超低温变频采暖热泵控制方案研究

2018-03-06李魁星杨磊郑晓峰楚毅

家电科技 2018年2期

李魁星杨磊郑晓峰楚毅

1.青岛海尔新能源电器有限公司青岛海尔 266103；2.数字化家电国家重点实验室山东青岛 266101

1 引言

光伏发电技术自20世纪70年代在民用领域推广以来，广泛应用于通信、交通信号、管网保护和为边远地区的居民供电[1]。近年来，随着光伏发电系统的性价比提高，开始从特殊场合应用转向商业化应用。进入20世纪90年代，光伏发电技术和其他可再生能源技术一样，成为减少温室效应的重要技术手段。光伏和热泵热水器结合为一个系统具有很多优点[5]。首先，光伏板将太阳能转化为高品位的电能驱动压缩机，从而加热生活用水；其次，夏天光伏的发电量大，光伏热泵热水器可以最大限度的利用太阳能加热生活用水，冬天光伏发电将太阳能转化为水的热能储存在水箱内，满足用户夜间用水的需求；最后，加热水的过程中利用绿色、清洁、廉价的能源，可以缓解能源危机、减少污染物排放[6]。

2 光伏热泵热水器的系统组成及控制方案

2.1 光伏热泵热水器的系统组成

本文设计的光伏热泵系统如图1所示，系统选用410A环保冷媒、变频压缩机，可工作在-15℃的工况下，且衰减较小。

可分为两个运行过程：

第一，光照充足，光伏模块整流之后输出直流电压高于市电整流之后的母线电压，此时优先使用光伏发电，驱动变频压缩机，低压气态冷媒被变频压缩机吸入气缸压缩后，变为高温高压的过热蒸汽，经压缩机排气阀流入微通道冷凝器，发生冷却、冷凝过程，热泵水箱里的水被加热，冷媒冷却过冷后流经储液罐、过滤器，最后通过电子膨胀阀节流降温降压，流入蒸发器进行对流换热来吸收阳光和空气中的低品位能源使自身受热蒸发，变为过热蒸汽，最后通过吸气口进入压缩机，完成一次循环。此过程完全利用绿色能源，加热生活用水，节能环保效果显著。

第二，光照不足，光伏模块整流之后输出直流电压低于市电整流之后的母线电压，此时优先使用市电，驱动变频压缩机，完成与过程一相同的一次冷媒循环，为了尽可能多的利用太阳光的能量，本系统设计了电加热棒，用于消耗光伏发的电，加热生活用水。

图1 光伏热泵系统示意图

2.2 光伏热泵热水器的控制方案

图2所示为市电和光伏电混合供电系统模式图，热泵优先使用光伏发电，市用交流电作为补充，两者可实现瞬时切换。系统的工作原理为：市电经整流电路整流后，变为直流电V1加在直流母线上，约310V；光伏板受到太阳辐照产生直流电，经过全桥逆变，首先将直流电逆变成高频交流电，再经过高频变压器升压，整流滤波后V2可直接并在直流母线上，控制部分会实时跟踪组件的最大功率点，将组件所发的电能，以最大功率输出到直流母线上。太阳辐照较强，光伏电整流滤波后V2≥V1时，热泵优先使用光伏电；太阳辐照不够，光伏电整流滤波后V2＜V1时，市电作为补充能源使用，此时，K1接通光伏电被电加热棒消耗，用于加热生活用水。

3 实验及结果分析

3.1 实验平台搭建

为了验证本文设计的光伏热泵热水器节能效果，搭建图3所示的实验平台。光伏板选型参数如表1所示；选用额定输入功率240W的变频压机，额定制热量1000W，抽真空保压后灌注冷媒400g；水箱容积80L，采用搪瓷内胆、微通道换热。在不同环境温度下，分别使用光伏热泵热水器（在实验室模拟一天中太阳辐照度）、压机额定输入功率240W的普通热泵热水器、电加热棒1000W的电热水器，将80L水从15℃加热到55℃，记录耗电量、加热时间。

表1 光伏板选型参数

图2 光伏热泵供电系统模式图

图3 光伏热泵实验平台

图4 耗电量测试

图5 加热时间测试

3.2 实验结果分析

在环境温度7℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、43℃工况下，用实验室恒温水箱中的水注满80L热水器水箱，开启循环泵将水箱中的冷水搅拌均匀，使其稳定在15±0.5℃，开启光伏热泵、普通热泵、电加热将水箱中的冷水加热至设定温度，停机后，开启循环泵将水箱中的热水搅拌均匀，确保热水温度在55±0.5℃。记录耗电量和加热时间，多次实验取平均值，以减小误差对实验结果的影响。

耗电量可以通过实验台位仪表读取，三种热水器在不同环境温度下的耗电量如图4所示，由图可知：热泵热水器节能效果比电热水器好很多，而光伏热泵热水器比热泵热水器更节能；环境温度越高，节能效果越明显。

每次加热完成，记录本次加热周期的时间，三种热水器在不同环境温度下的加热时间如图5所示，由图可知：光伏热泵热水器和热泵热水器加热时间相差很小，环境温度越高加热时间越短；电热水器加热速度最快，环境温度为43℃时，三种热水器加热时间趋于相同。