太陽能-空氣光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特性

周偉 張小松 劉劍 黃紫祺

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096）

太陽能-空氣光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特性

周偉 張小松 劉劍 黃紫祺

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096）

本文研究了一種新型光伏/光熱一體化（PV/T）復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng)，將多孔扁盒式PV/T集熱板與空氣源熱泵相結(jié)合，根據(jù)不同控制方式組合成雙熱源并聯(lián)、單太陽能和單空氣能三種不同運(yùn)行模式。在室外環(huán)境溫度28.5℃下，將200 L 30℃熱水加熱到55℃，研究了加熱時(shí)間、熱水溫度、COP等性能的變化規(guī)律，結(jié)果表明雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式下分別比單太陽能模式和單空氣能模式的加熱時(shí)間縮短了42%和54%，COP分別提高了32.78%和47.64%；同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了在夏季工況下將200 L水從9∶00循環(huán)加熱到17∶00過程中系統(tǒng)熱性能，探討了太陽輻射強(qiáng)度、PV/T集熱板溫度對光電/光熱效率的影響，通過實(shí)驗(yàn)對比可以得出在熱電模式下系統(tǒng)的光電效率ηpv比單一光電模式平均高25.8%.

復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng)；PV/T；多孔扁盒；運(yùn)行模式；光電/光熱效率

太陽能是一種取之不盡、安全、清潔無污染的可再生能源［1］，利用太陽能提供生活熱水是減少建筑能耗、緩解能源與環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一。我國是太陽能資源十分豐富的國家，年日照時(shí)數(shù)大于2 200 h，太陽年輻射總量高于5 016 MJ/m2的地區(qū)占全國總面積的2/3以上［2-3］，具有利用太陽能的良好條件。空氣源熱泵系統(tǒng)是以空氣作為冷源或熱源的熱泵，利用空氣源熱泵可將建筑的冷熱源合二為一，節(jié)約成本的同時(shí)提高了設(shè)備使用率。但其缺點(diǎn)是冬季氣溫下降時(shí)，蒸發(fā)壓力隨之降低，使得壓縮機(jī)吸氣比容增大，制冷劑流量減少，導(dǎo)致制熱能力大幅度衰減［4-5］。

針對太陽能現(xiàn)狀及空氣源熱泵的工作特性，與熱泵有機(jī)結(jié)合的光伏/光熱一體化熱泵可實(shí)現(xiàn)高效率的熱、電聯(lián)供［5-7］。一方面，PV/T系統(tǒng)提供電能的同時(shí)為光伏系統(tǒng)增加了熱能；另一方面，PV/T光伏組件產(chǎn)生的熱量被系統(tǒng)中的循環(huán)水帶走，降低了光伏電池的工作溫度，提高了發(fā)電量。目前PV/T光伏/光熱一體化的研究重點(diǎn)之一是太陽能光伏集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，如Ito S等［5-6］設(shè)計(jì)了一種吹脹式鋁板結(jié)構(gòu)，Jan S等［8-12］開展了平板型集熱結(jié)構(gòu)、低倍聚光型PV/T-HP的理論與實(shí)驗(yàn)研究。上述研究主要針對集熱器性能進(jìn)行了熱力研究但并未給出系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)對光電、光熱特性的影響。季杰等［13-14］提出一種全鋁扁盒式PV/T熱水系統(tǒng)，指出在對系統(tǒng)最終水溫要求不高的情況下，可以通過降低系統(tǒng)初始水溫等方法提高系統(tǒng)發(fā)電效率和熱效率，但該集熱器不能承受過大壓力?？紫閺?qiáng)等［15］對裸板集熱器的熱力性能做了性能模擬，表明集熱管內(nèi)徑對集熱效率影響并不大，但并未提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。郭超等［16］對太陽能、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)做了性能優(yōu)化的相關(guān)工作，通過模擬全年不同溫度、氣候環(huán)境，計(jì)算優(yōu)化方案的綜合運(yùn)行效果，全年累計(jì)電能消耗減少達(dá)45.8%。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于一種自行研發(fā)的多孔扁盒集熱器與空氣源熱泵相結(jié)合，組成具有幾種不同運(yùn)行模式的新型PV/T光伏光熱一體化熱泵系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各性能及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

基于太陽能和空氣能光伏/光熱一體化熱泵的建筑熱電聯(lián)供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為屋頂PV/T光伏/光熱子系統(tǒng)和室內(nèi)空氣能熱泵子系統(tǒng)。其中屋頂PV/T光伏/光熱子系統(tǒng)主要由3塊PV/T集熱板、3 塊PV板、逆變器、循環(huán)水泵、緩沖水箱等裝置構(gòu)成；室內(nèi)空氣能熱泵子系統(tǒng)主要由熱水箱、板式換熱器、風(fēng)冷換熱器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置、電磁閥等構(gòu)成。屋頂PV/T光伏/光熱子系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為水，空氣能熱泵子系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為R22。自來水由循環(huán)水泵進(jìn)入屋頂上的PV/T集熱板，再進(jìn)入緩沖水箱進(jìn)行蓄熱，當(dāng)緩沖水箱與PV/T集熱板中水的溫差達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉電磁閥1開啟電磁閥2，熱水進(jìn)入板式換熱器與制冷劑進(jìn)行換熱，溫度下降，降溫后的熱水再進(jìn)入PV/T集熱板，對電池模塊進(jìn)行冷卻后流入緩沖水箱，完成一個(gè)循環(huán)。光伏電池在水的冷卻下能夠穩(wěn)定高效地為建筑物輸出電能；另一側(cè)的制冷劑首先在板式換熱器中吸收熱水的能量再經(jīng)由風(fēng)冷換熱器進(jìn)一步吸收空氣能蒸發(fā)后依次經(jīng)壓縮機(jī)、冷凝水箱、電子膨脹閥后完成一個(gè)熱泵循環(huán)，從而加熱水箱中的熱水，獲取的熱水可以全年為建筑物提供生活熱水、冬季采暖或夏季作為驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的輔助熱源。

圖1　PV/T光伏光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of PV/T integrated heat pum p water heating system

2　雙熱源光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

為研究本光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，本文搭建了太陽能-空氣光伏/光熱復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，其原理如圖1所示。

熱水系統(tǒng)中制冷劑為R22，壓縮機(jī)為熱泵熱水器專用封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)（功率886 W），熱水箱容積為200 L，內(nèi)置冷凝盤管長度12 m，板式換熱器與風(fēng)冷換熱器并聯(lián)構(gòu)成系統(tǒng)的蒸發(fā)端，其中板式換熱器額定換熱量為2 200W，風(fēng)冷換熱器額定換熱量為2 215 W；實(shí)驗(yàn)中熱水箱的進(jìn)口水溫恒定，在入口處布置一個(gè)功率為3 kW的電加熱器。系統(tǒng)中緩沖水箱的容積為40 L。集熱裝置由3塊1.60 m2的PV/T集熱/蒸發(fā)板組成，正南方向放置，傾角35°，其背部焊接6根多孔扁盒結(jié)構(gòu)集熱管，扁盒截面尺寸為25 mm× 2.5 mm，分為5個(gè)小孔，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　多孔扁盒集熱板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure ofmu lti-port flat extruded alum inum tube

光伏系統(tǒng)主要包括光伏電池組件、逆變控制器、無線路由器。光伏組件是由360塊156 mm×156 mm黑色多晶硅太陽能電池并聯(lián)組成，總功率為1 500 W；逆變控制器為GOODWE光伏并網(wǎng)逆變器，型號為GW1500-NS，具有過壓、欠壓、過流、過熱等保護(hù)功能，額定直流電壓為360 V，額定輸出電壓為220 V，額定交流頻率為50 Hz。

2.2測試方案

實(shí)驗(yàn)中測量系統(tǒng)由溫度測量、壓力測量、流量測量、輻射測量裝置組成。測量溫度時(shí)，使用鉑電阻與銅-康熱電偶分別測量水溫與制冷劑溫度；測量太陽輻射強(qiáng)度使用錦州陽光TBQ-2太陽總輻照表，與集熱器平面平行。流量測量使用2個(gè)渦輪流量計(jì)分別測量循環(huán)水流量與熱水箱出水流量，壓縮機(jī)進(jìn)出口與電子膨脹閥前后各置一個(gè)壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)中功率的測量使用橫河WT230功率。使用Agilent 34972A采集裝置進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，采集時(shí)間間隔為10 s。

2.2.1熱泵熱水器系統(tǒng)性能測量

為了深入研究復(fù)合熱源熱泵熱水器的系統(tǒng)性能，分別對如下參數(shù)進(jìn)行測量:

1）PV/T集熱器進(jìn)、出口的水溫tp1和tp2；板式換熱器水側(cè)進(jìn)、出口溫度tb1和tb2；板式換熱器制冷劑側(cè)進(jìn)、出口溫度tz1和 tz2；風(fēng)冷換熱器進(jìn)、出口處制冷劑溫度tf1和tf2；壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度tr1和進(jìn)氣壓力pr1；壓縮機(jī)排氣溫度tr2和排氣壓力pr2；節(jié)流前制冷劑溫度tj1和制冷劑壓力pj1；節(jié)流后制冷劑溫度tj2和制冷劑壓力pj2；熱水箱進(jìn)、出口的水溫度twi和two；

2）緩沖水箱側(cè)循環(huán)水體積流量Gw1和熱水箱側(cè)循環(huán)水體積流量Gw2；

3）PV/T集熱器沿長度方向分別布置4個(gè)測點(diǎn)的溫度t1，t2，t3和t4；

4）壓縮機(jī)功率Ncom1，循環(huán)水泵功率Ncom2和補(bǔ)給水泵功率Ncom3；

熱泵熱水器輸出的熱量即熱水箱得熱量為:

熱泵熱水器的性能系數(shù)為熱泵輸出熱量與壓縮機(jī)耗功的比值:

2.2.2光伏集熱器電性能的測量

實(shí)驗(yàn)中采用的光伏并網(wǎng)控制器通過直接測量光伏組件輸出電壓Vpv和輸出電流Ipv從而獲得光伏組件的實(shí)時(shí)輸出功率:

實(shí)驗(yàn)中定義光伏組件的光電輸出效率為單位面積光伏電池的實(shí)際輸出功率與電池所在平面上太陽總輻射強(qiáng)度的比值:

2.2.3誤差分析

由于實(shí)驗(yàn)所用測量與采集工具存在一定誤差，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，因此有必要對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗(yàn)中采用各種儀表測得的參數(shù)，其誤差取決于測量儀表的精度，各測量裝置的具體參數(shù)如表1所示；而系統(tǒng)的光電性能及熱力性能參數(shù)均為直接測量值的函數(shù)，如公式（6）所示，其誤差可以通過x1，x2，···，xn等獨(dú)立變量的誤差計(jì)算得到，變量y的相對誤差計(jì)算如公式（7）所示，平均相對誤差如公式（8）所示［17］，相對誤差如表2所示。

3　實(shí)驗(yàn)運(yùn)行分析

3.1熱泵熱水系統(tǒng)加熱熱水熱性能實(shí)驗(yàn)分析

在常州地區(qū)根據(jù)不同運(yùn)行模式（case1-雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式、case2-單太陽能運(yùn)行模式、case3-單空氣能運(yùn)行模式），進(jìn)行熱泵熱水系統(tǒng)加熱熱水的熱性能實(shí)驗(yàn)研究（包括系統(tǒng)性能參數(shù)、加熱時(shí)間等），并針對其中的雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式研究熱水水溫、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)排氣溫度等性能參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，取室外環(huán)境溫度相同的測試周期分別進(jìn)行熱水加熱實(shí)驗(yàn)。測試期間內(nèi)室外環(huán)境溫度平均值為28.5℃，空氣平均相對濕度為34.6%，平均相對風(fēng)速為0.67 m/s，水箱初始水溫30℃，終止水溫為55℃，出水流量控制在（0.36 ±0.01）m3/h。圖3所示為不同運(yùn)行模式下熱水溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線。由圖可知，實(shí)驗(yàn)過程中三種運(yùn)行模式的曲線斜率都隨時(shí)間逐漸減小。在室外平均環(huán)境溫度為28.5℃時(shí)，三種運(yùn)行模式所需的加熱時(shí)間分別為75 min，130 min和165 min，可知在雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式下將200 L熱水加熱至55℃所需時(shí)間最短，分別比單太陽能運(yùn)行模式和單空氣能運(yùn)行模式縮短了42%和54%。

表1　測量裝置具體參數(shù)Tab.1 Specifications of the differentmeasuring devices

表2　計(jì)算量的相對誤差Tab.2 Relative error of calculated values

圖3　不同運(yùn)行模式下熱水溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Variations of hot water tem perature w ith time in different operationalmodes

圖4所示為三種運(yùn)行模式下COP隨加熱時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知，各運(yùn)行模式下系統(tǒng)的COP都隨運(yùn)行時(shí)間的增加而減少，而且由曲線斜率可以得出COP減少的幅度也越來越小。但在室外環(huán)境溫度相同的情況下，雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式總是比單熱源運(yùn)行模式下的COP高，而且COP在3.35～6.40之間變化，平均值為4.51；單太陽能運(yùn)行模式下的COP在2.32～4.46之間變化，平均值為3.10；單空氣能運(yùn)行模式下的COP在1.80～3.82之間變化，平均值為2.20；雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式下的最高COP分別比單太陽能模式和單空氣能模式下提高 32.78%和47.64%，平均值相對提高24.47%和40.14%；單太陽能運(yùn)行模式下的最高COP比單空氣能運(yùn)行模式下提高26.05%，平均值提高21.98%。由此可知，雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式效果最好，其次為單太陽能運(yùn)行模式，單空氣能運(yùn)行模式效果最差。

圖4　不同運(yùn)行模式下COP隨加熱時(shí)間變化Fig.4 Variations of COP w ith heating time in different operationalmodes

圖5　系統(tǒng)運(yùn)行溫度參數(shù)及太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variations of solar radiation intensity and system′s operating tem peratures w ith time

熱泵熱水系統(tǒng)在雙熱源運(yùn)行模式下將200 L水從30℃加熱至55℃的過程中，系統(tǒng)各運(yùn)行溫度參數(shù)以及太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示。在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行的前5min，由于集熱板溫度較高，導(dǎo)致集熱器中的循環(huán)水溫度較高，使壓縮機(jī)吸氣溫度過高，排氣溫度迅速升高到68.23℃。然而隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，集熱板逐漸被冷卻，系統(tǒng)進(jìn)入相對穩(wěn)定的運(yùn)行階段，熱水箱中的水溫不斷被加熱到55℃，冷凝溫度從51.65℃升高到69.93℃，排氣溫度從62.90℃升高到97.53℃。系統(tǒng)在14∶00～15∶10運(yùn)行期間，太陽輻射強(qiáng)度整體呈下降趨勢，蒸發(fā)溫度te也呈現(xiàn)下降趨勢，而且冷凝溫度tc和熱水溫度two的增加速率也逐漸降低。原因在于隨著太陽輻射強(qiáng)度的減少，集熱板吸收的熱量不斷降低，導(dǎo)致系統(tǒng)蒸發(fā)端吸熱量減少。

3.2恒定進(jìn)水溫度工況下熱泵熱水系統(tǒng)的熱輸出特性分析

在常州地區(qū)的一個(gè)晴天用熱泵熱水系統(tǒng)以單太陽能運(yùn)行模式在恒定進(jìn)水溫度為28℃的條件下將200 L水進(jìn)行循環(huán)加熱的熱性能實(shí)驗(yàn)。測試時(shí)間為2015-10-03，自09∶00～17∶00的測試期間，PV/T集熱器所在傾斜平面上的太陽輻射強(qiáng)度EI隨時(shí)間的變化如圖6所示。測試期間太陽輻射強(qiáng)度在115～1 025 W/m2之間變化；環(huán)境溫度最高值為31.7℃，最低值為22.2℃，平均值為26.7℃；空氣平均相對濕度34.6%，平均相對風(fēng)速為0.67 m/s；熱水箱初始水溫28℃，出水流量控制在（0.27±0.01）m3/h。

圖6　太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 Variation of solar radiation w ith time

系統(tǒng)在運(yùn)行期間各溫度參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系如圖7所示。從圖中可得，在恒定出水流量0.27 m3/h的工況下，系統(tǒng)運(yùn)行120 min后，熱水溫度two達(dá)到40℃，之后保持28℃進(jìn)水和40℃出水的狀態(tài)。系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)，由于PV/T集熱板的初始溫度tp較高，使壓縮機(jī)吸氣溫度過高，壓縮機(jī)排氣溫度tr2迅速上升至80℃。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開啟30 min內(nèi)，隨著PV/T集熱板被不斷冷卻，集熱板溫度tp出現(xiàn)降低趨勢，致使壓縮機(jī)吸氣溫度與排氣溫度也出現(xiàn)降低趨勢；9∶30之后測試時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入相對穩(wěn)定運(yùn)行階段，隨著運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，熱水箱中水溫不斷升高至40℃，壓縮機(jī)排氣溫度不斷升高至89℃。在9∶30～12∶30的測試時(shí)間內(nèi)，由于太陽輻射強(qiáng)度不斷上升，PV/T集熱板的溫度和板式換熱器得熱量不斷增加，壓縮機(jī)吸/排氣溫度呈上升趨勢；12∶30以后太陽輻射強(qiáng)度不斷下降，PV/T集熱板的溫度和板式換熱器得熱量不斷降低，壓縮機(jī)吸/排氣溫度呈下降趨勢。因此，在保證恒定進(jìn)出水溫度的工況下，系統(tǒng)的吸氣溫度與排氣溫度主要受太陽輻射強(qiáng)度的影響，其整體變化趨勢與太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線一致。

圖7　系統(tǒng)溫度參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.7 Variations of system′s operating tem peratures w ith time

圖8所示為熱泵熱水系統(tǒng)在9∶00～17∶00的運(yùn)行期間內(nèi)COP隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知系統(tǒng)COP的整體變化趨勢與太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系保持一致，但由于制冷劑直接吸收的熱量來自于PV/T集熱板中的循環(huán)水，而水的比熱容較大，因此COP的波動(dòng)幅度相對于太陽輻射強(qiáng)度較穩(wěn)定。在12 ∶00之前，由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸升高，系統(tǒng)得熱量不斷增加，COP呈上升趨勢，之后由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸下降，系統(tǒng)得熱量不斷減少，COP呈下降趨勢；整個(gè)運(yùn)行期間系統(tǒng)的COP在2.6～4.5之間波動(dòng)，平均值為3.5，COP整體偏小是由冷凝盤管設(shè)計(jì)長度較短所致。

圖8　COP隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Variation of heat pum p′s COP w ith time

集熱效率是衡量PV/T集熱器的一個(gè)重要參數(shù)，圖9所示為PV/T集熱器的集熱量及集熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系。PV/T板的集熱量主要受太陽輻射強(qiáng)度的影響，其變化趨勢與太陽輻射強(qiáng)度EI的變化趨勢保持一致；PV/T板的集熱效率在12∶30之前保持在51%～60%之間，平均值為55%。圖10所示為PV/T板溫度與環(huán)境溫度的變化關(guān)系。結(jié)合圖9和圖10可知:在12∶30之后，由于太陽輻射強(qiáng)度突然下降與環(huán)境溫度的升高，PV/T板與環(huán)境之間的溫差減小，其向周圍空氣的散熱量減少，使得PV/T板的集熱效率突然升高；而在13∶50 PV/ T集熱板的集熱效率大于1是由于此時(shí)其溫度低于環(huán)境溫度，集熱板除了吸收太陽能還從空氣中吸收了一部分能量。

圖9　PV/T板集熱量與集熱效率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.9 Variations of PV/T cells′heat-collecting capacity and efficiency w ith tim e

3.3恒定進(jìn)水溫度工況下熱泵系統(tǒng)的電輸出特性分析

本次實(shí)驗(yàn)的光伏輸出系統(tǒng)由3塊PV板與3塊PV/T板構(gòu)成，分為熱電輸出模式（PV/T-HPmode）和（PV mode）單一光電輸出模式。測試期間，環(huán)境溫度從23.5℃升高到29.5℃，傾斜面上的太陽輻射強(qiáng)度在200～1 000 W/m2之間波動(dòng)。如圖10所示，在兩種光電輸出模式下，集熱板背部的溫度受太陽輻射強(qiáng)度的影響整體呈先升高后下降的趨勢，但熱電模式下的集熱板溫度波動(dòng)幅度小于單一光電模式；熱電模式下PV/T板背部的溫度在30～41℃波動(dòng)，平均值為35℃，單一光電模式下集熱板背部的溫度在43～65℃波動(dòng)，平均值為56.6℃，二者之間最大溫差為24.7℃，平均溫差為21.6℃。

圖11所示為兩種運(yùn)行模式下的光電輸出效率對比，12∶30之前熱電運(yùn)行模式下的光電輸出效率ηpv基本維持在15.4%，而單一光電運(yùn)行模式下的光電輸出效率ηpv保持12.4%，熱電模式下的ηpv平均比單一光電模式下的ηpv高25.8%；而12∶30之后，由于太陽輻射強(qiáng)度劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致兩種模式下的ηpv也出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，但整體上熱電模式ηpv高于單一光電模式ηpv。

圖10　兩種工作模式下集熱板溫度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.10 Variations of PV/T cells′temperatures w ith time in two operation m odes

圖11　兩種模式下光電輸出效率對比Fig.11 Com parisons of output electrical efficiencies in two operation modes

4　結(jié)論

本文介紹了一種自行研制的新型PV/T復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng)，并針對該系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性能的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

1）在室外平均環(huán)境溫度為28.5℃時(shí)，通過雙熱源并聯(lián)模式、單太陽能模式、單空氣能模式三種運(yùn)行模式將200 L水從30℃加熱到55℃的實(shí)驗(yàn)過程中，加熱時(shí)間分別為75 min，130 min和165 min，系統(tǒng)COP分別為4.51，3.10和2.20。雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式下的加熱時(shí)間分別比單太陽能運(yùn)行模式和單空氣能運(yùn)行模式縮短了42%和54%，最高COP分別提高了32.78%和47.64%，由此可知雙熱源并聯(lián)模式的運(yùn)行效果最佳。

2）在常州地區(qū)室外平均環(huán)境溫度為26.7℃，恒定進(jìn)水溫度為28℃的條件下，將200 L水進(jìn)行循環(huán)加熱實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的平均COP為3.5，PV/T集熱板的集熱效率為55%，COP偏小是由于冷凝盤管設(shè)計(jì)長度較短所致；在熱電模式下PV/T集熱板的熱量不斷被經(jīng)過的循環(huán)水帶走，使得PV/T集熱板的溫度比單一光電模式下的溫度平均低21.6℃，兩者的光電輸出效率分別為15.4%和12.4%，熱電模式下的ηpv比單一光電模式平均高25.8%。

符號說明

Qw——熱泵得熱量，kW

cp——水的比熱容，J/（kg·K）

ρw——水的密度，kg/m3

EI——傾斜面太陽輻射強(qiáng)度，W/m2

Apv——光伏電池總面積，m2

GW1——集熱箱水的體積流量，m3/s

GW2——熱水箱水的體積流量，m3/s

Ipv——光伏組件輸出電流，A

Vpv——光伏組件輸出電壓，V

Ppv——光伏電池輸出功率，W

Ncom1——壓縮機(jī)功率，W

Ncom2——循環(huán)水泵功率，W

Ncom3——補(bǔ)給水泵功率，W

tp——集熱板平均溫度，℃

two——熱泵熱水器出口溫度，℃

te——熱泵蒸發(fā)溫度，℃

tc——熱泵冷凝溫度，℃

tr1——壓縮機(jī)吸氣溫度，℃

tr2——壓縮機(jī)排氣溫度，℃

ηpv——光電輸出效率

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About the author

Zhou Wei，male，master degree candidate，School of Energy and Environment，Southeast University，+86 15105177377，E-mail: seuzhous@163.com.Research fields:solar energy utilization and building energy efficiency.

Experimental Study of Solar-air Photovoltaic/Thermal Integrated Heat Pum p W ater Heating System

Zhou Wei Zhang Xiaosong Liu Jian Huang Ziqi
（School of Energy and Environment，Ministry of Education of Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control，Southeast University，Nanjing，210096，China）

A new type of photovoltaic/thermal integrated multiple heat source heat pump water heating system is studied.According to different controlling patterns，three operating modes are proposed which combines air source heat pump and PV/T collector based on multi-port tube.The three operatingmodes are double heat source operatingmode，single solar energy operatingmode and single air energy operatingmode.The performances of system are evaluated experimentally under different operating modes，including water temperature，heating time and coefficient of performance，etc.When 200 L water is heated from 30℃ to 55℃ at ambient temperature of28.5℃，experimental results show that the running time of double heat source operation is shorter than that of single air energy operation and single solar energy operation，decreased by 42%and 54%，respectively.The COP increase 32.78%and 47.64%，respectively.At the same time，the system's thermodynamic and photovoltaic output characteristics for heating 200 L are investigated experimentally from 9:00 to 17:00.Meanwhile，the effectof solar radiation intensity and PV/T collector's temperature on the photovoltaic/thermal efficiency is discussed.Comparative experimental results show that the photoelectric efficiency of thermoelectricmode is25.8%higher than thatof single photoelectric mode.

multiple source heat pump water heating system；photovoltaic/thermal（PV/T）；multi-port tube；operatingmode；photovoltaic/thermal efficiency

TK519；TQ051.5

A

0253-4339（2016）05-0010-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.010

國家自然科學(xué)基金（51376044）和國家科技支撐計(jì)劃（2011BAJ03B14）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51376044）and the National Key Technology R&D Program of China（No.2011BAJ03B14）.）

2016年3月7日

周偉，男，碩士研究生，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，15105177377，E-mail:seuzhous@163.com。研究方向:太陽能利用與建筑節(jié)能。