光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

金聽祥　徐笑鋒（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院　鄭州　450002）

光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

金聽祥徐笑鋒
（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院鄭州450002）

針對目前的家用空調(diào)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種以太陽能光伏發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，與國家電網(wǎng)并網(wǎng)，共同驅(qū)動空調(diào)工作的系統(tǒng)，稱為光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)。利用光伏發(fā)電技術(shù)，通過逆變器將太陽能提供的電力轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V、50 Hz家用電源，實(shí)現(xiàn)與市電電網(wǎng)的并網(wǎng)，來共同驅(qū)動空調(diào)運(yùn)行。利用焓差實(shí)驗(yàn)室，對光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)在連接100 W、135 W和185 W不同功率太陽能電池板進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)能穩(wěn)定驅(qū)動運(yùn)行。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，與常規(guī)家用空調(diào)系統(tǒng)相比，制冷模式下，光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)的制冷功率分別減少52 W、78 W和104 W，能效比分別提高4.2％、5.5％和10. 2％。制熱模式下，光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)的制熱功率分別減少68 W、84 W和116 W，性能系數(shù)分別提高6.4％、8％和11％。這表明光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)是可行的，還可以有效節(jié)能。

空調(diào)系統(tǒng)；光伏并網(wǎng)；太陽能電池板；能效比（EER）；性能系數(shù)（COP）

我國建筑總能耗約占社會終端能耗的33％，建筑能耗中空調(diào)和采暖能耗又占相當(dāng)大的一部分［1］，所以空調(diào)的節(jié)能性是未來的一種發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的電力空調(diào)不僅耗能較多，而且發(fā)電消耗化石能源，對環(huán)境污染較大。太陽能作為一種新型能源，具有分布廣、可再生、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，是國際公認(rèn)的理想替代能源［2-3］。太陽能空調(diào)也成為近幾年國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。

針對太陽能不同的利用方式，太陽能空調(diào)分為光熱空調(diào)系統(tǒng)與光伏空調(diào)系統(tǒng)。在光熱利用方面，空調(diào)系統(tǒng)多采用吸收式與吸附式制冷［4-9］。浙江能源科技研究院杜強(qiáng)等［10］研究了一種將光伏與光熱結(jié)合的太陽能熱泵技術(shù)，有效提高了太陽能的利用效率。在光電利用方面，Aguila F J等［11］研究了太陽能光伏電池板驅(qū)動變頻空調(diào)壓縮機(jī)的一種空調(diào)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與電網(wǎng)鏈接，主要由太陽能電池板驅(qū)動，能效比較高，空調(diào)性能較好。Keliang L等［12］研究了光伏輔助熱泵變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)，不僅利用了太陽能光伏電池板，而且將制冷劑用于電池板的降溫，有效提高了空調(diào)性能與太陽能利用效率。上海交通大學(xué)呂光昭等［13-14］設(shè)計(jì)研究了一種帶蓄電池的獨(dú)立光伏空調(diào)系統(tǒng)，完全由太陽能光伏發(fā)電獨(dú)立供應(yīng)空調(diào)運(yùn)行，多余電量還可以儲存在蓄電池里。

本文設(shè)計(jì)了一種利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與電網(wǎng)混合驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)，稱為光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池板發(fā)電與市電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、太陽能、電能共同驅(qū)動空調(diào)工作。在空調(diào)待機(jī)的情況下，太陽能電池板所產(chǎn)生電能還可提供給其他家用負(fù)載電器使用；在太陽能不充足的天氣條件下，市電網(wǎng)主要驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，保證了空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過在焓差實(shí)驗(yàn)室，對光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證明系統(tǒng)的可行性與節(jié)能性。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：太陽能電池板［15］、DC/AC雙極逆變器［16］、電路萬用表、逆向電路表、1.5 P定頻房間空調(diào)器1臺等。光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示，工作原理如下：系統(tǒng)中雙極并網(wǎng)逆變器7內(nèi)置在空調(diào)8室外機(jī)中，太陽能光伏電池陣列A、太陽能光伏電池陣列B和太陽能光伏電池陣列N通過太陽能控制器5產(chǎn)生直流電，經(jīng)過太陽能光伏電網(wǎng)4，進(jìn)入雙極并網(wǎng)逆變器7內(nèi)，7中前級DC/DC變換器主要將輸入的直流電壓升高并穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后經(jīng)過DC/AC逆變器逆變成家庭用220 V/50 Hz的常規(guī)交流電源，提供給空調(diào)交/直流變頻控制器9和空調(diào)交流負(fù)載10使用，交/直流變頻空調(diào)控制器9同時(shí)可以使用未經(jīng)DC/AC逆變的直流穩(wěn)壓電源。逆變后的交流穩(wěn)壓電路和家庭電網(wǎng)11在空調(diào)室外機(jī)電源線接線端子處并接、或在空調(diào)電源插座中實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，聯(lián)合供空調(diào)8使用，并保證太陽能所發(fā)電能得到優(yōu)先使用。

圖1　光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)的工作原理圖Fig.1 The principle diagram of grid-connected photovoltaic home air-conditioning system

系統(tǒng)主要有三種工作狀態(tài)：1）當(dāng)負(fù)載大于太陽能光伏發(fā)電的電能時(shí)，優(yōu)先使用太陽能光伏發(fā)電的電能，不足時(shí)由供電電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充；2）當(dāng)負(fù)載等于太陽能光伏發(fā)電的電量時(shí)，優(yōu)先使用太陽能光伏發(fā)電的電能；3）當(dāng)負(fù)載小于太陽能光伏發(fā)電，多余的電能可進(jìn)入家庭電網(wǎng)使用，如再有多的電能可向供電電網(wǎng)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1光伏發(fā)電輔助空調(diào)驅(qū)動測試

1）初期實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)可行性測試與性能測試，采用較小功率太陽能電池板發(fā)電。分別將功率為100 W、135 W、185 W的太陽能電池板放置于室外，調(diào)整電池板的角度與陽光輻射成90°夾角，利用逆變器通過電能表將太陽能電池板所發(fā)的電流與空調(diào)連接。開啟空調(diào)，待30 min空調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行之后，每間隔15 min觀察溫度計(jì)與電能表測試室外溫度與耗電情況。

2）不連接太陽能電池板，完全采用市電網(wǎng)供電驅(qū)動空調(diào)。開啟空調(diào)，待30 min空調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行之后，每間隔15 min觀察溫度計(jì)與電能表測試室外溫度與耗電情況。

1.2.2光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)性能與能耗測試

本實(shí)驗(yàn)在5 HP焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，利用焓差法測量空調(diào)的性能。實(shí)驗(yàn)平臺主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO D5151—94《不帶風(fēng)道的空調(diào)器和熱泵的試驗(yàn)和測定》，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》。焓差法的主要計(jì)算方法是根據(jù)入風(fēng)干、濕球溫度、送風(fēng)入干、濕球溫度，大氣壓、零調(diào)壓差等項(xiàng)指標(biāo)，通過標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算出焓值，進(jìn)而通過焓值差來表明空調(diào)器的制冷能力及制熱能力。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：1）設(shè)定額定制冷工況，采用光伏發(fā)電與市電共同驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)，分別不連接太陽能電池板、連接100 W、135 W、185 W太陽能電池板。等待系統(tǒng)工況穩(wěn)定后，記錄功率、空調(diào)能效比EER等數(shù)據(jù)。2）設(shè)定額定制熱工況，采用光伏發(fā)電與市電共同驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)，分別不連接太陽能電池板、連接100 W、135 W、185 W太陽能電池板。等待系統(tǒng)工況穩(wěn)定后，記錄功率、空調(diào)性能系數(shù)COP等數(shù)據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析對比

2.1光伏發(fā)電輔助驅(qū)動系統(tǒng)的分析

發(fā)電性能的測試時(shí)間在9：00～16：00進(jìn)行，室外溫度最高可達(dá)到41℃，空調(diào)設(shè)定溫度為16℃，分別連接不同功率太陽能板進(jìn)行發(fā)電性能對比，數(shù)據(jù)如表1所示。但是由于光照角度、線路損耗、逆變器轉(zhuǎn)換效率等原因，太陽能電池板所發(fā)電量并沒有百分之百投入空調(diào)使用中，實(shí)際供電量約為額定發(fā)電量的63％左右。在連接最大功率電池板185 W時(shí)，每小時(shí)節(jié)省電能約0.11 kW.h，占空調(diào)每小時(shí)耗電量的10％左右。實(shí)驗(yàn)證明，太陽能電池板發(fā)電可供空調(diào)使用；在空調(diào)待機(jī)狀態(tài)時(shí)，逆向電流表有讀數(shù)顯示，光伏發(fā)電可供其他家用負(fù)載使用，有效達(dá)到節(jié)約電能的目的。但是由于太陽能電池板功率略小，不能完全供應(yīng)空調(diào)所需電量，必須與市電網(wǎng)連接。

2.2系統(tǒng)性能的分析2.2.1額定制冷工況下的系統(tǒng)性能

設(shè)定空調(diào)溫度為16℃，在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到空調(diào)性能相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中表明，空調(diào)的制冷量基本保持不變。隨著太陽能電池板的功率增大，制冷消耗的市電網(wǎng)提供的功率逐步減小，空調(diào)的性能指標(biāo)（能效比EER）也有明顯提高。能效比的計(jì)算方法為制冷量與制冷消耗功率的比值，即為每消耗一單位功率所得到的冷量。在投入太陽能光伏發(fā)電之后，空調(diào)的能效比明顯得到提高，最高可以提高10.2％左右；制冷消耗功率也大大降低，最高可以降低104 W。實(shí)驗(yàn)證明，在額定制冷工況下，采用光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)，有效提高空調(diào)的性能。

表1　光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Photovoltaic parameters

圖2　制冷量與功耗隨太陽能電池板功率變化圖Fig.2 Variation of cooling capacity and power consumption with the power of solar panels

圖3　能效比隨太陽能電池板功率變化圖Fig.3 Variation of EER with the power of solar panels

2.2.2額定制熱工況下的系統(tǒng)性能

設(shè)定空調(diào)溫度為30℃，在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到空調(diào)性能相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中表明，空調(diào)的制熱量基本無變化。隨著太陽能電池板功率的增大，空調(diào)制熱消耗市電網(wǎng)所提供的功率逐漸降低，制熱性能系數(shù) COP明顯提高。制熱性能系數(shù)COP的計(jì)算方法為制熱量與空調(diào)制熱消耗功率的比值，即為每消耗一單位功率所得到的熱量。在投入太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)后，空調(diào)的制熱消耗功率明顯減少，最高可減少116 W；空調(diào)的制熱性能指標(biāo)COP也有效提高，最高可提高11％左右。實(shí)驗(yàn)證明，在額定制熱工況下，采用光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)，有效提高了空調(diào)性能。

圖4　制熱量與功耗隨太陽能電池板功率變化圖Fig.4 Variation of heating capacity and power consumption with the power of solar panels

圖5　性能系數(shù)隨太陽能電池板功率變化圖Fig.5 Variation of COP with the power of solar panels

3　結(jié)論

本文在安裝了不同功率太陽能電池板后，利用焓差實(shí)驗(yàn)室對太陽能光伏并網(wǎng)式空調(diào)系統(tǒng)的性能測試實(shí)驗(yàn)，與沒有連接太陽能電池板的普通機(jī)械壓縮式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，可以得到以下結(jié)論：

1）光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定運(yùn)行，太陽能電池板發(fā)電可以有效驅(qū)動房間空調(diào)器并且保證空調(diào)優(yōu)先使用光伏發(fā)電。在空調(diào)待機(jī)狀態(tài)下，光伏發(fā)電可供其他家用負(fù)載利用。

2）光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)可以有效節(jié)約電能，在用電高峰期緩解電力緊張。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)在連接100 W、135 W和185 W太陽能電池板時(shí)，制冷功率分別為1028 W、1002 W、976 W，相對于普通家用空調(diào)制冷功率1080 W減少了52 W、78 W和104 W，制熱功率分別為1204 W、1188 W、1156 W，相對普通家用空調(diào)系統(tǒng)制熱功率1272 W減少了68 W、84 W和116 W。

3）光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)可以有效提高空調(diào)性能。光伏發(fā)電的利用有效降低了市電網(wǎng)功率的消耗，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的能效。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)在連接100 W、135 W和185 W太陽能電池板時(shí)，能效比分別為3.01、3.05、3.18，相對于普通家用空調(diào)的制冷能效比（EER）2.89分別提高了4.2％、5.5％和10.2％，制熱性能系數(shù)COP分別為2.92、2.96、3.04，相對于普通家用空調(diào)的制熱性能系數(shù)（COP）2.74分別提高了6.4％、8％和11％。

太陽能作為一種新型可再生能源，可有效的降低化石能源的消耗，環(huán)保清潔無污染。但是光伏并網(wǎng)式家用空調(diào)系統(tǒng)具有造價(jià)高、太陽能利用率低等缺點(diǎn)。而且由于電路與部分元件的消耗，導(dǎo)致太陽能發(fā)電不能全部投入使用。在以后的太陽能資源利用研究中，提高太陽能利用效率與降低系統(tǒng)成本將是一個(gè)研究方向與發(fā)展趨勢。

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About the author

Jin Tingxiang，male，Ph.D.，associate professor，School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，+86 371-63624381，E-mail：txjin@126.com.Research fields：new techniques development for air-conditioning system.

Experimental Investigation on the Performance of Household Air Conditioning System with Grid-connected Photovoltaic Generation

Jin Tingxiang Xu Xiaofeng
（School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

With the base of traditional air conditioning system，the grid-connected photovoltaic household air conditioning system based on the solar photovoltaic power generation technology is designed in this paper.The power with the solar photovoltaic power generation technology is transformed into the household power of 220 V and 50 Hz by inverter.The household air conditioning system is then driven by the transformed power and national grid.The performance of the photovoltaic grid-connected household air conditioning system was tested by Enthalpy Difference Lab under the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels.The experimental results show that under normal cooling conditions，the average power consumption of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 52 W，78 W and 104 W lower than that of the traditional air conditioning system respectively.Similarly，energy efficiency ratios of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 4.2％，5.5％and 10.2％lower than that of the traditional air conditioning system respectively.Under heating mode，the average power consumption of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 68 W，84 W and 116 W lower than that of the traditional air conditioning system，and the coefficients of performances are 6.4％，8％and 11％lower than that of the traditional air conditioning system.It can be concluded that the photovoltaic grid-connected household air conditioning system is feasible.

air conditioning system；grid-connected photovoltaic generation；solar panels；energy efficiency ratio（EER）；coefficient of performance（COP）

TB657；TM925.1

A

0253-4339（2015）05-0055-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.055

2014年12月23日

金聽祥，男，博士，副教授，鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院，（0371）63624381，E-mail：txjin@126.com。研究方向：制冷空調(diào)設(shè)備新技術(shù)研究。