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太阳能一地源热泵式空调系统的研究 摘要 太阳能发电和地源热泵是当今可再生能源利用的两个重要研究方向。如何 将太阳能和地源热泵技术结合应用于建筑节能领域是目前新能源技术研究的重 要课题之一。本文研究设计了太阳能一地源热泵式空调系统，主要工作如下： 1 分析了目前太阳能和地热能联合应用的方式，论证了将太阳能光伏和地 源热泵联合应用于建筑空调领域的可行性，给出了太阳能地源热泵式空调系 统的联合控制方案。 2 在太阳能一地源热泵式空调系统的光伏部分，结合地源热泵式空调的耗 电情况，设计了相应的独立光伏发电子系统。给出了根据地源热泵和空调耗电 情况计算光伏系统容量和蓄电池容量的方法，并采用“推挽电路+ 高频升压+ 全 桥逆变 的方案设计了独立光伏发电系统逆变器。该逆变器有助于降低光伏发 电系统的体积并提高运行效率。 3 在太阳能一地源热泵式空调系统的地源热泵部分和空调端，将变频控制 技术应用于深井水泵、循环水泵和空调末端风机，给出变频控制方案。 4 采用改进的p i d 控制算法对太阳能一地源热泵式空调系统进行温度、湿度 等控制，并对地源热泵的进出水温度和空调端的温度等参数进行了仿真计算。 从仿真结果可以看出，本文在利用太阳能光伏技术和地源热泵式空调技术 的基础上，给出的太阳能一地源热泵式空调系统联合控制方案可以实现对室内 温度、湿度的有效调节。该系统耗能小，独立光伏系统能够提供整个系统运行 所需的电能。 关键词：太阳能光伏、地源热泵、空调、变频控制 t h er e s e a r c h0 1 1p h o t o v o l t a i c s o l a ra s s i s t e dg r o u n d r e s o u r c eh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o ns y s t e m a b s t r a e t a p p l i c a t i o n so fp h o t o v o l t a i ca n dg r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m pa r et w oi m p o r t a n t r e s e a r c hf i e l d so fr e n e w a b l ee n e r g yu s i n g o n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e m s i st om a k et h ep h o t o v o l t a i c s o l a ra n dt h eg r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m p a i r c o n d i t i o n t ob eau n i t es y s t e ma n dm a k eu s eo ft h es y s t e mi n b u i l d i n g se n e r g ys a v i n g i nt h i s p a p e r ，t h ep h o t o v o l t a i c s o l a ra s s i s t e dg r o u n dr e s o u r c eh e a t p u m pa i r c o n d i t i o n s y s t e mi sr e s e a r c h e d a n dau n i t e ds y s t e mi sd e s i g n e d m a i nr e s e a r c hw o r k sa r e ： 1 t h eu n i t e dm o d eo fs o l a re n e r g ya n dg r h pi sa n a l y z e da n dt h ef e a s i b i l i t y o fm a k i n gu s eo ft h e p h o t o v o l t a i c s o l a ra s s i s t e dg r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m p a i r 。c o n d i t i o ni n b u i l d i n g se n e r g ys a v i n gi sp r o v e d ap v - s o l a ra s s i s tg r h p a i r c o n d i t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa l s ob r o u g h tf o r w a r d 2 a c c o r d i n g t ot h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e l o a d ，a s o l a r e n e r g y p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h ea l g o r i t h m so ft h es y s t e m c a p a c i t ya n dt h eb a t t e r yc a p a c i t yb a s e do nt h el o a da r eg i v e n 。i n v e r t e rf o rt h en o v e l s t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i ep o w e rs y s t e mi sa l s o d e s i g n e d t h ei n v e r t e ru s e st h e “p u s h p u l lc i r c u i t + h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r + s i n g l e p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e r ” d e s ig n p r o p o s a l ，w h ic hh e l p st or e d u c es y s t e mv o l u m ea n di n c r e a s e s y s t e m e f f i c i e n c y 3 f r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n t r o li sa p p l i e di nt h ed e e pw e l lp u m pa n dt h ef a n t h ec o n t r o ls c h e m e sa r e d e s i g n e ds i m u l a t e d 4 b ya d o p t i n gi m p r o v e dc o m p u t e rn u m e r a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h es y s t e m c a na c c u r a t ec o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wr a t eo ft h ea i r c o n d i t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , o nc o n v e r s i o nt e c h n i q u ei ss e to u t t h ec o n t r o lp r e c i s i o ni sf u r t h e r i m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nu s eo f p h o t o v o l t a i c s o l a ra n dt h e g r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m pc a nr e g u l a t et h ea i r t e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wr a t e i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a t ：t h i ss y s t e mc a nw o r k s t a n d a l o n e ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a sas m a l l e ro v e r s h o o t ，b e t t e rr o b u s t t h e p o w e rg e n e r a t e db yt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e mc a nm e e tt h ec o n s u m p t i o no ft h eg r h p a i r 。c o n d i t j o n k e yw o r d s ：s o l a rp h o t o v o l t a i c ，g r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m p ，a i r c o n d i t i o n ，f r e q u e n c y c o n t r o l 插图目录 图1 1 太阳能一地源热泵式空调系统总体设计流程3 图2 1 太阳能一地源热泵式空调系统结构示意图7 图2 2 太阳能一地源热泵式空调系统原理图8 图2 3 光伏子系统结构图8 图2 4 地源热泵式空调子系统的控制原理图1 0 图2 5 光伏子系统的控制回路示意图1 0 图3 1 独立光伏系统结构。1 2 图3 2 铅酸蓄电池最低温度一最大放电深度曲线13 图3 3 逆变器系统结构图1 6 图3 - 4 高频变压器形式主电路1 6 图3 5 逆变环节主电路17 图3 - 6 电流反馈控制原理图1 8 图3 7 串联型充电控制器1 9 图3 8 并联型充电控制器1 9 图4 1 地源热泵系统工作原理图2 2 图4 2 室外换热系统图2 4 图4 3 空调自动控制系统图2 7 图4 4 风机出口温度控制原理图2 8 图5 1 计算机闭环控制系统结构图2 9 图5 2 地源热泵式空调系统组成3 0 图5 3 地源热泵式空调计算机控制系统整体结构3 0 图5 4 地源热泵式空调计算机控制系统执行原理3 0 图5 5 地源热泵系统控制结构3 1 图5 6 地热水深井泵控制图3 2 图5 7 循环水泵变频控制方案3 2 图5 8 总风量控制方法末端温度控制原理图3 3 图5 - 9 地源热泵供热原理图3 4 图5 1 0 换热器原理图3 5 图5 1 1 动态分区原则3 7 图5 1 2 模拟p i d 控制系统原理框图3 8 图5 1 3 积分分离式的p i d 算法程序4 l 图6 一l 联合运行系统框图4 2 图6 2 换热模型4 4 图6 3 地源热泵子系统仿真图4 4 图6 4 热泵进出口水温模拟曲线4 4 图6 5 温度回路闭环控制4 5 图6 6 空调子系统的仿真图4 5 图6 7p i d 控制响应曲线4 5 表格目录 表5 1 动态多工况分区3 7 表5 2 常用被控参数的经验采样周期4 0 表6 1 我国主要城市最佳倾角参数表4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金g 矍王业态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 和糁 签字日期：沙砷年牛月芯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒胆王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一终料每 签字日期：加c i 年口月政曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新虢了 一坡7 年甲月咖 电话： 邮编： 吞叮l刁彳 岔 致谢 本文的主要工作是在我的导师王建平教授的悉心指导下完成的。王建平老 师以渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的思维和非凡的敬业精神给予了我专 业的指导，为我树立了为人处事的楷模。同时，王老师还以真诚热心的关怀给 予了我生活上的帮助，使我受益良多。在此向王老师表示最诚挚的谢意! 感谢朱程辉老师在学习的过程中为我指点迷津，帮助我克服困难，也向朱 老师致以最诚挚的谢意。 感谢徐晓冰、钱自拓、秦剑和赵丽欣老师，谢谢你们在学习和生活上对我 的关心和帮助。 感谢电气学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并 创造了许多必要条件和学习机会。 感谢安徽建筑工业学院的领导和同事给予我工作和学习上的支持和帮助。 感谢试验室的师兄张凯、张涛等师兄师姐对我的指导和帮助。 感谢同窗好友栾庆磊、金铁江、何勇、项思俊、陈正伟、方或、张磊和邵 威同学，和你们一起度过的时光将是我人生的美好回忆，在实验室期间，得到 了同学在学习和生活上热情关心和无私帮助，在此向他们表示衷心感谢。 感谢我的父母及家人。他们用辛勤的劳动和无私的关怀给了我学习和生活 的物质、精神支持，感爱之心，无以言表，他们永远健康快乐是我最大的心愿! 感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友! 作者：梁祥莹 2 0 0 9 年4 月 第一章前言 1 1 课题研究背景 1 1 1 国内外能源现状与对策 近年来由于能源短缺和环境恶化的问题日趋严重，因此在满足人们对生活 健康、舒适要求的前提下，节约能源和保护环境己成为空调行业需要面对的一 个重要问题。太阳能利用和地源热泵技术在建筑方面的应用，正日益受到人们 的关注。 中国是发展中国家，人口众多，能源资源相对匮乏。中国自然资源总量排 世界第七，能源资源总量居世界第三位。但中国人均能源资源占有量不到世界 平均水平的一半，石油占有量仅为十分之一。而在另一方面，中国的每万美元 国民生产总值能耗却很高，为发达国家的四至六倍。在美国、中国、俄罗斯、 日本、德国、加拿大和印度世界七大能源消费国中，只有中国的煤炭占能源消 费量的7 2 8 以上。酸雨污染，温室效应以及臭氧层破坏等已成为制约我国经 济协调稳定发展的重要环境因素。中国要达到全面实现小康社会的目标，g d p 以及人均国内生产总值都将以较高的速度继续增长，因此，中国的能源环境与 经济发展的矛盾必将日益突出。能否保证中国在新世纪保持经济较高速度的可 持续发展，能源动力工作者责任重大。积极制订对策、采取行之有效的措施已 刻不容缓。具体的对策有很多，比如：积极开发可再生能源，充分利用清洁 能源，逐步改变以煤为主的能源结构；提高能源有效利用率，最大限度地节 约常规能源；能源工业发展以电力为中心，最大限度地提高一次能源一煤炭 用于发电的比重；煤炭的清洁使用和发展洁净煤技术。 虽然从近期来说，常规能源仍然在国民经济的发展中发挥着不可替代的重 要作用；但从长远来看，以消耗矿物能源为基础的传统能源结构，由于存在资 源有限、不可再生且污染严重等问题，必将被一个持久的、可再生的、多样化 的、清洁的新能源系统所代替。然而，无论是以常规能源为基础的传统能源结 构，还是未来的以多样化的可再生新能源为基础的能源结构，不是能源与资源、 环境的矛盾尖锐，就是能源与经济以及现实作用的矛盾突出，都分别存在着自 身的缺陷或不足。是否存在着两类能源之间，或者说是高品位能与低品位能之 间的最佳组合，是否存在这样的适宜场合或领域，使得两类能源能够充分发挥 各自的优势，使得可再生的新能源不必等到未来，现在就可以发挥其最大效能 和作用。一般来说，这不是一件容易做到的事情，然而，对于某些领域如“建 筑节能或生态建筑领域，某些技术如太阳能、地源热泵等节能技术，经过能 源工作者们的共同努力，完全有条件挖掘其最大潜能，为缓解我国的能源环境 矛盾做出贡献。 随着2 1 世纪的到来，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。 减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是 建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标，特别是近几年来，大中城市为改 善大气环境，迫切需要减少燃煤量，大力推广使用包括可再生能源在内的清洁 能源。随着人民生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需 要夏季空调降温。如果将太阳能、地源热泵和空调系统三者有机结合起来，来 实现对建筑物的供暖和制冷，必将大量减少对常规能源的消耗，同时可极大减 少对环境的污染埋。 1 1 2 研究太阳能一地源热泵系统的意义 建筑物消耗的能源，在我国约占全社会总耗能的4 6 7 ，欧洲和美国约占 全部能源消耗的4 0 ，同时排放了同样比例的二氧化碳等废弃物。如何全面提 高能源效率，尽量减少对日渐枯竭的传统一次性“矿物化石能源依赖性己成 为当务之急。在世界绿色建筑浪潮当中，直接针对建筑能耗问题提出的“零能 耗建筑策略正日益成为人们关注的焦点，其核心特点除了强调被动式节能设 计外，将建筑能源需求转向太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能 源，为人们的建筑行为，为人、建筑与环境和谐共生寻找到最佳的解决方案。 近几年，众多“零能耗建筑”实践正由单个示范项目开始成为国家的导向性行 动引。 随着传统能源资源的日渐紧张，能源价格的不断上调，将太阳能光一热技 术、光一电技术、地源热泵技术等与建筑有机结合，建成一个综合利用新能源 的建筑( 如采用太阳能光伏与地源热泵的联用技术实现夏季制冷冬季采暖，以 降低建筑的耗能指标) ，将是太阳能一地源热泵技术与产品的发展趋势。将由太 阳能光伏作用产生的电能作为驱动地源热泵的高品质能源，这样的热泵系统称 为太阳能一地源热泵系统。太阳能、地热能等新能源提供建筑用能8 0 以上，节 约能源费用8 2 ，具有显著的社会经济环境效益。8 0 年代国际能源组织( i e a ) 组 织15 个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关，欧美发达国家纷纷建造综 合利用太阳能示范建筑。试验表明：太阳能建筑节能率大约在7 5 左右，已成为 最有发展前景的领域之一h 1 。 地源热泵技术作为一项可持续发展的建筑节能技术在国外己经发展成熟， 而在我国尚处于研发阶段。太阳能光伏应用作为一项新技术，其在地源热泵空 调系统中还没有得到足够的研究与应用。由太阳能光伏设备来产生地源热泵运 行所需的电能，使热泵系统在没有或少占用电网电能的情况下能正常工作。目 前对于此系统运行的相关理论研究还比较少，太阳能光伏系统与地源热泵的最 佳匹配方式也没有得到很好的研究，因此解决这些问题将是太阳能一地源热泵 工程应用的关键。 2 太阳能一地源热泵系统总体上包括太阳能光伏系统、逆变器、地源热泵、 地下换热单元和室内空调末端等五个子系统。因此，太阳能一地源热泵系统设 计应该按照上述五个子系统分别论述。各个设计环节相对独立，却又是相互关 联，环环紧扣。具体的设计流程图如图卜1 所示，它比较完整地反映出太阳能一 地源热泵工程的设计思路和整体过程。 本文拟论证太阳能一地源热泵式空调系统在建筑节能上的可行性和实用 性，并进一步确定系统的总体实施方案。根据地源热泵的耗能情况确定独立光 伏发电系统的容量和蓄电池的容量，并设计出合适的光伏逆变器。将计算机自 动控制技术( 数字p i d 技术) 应用于太阳能一地源热泵式空调系统中，设计一套 基于变频技术的自动控制系统，对系统中的深井水泵和空调末端风机进行变频 控制，提高整个空调系统的节能性能。 空调建筑物 的冷热负荷计算 太阳能- 地源热泵 系统的方案设计 地下换热单元 的计算、设计 里 空 陬藤面 可 图1 - 1 太阳能一地源热泵式空调系统总体设计流程 1 2 太阳能光伏技术和地源热泵技术的发展与研究现状 1 2 1 太阳能光伏利用发展概况 太阳能作为可利用的能源，目前主要有三大应用技术领域，即光热转换、 光电转换和光化学转换。太阳能光伏技术，即太阳能发电技术，因为其不消耗 3 一一一一一一一一一一一 矿物燃料、无污染、价格较低、使用安全方便等特点，备受世界各国的重视， 日益成为太阳能应用的主要方向唯1 。其基本工作原理是：以太阳能电池板接收 太阳光并产生电能( 即发电) ，将产生的电能储存在蓄电池里，到需要用电时再 从蓄电池中取电。太阳能电池板( 也叫光伏板或光伏组件) ，本身只能发电而不 能储存电能，它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电负载而言， 这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流 电器供电或直接进入电网1 。 光伏发电具有不稳定性，同一个地点在同一天内各个时刻太阳辐射强度是 不一样的，日出与日落时太阳辐射的强度远远比不上正午前后的；同一个地点 的不同季节里太阳辐射强度也是不一样的，对中高纬度地区来说夏季的明显比 冬季的强。太阳能还具有间歇性，太阳直接辐射能随昼夜交替而显著变化n 1 。 太阳辐射受气候、季节、昼夜等因素影响较大，要使光伏发电输出的电量是稳 定的，就需要配备储能装置。而且太阳能电池以及储能装置输出的都是直流电， 要得到交流电，光伏发电系统还需配备控制器和逆变器。光伏发电具有安全可 靠、不需要燃料、不污染环境、由模块组成、维护简单、输出功率大小随意、 建设规模灵活等突出优点。其应用范围十分广阔，不受地域限制。目前，光伏 发电已经成为人类利用太阳能的最主要方式之一阴1 。 我国于1 9 5 8 年开始研究太阳能电池，1 9 5 9 年第一块有实用价值的太阳能电 池诞生。1 9 7 1 年太阳能电池首次成功应用于中国发射的东方红二号卫星上。1 9 7 3 年首次将太阳能电池用于地面一天津港的浮标上吲。我国的光伏工业在8 0 年代 以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在1 0k w p 以下，价格昂贵。8 0 年代国家加大对光伏产业的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线， 使得我国太阳能电池的生产能力猛增到4 5m w p 年，2 0 0 4 年，我国太阳能电池 的生产能力达到1 0 0 m w p ，实际产量4 2 m w p ，累计装机容量6 5 m w p ，组件售价 从8 0 元m w p 降至3 0 4 0 元m w p u 引。 根据2 0 0 7 年国家公布的可再生能源中长期发展规划n ，即分别在我国 西部和经济较发达的大中城市加大光伏发电的利用力度，并支持建设较大规模 的太阳能光伏电站。相信在政府的大力支持下，光伏发电技术在我国将会持续 高速地发展。 1 2 2 地源热泵技术发展概况 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的高效节能装置 n 引，也是在空调领域实现建筑节能的重要途径。按工作方式的不同，热泵的基 本形式有压缩式，吸收式，喷射式，吸附式和化学热泵等。而按其循环工质冷 凝温度的不同，可将其分为四级：即常温热泵( 冷凝温度 1 0 0 ) 引。 由于热泵装置能利用各种各样的环境热源，如：水、空气、土壤、甚至水 泥地板n 引，因而它的使用具有很大的灵活性。根据热源形式的不同，就其性质 来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵( a i rs o u r c eh e a tp u m p ，a s h p ) 和地源热泵( g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，g s h p ) 两大类。地源热泵又可进一步分 为地表水热泵( s u r f a c e w a t e rh e a tp u m p ，s w h p ) 、地下水热泵( g r o u n d w a t e r h e a tp u m p ，g w h p ) 和地下耦合热泵( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，g c h p ) 副。地 源热泵系统通过循环液( 水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭地下埋管中的流 动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量， 再把热量带到室内；夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再将热量 送到地下岩土中。 地源热泵系统利用大地作为冷热源，同时又不需要抽取地下水作为传热的 介质。它不需要任何的人工热源，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向 土壤排热为建筑物制冷。地源热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、 运行维护方便等优点，现在己被作为一项旨在解决空调冷热源问题的新技术， 日渐受到人们的重视。 1 3 本课题的任务、意义 太阳能一地源热泵式空调系统是太阳能光伏技术和地源热泵技术的重要应 用领域，采用变频技术的深井水泵和空调末端风机可以进一步提高系统的工作 效率。太阳能和地源热泵复合系统在空调领域的应用，充分利用自然能，代表 着节能型中央空调的发展趋势，符合国家的能源发展政策，缓解中国对煤炭和 石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。研究并推广运用这种“绿 色技术，是中国经济发展、能源开发利用的需要。本论文研究的目的是：在 结合太阳能光伏利用与地源热泵技术的基础上，分析研究太阳能一地源热泵式 空调系统的技术特点，论证了太阳能一地源热泵式空调系统的可行性，和对可 再生能源利用的充分性。研究该系统的工作原理以及系统运行时的控制方式， 提高了能源利用效率，实现系统对公共电网的零能需求。利用仿真技术，针对 地源热泵系统中的相关部件建立仿真模型，对影响各部件运行性能的各参数进 行分析和研究。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要研究了一种太阳能一地源热泵式空调系统，并建立了该系统的控 制模型和参数的算法。这种空调系统通过光伏子系统提供地源热泵空调运行所 需的电能，对系统中的深井水泵和空调末端风机采用变频控制，节约能源，有 利于保护环境。达到了对可再生能源的充分利用。 5 文章的安排是： 第一章前言。分析了目前国内外能源使用状况及太阳能光伏利用和地源 热泵技术的研究和发展趋势。论证了将太阳能光伏和地源热泵联合应用于建筑 空调领域的可行性。 第二章给出了将太阳能光伏技术和地源热泵空调技术进行联合运用的方 案。建立了该方案的联合运行系统结构和系统的控制结构。给出了系统联合运 行的参数运算方法。 第三章建立独立光伏发电子系统。给出了独立光伏发电系统容量的计算 方法及相应蓄电池容量的计算方法。设计了适用于该光伏系统的逆变器。 第四章介绍热泵和变频调速的工作原理，给出地源热泵空调系统的组成， 并总结了其特点。建立了空调自动控制系统方案和水泵变频调速方案，该方案 能够有效减少能源消耗。 第五章设计了太阳能一地源热泵空调控制系统。介绍了数字p i d 控制算 法及其改进算法，选择了适合本文所研究系统的控制算法。建立了太阳能一地 源热泵式空调计算机控制系统，设计了地热水深井泵、空调末端和总风量的控 制模型和控制方案。 第六章对太阳能一地源热泵空调系统的部分参数进行了仿真。仿真结果 表明，本文所设计的控制系统具有很好的调节功能，系统鲁棒性好，能够实现 空气调节和节约能源的目的。通过计算可知，适当大小的光伏阵列能够提供空 调系统运行所需的电能，实现对公共电网的零能需求。 6 第二章太阳能一地源热泵式空调系统 2 1 太阳能一地源热泵式空调系统的总体结构 太阳能和地源热泵联合系统在空调领域的应用，充分利用自然能，代表着 节能型中央空调的发展趋势，是一种可以对太阳能光电和地热资源进行综合利 用的空调系统。系统通过热泵循环把太阳能利用、地热利用和建筑供能有机地 结合成一个整体。太阳辐照通过硅电池的光电转换可以形成电流输出，其输出 的电能经过逆变器转化成负载所需要的交流电，该交流电驱动压缩机、水泵等 设备，使制冷剂在地源热泵环路中循环，将热量释放到土壤中( 或从土壤中吸 收热量) ，从而实现了对太阳辐照的光伏利用和地热的综合应用，明显提高了对 自然资源的利用效率。太阳能一地源热泵式空调系统一方面通过热泵循环，以 大地为热源，向建筑物提供高效稳定的热能；另一方面，光伏电池转化的电能 提供给热泵利用，实现了对电网的零电力需求。系统的结构示意图如图2 1 所 示： 图2 - 1 太阳能一地源热泵式空调系统结构示意图 2 2 太阳能一地源热泵式空调系统的原理 太阳能一地源热泵式空调系统原理如图2 - 2 所示。系统主要包括图中所示 的光伏组件、逆变器、蓄电池组、深井水泵、循环水泵和风机等。 光伏组件是由太阳能电池组件通过串、并联构成，其容量可以是数百峰瓦 ( w p ) ，也可以达到数个兆峰瓦( m w p ) ，甚至更大。组件可以由单晶硅、多 晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。太阳能一地源热泵式空调系统所 配用的光伏阵列容量往往在数百k m p 至数十m w p 之间，其实际大小，根据用户 的需要而定。 光伏发电系统是直流系统，而水泵及风机等都为交流负载，因此需要使用 逆变器将光伏发电系统产生的直流电转换成负载所需要的交流电。 水泵用于驱动工质在回路中的循环，实现热量在建筑物和土壤源之间的传 输。 7 图2 - 2 太阳能一地源热泵式空调系统原理图 2 3 太阳能一地源热泵式空调系统设计 太阳能一地源热泵式空调系统总体上包括太阳能光伏组件、逆变器、蓄电 池、地源热泵和室内空调末端等五个子系统，各个环节相对独立，却又是相互 关联，环环紧扣的。因此，太阳能一地源热泵式空调系统的设计应该按照上述 五个子系统分别论述。 2 3 1 光伏子系统 光伏部分由太阳能电池、逆变器、蓄电池、导线、负载等组成。每块光伏 模块独立完成光电转换，产生直流光伏电流，m 块模块光伏电流并联后给蓄电 池充电。放电时，蓄电池或者光伏电池输出的电能经逆变器转换为2 2 0v 交流 电，供负载使用。光伏子系统结构图如图2 3 所示。 图2 - 3 光伏子系统结构图 光伏电池的作用是将光能转换为电能；逆变器负责把直流电转换为交流电， 供交流负载( 本文中的水泵和风机) 使用；蓄电池的任务是贮能，以便在夜间 或阴雨天气保证负载用电。 2 3 2 地源热泵空调子系统 1 确定建筑物的冷热设计负荷 建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同。空调负荷包 括空调冷负荷和空调热负荷。空调冷( 热) 负荷指为将室内的空气参数维持在设 计参数状态，单位时间内需向建筑提供的冷( 热) 量。这是一个受室内设计参数、 室内人员、设备等散热、散湿量、围护结构性质、室外空气环境参数( 包括温度 湿度、气流速度等) 、太阳辐射强度等诸多因素影响的变量。在室内外设计计算 参数条件下的空调冷( 热) 负荷为建筑物的空调设计计算冷( 热) 负荷。让空调系 8 统恰如其分地提供冷( 热) 量，以满足设计计算状态下建筑物的需求，并随时适 应建筑物空调冷( 热) 负荷及其变化的需要是空调设计的根本目的。 在空调系统设计过程中，空调负荷计算是第一步，空调负荷的计算应包括 空调设计计算负荷的确定和各时段负荷的分析。其次，设备的容量必须满足空 调设计计算冷( 热) 负荷的要求，另外设备的配置应适应空调负荷变化的特点。 2 空调系统末端设备的选择 夏季工况条件下，热泵机组额定供回水温度分别为7 和1 2 c ，这与一般 空调器的额定工况相一致，空调器的选择计算与其他形式的空调系统一致。冬 季工况条件下，热泵空调系统在额定条件下( 室外空气8 ) ，热泵机组的额定 供回水温度一般分别在4 7 、4 2 ，而当室外温度较低时，热泵空调系统的供 水温度一般维持在3 9 4 0 。这一水温条件明显低于锅炉供热系统的额定供回 水温度( 分别为6 0 和5 0 ) ，也即低于一般空调器性能参数表中给出的额定 进出水温度( 也分别为6 0 c 和5 0 c ) ，由于水温不一样，空调器的散热量有明 显差异。有学者因此认为热泵空调系统末端设备应在夏季工况计算选择结果的 基础上有所放大n6 1 。另外，同样的空调器，6 0 c 进水温度条件下的供热量明显 大于7 进水条件下的制冷量。冬季当进水温度降至3 9 4 0 。c 时，空调器的散热 量能满足室内供暖的要求。另外，习惯上按中档参数选择空调器，本身就有一 定的裕量。如果热泵空调系统有4 个以上的制冷回路，化霜对水温不会造成明 显的波动，故一般不会影响室内温度的波动。但当系统热泵只有卜2 个回路时， 为减少化霜对室内温度的影响，有条件时，可将空调器启停控制与水温同步， 如当水温低于3 5 时，空调器风机停止运转，当水温高于3 5 时，风机恢复运 转。这样可有效提高室内的舒适性。 3 热泵系统的计算与选择 选择热泵的容量究竟是根据热负荷还是冷负荷，这个问题的解决首先要考 虑人的舒适感。选得过大会增加初投资，过4 , n 不能满足需要。一般原则是北 方地区根据热负荷，南方地区根据冷负荷，设备容量的选择可以适当偏大，但 一般不要超过冷负荷的7 0 。在地源热泵空调系统设计中热泵机组的容量既要 考虑到大楼各部分的同时使用系数，还应考虑到热泵的实际制冷量、实际供热 量会因设备间距限制等原因造成通风不畅，部分气流短路( 这部分的出力损失约 占5 左右) 而受到影响，和室外换热器因表面积灰、换热器表面结垢、设备衰 减等因素的影响，故所选择的热泵机组尚应考虑安全系数。由下面公式( 2 一1 ) 来表示： q = p 。p ：q d ( 2 - 1 ) 式中，q 为热泵机组在设计工况下的制冷( 供热) 量，单位：k w ；线为设 计计算负荷，单位：k w ；届为同时使用系数，由具体工程决定，一般为0 7 5 1 ； 卢：为安全系数，般取1 0 5 、1 10 。在合肥地区选择热泵时应以冷负荷为依据。 9 2 4 太阳能一地源热泵式空调控制系统 为实现整个空调系统的自动运行，并能够方便的分别对地源热泵式空调子 系统和太阳能光伏子系统进行不同运行状态的切换，拟分别为两个子系统配备 相对独立的控制系统。 2 4 1 地源热泵式空调控制系统 地源热泵式空调控制系统为热泵采暖、制冷循环和测温而设计，具有自动 控制热泵、循环泵和风机等功能，能够显示房间的温度、土壤源的温度和管道 中水的流量。 系统应具有如下的控制功能： 房间温度可以由室内的温控开关进行设定； 当房间温度达到设定温度时，风机盘管循环系统的循环水泵和热泵应自 动停止运行； 能够实时显示循环管路中流体的温度、流速； 能够实时显示房间和地下土壤测温点的温度，各个循环管路的压力、流 量和热量数据： 能够显示所有热泵机组、循环水泵及风机盘管系统的累计工作时间。系 统的控制原理如图2 - 4 所示： 图2 - 4 地源热泵式空调子系统的控制原理图 2 4 2 光伏控制子系统 系统包括太阳能电池、升压电路和逆变器，主要实现了能量的转换和传输。 控制回路主要由控制器、反馈回路、驱动等几部分组成。控制的目的是使系统 输出的交流电压幅值恒定，频率稳定，波形为正弦波。系统的控制回路示意图 如图2 5 所示。 图2 - 5 光伏子系统的控制回路示意图 2 。5 本章小结 ， 本章对太阳能一地源热泵式空调系统做了概述和分析，重点分析了太阳能 地源热泵式空调系统的整体结构和工作原理，系统由光伏子系统产生地源热 泵式空调运行所需的高品位能源，实现对常规能源的零能需求。分别对光伏子 系统和地源热泵子系统进行了结构设计并给出了控制模块结构图。了解到： 太阳能光伏子系统主要由光伏电池、逆变器、蓄电池、负载等组成。可 以通过对蓄电池进行串、并联，得到需要的电压和电流。 建筑物的冷热负荷是一个受室内设计参数、室内人员、设备等散热量、 散湿量、围护结构性质、室外空气环境参数( 包括温度湿度、气流速度等) 、太 阳辐射强度等诸多因素影响的变量。 第三章太阳能光伏子系统研究 3 1 独立光伏发电系统的结构 根据应用场合的不同，光伏发电系统一般可分为独立光伏发电系统、并网 光伏发电系统和混合型光伏发电系统，本文主要研究独立光伏发电系统。独立 光伏发电系统的结构如图3 一l 所示。 图3 1 独立光伏系统结构 系统主要由太阳能电池板、充电器、蓄电池、控制器、直流升压电路、逆 变器、交流负载和检测电路等组成。光照强时，太阳能电池的低压直流电一方 面直接提供给直流升压电路，另一方面通过充电器给蓄电池充电储能。光照弱 时，太阳能电池输出功率不能满足负载的用电需求，这时，作为储能装置的蓄 电池就为直流升压电路提供低压直流电，保证了独立光伏发电系统运行的连续 性和稳定性。直流升压电路把低压直流电升高到高压直流电，通过逆变器逆变， 可以得到交流电。输出的交流电压和电流通过检测电路反馈给控制器，控制器 实现对光伏系统的闭环控制。 3 2 光伏发电系统容量设计 光伏发电系统容量设计的目的是：要计算出系统负载可靠工作所需要的太 阳电池组件的输出功率和蓄电池容量，同时在满足系统工作最大可靠性的基础 上尽量减少系统成本。本论文设计目标是要为假设的合肥地区一个2 0 0 0 平方米 的建筑物组建一个全年部分月内日耗电量为6 0 0 0k w 的光伏发电系统。 3 2 1 蓄电池设计方法 独立光伏发电系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池阵列配用的蓄 电池通常处在浮充状态下，其电压随阵列发电量和负载用电量的变化而变化。 它的电能量比用电负载所需的电能量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度 的影响。为了与太阳电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且维护简单。 蓄电池模型设计的基本原则是：保证在太阳光照连续低于平均值的情况下 负载仍可以正常工作。为了量化评估太阳光连续低于平均值的情况，需要引进 一个参数：自给天数n7 1 ，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍然能正常 1 2 工作的天数。一般来说，自给天数由两个因素决定：负载对电源的要求程度和 光伏系统安装处的最大连续阴雨天数。通常，在负载对电源要求不是很严格的 应用场合，自给天数取3 5 天：负载要求很严格的应用场合取7 1 4 天n 引。蓄电 池容量的设计由下面的公式( 3 1 ) 来确定n 9 1 ： b c = a q 札t oi c c ( 3 一1 ) 式中，毋为电池容量( a h ) ；a 为安全系数，一般取1 1 1 4 2 _ 间；q ，为 负载日平均耗电量，即工作电量日工作时间数；n l 为最长连续阴雨天数；r o 为温度修正系数，一般0 以下取1 ，- 1 0 c 以上取1 1 ，一1 0 。c 以下取1 2 ；c 为 蓄电池放电深度：一般铅酸蓄电池取o 7 5 。如图3 - 2 为铅酸蓄电池最低温度一最 大放电深度曲线乜0 1 。 拿 蓉 爱 _ m 一j j 图3 - 2 铅酸蓄电池最低温度一最大放电深度曲线 在独立光伏发电系统中，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池和碱性镍镉 蓄电池两种。国内目前主要使用的蓄电池为铅酸免维护蓄电池，因为其固有的 “免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的光伏系统。 碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅 在较为特殊的场合使用。 3 2 2 光伏组件设计 太阳电池组件设计的基本思想是满足年平均日负载的需求。由于太阳能电 池的输出受到一些外在因素的影响，经过修正的光伏组件计算公式如下： * 群 一。，止必目目平均负载( 么h ) 并联的组件数量2 霹趸两再i 莲蠹笨音磊蔷葛j 券碉 ( 3 2 ) 串联的组件数量=系统电压缈) 组件电压缈) ( 3 3 ) 式中，库仑效率是指在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产 生气体逸出，所以太阳能电池组件产生的电流中将有一部分不能转换存储起来 而是耗散掉口。我们用蓄电池的库仑效率来评价这种电流损失，不同的蓄电池 库仑效率不同，通常认为有5 1 0 的损失，设计中一般将负载增加1 0 以应付库 仑效率。衰减因子是指：由于太阳能电池实际工作中会受到外界环境的影响。泥 土、灰尘的覆盖和组件性能的衰变都会降低太阳能电池组件的输出。设计中一 般将组件的输出降低10 来确保设计的系统正常工作。组件日输出的计算方法 1 3 是：用峰值小时数的方法来估算太阳能电池组件的输出。该方法是将倾斜面上