太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

朱宸威 蔡穎玲 林志堅

摘?要：為解決太陽能和空氣能利用中存在的能量轉(zhuǎn)換效率低的問題，設(shè)計了太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統(tǒng)實驗平臺。實驗平臺主要由變頻壓縮機(jī)、PV/T蒸發(fā)器、風(fēng)冷蒸發(fā)器、蓄熱水箱、電子膨脹閥、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等組成，以太陽能和空氣能作為熱源，R134a作為制冷工質(zhì)，通過控制電磁閥和電子膨脹閥，實現(xiàn)3種運行模式。利用PLC和組態(tài)軟件實現(xiàn)實驗參數(shù)采集與監(jiān)控，并能開展一系列綜合性、創(chuàng)新性實驗，滿足科研與專業(yè)教學(xué)的需要。

關(guān)鍵詞： 太陽能;空氣能;雙熱源熱泵;數(shù)據(jù)采集

文章編號： 2095-2163（2021）01-0094-04 中圖分類號：TK519;TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

【Abstract】In order to solve the problem of low energy conversion efficiency in the use of solar energy and air source， a comprehensive experimental platform for solar energy and air source dual heat source heat pump system is designed. The experimental platform consists of variable frequency compressor， PV/T evaporator， air source heat exchanger， hot water storage tank， electronic expansion valve， a data acquisition and control system， etc. The experimental platform uses solar energy and air source as heat source and R134a as a refrigerant. By controlling solenoid valves and electronic expansion valves， three different operating modes are realized. PLC and configuration software are used to collect and monitor experimental parameters， and a series of comprehensive and innovative experiments can be carried out to meet the needs of scientific research and professional teaching.

【Key words】solar energy; air source; dual heat source heat pump; data acquisition

0 引?言

目前，能源成為國內(nèi)外學(xué)者討論的焦點[1-2]。太陽能資源成為世界各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[3-4]。《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中也明確提出要大力推廣太陽能熱利用的多元化發(fā)展[5]。

太陽能作為可再生能源的代表，圍繞其研究內(nèi)容包括太陽能光熱利用系統(tǒng)[6-7]，太陽能光伏、光熱一體化系統(tǒng)[8-9]和太陽能復(fù)合熱源系統(tǒng)[10-11]等方面。由于太陽能的能量密度低、波動性較大等缺點，存在轉(zhuǎn)換效率低等問題。推廣應(yīng)用空氣能熱泵系統(tǒng)[12-13]時，也存在供熱量不足等問題。因此，本文研制了一套太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統(tǒng)實驗平臺（以下簡稱實驗平臺）。在直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合太陽能光電技術(shù)和空氣源熱泵技術(shù)的特點，形成太陽能與空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)。通過實驗平臺，解決太陽能和空氣能利用中存在的問題，為太陽能復(fù)合熱源系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供一種新思路。

1 實驗平臺組成

1.1 實驗平臺工作原理

太陽能與空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。在此系統(tǒng)中，光伏電池層直接壓在直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器表面上，利用制冷工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱對光伏電池進(jìn)行冷卻[14]。實驗系統(tǒng)可根據(jù)不同太陽能輻射強(qiáng)度和不同環(huán)境溫度，通過控制電磁閥和電子膨脹閥，實現(xiàn)3種運行模式，其具體運行過程如下。

（1）太陽能熱源熱泵模式：關(guān)閉電磁閥2、4，開啟電磁閥1、3，即電子膨脹閥2和風(fēng)冷蒸發(fā)器不運行。在太陽輻射強(qiáng)度很高的工況下，部分太陽能通過逆變器轉(zhuǎn)換成電能輸出，其余大部分太陽能轉(zhuǎn)換成熱能被流經(jīng)并聯(lián)的PV/T蒸發(fā)器的制冷工質(zhì)直接吸收而蒸發(fā)，以低溫低壓的過熱氣體狀態(tài)進(jìn)入變頻壓縮機(jī)。升溫升壓后的過熱氣體進(jìn)入冷凝器，將熱量釋放給蓄熱水箱內(nèi)部的水，在冷凝器出口成為高壓液體狀態(tài)，經(jīng)電磁閥1進(jìn)入電子膨脹閥1。制冷工質(zhì)在電子膨脹閥1節(jié)流壓降后變成兩相狀態(tài)，通過分叉管分別進(jìn)入PV/T蒸發(fā)器1和2，完成一次循環(huán)。

（2）空氣源熱源熱泵模式：關(guān)閉電磁閥1、3，開啟電磁閥2、4，即PV/T蒸發(fā)器1、2和電子膨脹閥1不運行。此模式與太陽能熱源熱泵模式相似，不同之處在于，制冷工質(zhì)從冷凝器流出，經(jīng)電磁閥2和電子膨脹閥2進(jìn)入風(fēng)冷蒸發(fā)器，制冷工質(zhì)從周圍環(huán)境中的空氣吸收熱量，并在風(fēng)冷蒸發(fā)器內(nèi)直接轉(zhuǎn)變成過熱氣體，經(jīng)電磁閥4后進(jìn)入變頻壓縮機(jī)。但此模式是在太陽輻射強(qiáng)度很弱或陰雨天氣的工況下才運行。

（3）太陽能—空氣源復(fù)合熱源熱泵模式：同時開啟電磁閥1、2、3、4，同時開啟電子膨脹閥1和2，風(fēng)冷蒸發(fā)器和PV/T蒸發(fā)器1和2同時運行。此模式同上述兩種運行模式相同，電子膨脹閥1和2分別控制PV/T蒸發(fā)器1、2和風(fēng)冷蒸發(fā)器，此時風(fēng)冷蒸發(fā)器作為輔助熱源。此模式在太陽輻射強(qiáng)度較弱的工況下運行。

1.2 實驗平臺主要裝置

實驗平臺采用R134a為制冷工質(zhì)，熱泵循環(huán)系統(tǒng)主要由PV/T蒸發(fā)器、風(fēng)冷蒸發(fā)器、變頻壓縮機(jī)、蓄熱水箱、電子膨脹閥等主要部件以及儲液罐和雙向過濾器等輔助部件組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括多晶硅電池板、逆變器及相關(guān)配套設(shè)備組成。對此擬做研究闡述如下。

1.2.1 PV/T蒸發(fā)器和風(fēng)冷蒸發(fā)器

PV/T蒸發(fā)器是整個實驗系統(tǒng)核心部件之一。光伏電池層通過導(dǎo)熱膠與吹脹鋁板層相粘合，并在吹脹鋁板層背部鋪設(shè)絕熱材料（保溫層），形成PV/T蒸發(fā)器。實驗系統(tǒng)使用2塊PV/T板作為蒸發(fā)器，以并聯(lián)形式相連。光伏電池層采用多晶硅電池板（合計功率為580W）。吹脹鋁板層采用單面吹脹法，外部尺寸為1.74m×0.9m，有效集熱面積為1.5m2。2個PV/T蒸發(fā)器不同之處在于吹脹鋁板層采用2種不同流道形式，一種為蜂窩結(jié)構(gòu)，另一種為樹形結(jié)構(gòu)。同時，每個PV/T蒸發(fā)器內(nèi)預(yù)留了10個熱電偶溫度計測點孔。風(fēng)冷蒸發(fā)器作為熱泵系統(tǒng)熱源之一[15]，具有自動除霜功能，能夠滿足實驗臺需求。

1.2.2 變頻壓縮機(jī)

為了更好地適應(yīng)太陽輻射強(qiáng)度的變化，實驗平臺采用變頻壓縮機(jī)，主要性能參數(shù)見表1。

1.2.3 電子膨脹閥

電子膨脹閥具有過熱度調(diào)節(jié)范圍廣、執(zhí)行動作迅速以及精確性高等優(yōu)點，因此被廣泛使用。本實驗平臺采用2個電子膨脹閥，其規(guī)格均為DPF（TS1）1.3C-01，主要性能參數(shù)見表2。

1.2.4 蓄熱水箱和冷凝器

冷凝器采用沉浸式結(jié)構(gòu)，即冷凝器盤管直接安裝在蓄熱水箱內(nèi)。冷凝盤管為單螺旋管結(jié)構(gòu)，其盤管直徑采用規(guī)格為12×1 mm的紫銅管。蓄熱水箱采用承壓式不銹鋼內(nèi)膽設(shè)計，內(nèi)膽厚度為1.2 mm。水箱凈容量為200 L，直徑為540 mm，高1500 mm。蓄熱水箱的外桶材質(zhì)為鍍鋅板，厚度為0.55 mm，其保溫層厚度為50 mm。水箱下部設(shè)有冷水補(bǔ)水接管，與自來水管相連;水箱上部設(shè)有熱水出水接管。

1.2.5 其他輔助設(shè)備

為保障實驗平臺安全、有效地運行，還需安裝其他輔助設(shè)備。冷凝器出口安裝儲液器和干燥器，一方面能夠儲存制冷劑和吸收制冷劑中的水分，另一方面能有效防止“冰堵”以及“臟堵”。變頻壓縮機(jī)設(shè)置高低溫和高低壓保護(hù)裝置，當(dāng)溫度和壓力超出一定范圍時，壓縮機(jī)將自動停機(jī)保護(hù)。PV/T蒸發(fā)器設(shè)有可調(diào)配支架板，保證最大限度收集太陽輻射。

2 實驗平臺數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

2.1 實驗平臺功能模塊

為了對實驗平臺的運行特性進(jìn)行全面研究，需要真實的測試系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)，才能合理地分析實驗得出的結(jié)論。圖2顯示了實驗平臺的功能模塊，包括：傳感器標(biāo)定模塊、系統(tǒng)原理模塊、系統(tǒng)設(shè)定模塊、運行模式選擇模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊、實驗記錄查詢模塊和報警功能模塊。在每個模塊中有相對應(yīng)的界面以及相應(yīng)的控制功能，既能夠清晰地顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，同時保證了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。實驗平臺設(shè)有自動和手動兩種模式，操作人員可以設(shè)置不同參數(shù)對實驗臺進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

2.2 實驗平臺主要參數(shù)測量

實驗平臺待測參數(shù)主要有：各部件進(jìn)口和出口的溫度和壓力、制冷劑流量、壓縮機(jī)功率及光伏組件發(fā)電功率等，相應(yīng)傳感器和測量設(shè)備的主要測點布置如圖1所示。實驗平臺所使用的測量設(shè)備以及相應(yīng)的測量精度見表3。

為了對外界氣象參數(shù)進(jìn)行實時的測量，采用便攜式自動氣象站，其測量參數(shù)包括太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、大氣濕度和大氣壓力。表4給出了測量上述六種氣象參數(shù)所要求設(shè)備的測量精度。

為了實時控制壓縮機(jī)運行頻率，選用了與之配套的變頻器，額定輸入電壓為220 V AC，最大輸入功率為2 kVA，運行頻率范圍為15～150 Hz。該變頻器支持2線RS485通信，通信協(xié)議采用Modbus-RTU協(xié)議，用戶可以實現(xiàn)遙控、遙信和遙測功能。通信信息里包含了電機(jī)運行的實時參數(shù)，如電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及報警信息等。為了實時控制電子膨脹閥，選用了與之配套的型號為SEC601-00的控制器，其中溫度和壓力傳感器的型號分別是NTC 5 KΩ和YCQB02H01，其接線圖如圖3所示。

實驗平臺上位機(jī)采用組態(tài)王程序，下位機(jī)采用PLC，對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和調(diào)控。上述各測量儀器將檢測到的信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸至數(shù)據(jù)采集控制器，數(shù)據(jù)采集控制器與計算機(jī)通過相應(yīng)的通訊接口連接。計算機(jī)通過組態(tài)王程序的處理將數(shù)據(jù)采集控制器傳來的數(shù)據(jù)實時地顯示出來，實現(xiàn)在線監(jiān)視功能。同時，數(shù)據(jù)采集控制器的數(shù)據(jù)信號經(jīng)上位機(jī)處理轉(zhuǎn)換成電壓信號對電磁閥、電子膨脹閥進(jìn)行調(diào)控。

3 實驗平臺性能評價指標(biāo)

評價太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有系統(tǒng)平均制熱量、系統(tǒng)平均供熱性能系數(shù)、系統(tǒng)綜合光電光熱效率等。對此可做闡釋如下。

（1）系統(tǒng)平均制熱量。對應(yīng)數(shù)學(xué)公式可寫為：

其中，Qw表示系統(tǒng)平均制熱量（W）;cpw表示水的定壓比熱容（J·（kg·℃）-1）;ρw表示水的密度（kg/m3）;Vw表示蓄熱水箱容積（m3）;

tw，1，tw，2表示實驗開始/結(jié)束時蓄熱水箱的初始/終止水溫（℃）;τ表示熱水加熱時間（s）。

（2）系統(tǒng)平均供熱性能系數(shù)（COP）。對應(yīng)數(shù)學(xué)公式可寫為：

其中，Wcom表示整個熱水加熱過程中壓縮機(jī)的耗功量（W）。

（3）系統(tǒng)光熱效率（ηth）。對應(yīng)數(shù)學(xué)公式可寫為：

其中，Ac表示集熱器有效面積（m2）;I表示太陽輻射強(qiáng)度（W/m2）。

（4）系統(tǒng)光電效率（ηpv）。對應(yīng)數(shù)學(xué)公式可寫為：

其中，Qpv表示光伏組件實際輸出功率（W）;Apv表示光伏電池有效面積（m2）。

（5）系統(tǒng)綜合熱電效率（ηpv/t）。對應(yīng)數(shù)學(xué)公式可寫為：

4 結(jié)束語

太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統(tǒng)實驗平臺的研制，綜合了太陽能光熱和光電利用技術(shù)、熱泵技術(shù)等多項內(nèi)容，通過PLC監(jiān)控系統(tǒng)對實驗平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集、處理、顯示和反饋，形成了被控量的智能控制體系，使得實驗操作簡便易控，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

由于制冷工質(zhì)的直接吸熱蒸發(fā)，一方面提高了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，從而提高光熱轉(zhuǎn)換效率以及系統(tǒng)性能系數(shù);另一方面，保證光伏電池始終工作在較低的溫度范圍之內(nèi)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，延長電池使用壽命。

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