光伏市電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

#［摘要］光伏熱泵技術(shù)是一種高效利用太陽(yáng)能的技術(shù)；空氣源熱泵是高效節(jié)能、形式簡(jiǎn)單的熱源裝置；低溫地板輻射采暖具有舒適性好、供水溫度低、美觀等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將三者結(jié)合應(yīng)用，可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)光伏、市電熱泵系統(tǒng)建立穩(wěn)態(tài)仿真模型，分析了供水溫度、環(huán)境溫度、光伏強(qiáng)度對(duì)熱泵O制熱量的影響。在北京郊區(qū)一獨(dú)立民房設(shè)計(jì)搭建了一套光伏-市電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵結(jié)合低溫地板輻射采暖供暖系統(tǒng)，結(jié)合用戶的實(shí)際需求，對(duì)系統(tǒng)編寫了控制程序。通過(guò)對(duì)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與節(jié)能性，給系統(tǒng)進(jìn)一步研發(fā)提供了依據(jù)。［關(guān)鍵詞］太陽(yáng)能熱泵；光伏直驅(qū)；輻射采暖；仿真計(jì)算在我國(guó)北方地區(qū)，傳統(tǒng)供暖方式主要依靠燃煤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的能源消耗量居世界第一，其中煤炭消耗超過(guò)66%［1。］由于能源結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。以北京為例，除了傳統(tǒng)的集中供暖外，郊區(qū)以及農(nóng)村地區(qū)基本都依靠獨(dú)立的煙煤爐供暖。這種供暖方式不僅煤炭運(yùn)輸費(fèi)用高、衛(wèi)生條件差，而且燃燒利用效率低、環(huán)境污染極大。因此，北京市提出了“煤改氣”“煤改電”計(jì)劃。光伏熱泵中蒸汽壓縮循環(huán)熱泵是最接近實(shí)用的形式［2。］國(guó)外學(xué)者針對(duì)光伏最大功率跟蹤控制器［3、］無(wú)蓄電池光伏冰箱［4等］方面做了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、格力公司等單位也針對(duì)光伏熱泵在仿真、實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)品推廣方面做了相關(guān)工作［5-。6］光伏熱泵是具有研究?jī)r(jià)值的太陽(yáng)能利用方式之一。低溫地板輻射采暖技術(shù)利用室內(nèi)地面作為散熱設(shè)備，除了地面與室內(nèi)空氣的對(duì)流散熱外，還以輻射的方式換熱［7。］其供水溫度通常低于60℃［8。］由于其要求供水溫度低，因此將空氣源熱泵熱水機(jī)組與地板輻射采暖結(jié)合使用相比其他供暖方式具有更大優(yōu)勢(shì)［9。］本文研究的光伏-市電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，熱泵可以由市電或光伏直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)合地板輻射采暖使用，冬季供暖水溫度低，提高了熱泵效率。另外，系統(tǒng)中還配置有蓄能水箱，一方面用于儲(chǔ)存光伏驅(qū)動(dòng)下的熱量，另一方面若在有峰谷電價(jià)的地區(qū)應(yīng)用，用于存儲(chǔ)夜間谷電產(chǎn)熱，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高。系統(tǒng)形式本文研究的光伏-市電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵結(jié)合低溫地板輻射采暖系統(tǒng)主要由：直流變頻空氣源熱泵、光伏組件、電源管理及控制系統(tǒng)、蓄能水箱及管路、以及末端地板輻射采暖系統(tǒng)組成，如圖1所示。圖1系統(tǒng)流程示意

光伏組件是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的部件，其產(chǎn)生的直流電用于驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)。本系統(tǒng)中采用塊 型光伏板，單塊測(cè)試工況峰值功率 5直流變頻空氣源熱泵系統(tǒng)主要由風(fēng)冷換熱器、直流變頻壓縮機(jī)、制冷劑-水板式換熱器、電子膨脹閥、四通換向閥組成。壓縮機(jī)可以由市電驅(qū)動(dòng)或者由光伏直流電直接驅(qū)動(dòng)，并可以根據(jù)不同工況由控制系統(tǒng)對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。在冬季，空氣換熱器作為熱泵蒸發(fā)器，從環(huán)境取熱，板式換熱器作為熱泵冷凝器，產(chǎn)生供暖水用于房屋供暖；在夏季，板式換熱器作為蒸發(fā)器，制取低溫冷凍水用于制冷、風(fēng)冷換熱器作為冷凝器向環(huán)境散熱。蓄能水箱及管路是冷熱量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)移的部件。冬季蓄能水箱儲(chǔ)存高溫供暖水，夏季儲(chǔ)存低溫冷凍水。采用蓄冷蓄熱方式代替蓄電池存儲(chǔ)光伏直流電的方式，提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的友好性，并延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命、系統(tǒng)投資更低、維護(hù)更加方便。另外，蓄能水箱同時(shí)用于寒冷冬季管路防凍。在冬季熱泵制熱不足時(shí)，水箱內(nèi)電輔助加熱會(huì)開(kāi)啟以滿足用戶需求。低溫地板輻射采暖末端系統(tǒng)用于對(duì)室內(nèi)提供冷、熱量。地暖系統(tǒng)由底層保溫板、成型擠塑模板、管路組成，在其上方鋪設(shè)水泥砂漿及地磚。電源管理及控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)核心。用于熱泵電源選擇、熱泵及水泵的啟停、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整等，并同時(shí)承擔(dān)管路防凍、安全保護(hù)的任務(wù)。控制系統(tǒng)采用 控制模塊，觸摸屏作為人機(jī)交互界面。系統(tǒng)實(shí)際樣機(jī)如圖所示。圖2系統(tǒng)實(shí)際樣機(jī)外出工作，晚上 休息。因此，對(duì)該系統(tǒng)工作， 后依靠地板余溫維持夜該家庭自上午7:3至0下午6外出工作，晚上 休息。因此，對(duì)該系統(tǒng)工作， 后依靠地板余溫維持夜間房屋溫度，次日如此循環(huán)工作。2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型本文對(duì)該系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)工程方程求解器協(xié)助求解。2.1光伏組件根據(jù)和 建立的仿真程序 ，光伏發(fā)電效率與光伏電池溫度以及輻射強(qiáng)度都有一定關(guān)系。式中，為光伏輸出電壓；為光伏輸出電流； 為測(cè)試條件下光伏開(kāi)路電壓； 為測(cè)試條件下光伏短路電流；為測(cè)試條件光伏板最大功率點(diǎn)電壓；為測(cè)試條件光伏板最大功率點(diǎn)電流；為電壓修正項(xiàng)；為電流修正項(xiàng)；V為電流變化的溫度系數(shù)；6為電壓變化的溫度系數(shù)；為測(cè)試條件光伏強(qiáng)度；為光伏電池等效電路串聯(lián)電阻； 為測(cè)試條件光伏電池溫度；為光伏電池實(shí)際溫度。 c,c sc2.蒸2發(fā)循環(huán)模型熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)循環(huán)分為四個(gè)階段，如圖3所示。本文中不考慮熱泵各管路的壓力損失和熱量損失，將循環(huán)看作理想循環(huán)。1-表2示低溫低壓工質(zhì)被壓縮機(jī)吸入，壓縮成為高溫高壓蒸汽；2-表3示工質(zhì)在冷凝器中相變放熱，工質(zhì)過(guò)冷為液態(tài)；3-是4在電子膨脹閥中發(fā)生的節(jié)流過(guò)程，工質(zhì)由液相成為兩相低壓工質(zhì)，節(jié)流前后焓值相等；4-表1示工質(zhì)在蒸發(fā)器中的相變吸熱過(guò)程，兩相工質(zhì)過(guò)熱成為低壓氣相工質(zhì)。圖3蒸汽壓縮循環(huán)理想循環(huán)2.2壓.縮1機(jī)模型該直流調(diào)速壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，工質(zhì)的質(zhì)量流量與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、吸氣比容等有關(guān)［11：］可由式（6）結(jié)合壓縮機(jī)比功率得到壓縮機(jī)功率為：式中：為循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量；為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；為氣缸工作容積；u為吸氣口氣體比容；n為容積效率； 為壓縮機(jī)耗功；為蒸發(fā)壓力；為冷凝壓力；為絕熱指數(shù)；n為指示效率。2.2冷.凝2器模型冷凝器是工質(zhì)相變放熱的部件，在理想循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)在冷凝器中過(guò)冷：冷凝器中工質(zhì)放熱的能量方程：式中：制冷劑狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度；為冷凝溫度； 為過(guò)冷度；冷凝放熱量；為制冷劑狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)焓值；制冷劑狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)焓值。電.子3膨脹閥模型制冷工質(zhì)通過(guò)電子膨脹閥時(shí)，可看作與外界沒(méi)有熱交換，也不做功的絕熱膨脹過(guò)程，節(jié)流前后焓值相同。h=h （10）34式中：4為制冷劑狀態(tài)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)焓值。2.2蒸.發(fā)4器模型蒸發(fā)器是工質(zhì)相變吸收熱量的部件，在理想循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)在蒸發(fā)器中過(guò)熱：t=t+t （11）1esh蒸發(fā)器中制冷工質(zhì)吸熱的能量方程：Q=m（h-h） （12）ecom14式中：制冷劑狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度；為蒸發(fā)溫度； 為過(guò)熱度；為蒸發(fā)吸熱量；為制冷劑狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)焓值；4為制冷劑狀態(tài)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)焓值。2.3其他模型CO=PQ/W （13）hcom式中：為熱泵制熱效率。3仿真研究結(jié)果及分析以北京市某農(nóng)村民房為例，建筑物冬季常用熱負(fù)荷約3 。系統(tǒng)光伏電池板面積3測(cè)試工況功率040?？諝庠礋岜脡嚎s機(jī)為3直流調(diào)速壓縮機(jī)。末端系統(tǒng)采用低溫地板輻射采暖方式，設(shè)計(jì)供水溫度35℃。結(jié)合上一節(jié)所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)光伏直驅(qū)與市電驅(qū)動(dòng)下的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)市電驅(qū)動(dòng)模式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。光伏驅(qū)動(dòng)下的熱泵性能圖4給出了在光伏強(qiáng)度分別為00和00、制熱水溫度分別為30℃、35℃、40℃下，光伏直驅(qū)熱泵制熱 隨環(huán)境溫度的變化。由圖4可以看出，光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng) 隨著光伏強(qiáng)度的增加略有減小，這是由于光伏強(qiáng)度增加使光伏組件輸出的電功率增加，熱泵壓縮機(jī)功率增大，從而導(dǎo)致蒸發(fā)溫度下降、冷凝溫度上升。因此光伏熱泵系統(tǒng)的 下降。另外可以看出隨著環(huán)境溫度增加，熱泵系統(tǒng) 增加，且增加的速度越來(lái)越快，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高使蒸發(fā)溫度上升，熱泵升高；同時(shí)，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致光伏效率下降，光伏組件輸出電功率的上升速度下降，結(jié)合上面所述壓縮機(jī)功率增加會(huì)使熱泵 下降，故光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng)的 增加速度更快。假設(shè)北京冬季白天光伏強(qiáng)度00/環(huán)境溫度5℃，光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng) 為30圖光伏直驅(qū)熱泵 隨環(huán)境溫度的變化圖5中給出了在環(huán)境溫度為-10℃和-5℃，制熱水溫度為30℃、35℃、40℃時(shí)，光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng)制熱量隨光伏強(qiáng)度的變化曲線。從圖中可以看出隨著光伏強(qiáng)度增加，熱泵制熱量上升，但上升速度略有降低。這是由于光伏強(qiáng)度增加，光伏組件輸出電功率增加，壓縮機(jī)功率增加，制熱量增加，但是熱泵系統(tǒng)略有降低。另外，環(huán)境溫度上升、出水溫度降低均會(huì)提高熱泵制熱量。在環(huán)境溫度5℃，制取35℃供暖熱水時(shí)，光伏強(qiáng)度大于0時(shí)，僅依靠光伏便可滿足用戶的供暖需求。圖5光伏直驅(qū)熱泵制熱量隨光伏強(qiáng)度變化結(jié)合圖4和圖5可以看到，光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng)中，光伏強(qiáng)度增加會(huì)使系統(tǒng)制熱量增加，但是同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)略有降低。系統(tǒng)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下，應(yīng)將獲得的太陽(yáng)能充分利用，因此更關(guān)心制熱量，而降低供暖水溫度對(duì)光伏直驅(qū)熱泵系統(tǒng)制熱量的提升效果明顯。在環(huán)境溫度-5℃，將供暖水溫度從40℃降低至35℃，系統(tǒng)制熱量約提高035k這充分說(shuō)明了將空氣源熱泵與低溫地板輻射采暖末端系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。市電驅(qū)動(dòng)下的熱泵性能圖給出了在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3000,300m制取供暖熱水溫度分別為30℃,35℃,40℃時(shí)，市電熱泵制熱隨環(huán)境溫度的變化。由圖中可以看出，環(huán)境溫度增加、供暖水溫降低都會(huì)使熱泵系統(tǒng)增加；而在相同環(huán)境溫度與制熱水溫度下，轉(zhuǎn)速的改變對(duì)熱泵系統(tǒng)影響不大。圖市電驅(qū)動(dòng)熱泵 隨環(huán)境溫度變化圖7中給出了在環(huán)境溫度為-10℃和-5℃，制熱水溫度為30℃、35℃、40℃時(shí)，市電驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)制熱量隨著轉(zhuǎn)速的變化。從圖中可以看出轉(zhuǎn)速增加會(huì)增加熱泵系統(tǒng)的制熱量。另外，在固定轉(zhuǎn)速下，制熱水溫度的改變對(duì)制熱量影響不大，這是通過(guò)犧牲系統(tǒng) 滿足的。在市電驅(qū)動(dòng)模式下，為了滿足用戶供暖需求，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需要在4300 以上，這給控制系統(tǒng)提供了參考。在市電驅(qū)動(dòng)模式下，熱泵系統(tǒng) 是關(guān)鍵參數(shù)。在環(huán)境溫度為5℃,獲得35℃供暖熱水比獲得40℃供暖熱水的熱泵制熱 高約0.3,因此也說(shuō)明了空氣源熱泵與低溫地板采暖結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。圖7市電驅(qū)動(dòng)熱泵制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析假設(shè)北京市白天（上午00下午400環(huán)境溫度5℃,夜間（下午400-次日00環(huán)境溫度10℃,系統(tǒng)供水溫度35℃,建筑物平均負(fù)荷3.k在該用戶運(yùn)行模式下（8:3-023:30系統(tǒng)運(yùn)行0，對(duì)該系統(tǒng)、純電熱地暖，純市電驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)日耗電量進(jìn)行估算（表10：晴朗天氣光伏熱泵供熱量占總供熱量約30%系統(tǒng)市電3.58比電地暖或電暖氣形式效率高出58比傳統(tǒng)純電熱泵市電效率高出38%。陰霾天氣該系統(tǒng)電地暖或電暖氣效率高出158%，與傳統(tǒng)電熱泵無(wú)異（表1）。表1該系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱泵和電取暖方式運(yùn)行對(duì)比昨天情況'F境n間瑞紅嶼度600比口照時(shí)長(zhǎng)5hi陽(yáng)能天氣1元史;受用尤戰(zhàn)如足系堆1日霹固然通Wh3.8il5=57系提類型俄察流?E電地展純悵熱泉仲電地■注也不泉.世優(yōu)孤注如輯甲一&需h15.?0000市電熱柒佻熱GL,kWh■W.5°570057而電耗電信*由七15.95722.122.15722.1法跣市電COP3.3812.5S2.5S1匚牛於匚系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況圖8和圖9中給出了系統(tǒng)2016年1月4日在市電驅(qū)動(dòng)模式下的運(yùn)行情況，系統(tǒng)自上午8:30運(yùn)行至晚上9:4。5當(dāng)日環(huán)境溫度為-6--1℃，控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速300 。穩(wěn)定運(yùn)行下熱泵系統(tǒng) 在.?3.6之間。制熱量3.3?4.1,平均值熱量3.,滿足用戶供暖需求。室內(nèi)溫度由系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)11.5℃至下午18:0左0右升至16℃。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，室內(nèi)舒適性較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近。

0 J 10 J 1 1-I 1 1 1 1 ?——J翼 9:4410:591^:14'B:291+4*15:5?, -L812919:4420:59山電羋點(diǎn)*這由河咕阡境幅度汽:的率比摩布潢,七圖環(huán)境溫度、熱泵出水溫度、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖9熱泵制熱量、房屋用熱與房屋溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中熱量表與電表記錄數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)水泵、風(fēng)機(jī)、電箱等部件耗電與系統(tǒng)防凍熱損失在內(nèi)。該系統(tǒng)冬季市電為;考慮光伏供給，系統(tǒng)為53較電暖氣供暖方式節(jié)能153%較普通純電驅(qū)動(dòng)空氣源系統(tǒng)節(jié)能21%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大，這一方面是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行模式不斷摸索調(diào)整。另一方面是系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況比仿真工況惡劣。另外，該系統(tǒng)中的蓄能水箱容積0箱內(nèi)水溫為35℃，由于分層作用水箱假設(shè)有10℃利用溫差，可滿足在平均負(fù)荷下的供暖。因此如若在實(shí)行階梯電價(jià)后，采用白天光伏驅(qū)動(dòng)、夜間水箱及地板蓄能的運(yùn)行模式，該系統(tǒng)會(huì)將具有更好運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、傳統(tǒng)能源日益減少的形勢(shì)下，可再生能源與能源的高效利用成為發(fā)展的必然需求。光伏-市電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵結(jié)合地板輻射采暖系統(tǒng)是對(duì)新能源高效利用的探索。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）采用光伏直驅(qū)和市電驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)方式，充分利用太陽(yáng)能，并且不受天氣影響；（2）通過(guò)仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)在晴朗天氣比傳統(tǒng)電熱泵、電采暖方式具有更高能效；（3）結(jié)合空氣源熱泵技術(shù)與低溫地板輻射采暖技術(shù)于一體。在光伏熱泵