据能源圈了解到，基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统(pumped thermal electricity storage，PTES)通过热泵循环、蓄/释热过程和有机朗肯循环发电(organic rankine cycle, ORC)过程实现储电过程，该系统运行温区较低且可利用低温热源提高系统循环储电效率。为进一步研究基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统充/放电动态性能，本工作搭建了该系统实验平台，进行了80 ℃和90 ℃热源工况下的充/放电全周期实验研究和性能分析。结果表明：当低温热源温度从80 ℃升高到90 ℃时，系统循环储电效率从21.8%提高到46.1%，提高低温热源温度能显著提升循环储电效率；由于储/释热过程的非稳态传热特性，系统充/放电周期内运行参数随时间变化，在90 ℃热源工况下，充电过程的时间为3120 s，热泵循环平均COP为6.27，压缩机功率从1.3 kW增长到3.7 kW；放电时间为980 s，净放电功率从5.3 kW降低到1.8 kW，有机朗肯循环效率平均为8%；在80 ℃热源工况下，充电过程的时间为6480 s，热泵循环平均COP为5.44，压缩机功率从1.6 kW增长到3.6 kW；放电时间为1080 s，净放电功率从4.7 kW降低到2.8 kW，有机朗肯循环效率平均为7.9%。

储能技术可以提高能源供需的平衡性，减少能源消耗峰谷差异带来的压力，因此，发展储能将带来更加安全稳定的能源供应，保障国家和人民的能源安全。目前发展比较成熟的大规模储能技术为抽水储能技术和压缩空气储能技术，但此两项技术均受到地理因素的限制。热泵储电技术(pumped thermal electricity storage, PTES)亦称卡诺电池(Carnot battery)，是正处于前期发展阶段的物理储能技术，该技术不受地理条件的限制且环境与安全问题较少，在可再生能源系统和分布式储能等领域具有广阔的应用前景，近年来在储电领域引起了广泛关注。

热泵储电技术根据储/释能所采用的热力学循环类型，主要分为基于封闭式布雷顿循环(Brayton cycle)的热泵储电系统、基于亚临界有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)的热泵储电系统以及基于跨临界朗肯循环(transcritical Rankine cycle)的热泵储电系统。其中基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统由于采用低沸点有机物为循环工质，其显著特点是系统运行温区低(小于200 ℃)且可利用低温热源提高系统效率，温度在200 ℃以下的热源可以被定义为低温热源，常见的有太阳能、低温地热能、工业余热等。在用户侧的分布式储电兼供热具有广泛的应用前景，国外学者已经对该系统开展了热力学分析和性能预测研究。Roskosch等人研究了亚临界有机朗肯循环热泵储电系统，结果表明系统效率随储热温度的升高而降低，并进一步扩展考虑了膨胀机、压缩机等熵效率对循环效率的影响，随后预测储热温度在300~400 K时系统循环效率为56%~37%。Qiao等人建立了一个基于有机朗肯循环的热泵储电系统数学模型，研究表明在充电模式下的㶲损失比在放电模式下的㶲损失多95 kW左右，并且节流阀的㶲损失为95.83 kW，占28.32%。王际辉等人研究了储热温度对热泵储电系统往返效率的影响，结论指出，高温热媒温度的升高能够提升往返效率，而低温热源温度的下降则先使往返效率增大，随后导致其减小，系统最高往返效率为61.36%。Steinmann等人分别提出了工质为氨水和丁烯的亚临界有机朗肯循环热泵储电系统，研究了冷热源温度，换热温差对系统的影响。冯军胜等人构建了基于有机朗肯循环的卡诺电池热储能系统的计算模型，研究不同 ORC 循环工质条件下热泵冷凝温度、ORC 蒸发温度对系统热力性能的影响，研究结果表明，降低热泵冷凝温度和提高 ORC 蒸发温度均可以提高系统的制热系数和循环储电效率。

综上所述，近几年国内外学者对基于亚临界有机朗肯循环热泵储电系统的循环性能进行了研究分析，但目前未见系统层面的实验报道，而且该系统的动态运行特性未得到足够的关注。本工作搭建了基于亚临界有机朗肯循环热泵储电系统的实验平台，开展不同热源工况下系统充/放电全周期实验和性能分析，以期为该类型热泵储电系统设计和制定系统动态控制策略提供实验基础。

1 系统实验原理及方法

1.1　系统原理

热泵储电系统其基本原理是通过热力学正、逆循环的分时工作，实现电能的存储和释放：利用电能驱动压缩式热泵，将电能转化为热能并储存；需要电力输出时，释放热能并通过动力循环将其转换为电能。基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统实验原理及测点布置见图 1，该系统由3个子系统组成：热泵循环子系统、蓄/释热过程(thermal energy storage，TES)以及有机朗肯循环发电子系统。其中热泵循环和蓄热过程构成热泵储电的充电模式，而释热过程和ORC发电构成热泵储电系统的放电模式。在充电模式下，有机工质在蒸发器吸收低温热源的热量，通过压缩机提升到高温高压状态流体进入TES子系统，将热量传递给储热介质后工质通过节流阀的节流作用变为气液两相，并重新流入蒸发器，完成充电过程。在放电模式下，工质吸收储能罐中存储的热量变为高温高压蒸汽，并在膨胀机中做功驱动发电机产生电能，工质流体进入冷凝器液化后进入工质泵加压并重新进入储能罐，完成放电过程。

图1 实验系统原理图

1.2　实验装置与方法

基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统实验测试平台如图 2所示。该实验台由可控冷热源、热泵储电系统、数据测量系统组成。热源为电加热热水箱，冷源为开式冷却塔，通过热水泵和冷水泵控制热源和冷源流量。蓄/释热过程是热泵储电系统的关键过程，本工作设计的储能罐结构图和参数测点如图 3所示，以水为储热介质采用显热储能方式。为减少储能罐中换热器数量，热泵循环和ORC循环均采用同一循环工质，实验选取R245fa作为系统循环工质，实验装置的性能参数如表 1所示。

图2 热泵储电系统实验测试平台

图3 储能罐结构图

表1 主要实验装置参数

设定热源温度为80 ℃和90 ℃等不同热源工况开展热泵储电系统充/放电全周期动态性能测试。热源流量为2 t/h，冷源温度为12 ℃，流量为9.8 t/h。在每组工况下，通过控制三通阀使系统在充/放电模式之间进行切换。热源、冷源、工质环路各测点温度、压力和流量等数据经测量仪表采集后由多通道触控数据记录仪获得，能接收直流电流、直流电压、热电阻、热电偶、远传压力表5类输入信号。充电阶段各参数采集周期为120 s，放电阶段各参数采集周期为20 s，采用REFPROP9.1软件计算有机工质热力学状态参数。

在充电阶段，开启热泵系统，以储能罐内测温点4在 80 ℃左右作为充电初始点，随后通过调节控制压缩机转速及节流阀开度，以保证系统充电阶段安全高效运行，当储能罐内测温点4温度在 130 ℃左右表明系统充电完成；在放电阶段，关闭热泵系统，开启ORC循环系统，并通过控制调节工质泵频率使系统能稳定放电，放电结束依据是测温点4温度降低到80 ℃左右。

1.3　测量系统及误差

实验测量的参数包括：①系统充电模式下热泵循环管路工质体积流量、热水进出口温度，和热水质量流量，蒸发器进口温度、，压缩机进出口温度、，节流阀进口温度，压缩机进出口压力、，节流阀进口压力；②储能罐总高2 m，水位高1.7 m，中间均匀布置了4个温度测点，如图 3所示，用于测量储能罐中不同高度的水温。为了增大换热面积，加快蓄/放热速率，盘管采用2组；③系统发电模式下ORC管路工质体积流量，膨胀机进出口温度、，冷凝器出口温度和压力，工质泵出口温度，冷水进出口温度、和冷水质量流量。蒸发温度测试范围为0~90 ℃、冷凝温度测试范围为0~20 ℃、有机工质流量测试范围为0~10 m3/h。实验系统中所用测量仪器型号及参数如表2所示，其中测量不确定度来自商家。

表2 实验系统所用测量仪器型号及参数

1.4　实验数据处理及不确定度分析

本工作以循环储电效率作为热泵储电系统充/放电性能指标，即当不考虑输送能耗和冷却过程能耗时，系统的净放电量(，kWh)与压缩机输入电量(，kWh)的比值，其表达式如式(1)：

式中，为充电模式下压缩机输入功率，可由仪器直接测量获得，kW；和分别为充电和放电时间，s；为放电模式下系统净放电功率，kW，可由式(2)计算：

式中，为膨胀机输出电功率，由式(3)计算，kW；为工质泵输入电功率，由式(4)计算，kW；

式中，为有机朗肯循环质量流量，kg/s；为膨胀机进口焓值、为等熵效率75%的膨胀机出口焓值，kJ/kg；为发电机机电效率，取0.75；、分别为工质泵进口和出口焓值，kJ/kg；为工质泵效率，取0.5。

充电模式的性能指标以热泵循环、储能罐蓄热速率(kW)作为系统评价指标，放电模式的性能指标以储能罐放热速率(kW)、有机朗肯循环效率作为系统评价指标，属于间接测量参数，分别由式(5)~(8)[17-18]计算获得：

式中，为热泵循环质量流量，kg/s；、分别为热泵循环储能罐进出口焓值，kJ/kg；、分别为有机朗肯循环储能罐进出口焓值，kJ/kg。

本工作采用文献中的二次幂法来计算间接测量参数的不确定度，求得的不确定度为3.59%，的不确定度为3.32%，的不确定度为4.89%，、的不确定度为3.49%。

2 实验结果与分析

2.1　充电过程性能分析图

4所示为充电过程不同热源工况下热泵循环随充电时间的变化。热泵循环均随充电时间降低，降低速率随时间减小。由于储热介质温度随充电时间升高，有机工质与储能介质的换热效率降低，且压缩机的压缩比提高和耗电功率增大，两者的综合作用导致热泵循环快速降低。90 ℃热源工况下最大为13.43，最小为3.06，平均值为6.27，80 ℃热源工况下最大为12.69，最小为2.94，平均值为5.44。储能罐进口有机工质的温度随时间逐渐增大，90 ℃热源工况下在开始充电时为102 ℃，结束充电时为132 ℃，压力在开始充电时为1.15 MPa，结束充电时为2.41 MPa；80 ℃热源工况下在开始充电时为94 ℃，结束充电时为130 ℃，压力在开始充电时为1.06 MPa，结束充电时为2.27 MPa。两种热源工况下最后趋于平稳的相差很小，80 ℃热源工况下充电时间为6480 s，而90 ℃热源工况下充电时间为3120 s，较80 ℃热源工况充电时间缩短了52%，表明了提高热源温度能快速缩短充电时间。

图4 不同热源工况下系统COP随充电时间的变化

图 5所示为90 ℃热源工况下储能罐内各测点温度随充电时间的变化。由图5可知，90 ℃热源工况下，在充电初始阶段(0~500 s)，压缩机转速为2000 r/min，使得有机工质与储能罐内储能介质温差较小；而后(500~1600 s)调节压缩机转速为3000 r/min，储能罐传热过程热流密度较高，各点温度迅速上升；在1600~3120 s充电阶段，随着储热介质温度的上升，其和有机工质之间温差减小导致热流密度减小，各测点温度缓慢上升。测温点1和测温点2之间温差变化最大，表明储能罐内储能介质的斜温层在测温点1和测温点2之间。充电开始时储罐内各测点最高温度为80 ℃，最低温度为50 ℃，平均温度为63 ℃；结束时储能罐内各测点最高温度为129 ℃，最低温度为84 ℃，平均温度为116 ℃，压力为0.31 MPa。整个充电过程热流密度从3.8 kW/m2降低到2.4 kW/m2。

图5 90 ℃热源工况下储能罐内各测点温度随充电时间的变化

图6所示为90 ℃热源工况下储能罐蓄热量和蓄热速率随充电时间变化。由图 6可知蓄热量增加趋势为先快后慢，这是由蓄热速率减小引起的。在3120 s的充电时间内蓄热量可达13.55 kWh，蓄热速率从18 kW降低到11.4 kW，平均蓄热速率为15.6 kW。图 7所示为90 ℃和80 ℃热源工况下压缩机功率和耗电量随充电时间变化。随着充电过程的推进，储能罐温度和热泵冷凝温度升高，压缩机的运行压力比和功率随时间逐渐增大，90 ℃热源工况下耗电量在充电结束时为2.43 kWh，压缩机功率从1.3 kW增长到3.7 kW，平均功率为2.8 kW；80 ℃热源工况下总耗电量为5.33 kWh，压缩机功率从1.6 kW增长到3.6 kW，平均功率为2.9 kW。

图6 90 ℃热源工况下储能罐蓄热量和蓄热速率随充电时间的变化

图7 压缩机功率和耗电量随充电时间的变化：(a) 90 ℃热源工况；(b) 80 ℃热源工况

2.2　放电过程性能分析

热泵储电系统放电过程性能参数与储能罐温度分布、ORC循环性能和冷源工况相关。图8所示为放电过程储能罐内各测点温度随放电时间的变化。由图8可知，在90 ℃热源工况充电后进行放电过程，放电时间为980 s，结合图4可知，放电时间较充电时间缩短了68.6%。热泵储电系统的充/放电时间取决于蓄/释热过程储热介质与有机介质的传热速度，而传热速度与工质质量流量相关。在充电过程中有机工质的质量流量可以通过压缩机转速控制，在放电过程中有机工质的质量流量可以通过工质泵控制。

图8 储能罐内各测点温度随放电时间的变化

开始放电时储能罐最高温度为128 ℃，最低温度为87 ℃，平均温度为115 ℃。结束放电时最高温度为80 ℃，最低温度为53 ℃，平均温度为68 ℃。测温点4温度下降34 ℃、测温点1温度下降48 ℃。测温点2处储热介质温度下降幅度最大，为55 ℃，这主要是由于测温点2处于斜温层周围，与测温点1具有较大温差，在放电时与有机工质进行换热的同时还向测温点1处进行传热导致的。储能罐进口有机工质温度基本维持在20 ℃左右，在储能罐出口先由92 ℃增加到110 ℃，然后逐渐减小为72 ℃。储能罐出口有机工质过热度最大为27.65 ℃，最低为0.26 ℃，平均值为14.67 ℃。

图9所示为有机朗肯循环效率和蒸发压力随放电时间的变化。由图9可知，随着储能罐温度的降低，ORC循环蒸发温度和蒸发压力不断下降，导致有机朗肯循环效率下降。在90 ℃热源工况充电后进行放电过程，有机朗肯循环效率最大为10.7%，最小为7.3%，下降幅度为3.4%，平均效率为8%。为保证储能罐出口工质过热度满足要求，0~480 s工质泵频率为50 Hz，在480 s和580 s分别调节工质泵频率为40 Hz和30 Hz，使有机工质质量流量降低，导致蒸发压力发生突降。在80 ℃热源工况充电后进行放电过程，有机朗肯循环效率最大为8.4%，最小为6.6%，下降幅度为1.8%，平均效率为7.9% ，在620 s将工质泵频率从40 Hz调节为30 Hz。有机朗肯循环效率无明显变化，说明与热源温度无关。

图9 有机朗肯循环效率η和蒸发压力随放电时间的变化：(a) 90 ℃热源工况；(b) 80 ℃热源工况

图10所示为储能罐放热量和放热速率随时间的变化。由图10可知，由于储能罐内储能介质与有机工质的温差大，热流密度大，导致放热量在0~580 s快速增加；在580~980 s放热量增加速率逐渐减小，这是由于储能罐内储能介质与有机工质的温差减小，并且工质泵频率减小的共同作用，使放热速率减小引起的。在980 s的放电时间里，放热量为12.99 kWh，放热速率最大为61.7 kW，最小为21.6 kW，平均放热速率为47.7 kW。图11所示为热泵储电系统放电过程净放电功率与净放电量随时间的变化。由图11可知，在90 ℃热源工况充电后进行放电过程，净放电量为1.12 kWh，净放电功率随时间逐渐降低，最大为5.7 kW，最小为1.6 kW，平均功率为4.1 kW，结束时为1.8 kW。在80 ℃热源工况充电后进行放电过程，净放电量为1.15 kWh，净放电功率随时间逐渐降低，最大为4.7 kW，最小为2.8 kW，平均功率为3.8 kW，结束时为2.8 kW。净放电量无明显变化，说明与热源温度无关，只与储能罐蓄热量有关。

图10 储能罐放热量和放热速率随时间的变化

图11 系统净放电功率和净放电量随时间的变化：(a) 90 ℃热源工况；(b) 80 ℃热源工况

2.3　储电性能参数分析

表 3为两种热源工况下热泵储电系统储电性能参数。随着热源温度的升高，充电过程的输入电能下降。输出电能只与储能罐蓄热量有关，而热源温度为80 ℃或90 ℃，最终储能罐蓄热量基本相同，所以输出电能无明显变化，这导致系统循环储电效率升高，系统储电性能得到提升。提高热源温度有利于提升热泵循环性能，储能罐蓄热过程压缩机耗电量下降。在90 ℃热源工况下，系统的循环储电效率为46.1%，与目前成熟的电化学储能与抽水储能相比，该PTES实验系统在效率指标方面仍有较大差距。

表3 各热源工况下储电性能参数

3 结 论

本工作为研究基于亚临界有机朗肯循环的热泵储电系统充/放电动态运行特性，搭建了完整系统实验平台，实验以水为储能介质，以R245fa为循环工质，进行了80 ℃和90 ℃热源工况下的充/放电全周期实验研究和性能分析。本工作从储电性能参数、充电过程和放电过程分析了实验数据，得出如下结论：

（1）充电阶段，热泵系统随时间逐渐降低；储能罐内测温点1和测温点2之间温差变化最大，表明储能罐内储能介质的斜温层在测温点1和测温点2之间；90 ℃热源工况下，热泵系统充电时间为3120 s左右，整个充电过程中热泵系统平均为6.27，蓄热量为13.55 kWh，压缩机耗电量为2.43 kWh；80 ℃热源工况下，热泵系统充电时间为6480 s左右，整个充电过程中热泵系统平均为5.44，蓄热量为13.9 kWh，压缩机耗电量为5.33 kWh。

（2）放电阶段，在90 ℃热源工况充电后进行放电过程，ORC系统放电时间为980 s，相比充电时间缩短了68.6%；ORC循环效率最高可达10.7%，平均为8%；整个放电过程放热量为12.99 kWh，净放电量为1.12 kWh；在80 ℃热源工况充电后进行放电过程，ORC系统放电时间为1080 s，与在90 ℃热源工况充电后进行放电过程所需时间无明显变化；ORC循环效率最高可达8.4%，平均为7.9%；整个放电过程放热量为13.9 kWh，净放电量为1.16 kWh。

（3）80 ℃热源工况系统循环储电效率为21.8%，90 ℃热源工况为46.1%，提高热源温度即提高热泵蒸发温度可以降低充电过程的输入电能，而输出电能只与蓄热量有关，两种热源工况下蓄热量无明显变化，提高热源温度能有效提高系统循环储电效率。