超低溫變頻采暖熱泵控制方案研究

李魁星 楊磊 鄭曉峰 楚毅

1.青島海爾新能源電器有限公司 青島海爾 266103；2.數(shù)字化家電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266101

1 引言

光伏發(fā)電技術(shù)自20世紀(jì)70年代在民用領(lǐng)域推廣以來(lái)，廣泛應(yīng)用于通信、交通信號(hào)、管網(wǎng)保護(hù)和為邊遠(yuǎn)地區(qū)的居民供電[1]。近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比提高，開(kāi)始從特殊場(chǎng)合應(yīng)用轉(zhuǎn)向商業(yè)化應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，光伏發(fā)電技術(shù)和其他可再生能源技術(shù)一樣，成為減少溫室效應(yīng)的重要技術(shù)手段。光伏和熱泵熱水器結(jié)合為一個(gè)系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)[5]。首先，光伏板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高品位的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，從而加熱生活用水；其次，夏天光伏的發(fā)電量大，光伏熱泵熱水器可以最大限度的利用太陽(yáng)能加熱生活用水，冬天光伏發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為水的熱能儲(chǔ)存在水箱內(nèi)，滿(mǎn)足用戶(hù)夜間用水的需求；最后，加熱水的過(guò)程中利用綠色、清潔、廉價(jià)的能源，可以緩解能源危機(jī)、減少污染物排放[6]。

2 光伏熱泵熱水器的系統(tǒng)組成及控制方案

2.1 光伏熱泵熱水器的系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的光伏熱泵系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)選用410A環(huán)保冷媒、變頻壓縮機(jī)，可工作在-15℃的工況下，且衰減較小。

可分為兩個(gè)運(yùn)行過(guò)程：

第一，光照充足，光伏模塊整流之后輸出直流電壓高于市電整流之后的母線電壓，此時(shí)優(yōu)先使用光伏發(fā)電，驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)，低壓氣態(tài)冷媒被變頻壓縮機(jī)吸入氣缸壓縮后，變?yōu)楦邷馗邏旱倪^(guò)熱蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)排氣閥流入微通道冷凝器，發(fā)生冷卻、冷凝過(guò)程，熱泵水箱里的水被加熱，冷媒冷卻過(guò)冷后流經(jīng)儲(chǔ)液罐、過(guò)濾器，最后通過(guò)電子膨脹閥節(jié)流降溫降壓，流入蒸發(fā)器進(jìn)行對(duì)流換熱來(lái)吸收陽(yáng)光和空氣中的低品位能源使自身受熱蒸發(fā)，變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，最后通過(guò)吸氣口進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一次循環(huán)。此過(guò)程完全利用綠色能源，加熱生活用水，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

第二，光照不足，光伏模塊整流之后輸出直流電壓低于市電整流之后的母線電壓，此時(shí)優(yōu)先使用市電，驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)，完成與過(guò)程一相同的一次冷媒循環(huán)，為了盡可能多的利用太陽(yáng)光的能量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電加熱棒，用于消耗光伏發(fā)的電，加熱生活用水。

圖1 光伏熱泵系統(tǒng)示意圖

2.2 光伏熱泵熱水器的控制方案

圖2所示為市電和光伏電混合供電系統(tǒng)模式圖，熱泵優(yōu)先使用光伏發(fā)電，市用交流電作為補(bǔ)充，兩者可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)切換。系統(tǒng)的工作原理為：市電經(jīng)整流電路整流后，變?yōu)橹绷麟奦1加在直流母線上，約310V；光伏板受到太陽(yáng)輻照產(chǎn)生直流電，經(jīng)過(guò)全橋逆變，首先將直流電逆變成高頻交流電，再經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓，整流濾波后V2可直接并在直流母線上，控制部分會(huì)實(shí)時(shí)跟蹤組件的最大功率點(diǎn)，將組件所發(fā)的電能，以最大功率輸出到直流母線上。太陽(yáng)輻照較強(qiáng)，光伏電整流濾波后V2≥V1時(shí)，熱泵優(yōu)先使用光伏電；太陽(yáng)輻照不夠，光伏電整流濾波后V2＜V1時(shí)，市電作為補(bǔ)充能源使用，此時(shí)，K1接通光伏電被電加熱棒消耗，用于加熱生活用水。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的光伏熱泵熱水器節(jié)能效果，搭建圖3所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。光伏板選型參數(shù)如表1所示；選用額定輸入功率240W的變頻壓機(jī)，額定制熱量1000W，抽真空保壓后灌注冷媒400g；水箱容積80L，采用搪瓷內(nèi)膽、微通道換熱。在不同環(huán)境溫度下，分別使用光伏熱泵熱水器（在實(shí)驗(yàn)室模擬一天中太陽(yáng)輻照度）、壓機(jī)額定輸入功率240W的普通熱泵熱水器、電加熱棒1000W的電熱水器，將80L水從15℃加熱到55℃，記錄耗電量、加熱時(shí)間。

表1 光伏板選型參數(shù)

圖2 光伏熱泵供電系統(tǒng)模式圖

圖3 光伏熱泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 耗電量測(cè)試

圖5 加熱時(shí)間測(cè)試

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在環(huán)境溫度7℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、43℃工況下，用實(shí)驗(yàn)室恒溫水箱中的水注滿(mǎn)80L熱水器水箱，開(kāi)啟循環(huán)泵將水箱中的冷水?dāng)嚢杈鶆?，使其穩(wěn)定在15±0.5℃，開(kāi)啟光伏熱泵、普通熱泵、電加熱將水箱中的冷水加熱至設(shè)定溫度，停機(jī)后，開(kāi)啟循環(huán)泵將水箱中的熱水?dāng)嚢杈鶆颍_保熱水溫度在55±0.5℃。記錄耗電量和加熱時(shí)間，多次實(shí)驗(yàn)取平均值，以減小誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

耗電量可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)位儀表讀取，三種熱水器在不同環(huán)境溫度下的耗電量如圖4所示，由圖可知：熱泵熱水器節(jié)能效果比電熱水器好很多，而光伏熱泵熱水器比熱泵熱水器更節(jié)能；環(huán)境溫度越高，節(jié)能效果越明顯。

每次加熱完成，記錄本次加熱周期的時(shí)間，三種熱水器在不同環(huán)境溫度下的加熱時(shí)間如圖5所示，由圖可知：光伏熱泵熱水器和熱泵熱水器加熱時(shí)間相差很小，環(huán)境溫度越高加熱時(shí)間越短；電熱水器加熱速度最快，環(huán)境溫度為43℃時(shí)，三種熱水器加熱時(shí)間趨于相同。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型光伏變頻熱泵熱水器，在不同工況下做實(shí)驗(yàn)測(cè)得耗電量、加熱時(shí)間，并同條件下電熱水器、普通熱泵熱水器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可總結(jié)如下：

（1）采用光伏發(fā)電和市電混合供電的方式，優(yōu)先使用光伏發(fā)電，市電作為補(bǔ)充，盡可能多的利用光伏電，使用綠色清潔能源，減少污染物排放；

（2）優(yōu)化電控方案，考慮到蓄電池成本高、更換周期短、占地面積大，省去常規(guī)的光伏系統(tǒng)中的蓄電池；

（3）在安裝空間和太陽(yáng)輻照足夠的前提下，光伏熱泵熱水器在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于普通熱泵熱水器和電熱水器。

[1] 馬勝紅，許洪華. 光伏發(fā)電縱橫談[J]. 太陽(yáng)能，2004(1).

[2] EPLA. Global Market Outlook for Photovoltaic until 2015[OL]. 2010.

[3] 中國(guó)新能源與可再生能源年鑒2010[Z]. 北京：中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)，2011.

[4] 沈輝，曾祖勤. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2005: 40-70.

[5] 李景明，王紅巖，趙群. 中國(guó)新能源資源潛力及前景展望[J]. 天然氣工業(yè)，2008, 28(1): 149-153.

[6] 宋光前，徐新華，吳丹. 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)及運(yùn)行控制模擬分析[J]. 制冷與空調(diào)，2013, 27(3):280-283.