空氣能熱泵與輔助電加熱系統的聯合應用

董志德

【摘要】空氣能就是指地球的大氣層中所儲存的能量，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存的巨大能量。為多能互補基地中的光熱電站加裝電加熱裝置，能夠有效減少棄風棄光電量，但由于光熱電站和電加熱裝置共用一個儲熱裝置，如何合理配置儲熱時長和電加熱功率，以最小投資獲得最大收益，對于優化多能互補系統運行至關重要。

【關鍵詞】空氣能;熱泵;電加熱;系統;應用

1、導言

將空氣源熱泵與電伴熱系統聯合應用，會起到更好的使用效果，也更節能。在夏季將空氣能熱泵運行產生的冷氣輸送至食堂等公共場所，可大幅度節約空調的能耗。在項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、安全系數低等問題，為項目工作人員提供一個健康、舒適、干凈的生活環境。

2、空氣源熱泵的原理及組成

空氣源熱泵是應用熱力學第一定律，通過對工質做功實現熱量從冷源向熱源傳輸的供熱系統，其應用具有安全、高效、節能、適用范圍廣等特點。傳統的空氣源熱泵機組主要是采用本地監控方式，這種系統監控技術比較落后，沒有完整的歷史數據存儲和分析功能。運用大數據、物聯網及移動通訊技術，開發一套分布式機組運行實時數據監控系統，既可對空氣源熱泵機組的運行、故障、節能等進行實時監測，又可對采集的數據進行存儲、分析，形成自動控制、故障提醒、節能建議、便捷維護等指令，實現熱泵機組的運行管理模式現代化。

空氣能熱泵系統采用增壓泵循環，熱水箱儲水方式，系統運行穩定。空氣能熱泵系統主要由熱泵機組、不銹鋼保溫水箱、循環系統、溫控系統、補水系統和管道配件等組成。機組連接加熱水箱，恒溫水箱連接熱水管路通向用水單元。熱泵機組具有以下特點：不易磨損;使用壽命長;具有過流保護;具有缺相保護;具有過溫保護;抗液擊能力強;高低壓保護等功能。保溫水箱采用不銹鋼儲熱水箱，保溫層為5CM厚高密度聚氨酯整體發泡，保溫防水效果好，保溫效果持久。溫控系統可以實時調節水溫，水溫可在35～60℃之間設定。當使用熱水時，水溫低于所設定溫差時，溫控系統自動啟動，熱水機組工作，當達到所設定溫度時，系統自動關閉，保證熱水全天候供應。補水系統采用自動補水方式，保溫水箱設有高低水位控制器，當使用熱水時，水箱自動補水，保溫水箱補滿水后自動停止。

3、含電加熱裝置的光熱儲熱時長優化思路

目前的光熱電站在設計時多以本體儲熱系統的最優來確定儲熱時長，對于“最優”的一個重要判據就是度電成本最低。電加熱裝置加入后，多能互補系統對儲熱時長的要求發生變化，為滿足棄電轉換的熱量存儲需求，光熱電站的儲熱時長需要結合電加熱功率進行優化。

直觀來講，儲熱時長不變的情況下，電加熱功率變化，能夠得到一條光熱度電成本曲線，曲線最低點對應的電加熱功率即為該儲熱時長下的最優電加熱配置功率;不同的儲熱時長對應不同的最優電加熱功率，從而能夠從一組曲線中得到多能互補系統中儲熱時長和電加熱功率最優配置。

具體優化思路如下：對于固定儲熱時長，擬定電加熱功率系列，進行生產模擬計算，得到每個電加熱功率對應的光熱發電量，同時將電加熱裝置投資計入光熱電站總投資，計算含電加熱裝置的光熱電站度電成本;增加儲熱時長，計算不同電加熱功率對應的光熱發電量，繪制度電成本曲線;以度電成本最低點對應的儲熱時長和電加熱功率作為最優參數組合。

根據上述優化思路，含電加熱裝置的光熱電站確定最優儲熱時長和電加熱功率，主要包括三個步驟：

（1）初始輸入：擬定電加熱功率系列Phdi∈{Phd1，Phd2，...，Phdn}，儲熱時長系列Tcspj∈{Pcsp1，Pcsp2，...，Pcspm}。

（2）生產模擬：儲熱時長為Tcspj，計算不同電加熱功率Phdi對應的光熱電站發電量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min{c'cspji}對應的儲熱時長Tcspj和電加熱功率Phdi輸出。

4、空氣能熱泵與輔助電加熱系統的聯合應用

4.1聯合供熱系統

目前我國指導熱泵工程設計的文獻將冬季室外溫度為-3℃規定為空氣源熱泵所能使用的最低溫度。低于-3℃會出現結霜現象，影響設備運行。電加熱系統由加熱棒、循環時間繼電器、溫度控制器等原件組成，其特點是環保、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運行無法滿足生活用熱水需求，同時氣溫低，空氣源熱泵運行效率低，并不比電加熱節省，此時增加電加熱輔助系統就非常必要。將電加熱輔助系統投入運行，形成以空氣源熱泵為主、電加熱系統為輔的聯合供熱系統。這樣可以最大程度地利用了空氣源熱泵，將水加熱后存儲至保溫水箱中，白天空氣溫度較高時以空氣源熱泵運行為主，在極端天氣下，兩系統同時運行。

經測算在空氣溫度為3℃時，空氣源熱泵耗電量與電加熱系統相同。采用夜間以電加熱系統為主、白天以空氣源熱泵的為主的聯合加熱方式最為節能。夏季將空氣源熱泵產生的冷氣輸送至職工食堂，起到一機兩用的效果，減少4臺空調的運行，為職工提供了舒適的就餐環境。經測算采用空氣源熱泵加輔助電加熱的系統比原來使用鍋爐加熱和使用空調降溫的系統整體節能30%。節能效果非常顯著。

4.2遠程集控系統

系統采用組態軟件對房建設施溫度和電加熱器工作狀態進行集中監控，SCADA組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，它是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件能支持各種工控設備和常見的通訊協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。

該系統通過數據電臺和串口通信模塊將電加熱控制柜內數據采集模塊采集到的數據傳回上位機，站內值班人員可以在上位機實時監控各房建設施電加熱器溫度、外界環境溫度、電加熱器工作狀態，并能點擊屏幕按鈕開啟和關閉電加熱器進行加熱工作。可以設定不同房建設施內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生報警。

結語：

綜上所述，光熱電站加裝電加熱裝置對進一步減少棄風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系。空氣源熱泵無法單獨使用，增加輔助電加熱系統能很好地滿足工作需求。另外，使用聯合加熱系統，合理用電避峰就谷會起到更好的節能效果，對在北方較寒冷地區有很好的借鑒作用。

參考文獻：

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