维度网讯，美国普渡大学（Purdue University）的研究人员证实，市售的、专为传统交流电（AC）系统设计的住宅空气源热泵，在仅进行少量硬件改造后即可直接使用直流电（DC）供电，且性能损失极小。

研究人员指出，与传统交流系统相比，直流纳米电网（DC nanogrid）能最大限度减少不必要的能量转换，从而将效率提升5%至15%，降低配电损耗并改善电压调节。此外，直流纳米电网还能使建筑物在电网断电时独立运行，增强韧性。然而，安装成本高、缺乏统一标准以及与直流保护和设备可用性相关的技术挑战，仍是其广泛推广的主要障碍。

为攻克这些难题，研究团队开发了DC Nanogrid House（直流纳米电网住宅）。这是一栋经过翻新的208平方米独户住宅，配备了太阳能光伏发电、电池储能、交流/直流双线路以及定制的能源管理系统。该住宅能够在真实条件下直接比较交流与直流运行情况。一个关键里程碑是将变速热泵改造成兼容交流与直流两种电源，因为热泵占该住宅年能耗的三分之二以上。该实验平台支持对完全由直流供电的住宅建筑进行长期评估。

研究人员将一台额定制冷能力14 kW的分体式变速住宅热泵进行改造，通过更换其标准交流输入，使其既能使用交流电也能使用350 V直流电。在测试两种模式前，该机组用R-410A制冷剂进行了校准。实验室实验在控制的恒温恒湿箱中进行，在标准稳态条件下以变速运行方式测量性能，并通过空气-制冷剂能量平衡检查验证结果，误差范围在6%以内。

随后在印第安纳州的DC Nanogrid House进行了现场实验，使用一台类似的热泵，仅将室外机（负责超过90%的能耗）改造为直流运行，而室内机出于安全考虑仍保持交流运行。系统在实际运行条件下进行测试，通过校准传感器和数据采集系统连续监测温度、压力和电功率。

交流与直流两种配置均在可比的气象条件和设定值下进行了评估，尽管数据集之间的室外温度存在微小差异。结果显示，空气侧和制冷剂侧的测量值吻合良好，偏差在6%以内。研究团队表示，该实验设置可以在实验室和真实环境中，对变速条件下的交流与直流运行进行可靠比较。

实验室实验表明，热泵的制冷/制热能力在交流和直流下几乎相同，性能系数（COP）随温差略有变化。现场数据显示，能耗随室外条件可预测地变化，而交流与直流运行之间没有统计上的显著差异。

此外，对纯交流系统、混合直流系统和全直流系统的模拟显示，最大的收益来自放弃纯交流架构，而全直流系统仅带来额外的少量好处。总体而言，直流配置可将年电费降低约12.5%至16.7%，主要原因是转换损耗降低。这些节省主要来自于减少能量转换级数和提高转换器效率。

然而，研究团队指出，该研究受限于简化的直流改造实现、气象归一化挑战以及简化的转换器建模，此外还忽略了直流电网的实际影响，如稳定性和保护。未来的工作应包括现场规模的全直流纳米电网、改进的转换器和压缩机测试，以及更详细的成本分析，以评估在实际条件下部署的可行性。

研究人员强调，直流纳米电网的经济效益在很大程度上取决于光伏渗透水平，尤其是在印第安纳州这样的寒冷气候下。通讯作者Aaron Farha告诉pv杂志：“我预计我们的节电量对光伏渗透水平非常敏感，尤其是在像印第安纳州这样的寒冷气候下。”他指出，在这类系统中，冬季白天的光伏超发可以储存起来供后续使用，特别是由于建筑物的供暖需求通常与太阳能发电峰值不匹配。建筑物的峰值热负荷在冬季通常完全偏离光伏发电峰值，这可能会增加储能的价值，并增加高度电气化住宅（热泵主导能耗）的整体节电量。

模拟结果还显示，系统设计显著影响光伏利用率。光伏系统全年总发电量为15.2 MWh，交流运行下净输出电力为6.8 MWh，而直流配置下约为7 MWh。Aaron Farha表示：“这意味着交流运行下热泵的自耗电率为54.6%，直流运行下热泵的自耗电率为53%，意味着我们有更多总能量可以输出。”

在运行方面，观察到光伏波动对热泵行为的影响有限，因为系统稳定性是通过电子方式维持的。然而，集成限制仍然是一个挑战。Aaron Farha继续指出：“当热泵运行时，我们无法让光伏或电池在我们的DC Nanogrid中运行，这主要是因为缺乏完整的母线稳定控制器。”

最后，作者指出系统规模在经济效益中起关键作用。虽然所研究的住宅仅产生适度的节电，其直流改造估计的年净节省电费仅为约60美元；但预期更大的系统将获益更显著。特别是对于较大的商业或工业系统，我们预测的12%至16%的节电量将更为可观，这表明随着系统规模和光伏渗透率的增加，直流纳米电网在经济上可能变得更具吸引力。

相关研究结果以“Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid”为题发表在近期出版的《Applied Energy》期刊上。