光伏并网式家用空调系统性能的实验研究

金听祥　徐笑锋（郑州轻工业学院能源与动力工程学院　郑州　450002）

光伏并网式家用空调系统性能的实验研究

金听祥徐笑锋
（郑州轻工业学院能源与动力工程学院郑州450002）

针对目前的家用空调系统，本文设计了一种以太阳能光伏发电技术为基础，与国家电网并网，共同驱动空调工作的系统，称为光伏并网式家用空调系统。利用光伏发电技术，通过逆变器将太阳能提供的电力转变为220 V、50 Hz家用电源，实现与市电电网的并网，来共同驱动空调运行。利用焓差实验室，对光伏并网式家用空调系统在连接100 W、135 W和185 W不同功率太阳能电池板进行空调系统的性能实验。实验结果表明：光伏并网式空调系统能稳定驱动运行。在标准工况下，与常规家用空调系统相比，制冷模式下，光伏并网式空调系统的制冷功率分别减少52 W、78 W和104 W，能效比分别提高4.2％、5.5％和10. 2％。制热模式下，光伏并网式空调系统的制热功率分别减少68 W、84 W和116 W，性能系数分别提高6.4％、8％和11％。这表明光伏并网式家用空调系统是可行的，还可以有效节能。

空调系统；光伏并网；太阳能电池板；能效比（EER）；性能系数（COP）

我国建筑总能耗约占社会终端能耗的33％，建筑能耗中空调和采暖能耗又占相当大的一部分［1］，所以空调的节能性是未来的一种发展趋势。传统的电力空调不仅耗能较多，而且发电消耗化石能源，对环境污染较大。太阳能作为一种新型能源，具有分布广、可再生、环保无污染等优点，是国际公认的理想替代能源［2-3］。太阳能空调也成为近几年国内外学者研究的主要方向。

针对太阳能不同的利用方式，太阳能空调分为光热空调系统与光伏空调系统。在光热利用方面，空调系统多采用吸收式与吸附式制冷［4-9］。浙江能源科技研究院杜强等［10］研究了一种将光伏与光热结合的太阳能热泵技术，有效提高了太阳能的利用效率。在光电利用方面，Aguila F J等［11］研究了太阳能光伏电池板驱动变频空调压缩机的一种空调系统，这种系统与电网链接，主要由太阳能电池板驱动，能效比较高，空调性能较好。Keliang L等［12］研究了光伏辅助热泵变频压缩机系统，不仅利用了太阳能光伏电池板，而且将制冷剂用于电池板的降温，有效提高了空调性能与太阳能利用效率。上海交通大学吕光昭等［13-14］设计研究了一种带蓄电池的独立光伏空调系统，完全由太阳能光伏发电独立供应空调运行，多余电量还可以储存在蓄电池里。

本文设计了一种利用太阳能光伏发电技术与电网混合驱动的空调系统，称为光伏并网式空调系统。系统主要由太阳能光伏电池板发电与市电网联网、太阳能、电能共同驱动空调工作。在空调待机的情况下，太阳能电池板所产生电能还可提供给其他家用负载电器使用；在太阳能不充足的天气条件下，市电网主要驱动空调系统运行，保证了空调系统的稳定性。通过在焓差实验室，对光伏并网式空调系统的性能进行实验研究，证明系统的可行性与节能性。

1　系统的设计及实验方法

1.1光伏并网式空调系统设计

本文设计的光伏并网式空调系统主要由以下部分构成：太阳能电池板［15］、DC/AC双极逆变器［16］、电路万用表、逆向电路表、1.5 P定频房间空调器1台等。光伏并网式空调系统构成图如图1所示，工作原理如下：系统中双极并网逆变器7内置在空调8室外机中，太阳能光伏电池阵列A、太阳能光伏电池阵列B和太阳能光伏电池阵列N通过太阳能控制器5产生直流电，经过太阳能光伏电网4，进入双极并网逆变器7内，7中前级DC/DC变换器主要将输入的直流电压升高并稳压，稳压后经过DC/AC逆变器逆变成家庭用220 V/50 Hz的常规交流电源，提供给空调交/直流变频控制器9和空调交流负载10使用，交/直流变频空调控制器9同时可以使用未经DC/AC逆变的直流稳压电源。逆变后的交流稳压电路和家庭电网11在空调室外机电源线接线端子处并接、或在空调电源插座中实现并网，联合供空调8使用，并保证太阳能所发电能得到优先使用。

图1　光伏并网式家用空调系统的工作原理图Fig.1 The principle diagram of grid-connected photovoltaic home air-conditioning system

系统主要有三种工作状态：1）当负载大于太阳能光伏发电的电能时，优先使用太阳能光伏发电的电能，不足时由供电电网进行补充；2）当负载等于太阳能光伏发电的电量时，优先使用太阳能光伏发电的电能；3）当负载小于太阳能光伏发电，多余的电能可进入家庭电网使用，如再有多的电能可向供电电网。

1.2实验方法

1.2.1光伏发电辅助空调驱动测试

1）初期实验进行系统可行性测试与性能测试，采用较小功率太阳能电池板发电。分别将功率为100 W、135 W、185 W的太阳能电池板放置于室外，调整电池板的角度与阳光辐射成90°夹角，利用逆变器通过电能表将太阳能电池板所发的电流与空调连接。开启空调，待30 min空调稳定运行之后，每间隔15 min观察温度计与电能表测试室外温度与耗电情况。

2）不连接太阳能电池板，完全采用市电网供电驱动空调。开启空调，待30 min空调稳定运行之后，每间隔15 min观察温度计与电能表测试室外温度与耗电情况。

1.2.2光伏并网式空调系统性能与能耗测试

本实验在5 HP焓差实验室内进行，利用焓差法测量空调的性能。实验平台主要依据的标准为ISO D5151—94《不带风道的空调器和热泵的试验和测定》，国家标准GB/T7725—2004《房间空气调节器》。焓差法的主要计算方法是根据入风干、湿球温度、送风入干、湿球温度，大气压、零调压差等项指标，通过标准公式计算出焓值，进而通过焓值差来表明空调器的制冷能力及制热能力。具体实验步骤为：1）设定额定制冷工况，采用光伏发电与市电共同驱动空调系统，分别不连接太阳能电池板、连接100 W、135 W、185 W太阳能电池板。等待系统工况稳定后，记录功率、空调能效比EER等数据。2）设定额定制热工况，采用光伏发电与市电共同驱动空调系统，分别不连接太阳能电池板、连接100 W、135 W、185 W太阳能电池板。等待系统工况稳定后，记录功率、空调性能系数COP等数据。

2　实验数据与分析对比

2.1光伏发电辅助驱动系统的分析

发电性能的测试时间在9：00～16：00进行，室外温度最高可达到41℃，空调设定温度为16℃，分别连接不同功率太阳能板进行发电性能对比，数据如表1所示。但是由于光照角度、线路损耗、逆变器转换效率等原因，太阳能电池板所发电量并没有百分之百投入空调使用中，实际供电量约为额定发电量的63％左右。在连接最大功率电池板185 W时，每小时节省电能约0.11 kW.h，占空调每小时耗电量的10％左右。实验证明，太阳能电池板发电可供空调使用；在空调待机状态时，逆向电流表有读数显示，光伏发电可供其他家用负载使用，有效达到节约电能的目的。但是由于太阳能电池板功率略小，不能完全供应空调所需电量，必须与市电网连接。

2.2系统性能的分析2.2.1额定制冷工况下的系统性能

设定空调温度为16℃，在焓差实验室内得到空调性能相关数据如图2和图3所示。实验数据中表明，空调的制冷量基本保持不变。随着太阳能电池板的功率增大，制冷消耗的市电网提供的功率逐步减小，空调的性能指标（能效比EER）也有明显提高。能效比的计算方法为制冷量与制冷消耗功率的比值，即为每消耗一单位功率所得到的冷量。在投入太阳能光伏发电之后，空调的能效比明显得到提高，最高可以提高10.2％左右；制冷消耗功率也大大降低，最高可以降低104 W。实验证明，在额定制冷工况下，采用光伏并网式空调系统，有效提高空调的性能。

表1　光伏发电功率数据统计表Tab.1 Photovoltaic parameters

图2　制冷量与功耗随太阳能电池板功率变化图Fig.2 Variation of cooling capacity and power consumption with the power of solar panels

图3　能效比随太阳能电池板功率变化图Fig.3 Variation of EER with the power of solar panels

2.2.2额定制热工况下的系统性能

设定空调温度为30℃，在焓差实验室内得到空调性能相关数据如图4和图5所示。实验数据中表明，空调的制热量基本无变化。随着太阳能电池板功率的增大，空调制热消耗市电网所提供的功率逐渐降低，制热性能系数 COP明显提高。制热性能系数COP的计算方法为制热量与空调制热消耗功率的比值，即为每消耗一单位功率所得到的热量。在投入太阳能光伏发电系统后，空调的制热消耗功率明显减少，最高可减少116 W；空调的制热性能指标COP也有效提高，最高可提高11％左右。实验证明，在额定制热工况下，采用光伏并网式空调系统，有效提高了空调性能。

图4　制热量与功耗随太阳能电池板功率变化图Fig.4 Variation of heating capacity and power consumption with the power of solar panels

图5　性能系数随太阳能电池板功率变化图Fig.5 Variation of COP with the power of solar panels

3　结论

本文在安装了不同功率太阳能电池板后，利用焓差实验室对太阳能光伏并网式空调系统的性能测试实验，与没有连接太阳能电池板的普通机械压缩式空调系统进行对比分析，可以得到以下结论：

1）光伏并网式家用空调系统可以正常稳定运行，太阳能电池板发电可以有效驱动房间空调器并且保证空调优先使用光伏发电。在空调待机状态下，光伏发电可供其他家用负载利用。

2）光伏并网式家用空调系统可以有效节约电能，在用电高峰期缓解电力紧张。实验数据表明，在标准工况下光伏并网式家用空调系统在连接100 W、135 W和185 W太阳能电池板时，制冷功率分别为1028 W、1002 W、976 W，相对于普通家用空调制冷功率1080 W减少了52 W、78 W和104 W，制热功率分别为1204 W、1188 W、1156 W，相对普通家用空调系统制热功率1272 W减少了68 W、84 W和116 W。

3）光伏并网式家用空调系统可以有效提高空调性能。光伏发电的利用有效降低了市电网功率的消耗，从而提高空调系统的能效。实验数据表明，在标准工况下光伏并网式家用空调系统在连接100 W、135 W和185 W太阳能电池板时，能效比分别为3.01、3.05、3.18，相对于普通家用空调的制冷能效比（EER）2.89分别提高了4.2％、5.5％和10.2％，制热性能系数COP分别为2.92、2.96、3.04，相对于普通家用空调的制热性能系数（COP）2.74分别提高了6.4％、8％和11％。

太阳能作为一种新型可再生能源，可有效的降低化石能源的消耗，环保清洁无污染。但是光伏并网式家用空调系统具有造价高、太阳能利用率低等缺点。而且由于电路与部分元件的消耗，导致太阳能发电不能全部投入使用。在以后的太阳能资源利用研究中，提高太阳能利用效率与降低系统成本将是一个研究方向与发展趋势。

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About the author

Jin Tingxiang，male，Ph.D.，associate professor，School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，+86 371-63624381，E-mail：txjin@126.com.Research fields：new techniques development for air-conditioning system.

Experimental Investigation on the Performance of Household Air Conditioning System with Grid-connected Photovoltaic Generation

Jin Tingxiang Xu Xiaofeng
（School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

With the base of traditional air conditioning system，the grid-connected photovoltaic household air conditioning system based on the solar photovoltaic power generation technology is designed in this paper.The power with the solar photovoltaic power generation technology is transformed into the household power of 220 V and 50 Hz by inverter.The household air conditioning system is then driven by the transformed power and national grid.The performance of the photovoltaic grid-connected household air conditioning system was tested by Enthalpy Difference Lab under the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels.The experimental results show that under normal cooling conditions，the average power consumption of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 52 W，78 W and 104 W lower than that of the traditional air conditioning system respectively.Similarly，energy efficiency ratios of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 4.2％，5.5％and 10.2％lower than that of the traditional air conditioning system respectively.Under heating mode，the average power consumption of the air conditioning system with the different power（100 W，135 W and 185 W）of solar panels are 68 W，84 W and 116 W lower than that of the traditional air conditioning system，and the coefficients of performances are 6.4％，8％and 11％lower than that of the traditional air conditioning system.It can be concluded that the photovoltaic grid-connected household air conditioning system is feasible.

air conditioning system；grid-connected photovoltaic generation；solar panels；energy efficiency ratio（EER）；coefficient of performance（COP）

TB657；TM925.1

A

0253-4339（2015）05-0055-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.055

2014年12月23日

金听祥，男，博士，副教授，郑州轻工业学院能源与动力工程学院，（0371）63624381，E-mail：txjin@126.com。研究方向：制冷空调设备新技术研究。