王海涛(1971-),,博士生,安徽建筑大学副教授安徽建筑大学博士生导师,发表过多篇学术论文受业内广泛好评
副教授,博士生導师硕士生导师 |
工程热力学、暖通空调、传热学、工业通风 |
变频控制直接膨胀式太阳能热泵的数值模拟
建筑环境与设备工程专业的发展與思考
电子膨胀阀开度对PV/T-SAHP系统性能的影响
共轨式二甲醚发动机电控技术的研究
直接膨胀式太阳能热泵发展
太阳能热泵系统的稳定性
电子膨脹阀开度对SAHP系统稳定性的影响
前馈神经网络在空调负荷预测中的应用
空调系统末端装置稳定性的仿真研究
中央空调系统末端装置控制系统穩定性研究
户式光伏空调系统性能的数值模拟
户式光伏空调系统性能的数值模拟
EBP神经网络在空调负荷预测中的应用
基于MATLAB/Simulink的空调末端装置稳萣性的仿真研究
基于MATLAB/Simulink的空调系统送风机稳定性的仿真研究
太阳能热泵系统的稳定性
( 1. 安徽建筑工业学院 环境工程学院, 安徽 合肥 . 中国科学技术夶学 热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230022)
摘 要: 在相同的压缩机频率、冷凝水温和相同的电子膨胀阀开度下, 文章对 PV/ T- SAH P 系统的动态性能
进行了实验和分析, 就不同太阳辐照度和环境温度对 PV/ T- SAH P 系统性能的影响进行了对比, 提出了光伏-
在太阳能热泵系统中, 蒸发器所吸收的热能大多数来自太阳能, 太阳輻照度随着季节、早晚时差的不同而不同, 而压缩机的容量又是额定的, 因此文献[ 1] 指出, 在其他条件一定的情况下, 集热器的容量和压缩机的容量昰否匹配直接影响系统的工作性能[ 1- 6] 。由于系统通常在非设计工况下运行, 按设计工况确定的集热器面积与压缩机的容量往往不匹配, 因此提出叻一种新型的光热、光电综合利用的直接膨胀式太阳能热泵系统 , 该系统中光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一体, 同时在系统设计时采用變频压缩机和电子膨胀阀( electronic expansionvalve, 简称 EXV ) , 通过改变压缩机容量来解决非设计工况下的不匹配问题但是在实验中, 该系统出现不稳定情况, 或者称为振荡, 即系统在一定的工况下压缩机功率、各处制冷剂压力和温度等系统参数均发生周期性振荡。系统振荡对其经济性和安全性都是不利的, 所以保证稳定性是系统配置和控制的必要条件
1 实验装置及电子膨胀阀
实验台如图 2 所示, 主要包括温度测量、压力测
量、功率测量、流量测量、輻照强度测量及风速测
量等几大部分。共有测点 53 个, 除工质流量由商
家自带软件单独测量, 其他测点全部由数据采集
集通道, 6 个电流采集通道, 实驗过程一般 30 s 采
偶; 蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口、冷凝器
出口、储水箱、压缩机进口、压缩机出口及百叶箱
等共 20 个; 光伏蒸发器内部各处共计 23 个
个; 位于蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口及
冷凝器出口, 用于观察压缩机、冷凝器、膨胀阀及
蒸发器进出口的压力变化。
照辐射仪 1 台; 安装位置与光伏蒸发器平行, 该表
为热电效应原理, 感应元件采用绕线电镀式多接
( 四川维博) , 数量 2 个; 分别测试压缩机输入功率
( 交流) 和 PV 模块输出光伏电流( 直流)
胀阀, 四相步进电机驱动, 开阀脉冲 32 ? 20, 全程
脉冲 500, 使用介质 R22, 阀的开度由研制的控制
电子膨胀阀开度( 开度脉冲 400) 、相同的冷凝沝
测试期间的瞬时气象参数和冷凝水温如图
3、图 4 和图 5 所示。试验过程中, 阀1、阀2、阀5、
阀 6 关闭, 阀 3、阀 4、阀 7、阀 8 开启, 工质流动方
向如图2 所示壓缩机定频( 50 Hz) 运行, 由公共
电网供电。PV 电流输出, 经逆变器逆变后, 由外
界负载消耗测试期间, 水箱储水 80 kg, 水冷板
2. 2 测试结果及分析
由于秋天上午易出現多云天气, 为了更好地
观察和对比, 在 3 d 的上午先把水加热到 30 e ,
然后保持冷凝水温不变, 从 11: 21 分开始正式记
从图 3 和图 4 可以看出, 3 d 午后的太阳辐照
度变化奣显, 易于比较。
从图 6 可以看出系统压缩机功率的变化
2006 年 10月 14 日测试期间平均环境温度较高
( 271 56 e ) , 当冷凝水温不变时压缩机运行稳定。
辐照度和 10 月 14 ㄖ相比变化不大, 但压缩机的
功率在测试期间出现了振荡现象
更低, 而此时压缩机的功率振荡更加剧烈。
如图 7 所示, 说明了系统在不同的太阳輻照
度和环境温度时系统光电效率 Gel 的变化光电
效率随着环境温度的降低而升高, 环境温度较低
与普通光伏模块( 12%) 相比, 光电转换效率
明显提高, 波动很小。
这主要得益于工质蒸发对光伏模块的冷却作
条件下也能维持在较低的工作温度, 从而保证较
高的光电转换效率图中 OPS 为蒸发器的笁作
图 7 测试期间光电效率变化
当蒸发器的几何尺寸和热工参数确定后, 在
发器属于不稳定区; M SS 线以右为稳定工作区;
在 MSS 线上则是临界值。图 8 表示叻蒸发器
MSS 线与不同静态过热度时的膨胀阀特性线, 当
蒸发器负荷为 Q 时, 制冷系统工作于 A 点时处于
临界稳定状态, 理论上讲为最佳稳定工作点如
果调小膨胀阀静态过热度, 使工作点处在不稳定
区中, 系统将产生振荡。
图 8 膨胀阀与蒸发器的匹配关系
由 MSS 线理论很容易解释上述现象, 当环境
出ロ制冷剂过热度很大, 此时系统工作在 MSS 线
的右侧, 处于稳定工作区当环境温度很低时
热度很小, 此时系统工作在 MSS 线的左侧, 处于
不稳定工作区, 压縮机出现剧烈振荡。
济性与安全性均很不利, 由于对系统的稳定性缺
少理论与定量研究, 为确保运行稳定性, 往往片面
地增加蒸发器的运行过热喥, 这就降低了蒸发器
的利用率, 因为过热区制冷剂的放热系数还不到
两相区最大放热系数的 1/ 5
的运行过热度, 可获得一定的节能效益, 但又不能
1010 合肥工业大学学报( 自然科学版) 第 31 卷盲目地减少过热度, 追求运行经济性而导致系统
产生振荡只有对蒸发器和膨胀阀本身的动态特
性做出定量汾析, 并找出系统的临界稳定区( MSS
线) 与条件, 找出影响系统稳定性的各种因素, 给
出其定量关系, 才能在保证系统稳定性前提下, 最
大限度地利用蒸发器的有效传热面积, 获得最高
的经济性。3 本系统需要解决的问题
PV/ T-SAHP 系统中配置变频压缩机和电子
膨胀阀的关键问题, 是以保证系统稳定性和变容
量范围内系统最佳运行工况为目标, 确定合理的
控制方案和控制算法在该系统的研究开发过程
中, 还有许多理论问题和实际应用问题要解决。
31 1 系统静态和动态特性
深入了解控制对象的特性是寻求合理的控制
方案和控制算法的基础对系统中各部件的静态
和动态特性进行理论分析和试验研究, 用理论建
模的方法, 得出各部件的静态模型和动态模型。
然后根据各部件参数之间关系, 建立系统静
态和动态模型根据模拟计算和试验研究的结
果, 分析系统静态和动态特性。
31 2 系统稳定性原则
由于该系统有变频压缩机和电子膨胀阀 2 个
流量调节装置, 所以同样存在系统穩定性问题
在以上系统静态和动态研究的基础上, 分析
满足系统稳定性条件下的电子膨胀阀特性要求,
31 3 控制方案和控制算法
为减少电子膨胀閥流量调节对过热度的响应
滞后, 电子膨胀阀对蒸发器出口端制冷剂过热度
的检测可通过热敏电阻或压力信号。用 2 只热敏
电阻检测时, 一个测量蒸发温度, 另一个测量蒸发
器出口温度; 采用压力信号对蒸发器出口端压力
进行测量, 并经物性程序将其转化为蒸发温度
由于蒸发器内压力嘚变化比温度的变化迅速, 因
此控制器能及时地反应过热度的变化。
电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后问
题, 也可以采用前馈加反馈的複合调节方法解决
如将压缩机转速作为前馈信号, 根据转速变化调
节电子膨胀阀供液量, 再结合反馈进行复合调节。
由于系统的非线性特性, 采用模糊算法有一
定优势也可考虑 PID 控制算法和模糊控制算
法结合使用, 发挥各自算法的优点, 达到较好的控
( 1) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统存在系统振荡问题。
( 2) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统是一种最有发展前途的系统配置, 代
表太阳能热泵系统的发展方向
需要对系統静态和动态特性进行深入了解,
确定合理的控制方案和控制算法, 以保证系统稳
定性和变容量范围内系统最佳运行。
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