热泵对电力负荷的影响：基于大规模运行数据的评估及未来情景模拟

预计作为能源转型一部分的热泵（heat pump）和电动交通（electromobility）的快速增长将导致电网整体负荷的增加。为在电网规划中考虑这一点，电网运营商通常使用同时性因子（simultaneity factor）或同时性函数（simultaneity function）来确定预期峰值负荷（peak load）。对于分散式热泵（heat pump），电力负荷与供暖和生活热水的热需求（thermal demand）密切相关。低温下效率降低会进一步影响电力负荷，低室外温度下电加热元件（heating element）的运行对电网构成了额外挑战。除峰值负荷外，热泵电力消耗的日剖面（daily profile）对于电力平衡管理（electricity balancing management）也具有重要意义。通常，电力供应商使用与温度相关的标准负荷曲线（standard load profile）用于电力消费者。然而，未来根据电价或（可再生）发电容量和电网容量的可用性调整其消费的活跃客户数量将显著增加。因此，灵活运行（flexible operation）将同时影响最大峰值负荷和每日电力消耗的分布。为评估所有这些方面，研究人员利用从德国超过6000台已安装热泵（运行时间长达2.5年）以及科学监测项目中获取的大规模运行数据开展了一项全面研究。为支持从运行数据（例如在极低温度下）推导出的相关性，研究人员根据相应的建筑、系统设计和运行行为开发了仿真模型。为评估灵活热泵的影响，研究人员针对未来热泵的灵活电价（flexible tariff）进行了运行仿真与优化，同时考虑了电动交通以及可再生能源市场渗透率。

# 热泵对电力负荷影响的综合评估：基于大规模运行数据与未来情景模拟

## 研究背景、现存问题与研究动机

随着全球能源转型的推进，热泵（heat pump, HP）和电动交通（electromobility）的快速部署将显著增加电力系统各层级的负荷。电网运营商在规划新安装和升级现有电网时，需要准确评估热泵带来的峰值负荷与日间负荷分布。传统上，电网规划依赖于同时性因子（simultaneity factor）或同时性函数（simultaneity function），如德国低压电网技术连接规则VDE-AR-N 4100中采用的方法。然而，现有文献主要关注热泵的能效、尺寸匹配或单个系统的运行性能，**缺乏基于实测大规模运行数据的热泵群体同时性分析**，且未系统评估灵活运行对电网负荷峰值和时序分布的影响。此外，电力平衡管理中使用的标准负荷曲线（standard load profile）多基于天然气供暖系统生成，无法反映热泵的实际电耗特征。随着动态电价和可再生能源渗透率的提升，主动调节用电行为的用户数量将增加，灵活运行会显著改变负荷曲线形态。为填补上述研究空白，研究人员利用德国超过6,000台热泵的运行数据以及科学监测项目数据，结合仿真模型，开展全面评估。该研究旨在为电网规划提供代表性同时性因子和日负荷曲线，并揭示灵活热泵对电网应力（grid stress）的影响。研究论文发表在《Smart Energy》。

## 关键技术方法

研究采用了**两个互补的数据集**：一是德国某热泵制造商提供的全球超过26,000台（德国约12,000台）热泵运行数据，时间跨度为2022年1月至2024年4月，包含压缩机转速、供回水温度、电能与热能日计数器等事件驱动数据；二是德国监测项目“WPQS im Bestand”中66台热泵（52台空气源-水热泵、14台盐水-水热泵）的高分辨率（30–60秒）测量数据，涵盖不同建筑年代和系统设计。**仿真方法**针对慕尼黑市区的典型建筑类型（单户住宅SFH、小型多户住宅MFH、小型办公楼），基于TRNSYS构建建筑热需求模型，并结合Fraunhofer IEE的microScope平台实现热泵系统仿真，考虑空气源/水源热泵、不同储能容积、电加热元件容量及控制策略。使用历史天气年2012（包含持续低温期）作为边界条件，以代表极端情况。**灵活性评估**基于未来电价情景（2033年和2045年），采用蒙特卡洛方法计算不同热泵池规模下的同时性因子。研究还考虑了动态电网费用（20€/kW）的影响。

## 研究结果

### 3.1 热泵运行行为（Operating behavior of heat pumps）

通过分析5台典型空气源热泵（air-to-water heat pump, ALWP）的日均电功率与室外温度的关系，研究发现：**实际运行功率普遍低于标称测试点（A-7/W55）**，且多数热泵存在过尺寸（oversizing）现象——在日均温度-7°C时，约50%以上的热泵归一化功率维持在0.5–0.8之间，表明其无需频繁启动电加热元件即可满足热需求。进一步基于549台热泵的分布分析揭示了过尺寸的可能原因：静态热负荷计算方法DIN EN 12831未考虑用户行为（如低温下降低室温、减少通风），极端冷天往往伴随日照，且老旧供暖系统普遍过尺寸。

### 3.2 日负荷曲线（Daily load Profiles）

**3.2.1 基于实测数据的日负荷曲线**：利用德国热泵制造商1,745台空气源热泵的运行数据，研究发现日负荷曲线呈现明显的**清晨峰值**（比夜间高约50%），而傍晚峰值相对较低。夜间负荷降低主要由温度夜间回落、部分房间低负荷运行、空气源热泵静音模式、以及夜间通风减少所致。热水制备的日变化更大，但仅对高能耗建筑有显著影响。与慕尼黑市政公用事业公司使用的标准负荷曲线相比，新曲线在夜间的值更低，而早晚峰值更高。文献[37]中水源热泵（连接冷网）的曲线呈现更尖锐的双峰结构，而本研究由于样本异质性更高，曲线更为平滑。

**3.2.2 基于仿真的日负荷曲线**：通过调整仿真模型参数，研究人员对比了空气源与水源热泵的日负荷曲线。结果显示：在低温条件下，水源热泵的相对功率显著低于空气源热泵（因COP更高、电加热元件使用极少），而在高温条件下两者相近。不同建筑效率、建筑类型（单户 vs. 多户 vs. 办公）以及热泵类型均会导致负荷曲线形态差异：全翻新建筑在清晨的峰值变化更大；多户住宅的相对功率需求低于单户住宅；办公楼因夜间几乎无通风，日间负荷更稳定，且周末与工作日存在显著差异。

### 3.3 同时性函数（Simultaneity functions）

**3.3.1 基于实测数据的函数**：利用WPQS监测项目中59台热泵的322个低温日（日均温度<-5°C）数据，通过拉丁超立方抽样和蒙特卡洛方法，以95%分位数定义同时性因子。结果显示：60台热泵池中，不含电加热元件时同时性因子为0.59，含加热元件时为0.76。但需注意数据来自德国各地，天气条件不同，且观测温度平均值显著高于慕尼黑设计温度，因此可能低估实际同时性。

**3.3.2 基于仿真的函数**：针对慕尼黑具体地点，对244栋建筑进行仿真（考虑5个建筑年代、多种翻新状态、4种双价点、不同用户行为）。蒙特卡洛分析表明：空气源热泵（单户）在A-7/W55测试点下的同时性因子可达1.1；水源热泵（B0/W55）为0.8。小多户住宅中两种热泵类型的同时性因子均为1.0，但水源热泵的总电负荷明显更低。同时性因子强烈依赖于双价点选择，且极少量安装时加热元件的影响占主导。

### 3.4 热泵灵活性（Flexibility of Heat Pumps）

**3.4.1 灵活性评估**：灵活性潜力随季节变化：冬季能量需求大但可平移区间小；夏季能量少但灵活度高；过渡季两者适中。研究模拟了2033年和2045年市场情景，采用动态电价（包含容量市场费用）和动态电网费用。图9对比了灵活与非灵活模式下一周（4月）的运行，显示灵活运行时储能充放频率更高。

**3.4.2 灵活性对同时性函数和经济效益的影响**：在1.5天的动态电网费用施加期间（2月6日-7日），灵活运行下的同时性因子（绿色）与非灵活（蓝色）比较：使用电池储能时，由于电池可以独立于热泵时段放电，导致电需求峰值增高；但基于热储能和过尺寸热泵的灵活性方案在动态电网费用下同时性因子可接近甚至低于非灵活模式。经济效益分析显示：**灵活运行的主要收益来自能效提升**（如降低储能温度或在温暖条件下运行），而实际电价优化带来的长期经济效益较小。动态电网费用可显著降低热泵引起的电网应力，因子接近2。

## 总结与结论

研究得出以下主要结论：①热泵池普遍存在过尺寸趋势，多数系统在冷天无需或极少使用电加热元件；②本研究开发的电日负荷曲线呈现显著的清晨峰值和较低的傍晚峰值，与现有运营商使用的标准负荷曲线差异明显；③标准运行下，空气源热泵的同时性因子（相对于A-7/W55测试点）为1.1，水源热泵（相对于B0/W55）为0.8，显著低于预期值；④灵活运行在响应电价时增加同时性，但动态电网费用可将热泵引起的电网应力降低近2倍。研究结果为电网规划、电力平衡采购以及热泵系统导向设计提供了可靠基础。然而，结果部分针对慕尼黑区域，需进一步验证其他地区的适用性。