空氣能熱泵與輔助電加熱系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用

董志德

【摘要】空氣能就是指地球的大氣層中所儲(chǔ)存的能量，是大氣層在吸收了太陽能、城市熱島釋放的能量、生物體釋放的能量以及燃料燃燒等排放的熱能后所儲(chǔ)存的巨大能量。為多能互補(bǔ)基地中的光熱電站加裝電加熱裝置，能夠有效減少棄風(fēng)棄光電量，但由于光熱電站和電加熱裝置共用一個(gè)儲(chǔ)熱裝置，如何合理配置儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和電加熱功率，以最小投資獲得最大收益，對(duì)于優(yōu)化多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。

【關(guān)鍵詞】空氣能;熱泵;電加熱;系統(tǒng);應(yīng)用

1、導(dǎo)言

將空氣源熱泵與電伴熱系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，會(huì)起到更好的使用效果，也更節(jié)能。在夏季將空氣能熱泵運(yùn)行產(chǎn)生的冷氣輸送至食堂等公共場(chǎng)所，可大幅度節(jié)約空調(diào)的能耗。在項(xiàng)目施工過程中采用空氣能熱水器可以解決用水量大、消耗電量大、安全系數(shù)低等問題，為項(xiàng)目工作人員提供一個(gè)健康、舒適、干凈的生活環(huán)境。

2、空氣源熱泵的原理及組成

空氣源熱泵是應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，通過對(duì)工質(zhì)做功實(shí)現(xiàn)熱量從冷源向熱源傳輸?shù)墓嵯到y(tǒng)，其應(yīng)用具有安全、高效、節(jié)能、適用范圍廣等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組主要是采用本地監(jiān)控方式，這種系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)比較落后，沒有完整的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能。運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通訊技術(shù)，開發(fā)一套分布式機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，既可對(duì)空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行、故障、節(jié)能等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，形成自動(dòng)控制、故障提醒、節(jié)能建議、便捷維護(hù)等指令，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的運(yùn)行管理模式現(xiàn)代化。

空氣能熱泵系統(tǒng)采用增壓泵循環(huán)，熱水箱儲(chǔ)水方式，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定?？諝饽軣岜孟到y(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、不銹鋼保溫水箱、循環(huán)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)和管道配件等組成。機(jī)組連接加熱水箱，恒溫水箱連接熱水管路通向用水單元。熱泵機(jī)組具有以下特點(diǎn)：不易磨損;使用壽命長(zhǎng);具有過流保護(hù);具有缺相保護(hù);具有過溫保護(hù);抗液擊能力強(qiáng);高低壓保護(hù)等功能。保溫水箱采用不銹鋼儲(chǔ)熱水箱，保溫層為5CM厚高密度聚氨酯整體發(fā)泡，保溫防水效果好，保溫效果持久。溫控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水溫，水溫可在35～60℃之間設(shè)定。當(dāng)使用熱水時(shí)，水溫低于所設(shè)定溫差時(shí)，溫控系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，熱水機(jī)組工作，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，保證熱水全天候供應(yīng)。補(bǔ)水系統(tǒng)采用自動(dòng)補(bǔ)水方式，保溫水箱設(shè)有高低水位控制器，當(dāng)使用熱水時(shí)，水箱自動(dòng)補(bǔ)水，保溫水箱補(bǔ)滿水后自動(dòng)停止。

3、含電加熱裝置的光熱儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化思路

目前的光熱電站在設(shè)計(jì)時(shí)多以本體儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最優(yōu)來確定儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于“最優(yōu)”的一個(gè)重要判據(jù)就是度電成本最低。電加熱裝置加入后，多能互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的要求發(fā)生變化，為滿足棄電轉(zhuǎn)換的熱量存儲(chǔ)需求，光熱電站的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)需要結(jié)合電加熱功率進(jìn)行優(yōu)化。

直觀來講，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)不變的情況下，電加熱功率變化，能夠得到一條光熱度電成本曲線，曲線最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電加熱功率即為該儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)下的最優(yōu)電加熱配置功率;不同的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)電加熱功率，從而能夠從一組曲線中得到多能互補(bǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和電加熱功率最優(yōu)配置。

具體優(yōu)化思路如下：對(duì)于固定儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，擬定電加熱功率系列，進(jìn)行生產(chǎn)模擬計(jì)算，得到每個(gè)電加熱功率對(duì)應(yīng)的光熱發(fā)電量，同時(shí)將電加熱裝置投資計(jì)入光熱電站總投資，計(jì)算含電加熱裝置的光熱電站度電成本;增加儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算不同電加熱功率對(duì)應(yīng)的光熱發(fā)電量，繪制度電成本曲線;以度電成本最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和電加熱功率作為最優(yōu)參數(shù)組合。

根據(jù)上述優(yōu)化思路，含電加熱裝置的光熱電站確定最優(yōu)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和電加熱功率，主要包括三個(gè)步驟：

（1）初始輸入：擬定電加熱功率系列Phdi∈{Phd1，Phd2，...，Phdn}，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)系列Tcspj∈{Pcsp1，Pcsp2，...，Pcspm}。

（2）生產(chǎn)模擬：儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為Tcspj，計(jì)算不同電加熱功率Phdi對(duì)應(yīng)的光熱電站發(fā)電量Q'cspji和度電成本c'cspji，其中i∈{1，2，...，n}，j∈{1，2，...，m}。

（3）方案輸出：尋找度電成本最小點(diǎn)min{c'cspji}對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)Tcspj和電加熱功率Phdi輸出。

4、空氣能熱泵與輔助電加熱系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用

4.1聯(lián)合供熱系統(tǒng)

目前我國(guó)指導(dǎo)熱泵工程設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)將冬季室外溫度為-3℃規(guī)定為空氣源熱泵所能使用的最低溫度。低于-3℃會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，影響設(shè)備運(yùn)行。電加熱系統(tǒng)由加熱棒、循環(huán)時(shí)間繼電器、溫度控制器等原件組成，其特點(diǎn)是環(huán)保、清潔、無污染、無噪音。非取暖期3月下旬、4月上旬、10月下旬和11月上旬空氣氣溫低，晝夜溫差大，尤其在夜間空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行無法滿足生活用熱水需求，同時(shí)氣溫低，空氣源熱泵運(yùn)行效率低，并不比電加熱節(jié)省，此時(shí)增加電加熱輔助系統(tǒng)就非常必要。將電加熱輔助系統(tǒng)投入運(yùn)行，形成以空氣源熱泵為主、電加熱系統(tǒng)為輔的聯(lián)合供熱系統(tǒng)。這樣可以最大程度地利用了空氣源熱泵，將水加熱后存儲(chǔ)至保溫水箱中，白天空氣溫度較高時(shí)以空氣源熱泵運(yùn)行為主，在極端天氣下，兩系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。

經(jīng)測(cè)算在空氣溫度為3℃時(shí)，空氣源熱泵耗電量與電加熱系統(tǒng)相同。采用夜間以電加熱系統(tǒng)為主、白天以空氣源熱泵的為主的聯(lián)合加熱方式最為節(jié)能。夏季將空氣源熱泵產(chǎn)生的冷氣輸送至職工食堂，起到一機(jī)兩用的效果，減少4臺(tái)空調(diào)的運(yùn)行，為職工提供了舒適的就餐環(huán)境。經(jīng)測(cè)算采用空氣源熱泵加輔助電加熱的系統(tǒng)比原來使用鍋爐加熱和使用空調(diào)降溫的系統(tǒng)整體節(jié)能30%。節(jié)能效果非常顯著。

4.2遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用組態(tài)軟件對(duì)房建設(shè)施溫度和電加熱器工作狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控，SCADA組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件能支持各種工控設(shè)備和常見的通訊協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。

該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)電臺(tái)和串口通信模塊將電加熱控制柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，站內(nèi)值班人員可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控各房建設(shè)施電加熱器溫度、外界環(huán)境溫度、電加熱器工作狀態(tài)，并能點(diǎn)擊屏幕按鈕開啟和關(guān)閉電加熱器進(jìn)行加熱工作?？梢栽O(shè)定不同房建設(shè)施內(nèi)安裝的電加熱器控制溫度范圍，如果超過溫度控制范圍上下限即發(fā)生報(bào)警。

結(jié)語：

綜上所述，光熱電站加裝電加熱裝置對(duì)進(jìn)一步減少棄風(fēng)棄光具有一定的積極作用，但光熱電站和電加熱裝置之間存在一定的耦合關(guān)系?？諝庠礋岜脽o法單獨(dú)使用，增加輔助電加熱系統(tǒng)能很好地滿足工作需求。另外，使用聯(lián)合加熱系統(tǒng)，合理用電避峰就谷會(huì)起到更好的節(jié)能效果，對(duì)在北方較寒冷地區(qū)有很好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁煒東.國(guó)內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].電力與能源，2015，36（4）：487-490.

[2]劉共青.空氣能熱泵熱水器的原理、安裝、使用與維修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.