王海濤(安徽建築工業學院博士生導師)

王海濤，男，出生於中國安徽省淮南市，畢業於中國科技大學，任安徽建築工業學院副教授，安徽建築工業學院博士生導師。

基本介紹

• 中文名：王海濤
• 國籍：中國
• 民族：漢族
• 出生地：安徽淮南
• 出生日期：1971年
• 職業：副教授，博士生導師，碩士生導師
• 畢業院校：中國科技大學
• 主要成就：變頻控制直接膨脹式太陽能熱泵的數值模擬；建築環境與設備工程專業的發展與思考；
• 學術代表作：太陽能熱泵系統的穩定性
• 性別：男

個人簡介

王海濤(1971-),,博士生,安徽建築工業學院副教授，安徽建築工業學院博士生導師，發表過多篇學術論文受業內廣泛好評。

博士生導師王海濤介紹地礦家園地熱套用情況

中文名：	王海濤
性別：	男
別名：	王教授
國籍：	中國
民族：	漢族
出生地：	安徽省淮南市
畢業學校：	中國科技大學
職業：	副教授，博士生導師，碩士生導師
工作院校：	安徽建築工業學院
主教科目：	工程熱力學、暖通空調、傳熱學、工業通風

發表的論文

變頻控制直接膨脹式太陽能熱泵的數值模擬

建築環境與設備工程專業的發展與思考

電子膨脹閥開度對PV/T-SAHP系統性能的影響

共軌式二甲醚發動機電控技術的研究

直接膨脹式太陽能熱泵發展

太陽能熱泵系統的穩定性

電子膨脹閥開度對SAHP系統穩定性的影響

前饋神經網路在空調負荷預測中的套用

空調系統末端裝置穩定性的仿真研究

中央空調系統末端裝置控制系統穩定性研究

戶式光伏空調系統性能的數值模擬

戶式光伏空調系統性能的數值模擬

EBP神經網路在空調負荷預測中的套用

基於MATLAB/Simulink的空調末端裝置穩定性的仿真研究

基於MATLAB/Simulink的空調系統送風機穩定性的仿真研究

經典論文

太陽能熱泵系統的穩定性

王海濤, 王造奇

( 1. 安徽建築工業學院 環境工程學院, 安徽 合肥 230027; 2. 中國科學技術大學 熱科學和能源工程系, 安徽 合肥 230022)

摘 要: 在相同的壓縮機頻率、冷凝水溫和相同的電子膨脹閥開度下, 文章對 PV/ T- SAH P 系統的動態性能

進行了實驗和分析, 就不同太陽輻照度和環境溫度對 PV/ T- SAH P 系統性能的影響進行了對比, 提出了光伏-

太陽能熱泵( PV/ T- SAH P)的系統穩定性原理, 指出 PV/ T- SAH P 系統需要解決的一些問題。

關鍵字: PV/ T- SAH P 系統; 最小過熱度; 穩定性

中圖分類號: TK519 文獻標識碼: A 文章編號: 1003- 5060( 2008) 07- 1008- 04

在太陽能熱泵系統中, 蒸發器所吸收的熱能大多數來自太陽能, 太陽輻照度隨著季節、早晚時差的不同而不同, 而壓縮機的容量又是額定的, 因此文獻[ 1] 指出, 在其他條件一定的情況下, 集熱器的容量和壓縮機的容量是否匹配直接影響系統的工作性能[ 1- 6] 。由於系統通常在非設計工況下運行, 按設計工況確定的集熱器面積與壓縮機的容量往往不匹配, 因此提出了一種新型的光熱、光電綜合利用的直接膨脹式太陽能熱泵系統 , 該系統中光伏組件與熱泵裝置的蒸發器結合成一體, 同時在系統設計時採用變頻壓縮機和電子膨脹閥( electronic expansionvalve, 簡稱 EXV ) , 通過改變壓縮機容量來解決非設計工況下的不匹配問題。但是在實驗中, 該系統出現不穩定情況, 或者稱為振盪, 即系統在一定的工況下壓縮機功率、各處製冷劑壓力和溫度等系統參數均發生周期性振盪。系統振盪對其經濟性和安全性都是不利的, 所以保證穩定性是系統配置和控制的必要條件。

1 實驗裝置及電子膨脹閥

PV/ T-SAHP 太陽能熱泵系統如圖 1 所示。

實驗台如圖 2 所示, 主要包括溫度測量、壓力測

量、功率測量、流量測量、輻照強度測量及風速測

量等幾大部分。共有測點 53 個, 除工質流量由商

家自帶軟體單獨測量, 其他測點全部由數據採集

儀實時採集記錄。

( 1) 數據採集。數據採集儀 Agilent34970A,

配置 HP 34901A 採集模組 3 個, 共 54 個電壓采

集通道, 6 個電流採集通道, 實驗過程一般 30 s 采

集數據一次。圖 1 PV/ T-SAHP 太陽能熱泵系統

( 2) 溫度測量。採用 01 2 mm 銅康銅熱電

偶; 蒸發器進口、蒸發器出口、冷凝器進口、冷凝器

出口、儲水箱、壓縮機進口、壓縮機出口及百葉箱

等共 20 個; 光伏蒸發器內部各處總計 23 個。

( 3) 壓力測量。製冷壓力專用感測器( Huba506, Sw eden) , 0~ 30 @ 10

2

kPa, 精度? 11 0%,

回響時間小於 5 ms, 負載頻率小於 50 Hz; 數量 4

個; 位於蒸發器進口、蒸發器出口、冷凝器進口及

冷凝器出口, 用於觀察壓縮機、冷凝器、膨脹閥及

蒸發器進出口的壓力變化。

( 4) 日照輻射儀。TBQ-2( 錦州, 陽光) 型日

照輻射儀 1 台; 安裝位置與光伏蒸發器平行, 該表

為熱電效應原理, 感應元件採用繞線電鍍式多接

點熱電堆。

( 5) 功率感測器。WBP112S91 和 WBI022S

( 四川維博) , 數量 2 個; 分別測試壓縮機輸入功率

( 交流) 和 PV 模組輸出光伏電流( 直流) 。

系統採用浙江三花 DFP( L) 11 6-12 型電子膨

脹閥, 四相步進電機驅動, 開閥脈衝 32 ? 20, 全程

脈衝 500, 使用介質 R22, 閥的開度由研製的控制

器控制。

2 實驗結果及分析

21 1 實驗條件

2006 年 10 月 14 日、2006 年 11 月 6 日和

2006 年 12 月 2 日, 在合肥地區( 北緯 31b53. , 東

經 117b15. ) 進行了 PV/ T-SAHP 系統在相同的

電子膨脹閥開度( 開度脈衝 400) 、相同的冷凝水

溫( 30 e ) 下的性能測試。

測試期間的瞬時氣象參數和冷凝水溫如圖

3、圖 4 和圖 5 所示。試驗過程中, 閥1、閥2、閥5、

閥 6 關閉, 閥 3、閥 4、閥 7、閥 8 開啟, 工質流動方

向如圖2 所示。壓縮機定頻( 50 Hz) 運行, 由公共

電網供電。PV 電流輸出, 經逆變器逆變後, 由外

界負載消耗。測試期間, 水箱儲水 80 kg, 水冷板

式換熱器水側流速 01 217 kg/ s。

2. 2 測試結果及分析

21 21 1 測試結果說明

由於秋天上午易出現多雲天氣, 為了更好地

觀察和對比, 在 3 d 的上午先把水加熱到 30 e ,

然後保持冷凝水溫不變, 從 11: 21 分開始正式記

錄數據。

從圖 3 和圖 4 可以看出, 3 d 午後的太陽輻照

度變化明顯, 易於比較。

從圖 6 可以看出系統壓縮機功率的變化。

2006 年 10月 14 日測試期間平均環境溫度較高

( 271 56 e ) , 當冷凝水溫不變時壓縮機運行穩定。

11 月 6 日測試期間平均環境溫度( 201 71 e ) 比

第 7 期 王海濤, 等: 太陽能熱泵系統的穩定性 100910 月 14 日的平均環境溫度降低了 61 85 e , 太陽

輻照度和 10 月 14 日相比變化不大, 但壓縮機的

功率在測試期間出現了振盪現象。

12 月 2 日平均環境溫度( 81 85 e ) 較前 2 次

更低, 而此時壓縮機的功率振盪更加劇烈。

如圖 7 所示, 說明了系統在不同的太陽輻照

度和環境溫度時系統光電效率 Gel 的變化。光電

效率隨著環境溫度的降低而升高, 環境溫度較低

時( 2006 年 12 月 2 日, 測試期間平均環境溫度

71 4 e ) , 最高光電效率達到 131 4% 。

與普通光伏模組( 12%) 相比, 光電轉換效率

明顯提高, 波動很小。

這主要得益於工質蒸發對光伏模組的冷卻作

用, 使得 PV/ T-SAHP 系統的光伏電池在高輻照

條件下也能維持在較低的工作溫度, 從而保證較

高的光電轉換效率。圖中 OPS 為蒸發器的工作

過熱度。

圖 7 測試期間光電效率變化

21 2. 2 測試結果分析

當蒸發器的幾何尺寸和熱工參數確定後, 在

運行中存在一條最小穩定信號線( M inimum Stable Signal 線, 簡稱 M SS 線)

[ 8] 。M SS 線以左, 蒸

發器屬於不穩定區; M SS 線以右為穩定工作區;

在 MSS 線上則是臨界值。圖 8 表示了蒸發器

MSS 線與不同靜態過熱度時的膨脹閥特性線, 當

蒸發器負荷為 Q 時, 製冷系統工作於 A 點時處於

臨界穩定狀態, 理論上講為最佳穩定工作點。如

果調小膨脹閥靜態過熱度, 使工作點處在不穩定

區中, 系統將產生振盪。

圖 8 膨脹閥與蒸發器的匹配關係

由 MSS 線理論很容易解釋上述現象, 當環境

溫度很高時( 2006 年 10 月 14 日) , 集熱/ 蒸發器

出口製冷劑過熱度很大, 此時系統工作在 MSS 線

的右側, 處於穩定工作區。當環境溫度很低時

( 2006年 12 月 2 日) , 集熱/ 蒸發器出口製冷劑過

熱度很小, 此時系統工作在 MSS 線的左側, 處於

不穩定工作區, 壓縮機出現劇烈振盪。

PV/ T-SAHP 系統產生振盪, 對系統運行經

濟性與安全性均很不利, 由於對系統的穩定性缺

少理論與定量研究, 為確保運行穩定性, 往往片面

地增加蒸發器的運行過熱度, 這就降低了蒸發器

的利用率, 因為過熱區製冷劑的放熱係數還不到

兩相區最大放熱係數的 1/ 5

[ 8]

。適當減小蒸發器

的運行過熱度, 可獲得一定的節能效益, 但又不能

1010 合肥工業大學學報( 自然科學版) 第 31 卷盲目地減少過熱度, 追求運行經濟性而導致系統

產生振盪。只有對蒸發器和膨脹閥本身的動態特

性做出定量分析, 並找出系統的臨界穩定區( MSS

線) 與條件, 找出影響系統穩定性的各種因素, 給

出其定量關係, 才能在保證系統穩定性前提下, 最

大限度地利用蒸發器的有效傳熱面積, 獲得最高

的經濟性。3 本系統需要解決的問題

PV/ T-SAHP 系統中配置變頻壓縮機和電子

膨脹閥的關鍵問題, 是以保證系統穩定性和變容

量範圍內系統最佳運行工況為目標, 確定合理的

控制方案和控制算法。在該系統的研究開發過程

中, 還有許多理論問題和實際套用問題要解決。

31 1 系統靜態和動態特性

深入了解控制對象的特性是尋求合理的控制

方案和控制算法的基礎。對系統中各部件的靜態

和動態特性進行理論分析和試驗研究, 用理論建

模的方法, 得出各部件的靜態模型和動態模型。

然後根據各部件參數之間關係, 建立系統靜

態和動態模型。根據模擬計算和試驗研究的結

果, 分析系統靜態和動態特性。

31 2 系統穩定性原則

由於該系統有變頻壓縮機和電子膨脹閥 2 個

流量調節裝置, 所以同樣存在系統穩定性問題。

在以上系統靜態和動態研究的基礎上, 分析

滿足系統穩定性條件下的電子膨脹閥特性要求,

得出系統穩定性區域。

31 3 控制方案和控制算法

為減少電子膨脹閥流量調節對過熱度的回響

滯後, 電子膨脹閥對蒸發器出口端製冷劑過熱度

的檢測可通過熱敏電阻或壓力信號。用 2 只熱敏

電阻檢測時, 一個測量蒸發溫度, 另一個測量蒸發

器出口溫度; 採用壓力信號對蒸發器出口端壓力

進行測量, 並經物性程式將其轉化為蒸發溫度。

由於蒸發器內壓力的變化比溫度的變化迅速, 因

此控制器能及時地反應過熱度的變化。

電子膨脹閥流量調節對過熱度的回響滯後問

題, 也可以採用前饋加反饋的複合調節方法解決。

如將壓縮機轉速作為前饋信號, 根據轉速變化調

節電子膨脹閥供液量, 再結合反饋進行複合調節。

由於系統的非線性特性, 採用模糊算法有一

定優勢。也可考慮 PID 控制算法和模糊控制算

法結合使用, 發揮各自算法的優點, 達到較好的控

制效果。

4 結 論

( 1) 變頻壓縮機和電子膨脹閥組成的 PV/ TSA HP 系統存在系統振盪問題。

( 2) 變頻壓縮機和電子膨脹閥組成的 PV/ TSA HP 系統是一種最有發展前途的系統配置, 代

表太陽能熱泵系統的發展方向。

需要對系統靜態和動態特性進行深入了解,

確定合理的控制方案和控制算法, 以保證系統穩

定性和變容量範圍內系統最佳運行。

[ 參 考 文 獻]

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