太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統實驗平臺設計

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換效率低的問題，設計了太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統實驗平臺。實驗平臺主要由變頻壓縮機、PV/T蒸發器、風冷蒸發器、蓄熱水箱、電子膨脹閥、數據采集與控制系統等組成，以太陽能和空氣能作為熱源，R134a作為制冷工質，通過控制電磁閥和電子膨脹閥，實現3種運行模式。利用PLC和組態軟件實現實驗參數采集與監控，并能開展一系列綜合性、創新性實驗，滿足科研與專業教學的需要。

關鍵詞： 太陽能;空氣能;雙熱源熱泵;數據采集

文章編號： 2095-2163（2021）01-0094-04 中圖分類號：TK519;TP274+.2 文獻標志碼：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，能源成為國內外學者討論的焦點[1-2]。太陽能資源成為世界各國可持續發展戰略的重要組成部分[3-4]。《可再生能源發展“十三五”規劃》中也明確提出要大力推廣太陽能熱利用的多元化發展[5]。

太陽能作為可再生能源的代表，圍繞其研究內容包括太陽能光熱利用系統[6-7]，太陽能光伏、光熱一體化系統[8-9]和太陽能復合熱源系統[10-11]等方面。由于太陽能的能量密度低、波動性較大等缺點，存在轉換效率低等問題。推廣應用空氣能熱泵系統[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實驗平臺（以下簡稱實驗平臺）。在直膨式太陽能熱泵系統的基礎上，結合太陽能光電技術和空氣源熱泵技術的特點，形成太陽能與空氣源雙熱源熱泵系統。通過實驗平臺，解決太陽能和空氣能利用中存在的問題，為太陽能復合熱源系統的設計與應用提供一種新思路。

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的工作原理如圖1所示。在此系統中，光伏電池層直接壓在直膨式太陽能熱泵系統蒸發器表面上，利用制冷工質的蒸發吸熱對光伏電池進行冷卻[14]。實驗系統可根據不同太陽能輻射強度和不同環境溫度，通過控制電磁閥和電子膨脹閥，實現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：關閉電磁閥2、4，開啟電磁閥1、3，即電子膨脹閥2和風冷蒸發器不運行。在太陽輻射強度很高的工況下，部分太陽能通過逆變器轉換成電能輸出，其余大部分太陽能轉換成熱能被流經并聯的PV/T蒸發器的制冷工質直接吸收而蒸發，以低溫低壓的過熱氣體狀態進入變頻壓縮機。升溫升壓后的過熱氣體進入冷凝器，將熱量釋放給蓄熱水箱內部的水，在冷凝器出口成為高壓液體狀態，經電磁閥1進入電子膨脹閥1。制冷工質在電子膨脹閥1節流壓降后變成兩相狀態，通過分叉管分別進入PV/T蒸發器1和2，完成一次循環。

（2）空氣源熱源熱泵模式：關閉電磁閥1、3，開啟電磁閥2、4，即PV/T蒸發器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，制冷工質從冷凝器流出，經電磁閥2和電子膨脹閥2進入風冷蒸發器，制冷工質從周圍環境中的空氣吸收熱量，并在風冷蒸發器內直接轉變成過熱氣體，經電磁閥4后進入變頻壓縮機。但此模式是在太陽輻射強度很弱或陰雨天氣的工況下才運行。

（3）太陽能—空氣源復合熱源熱泵模式：同時開啟電磁閥1、2、3、4，同時開啟電子膨脹閥1和2，風冷蒸發器和PV/T蒸發器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蒸發器1、2和風冷蒸發器，此時風冷蒸發器作為輔助熱源。此模式在太陽輻射強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，熱泵循環系統主要由PV/T蒸發器、風冷蒸發器、變頻壓縮機、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。光伏發電系統包括多晶硅電池板、逆變器及相關配套設備組成。對此擬做研究闡述如下。

1.2.1 PV/T蒸發器和風冷蒸發器

PV/T蒸發器是整個實驗系統核心部件之一。光伏電池層通過導熱膠與吹脹鋁板層相粘合，并在吹脹鋁板層背部鋪設絕熱材料（保溫層），形成PV/T蒸發器。實驗系統使用2塊PV/T板作為蒸發器，以并聯形式相連。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，一種為蜂窩結構，另一種為樹形結構。同時，每個PV/T蒸發器內預留了10個熱電偶溫度計測點孔。風冷蒸發器作為熱泵系統熱源之一[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

為了更好地適應太陽輻射強度的變化，實驗平臺采用變頻壓縮機，主要性能參數見表1。

1.2.3 電子膨脹閥

電子膨脹閥具有過熱度調節范圍廣、執行動作迅速以及精確性高等優點，因此被廣泛使用。本實驗平臺采用2個電子膨脹閥，其規格均為DPF（TS1）1.3C-01，主要性能參數見表2。

1.2.4 蓄熱水箱和冷凝器

冷凝器采用沉浸式結構，即冷凝器盤管直接安裝在蓄熱水箱內。冷凝盤管為單螺旋管結構，其盤管直徑采用規格為12×1 mm的紫銅管。蓄熱水箱采用承壓式不銹鋼內膽設計，內膽厚度為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為鍍鋅板，厚度為0.55 mm，其保溫層厚度為50 mm。水箱下部設有冷水補水接管，與自來水管相連;水箱上部設有熱水出水接管。

1.2.5 其他輔助設備

為保障實驗平臺安全、有效地運行，還需安裝其他輔助設備。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”。變頻壓縮機設置高低溫和高低壓保護裝置，當溫度和壓力超出一定范圍時，壓縮機將自動停機保護。PV/T蒸發器設有可調配支架板，保證最大限度收集太陽輻射。

2 實驗平臺數據采集與監控

2.1 實驗平臺功能模塊

為了對實驗平臺的運行特性進行全面研究，需要真實的測試系統的實際運行數據，才能合理地分析實驗得出的結論。圖2顯示了實驗平臺的功能模塊，包括：傳感器標定模塊、系統原理模塊、系統設定模塊、運行模式選擇模塊、數據采集處理模塊、實時數據顯示模塊、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的界面以及相應的控制功能，既能夠清晰地顯示系統運行狀態，同時保證了系統安全、穩定地運行。實驗平臺設有自動和手動兩種模式，操作人員可以設置不同參數對實驗臺進行相應的優化。

2.2 實驗平臺主要參數測量

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

為了對外界氣象參數進行實時的測量，采用便攜式自動氣象站，其測量參數包括太陽輻射強度、環境風速、風向、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所要求設備的測量精度。

為了實時控制壓縮機運行頻率，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，通信協議采用Modbus-RTU協議，用戶可以實現遙控、遙信和遙測功能。通信信息里包含了電機運行的實時參數，如電壓、電流、轉速以及報警信息等。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。

實驗平臺上位機采用組態王程序，下位機采用PLC，對系統進行數據采集、監控和調控。上述各測量儀器將檢測到的信號轉化為電信號并傳輸至數據采集控制器，數據采集控制器與計算機通過相應的通訊接口連接。計算機通過組態王程序的處理將數據采集控制器傳來的數據實時地顯示出來，實現在線監視功能。同時，數據采集控制器的數據信號經上位機處理轉換成電壓信號對電磁閥、電子膨脹閥進行調控。

3 實驗平臺性能評價指標

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

（1）系統平均制熱量。對應數學公式可寫為：

其中，Qw表示系統平均制熱量（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）系統平均供熱性能系數（COP）。對應數學公式可寫為：

其中，Wcom表示整個熱水加熱過程中壓縮機的耗功量（W）。

（3）系統光熱效率（ηth）。對應數學公式可寫為：

其中，Ac表示集熱器有效面積（m2）;I表示太陽輻射強度（W/m2）。

（4）系統光電效率（ηpv）。對應數學公式可寫為：

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）系統綜合熱電效率（ηpv/t）。對應數學公式可寫為：

4 結束語

太陽能與空氣能雙熱源熱泵系統實驗平臺的研制，綜合了太陽能光熱和光電利用技術、熱泵技術等多項內容，通過PLC監控系統對實驗平臺數據進行實時收集、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，實驗數據穩定可靠。

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

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