изменение в них может существенно повлиять на другие. Например, стратегия управления, которая подходит для одного варианта системы, может стать неподходящей для другой. Стратегии применения и управления могут сильно влиять на оптимальный размер компонентов системы. Несмотря на сильную взаимосвязь между процессами проектирования, измерения и контроля, не существует согласованных усилий между теми, кто проектирует систему и системными операторами, которые управляют системой.

Следовательно, для того, чтобы использовать потенциал теплового насоса в будущих энергетических системах, требуется лучшее управление системой, включающее процессы проектирования, измерения и управления. Таким образом, разработчик системы должен быть хорошо информирован о стратегии управления, применяемой в будущем, он может оптимизировать процесс проектирования на основе стратегий управления и наоборот.

Имейте в виду: тепловые насосы не являются «черными ящиками»!
Было проведено несколько комплексных исследований роли тепловых насосов в управлении нагрузкой и интеграции децентрализованных энергетических систем на возобновляемых источниках [6-8]. Мы также должны учитывать тот факт, что тепловой насос не является черным ящиком, электропотребление которого можно легко увеличить или уменьшить по требованиям сети. Эффективность системы теплового насоса сильно зависит от потребления электроэнергии, вызванного изменением скорости компрессора или выключением устройства. Поэтому решения, которые является экономически выгодными с точки зрения энергосистемы, могут увеличивать стоимость эксплуатации тепловых насосов, которую оплачивает конечный пользователь. И наоборот, лучшая стратегия управления, которая имеет оптимальный сезонный коэффициент производительности (SPF для конечного пользователя), может привести к увеличению затрат и увеличению выбросов CO2 в энергетической системе. Следовательно, целостная процедура планирования и эксплуатации имеет важное значение для обеспечения наиболее рентабельной стратегии контроля с учетом чистой выгоды всей системы, как с точки зрения энергосистемы, так и с точки зрения конечных пользователей.
Выводы
Тепловые насосы будут играть уникальную роль в энергетических системах будущего. Возможности системной интеграции тепловых насосов для секторов электроснабжения, отопления и охлаждения с целью повышения общей энергоэффективности могут быть использованы в качестве актива в будущих энергетических системах.

Помимо снижения выбросов углекислого газа (по сравнению с котлами, работающими на угле) появляется возможность оптимизировать системы отопления и электроснабжения и, тем самым, обеспечить гибкость энергосистем - это можно рассматривать как ключевое преимущество тепловых насосов. Чтобы наилучшим образом интегрировать системы теплового насоса в будущую энергетическую систему, необходимо использовать элементы управления, калибровки и компоновки всей энергетической системы. Для достижения максимальной пользы для всей энергетической системы концепция интегрированного проектирования, измерения и контроля (IDDC) предлагается авторами и рассматривается как часть целостного подхода к будущим энергетическим системам.
Литература
  1. Fischer D., Madani H. On heat pumps in smart grids: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 70, 342 (2017).
  2. Fischer D., Lindberg K.B, Madani H., Wittwer C. 2016. Impact of PV and variable prices on optimal system sizing for heat pumps and thermal storage, Energy and Buildings 128, 723 (2016).
  3. Madani Hatef, Capacity controlled Ground source heat pump systems in Swedish single family dwellings, PhD dissertation, Department of Energy Technology, KTH (2012).
  4. Mader Gunda, Economic analysis of air-water heat pump technologies with a screening method, PhD dissertation, Department of Energy Technology, KTH (2015).
  5. Mader G., Madani H. Capacity control in air–water heat pumps: Total cost of ownership analysis, Journal of Ener gy and Buildings 81, 296 (2014).
  6. Dallmer-Zerbe, K., Fischer, D., Biener, W., Wille-Haussmann, B., & Wittwer, C. Droop, Controlled Operation of Heat Pumps on Clustered Distribution Grids with High PV Penetration. In IEEE Energycon. inproceedings, Leuven (2016).
  7. Leeuwen, W., Bongaerts, A., Vanalme, G. M. A., Asare-Bediako, B., & Kling, W. L. Load Shifting by Heat Pumps using Thermal Storage. In Proceedings of International Universities’ Power Engineering Conference (pp. 0–5), Soest: VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach (2011). Retrieved from http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6125613
  8. Brunner, M., Schäfer, I., Rudion, K., & Tenbohlen, S. Impacts of different seasons on the contribution of heat pumps to voltage stability. In VDE Kongress (pp. 1–6). inproceedings, Frankfurt am Main: VDE Verlag GmbH (2014).


Содержание номера №2-2017