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.數字化家電國家重點實驗室 山東青島 266101

1 引言

光伏發(fā)電技術自20世紀70年代在民用領域推廣以來，廣泛應用于通信、交通信號、管網保護和為邊遠地區(qū)的居民供電[1]。近年來，隨著光伏發(fā)電系統的性價比提高，開始從特殊場合應用轉向商業(yè)化應用。進入20世紀90年代，光伏發(fā)電技術和其他可再生能源技術一樣，成為減少溫室效應的重要技術手段。光伏和熱泵熱水器結合為一個系統具有很多優(yōu)點[5]。首先，光伏板將太陽能轉化為高品位的電能驅動壓縮機，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能加熱生活用水，冬天光伏發(fā)電將太陽能轉化為水的熱能儲存在水箱內，滿足用戶夜間用水的需求；最后，加熱水的過程中利用綠色、清潔、廉價的能源，可以緩解能源危機、減少污染物排放[6]。

2 光伏熱泵熱水器的系統組成及控制方案

2.1 光伏熱泵熱水器的系統組成

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

可分為兩個運行過程：

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，此時優(yōu)先使用光伏發(fā)電，驅動變頻壓縮機，低壓氣態(tài)冷媒被變頻壓縮機吸入氣缸壓縮后，變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽，經壓縮機排氣閥流入微通道冷凝器，發(fā)生冷卻、冷凝過程，熱泵水箱里的水被加熱，冷媒冷卻過冷后流經儲液罐、過濾器，最后通過電子膨脹閥節(jié)流降溫降壓，流入蒸發(fā)器進行對流換熱來吸收陽光和空氣中的低品位能源使自身受熱蒸發(fā)，變?yōu)檫^熱蒸汽，最后通過吸氣口進入壓縮機，完成一次循環(huán)。此過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，此時優(yōu)先使用市電，驅動變頻壓縮機，完成與過程一相同的一次冷媒循環(huán)，為了盡可能多的利用太陽光的能量，本系統設計了電加熱棒，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模式圖，熱泵優(yōu)先使用光伏發(fā)電，市用交流電作為補充，兩者可實現瞬時切換。系統的工作原理為：市電經整流電路整流后，變?yōu)橹绷麟奦1加在直流母線上，約310V；光伏板受到太陽輻照產生直流電，經過全橋逆變，首先將直流電逆變成高頻交流電，再經過高頻變壓器升壓，整流濾波后V2可直接并在直流母線上，控制部分會實時跟蹤組件的最大功率點，將組件所發(fā)的電能，以最大功率輸出到直流母線上。太陽輻照較強，光伏電整流濾波后V2≥V1時，熱泵優(yōu)先使用光伏電；太陽輻照不夠，光伏電整流濾波后V2＜V1時，市電作為補充能源使用，此時，K1接通光伏電被電加熱棒消耗，用于加熱生活用水。

3 實驗及結果分析

3.1 實驗平臺搭建

為了驗證本文設計的光伏熱泵熱水器節(jié)能效果，搭建圖3所示的實驗平臺。光伏板選型參數如表1所示；選用額定輸入功率240W的變頻壓機，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（在實驗室模擬一天中太陽輻照度）、壓機額定輸入功率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、加熱時間。

表1 光伏板選型參數

圖2 光伏熱泵供電系統模式圖

圖3 光伏熱泵實驗平臺

圖4 耗電量測試

圖5 加熱時間測試

3.2 實驗結果分析

在環(huán)境溫度7℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、43℃工況下，用實驗室恒溫水箱中的水注滿80L熱水器水箱，開啟循環(huán)泵將水箱中的冷水攪拌均勻，使其穩(wěn)定在15±0.5℃，開啟光伏熱泵、普通熱泵、電加熱將水箱中的冷水加熱至設定溫度，停機后，開啟循環(huán)泵將水箱中的熱水攪拌均勻，確保熱水溫度在55±0.5℃。記錄耗電量和加熱時間，多次實驗取平均值，以減小誤差對實驗結果的影響。

耗電量可以通過實驗臺位儀表讀取，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間，三種熱水器在不同環(huán)境溫度下的加熱時間如圖5所示，由圖可知：光伏熱泵熱水器和熱泵熱水器加熱時間相差很小，環(huán)境溫度越高加熱時間越短；電熱水器加熱速度最快，環(huán)境溫度為43℃時，三種熱水器加熱時間趨于相同。

4 結論

本文設計的新型光伏變頻熱泵熱水器，在不同工況下做實驗測得耗電量、加熱時間，并同條件下電熱水器、普通熱泵熱水器的實驗數據對比，可總結如下：

（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)的光伏系統中的蓄電池；

（3）在安裝空間和太陽輻照足夠的前提下，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]. 太陽能，2004(1).

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

[3] 中國新能源與可再生能源年鑒2010[Z]. 北京：中國可再生能源協會，2011.

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

[5] 李景明，王紅巖，趙群. 中國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. 復合式地源熱泵系統及運行控制模擬分析[J]. 制冷與空調，2013, 27(3):280-283.