王祥達(dá) 范 滿 徐建偉 桑文虎 左瑞旺

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 天津 300401）

0 引言

隨著化石燃料耗量的增加以及環(huán)境污染和全球氣候變暖現(xiàn)象的加劇，作為清潔能源的太陽能和高效節(jié)能的熱泵技術(shù)得到極大的關(guān)注[1,2]。據(jù)統(tǒng)計，住宅和商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)耗電量占全國能源消耗總量約45%左右[3]。故因地制宜推廣太陽能、空氣熱能等可再生能源分布式多能互補應(yīng)用的新型供熱模式，對建筑節(jié)能減排具有重要意義[4,5]。目前太陽能光熱利用和熱泵型空調(diào)在我國已得到廣泛應(yīng)用，但兩者的結(jié)合應(yīng)用還比較少，兩者的結(jié)合應(yīng)用可以克服太陽能受天氣條件影響的缺點，也有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此國內(nèi)學(xué)者對太陽能熱泵技術(shù)展開了積極研究[1,2,6,7]。直膨式光伏光熱一體化（PVT）熱泵，作為一種新興的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，既可以利用熱泵及時將光伏組件的發(fā)電余熱帶走，緩解光伏組件溫度過高而引起的發(fā)電效率降低現(xiàn)象；也可以利用太陽能提高熱泵的蒸發(fā)溫度，改善系統(tǒng)熱力性能，從而實現(xiàn)清潔能源的優(yōu)勢互補與梯級利用[8,9]。

為了進(jìn)一步改善直膨式PVT 熱泵系統(tǒng)性能，Tsai[10,11]設(shè)計了光電自給自足的PVT 熱泵系統(tǒng)，熱泵COP 達(dá)7.09，光電光熱綜合效率達(dá)86%。Xu 等[12]和Pei 等[13,14]研究發(fā)現(xiàn)，PVT 熱泵系統(tǒng)的冬季制熱COP 在3.8 左右，夏季制冷COP 在4.7左右，光電轉(zhuǎn)換效率比單獨的光伏組件高16.3%，光電光熱綜合效率可達(dá)84.7%。Chen 等[15]、Zhou等[16,17]和Xu 等[18]分別研發(fā)了玻璃真空管PVT 蒸發(fā)器、微通道PVT 蒸發(fā)器和聚光型PVT 蒸發(fā)器，將上述三種蒸發(fā)器應(yīng)用于PVT 熱泵系統(tǒng)中，均取得了較好的熱電聯(lián)產(chǎn)性能。然而在冬季太陽輻射較弱或無太陽輻射時，PVT 組件不具備發(fā)電和產(chǎn)熱的作用，此時PVT 組件作為蒸發(fā)器的性能不如常規(guī)的風(fēng)冷式蒸發(fā)器。根據(jù)Sun 等[19]的研究結(jié)果，PVT 熱泵的COP 比空氣源熱泵在陰天夜間低約14.3%，而在晴天夜間低約46.7%。

針對如何保證直膨式PVT 熱泵系統(tǒng)在制熱工況下的連續(xù)高效運行難題，本研究提出一種復(fù)合型太陽能光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統(tǒng)，將PVT 蒸發(fā)器與風(fēng)冷式蒸發(fā)器有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行清潔能源的優(yōu)勢互補與梯級利用。搭建PVT 熱泵系統(tǒng)實驗測試平臺，利用EES 熱力學(xué)計算軟件分析太陽輻射照度、室外空氣溫度和冷凝溫度等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并將該PVT 熱泵系統(tǒng)制熱性能與常規(guī)風(fēng)冷式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對比，進(jìn)而為提升PVT 熱泵系統(tǒng)熱力性能并拓展多能互補應(yīng)用提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

PVT熱泵系統(tǒng)實驗測試在天津（117°E，39°N）進(jìn)行，其中復(fù)合型PVT 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。室外機(jī)部分被整合在三棱柱結(jié)構(gòu)內(nèi)，斜面上鋪放光伏板，傾角為45°，光伏板背板上鋪設(shè)鋁板，兩者通過高導(dǎo)熱EVA 膠進(jìn)行粘合，在鋁板背部鋪設(shè)制冷劑盤管，該盤管主要與光伏板背板進(jìn)行熱交換；在三棱柱內(nèi)部與光伏板平行鋪設(shè)兩排鋁板，鋁板上鋪放風(fēng)冷式蒸發(fā)盤管，鋁板與盤管組成翅片式換熱器，與空氣進(jìn)行熱交換。側(cè)面放置風(fēng)機(jī)，用于增強空氣擾動，強化換熱。

圖1 復(fù)合型PVT 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Schematic diagram of composite PVT evaporator structure

在日間，光伏板在太陽輻射下發(fā)電發(fā)熱，光伏板溫度高于周圍環(huán)境空氣溫度，此時利用PVT蒸發(fā)盤管制熱相比于風(fēng)冷式蒸發(fā)盤管可以提高蒸發(fā)溫度；在夜間，光伏板與低溫天空長波輻射換熱使得光伏板溫度降低，若利用PVT 蒸發(fā)盤管進(jìn)行制熱會降低蒸發(fā)溫度，可能導(dǎo)致盤管結(jié)霜甚至不能正常工作，此時利用風(fēng)冷式蒸發(fā)盤管進(jìn)行制熱，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與高效性。制熱循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，制冷劑為R410A，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 PVT 熱泵系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of PVT heat pump system

圖2 制熱循環(huán)實驗系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of heating experiment

1.2 測量裝置和測點位置

實驗測試參數(shù)包括：太陽輻射照度、蒸發(fā)及冷凝盤管進(jìn)出口壓力和溫度、制冷劑流量、光伏板背板溫度以及系統(tǒng)耗電量等，各參數(shù)的測量時間間隔為5s，測量裝置如表2所示。其中T 型熱電偶用來測量光伏板背板溫度，其布置位置如圖3所示?？紤]到光伏組件溫度分布的不均勻性，9個測溫點且沿板面長度和寬度方向均勻布置，取其平均值分析光伏板背板溫度變化規(guī)律。

表2 實驗中主要測量裝置Table 2 The main measuring devices in the experiment

續(xù)表2 實驗中主要測量裝置

圖3 光伏板背板溫度測點布置圖Fig.3 Temperature measurement points location of PV panel backplane

2 模擬計算

復(fù)合型PVT 熱泵系統(tǒng)壓焓圖如圖4所示，據(jù)此可得熱泵制熱量如式（1）：

圖4 PVT 熱泵系統(tǒng)lgP-h 圖Fig.4 lg P-h diagram of PVT heat pump

式中，mr為制冷劑流量，kg/s；h3、h6分別為冷凝器進(jìn)出口制冷劑焓值，kJ/kg。

壓縮機(jī)耗功量如式（2）：

式中，ηcom為壓縮機(jī)等熵效率，取0.75；h2為蒸發(fā)器出口制冷劑焓值，kJ/kg。

光伏板溫度可由式（3）進(jìn)行估算[20,21]：

式中，ta是室外環(huán)境空氣溫度，℃。

光伏板發(fā)電效率及發(fā)電量分別如式（4）和（5）所示：

式中，I為太陽輻射照度，W/m2；A為光伏板面積，m2；ηPV0和ηPV分別為光伏板在標(biāo)準(zhǔn)測試工況下的發(fā)電效率和實際發(fā)電效率；WPV為光伏板發(fā)電量，kW。

PVT 熱泵制熱工況下性能系數(shù)（COP）如式（6）：

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果分析

在太陽輻射照度約為100W/m2時，光伏板背板溫度與翅片溫度對比如圖5所示。實驗過程中，制冷劑流量穩(wěn)定在0.015kg/s 左右，當(dāng)室外溫度處于最高值17.5℃時，光伏板背板溫度可達(dá)到10℃。而當(dāng)室外空氣溫度在16～17.5℃之間變化時，風(fēng)冷式翅片和光伏板背板的溫度分別在7℃和8℃左右波動。圖6所示為PVT 熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度與COP 隨時間的變化曲線。在該時段內(nèi)，PVT 熱泵的蒸發(fā)溫度在0～1℃之間變化，比風(fēng)冷式熱泵系統(tǒng)高1～3℃；PVT 熱泵的COP 在3.4～3.6 之間，相比于風(fēng)冷式熱泵提高6.3%～12.5%，能效提升效果顯著。

圖5 光伏板背板與內(nèi)部翅片溫度對比圖Fig.5 Temperature comparison of the photovoltaic panel backplane and inner fins

圖6 PVT 熱泵性能隨時間變化曲線Fig.6 PVT heat pump performance curve with time

3.2 模擬結(jié)果分析

本節(jié)利用EES 熱力學(xué)計算軟件模擬不同太陽輻射強度、室外空氣溫度及冷凝溫度下PVT 熱泵的熱電性能，并將其與風(fēng)冷式熱泵在相同室外工況下的制熱性能進(jìn)行對比分析。

3.2.1 太陽輻射照度的影響

圖7所示PVT 熱泵制熱性能隨太陽輻射照度的變化曲線，隨著太陽輻射照度的增大，PVT 熱泵蒸發(fā)溫度與COP 均增大。當(dāng)室外溫度為0℃，太陽輻射照度為200、400、600W/m2時，PVT 熱泵的蒸發(fā)溫度分別為-15.3、-11.8 和-8.3℃，COP分別為3.1、3.5、3.9；而同種工況下風(fēng)冷式熱泵的蒸發(fā)溫度與COP 為定值，分別為-15℃和2.9。由此可見，太陽輻射照度對改善PVT 熱泵蒸發(fā)溫度和制熱性能影響較大。

圖7 PVT 熱泵制熱性能隨太陽輻射照度變化曲線Fig.7 Variation curve of PVT heat pump heating performance with solar irradiance

3.2.2 室外空氣溫度和冷凝溫度的影響

冷凝溫度和室外溫度對PVT 熱泵COP 的影響如圖8所示。當(dāng)室外溫度為0℃、制冷劑流量為0.015kg/s、太陽輻射照度為500W/m2、冷凝溫度為55、60、65℃時，PVT 熱泵的COP 分別為4.1、3.7、3.3，表明冷凝溫度越低，熱泵的COP越大，這是因為在蒸發(fā)溫度相同的情況下，冷凝溫度越低，壓縮機(jī)耗功越少。而在相同冷凝溫度下，隨著室外溫度的升高，蒸發(fā)溫度升高，熱泵COP 增大。當(dāng)冷凝溫度為60℃，同時室外空氣溫度由-5℃增加到15℃時，PVT 熱泵COP 可由3.4提高至5.0，分別比風(fēng)冷式熱泵高25.9%和35.1%。

圖8 室外空氣溫度和冷凝溫度對(a)PVT 熱泵和(b)風(fēng)冷式熱泵制熱性能的影響Fig.8 Influence of ambient temperature and condensing temperature on the heating performance of(a)PVT heat pump and(b)air-cooled heat pump

3.2.3 PVT 熱泵與風(fēng)冷式熱泵熱力性能比較

在日間制熱工況下，當(dāng)室外溫度為0℃、太陽輻射照度為500W/m2、制冷劑流量為0.015kg/s時，PVT 熱泵與風(fēng)冷式熱泵的lgP-h如圖9所示，其中PVT 熱泵的熱力參數(shù)變化過程為1-2-3-4-5-6-7，風(fēng)冷式熱泵的熱力參數(shù)變化過程為1’-2’-3’-4’-5’-6’-7’。相比于風(fēng)冷式熱泵，PVT 熱泵的蒸發(fā)溫度可提高5.0 ℃，蒸發(fā)壓力升高92.1kPa，蒸發(fā)器出口焓值為419.03kJ/kg。同時制熱量降低0.086kW，光伏組件發(fā)電量為165W，系統(tǒng)耗電量降低279W。綜上，PVT 熱泵的COP為3.7，比風(fēng)冷式熱泵COP 提高27.6%。

圖9 PVT 熱泵與風(fēng)冷式熱泵的lg P-h 圖Fig.9 lg P-h diagram of PVT heat pump and air-cooled heat pump

4 結(jié)論

該研究將PVT 蒸發(fā)器與風(fēng)冷式蒸發(fā)器有機(jī)結(jié)合，提出一種復(fù)合型太陽能光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統(tǒng)，既可以高效利用太陽能，又能保證系統(tǒng)連續(xù)制熱運行的穩(wěn)定性。對系統(tǒng)的熱電性能進(jìn)行實驗測試與模擬分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）PVT 組件可以充分利用太陽能，當(dāng)太陽輻射照度在100～500W/m2，光伏板溫度上升，可使蒸發(fā)溫度提高-2.7～7.1℃，系統(tǒng)COP 提高-0.6%～38.8%，太陽輻射較強時熱電聯(lián)產(chǎn)效果顯著。

（2）當(dāng)太陽輻射照度為500W/m2時，隨著室外空氣溫度在-5～15℃、冷凝溫度在55～65℃之間變化，PVT 熱泵的COP 在3.1～5.6 之間，均高于同種工況下風(fēng)冷式熱泵的COP。

（3）當(dāng)室外溫度為0℃、太陽輻射照度為500W/m2、制冷劑流量為0.015kg/s 時，PVT 熱泵的制熱量雖然比風(fēng)冷式熱泵低86W，但光伏組件發(fā)電量為165W，系統(tǒng)耗電量比風(fēng)冷式熱泵小279W，PVT 熱泵COP 比風(fēng)冷式熱泵高27.6%。