风力热泵的分析与优化

　　电动热泵空调在为人们提供舒适的工作与生活环境的同时，耗费了大量电能，造成了季节性电力短缺，加上我国电力绝大部分是由燃煤火电厂提供的，发电效率较低，电力生产过程中伴随着大量的温室气体和污染物排放，给生态环境造成了严重的破坏。近年来，随着可再生能源技术尤其是风力发电技术的进一步发展，开发由风力发电驱动的热泵空调系统已成为可能。目前国内外已提出多种风力热泵系统，如由风轮通过变速机构单独或与交流电机并联驱动热泵压缩机的系统、完全由风力发电机发电驱动热泵压缩机的系统等。开展风力热泵系统研究，使其早日在风能丰富地区推广应用，对于减少制冷与制热的市电需求，缓解调峰发电引起的环境污染等问题，具有重要的现实意义。文献研究了风力热泵系统的风力发电机与压缩机匹配问题，认为风力发电机直接驱动压缩机是可行的，但该文对特定容量风力热泵的压缩机与风力发电机的匹配规律没有进行深入研究。实际上，由于全年中风速变化的随机性，以一个或几个固定风速为基础研究风力热泵系统的压缩机与风力发电机的匹配，不能全面地反映其匹配规律，二者的匹配研究应以系统应用地区的年度风速为基础并结合热泵全年运行情况进行。为此，本文在对热泵热水器性能分析基础上，以青岛地区一住宅建筑中应用的风力热泵为研究对象，建立其年度运行性能分析模型，利用该模型研究分析风力热泵系统经济环保性能，为风力热泵的推广应用提供参考。

　　1 风力热泵

　　风力热泵是由风力机发电驱动热泵压缩机进行制冷与制热的装置。分析现有的风力热泵系统可知，以风轮直接驱动热泵压缩机的风力热泵系统，当风轮与热泵系统距离较远时，其传动机构较复杂，且无法保证始终满足建筑物的冷热量需求；以风轮与交流电机共同驱动热泵压缩机的系统包括风轮和电机与压缩机的传动系统，结构较复杂；以风力发电机完全提供压缩机电量需求的系统要求风力机功率较大以保证风速较低时仍能正常供冷与供热，风力机投资较高。上述 3 种风力热泵系统各自的缺点限制了其在工程中的应用。

　　本文研究的风力热泵包括风力发电机、蓄电池组、泄荷器、风电控制器、整流器、逆变器、热泵系统等主要部件，而热泵系统又包括压缩机、冷凝器、储液器、节流阀、蒸发器、四通阀等主要部件。其中风力发电机是将风的机械能转化为电能，可以是直流或交流发电机；蓄电池组是将大风速时风力发电机发出的多余电量储存起来，以备无风和小风时使用；泄荷器是在风力发电机发出的电量满足压缩机需求且蓄电池组充电完成后，泄掉多余电量；整流器是将交流电变为直流电便于储存；逆变器是将直流电逆变为交流电供压缩机使用；风电控制器起系统运行过程中调节控制作用，在其控制作用下，实现风力发电机、蓄电池、市电并联为压缩机供电：当风力发电机发出的电能足以驱动压缩机运转时，由风力发电机直接驱动压缩机运行，当其不足时，首先由蓄电池向压缩机供电，当蓄电池电量不足时再由市电电网为压缩机供电，以保证其正常运行。热泵系统主要是通过制冷或制热运行满足建筑物冷热量需求。与前述 3 种风力热泵系统相比，这种风力热泵系统只增加了风力供电与控制系统，因此可直接在现有成熟电动热泵空调产品基础上改造而成，其研发周期可大大缩短。

　　2 数学模型

　　分析风力热泵系统的组成，其年度运行性能仿真模型包括风力发电机模型、蓄电池模型和热泵系统模型。另外，考虑风力热泵的具体应用建筑，还应包括建筑物动态负荷计算模型和年逐时气象数据 2 部分。

　　2. 1 风力发电机模型

　　在风力热泵中，风力发电机的功能是为压缩机提供电能，其模型主要反映输出功率随风速的变化情况，不需详细考虑电气系统的动态变化。这样，根据生产厂家提供的风力发电机输出功率与风速的关系曲线，采用数值拟合即可建立风力发电机的功率输出模型。采用*小二乘法拟合可得到风力发电机输出功率与风速的关系：p = a 1 c 4 + a 2 c 3 + a 3 c 2 + a 4 c + a 5 c ≥ c 0，0 c ＜ c 0，（ 1）式中： p 为风力发电机功率（ W）； c 为风速（ m/s）；c 0为风力发电机的启动风速（ 3 m/s）； a 1、a 2、a 3、a 4为拟合系数。

　　2. 2 蓄电池模型

　　在风力发电热泵系统中，蓄电池一般采用全浮充运行方式，它和风力发电机并接在压缩机输入电源电路上，起着储存电能和稳定电压的双重作用。蓄电池把风力发电机发出的电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能变为电能。根据能量守恒可建立其简化数学模型：

　　E 2（ τ） = ［E 0（ τ） + E 1（ τ）］η，（ 2）式中： E 2（ τ）为 τ 时刻蓄电池输出的电能； E 0（ τ）为 τ 时刻蓄电池储存的电能； E 1（ τ）为 τ 时刻蓄电池接受的电能，单位均为 kWh.

　　2. 3 热泵模型

　　目前关于热泵系统模型的研究较多，仅根据热泵系统中两器（蒸发器和冷凝器）建模方法的不同就有分布参数、集中参数、分区参数模型等多种。从建模方法上又有理论方法、系统识别法、试验法等多种。考虑到进行年度性能分析时，计算时间不应过长，数学模型不应过于复杂，所以本文忽略热泵性能的动态变化，采用了基于热泵样本数据的试验法建模。热泵装置的样本数据是生产厂家通过实验测试得到的，这些数据包括了热泵机组额定及变工况下的制热量、性能系数等参数，根据这些参数通过*小二乘拟合方法即可建立热泵机组性能参数与热源参数数据之间的关系，这种建模方法简便且可靠性较高，在系统季节运行分析中应用比较方便。热泵空调机组制冷（热）量随室外环境温度变化情况，其中制冷量及制冷时输入功率是室内进风湿球温度 19. 4 ℃时的值，此时进风干球温度对其影响不大，而制热量及输入功率是在室内干球温度为 21. 1 ℃时的值。若近似认为制冷与制热运行时热泵室内机进风温度与室内设定温度相同，则热泵性能曲线就可认为是满足室内设定温度条件下热泵机组性能随室外温度的变化曲线，据此可建立该热泵机组的拟合线性数学模型。

　　制冷量（室内进风湿球温度 19. 4℃）：Q 0 = q 01 t a + q 02。

　　（ 3）

　　制冷输入功率（室内进风湿球温度 19. 4℃）：W 0 = w 01 t a + w 02。

　　（ 4）

　　制热量（室内进风干球温度 21. 1℃）：Q C = q c1 t a + q c2。

　　（ 5）

　　制热输入功率（室内进风干球温度 21. 1℃）：W C = w c1 t a + w c2。

　　（ 6）

　　式中： Q 0为制冷量（ W）； W 0为制冷输入功率（ kW）； Q C为制热量（ kW）； W C为制热输入功率（ kW）； q 01、q 02、w 01、w 02、q c1、q c2、w c1、w c2为拟合系数。

　　2. 4 建筑物动态负荷计算模型

　　建筑物全年动态负荷是针对室内要求的温湿度条件和逐时变化的室外气象参数，考虑围护结构特性、日射不稳定传热、室内设备及人员负荷、新风负荷等因素计算的全年逐时采暖空调负荷值。建筑物动态负荷决定了热泵运行状况及其输出冷热量大小。常用的动态负荷计算方法是改进温频负荷计算法，该方法将全年温度分为不同的范围，并由每个范围内的代表温度和含湿量计算此温度范围内的建筑物负荷。它具有简单实用、计算精度较高的特点。本文的温度和相对湿度数据取自标准年气象数据库，按温度每 2℃ 间隔分段并统计每段温度出现的小时数即温频数，再在每一温度段内将相对湿度对温频数取平均值，作为该温度段中心温度对应的相对湿度。改进温频法认为建筑物动态负荷由传导负荷、太阳辐射负荷、内部负荷及新风负荷四部分组成。

　　2. 5 年逐时气象数据库

　　在风力热泵年度运行性能分析模型中，要随时调用该地区的全年风速、室外温度、相对湿度等逐时变化数据。在缺少实测气象数据的情况下，本文采用标准年气象数据库为本文的仿真计算提供气象数据支持。标准年气象数据库是根据1982 年到 1997 年的观测数据，通过双波调和分析等步骤加工组成的，该数据库包含了我国 57 个城市在一个标准年和一个标准日内的逐时温度、湿度、风速、风向等参数值，为建筑物热冷负荷分析、风能等可再生能源利用等领域的研究提供了重要基础数据。本文采用 Visual Basic 6. 0 编写程序调用该数据库中不同地区的逐时温度、相对湿度、风速等数据组成风力热泵系统仿真模型的气象数据库。

　　2. 6 系统求解流程

　　将上述各模型组合起来就得到了风力热泵系统年度运行性能仿真模型。模型求解时，以 1 月 1日 1 时为起始时刻，首先调用气象数据库获得起始时刻室外温度、相对湿度和风速等参数值，接着调用风力发电机模型、热泵系统模型、建筑物动态负荷计算模型，然后根据当前时刻建筑物负荷确定热泵运行状态及运行时间，判断风力发电机输出功率是否满足热泵压缩机功率需求，若满足则由风力发电机为其提供电能，否则由蓄电池经逆变器为其提供电能，当蓄电池内电量不足则由市电为压缩机供电；若风力发电机发出电能超过压缩机需求或热泵停机，则向蓄电池充电。该时刻计算完成后重复上述步骤继续下一时刻的计算，直至完成全年计算。

　　3 计算举例与分析

　　应用上文建立的数学模型，以青岛地区一空调面积为 90 m 2住宅用风力热泵为例进行模拟研究。其中热泵部分是根据该住宅全年*大冷、热负荷选择的。为简化计算，模拟过程中假设：住宅为多层顶楼，有南北两面外墙，外墙面积均为 26 m 2，双层窗户，南窗面积 9 m 2，北窗面积 4. 5 m 2，人员 3 人，设备负荷取12 W/m 2，灯具 7. 5 W/m 2，空调室内设定温度26 ℃，采暖室内设定温度 20 ℃，相对湿度均取50% ，新风渗透 0. 5 次/h；风力机全年运转，且风力机叶片始终与风向垂直以*大限度的利用风能；热泵采用启停控制，且在室外气温高于 20 ℃时开始制冷运行，低于 10 ℃ 时开始制热运行；蓄电池容量为 12 V100 Ah，采用浮充模式，4 组串联；当风力发电机发电量小于压缩机用电量需求时，由蓄电池供电，当蓄电池放电超过其 70% 容量时由电网供电；逆变器效率取 80% ；电价 0. 54元/Wh；风力发电机使用年限取 20（半天运行模式取 25），蓄电池年限取 2 a；忽略风力机维护费用等。

　　根据典型年气象数据库统计得到的青岛地区一年内风速分布情况曲线上的点表示一年中对应横坐标 ± 0. 5 m/s 风速范围内的累计小时数。该地区全年风速在 3 m/s 以上时间累计超过 7500 h，属于风能丰富地区。

　　根据典型年气象数据库统计得到的青岛地区温频参数可知，该地区全年*低气温在－10 ℃左右，*高气温不超过 35 ℃，在热泵机组正常运行范围内。采用不同型号和数量的风力发电机时，风力热泵在半天和全天运行模式下的耗电量、风力发电机发电量、运行成本及其带来的 CO 2、SO 2、NO x、CO 和废渣减排量情况。其中CO 2、SO 2、NO x、CO 和废渣等温室气体和污染物减排量是由风力热泵与完全由市电驱动的电动热泵相比少消耗的电量，根据火力发电温室气体及污染物排放情况等效计算得到的。与完全由市电驱动的热泵相比，半天运行模式下风力热泵每年可减少市电需求 1066 ～2300 kWh，占压缩机总耗电量的 35. 5% ～ 76. 7% ；全天运行模式下可减少市电需求 1340 ～3762 kWh，占压缩机总耗电量的 25. 8% ～ 72. 4% ，节约市电电力需求效果显著。

　　风力热泵由一台风力发电机驱动时，该风力机功率越大其年市电总耗量越少，对应年单位面积运行费用就越少，CO 2、SO 2、NO x、CO 和废渣等温室气体和污染物减排效果越好，但由于功率较大的风力发电机价格较高，导致其供冷供热年单位面积成本越高，而采用小功率风力发电机的供冷供热年单位面积成本*低，经济性更好。从对 FD2. 5 － 0. 5 型风力发电机驱动的风力热泵的模拟可以看出，增加并联风力机台数，减排量逐渐增加，其供冷供热年单位面积成本先降低后升高，采用 3 台 FD2. 5 － 0. 5 型风力发电机并联驱动时其值*低，可认为是*优匹配。采用多台小功率风力发电机驱动的风力热泵的运行费用更低是因为青岛地区全年风速大多位于 5 ～7 m/s，而小功率风力发电机在此风速范围内功率输出性能相对大功率风力发电机更好，多台并联后发电量更高。

　　，风力热泵在全天运行模式下供冷供热年单位面积成本较低，经济性更好，但都高于完全由市电驱动的热泵的运行成本，即使由 3 台 FD2. 5 －0. 5 型风力发电机并联驱动的*优匹配，其供冷供热年单位面积成本较之仍偏高 5. 6 元/m 2 a，但考虑到风力热泵带来的温室气体及污染物减排效果，在对环保日益重视的背景下，风力热泵仍具有相当的竞争力。

　　风力发电机年发电量一般都高于热泵压缩机年耗电量，但因蓄电池容量限制与转化损失，风力热泵运行过程中还需市电辅助和投入一定的运行费用。因此，在风力热泵中若能采用大容量、高效率的蓄电池或蓄电池组，还可进一步降低其运行成本。另外，若能将风力发电机发出的多余电量用于换热器风机用电或家庭照明也可进一步提升系统的经济性。

　　蓄电池块数对风力热泵运行费用、成本及减排量的影响可知，由于蓄电池容量较小，增加或减少蓄电池数目对年单位面积运行费用和减排影响不大，但对供热供冷合计年单位面积成本影响较大，这是因为蓄电池使用寿命较短，价格相对较高，导致其投资费用较高。因此，在没有大容量蓄电池时，应尽量减少蓄电池数目。

　　4 结论

　　本文建立了风力热泵的年度性能分析模型，并以青岛地区一住宅应用的风力热泵为对象进行了模拟研究，并得出了如下结论：（ 1）与完全由市电供电的电动热泵相比，风力热泵在满足住宅负荷要求的同时可有效减少市电需求以及温室气体和污染物排放量，产生了良好的碳减排效果。虽然风力热泵的供冷供热年单位面积成本较高，但考虑到它具有降低电力负荷需求和良好环保性能等优点，与电动热泵相比仍具有较强的竞争力，是值得推广的新型环保采暖空调技术。

　　（ 2）对风力热泵的经济性能研究表明，由于风力发电机价格以及小功率风力发电机低风速发电性能更好等因素的影响，多台小功率风力发电机并联比单台大功率风力发电机单独驱动风力热泵的供冷供热年单位面积成本更低，经济性更好。

　　另外，随着并联风力发电机台数的增加，风力热泵的运行费用会降低，减排量会增加，表明多台风力发电机并联驱动的风力热泵中风力发电机与压缩机功率匹配性能与系统环保性能更好。

　　（ 3）蓄电池块数对风力热泵的供冷供热年单位面积成本影响较大，在只有小容量蓄电池可供选择时，应尽量减少蓄电池数目。

　　需要指出的是，由于风力发电受到风力资源的影响，风力热泵*终得到认可并投入运行还需要解决像风电波动、设备投资、能量控制等一系列关系到系统经济和稳定运行的关键问题。