太陽(yáng)能-空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

侯隆澍，全貞花，杜伯堯，趙耀華，江波

（1 北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124； 2 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心，北京100835； 3 北京萬(wàn)興建筑集團(tuán)有限公司，北京102600）

引 言

基于光伏光熱技術(shù)的太陽(yáng)能直膨熱泵系統(tǒng)（PV/T-DXHP）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能等特點(diǎn)，是近年來(lái)太陽(yáng)能綜合利用的一種新形式。針對(duì)光伏光熱蒸發(fā)器（PV/TE）的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和PV/T-DXHP 系統(tǒng)的運(yùn)行特性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已從理論和實(shí)驗(yàn)等角度進(jìn)行研究[1]。Ji等[2]采用管板式PV/TE 與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行分析，與獨(dú)立運(yùn)行的光伏光熱組件和熱泵系統(tǒng)相比，其COP 和電效率均有提升。Mohanraj等[3-4]對(duì)比圓管和三角管的管板式PV/T-DXHP 系統(tǒng)的運(yùn)行性能，研究表明三角管比圓管COP提升約3%～5%、電效率提升約4%～13%。徐國(guó)英等[5]對(duì)采用多孔扁管式結(jié)構(gòu)的PV/TDXHP 系統(tǒng)進(jìn)行研究，與管板式結(jié)構(gòu)相比，COP 提升約7%、熱效率提升約6%。Zhang 等[6-9]設(shè)計(jì)吹脹式結(jié)構(gòu)PV/TE 并建立熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，其夏季時(shí)COP 和電效率可達(dá)7.18 和11.8%，冬季時(shí)約3.45 和7.51%。Shao 等[10-11]將上述系統(tǒng)與建筑屋頂相結(jié)合并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究表明該系統(tǒng)可降低建筑得熱量約39.9%、日負(fù)荷約38.6%。

目前，研究學(xué)者已對(duì)管板式、流道式和吹脹式結(jié)構(gòu)的PV/T-DXHP 系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，但對(duì)熱管式PV/T-DXHP 系統(tǒng)研究卻相對(duì)較少[12-14]。由于熱管具有傳熱性能強(qiáng)、均溫性好等特點(diǎn)，其與PV/TDXHP 系統(tǒng)結(jié)合具有很好的應(yīng)用前景。Fu 等[15-16]采用熱管式光伏光熱組件與熱泵系統(tǒng)進(jìn)行集成，對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行研究，在太陽(yáng)能熱泵模式下運(yùn)行時(shí)，其熱效率約61.1%～82.1%、電效率約8.3%～9.1%。但是上述系統(tǒng)在熱泵模式下蒸發(fā)器是以管板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行集熱的，未充分發(fā)揮熱管的作用，同樣的情況也出現(xiàn)在Li等[17-18]的研究中。Zhang 等[19-22]采用圓柱形熱管對(duì)PV/T-DXHP 系統(tǒng)進(jìn)行改造，在室外測(cè)試條件下，其電效率、熱效率和總效率約9.13%、39.25%和48.37%，COP可達(dá)5.51以上。但是受圓柱形熱管的形狀限制，其與換熱元件間的接觸面積有限、熱阻偏大，一定程度上影響了系統(tǒng)性能[23]。

為優(yōu)化熱管式PV/TE 的結(jié)構(gòu)、提升PV/T-DXHP系統(tǒng)性能，在前期研究的基礎(chǔ)上[23-26]，本文將平板微熱管陣列光伏光熱組件改造為新型光伏光熱蒸發(fā)器（photovoltaic-thermal evaporator with flat micro heat pipe array, MHPA-PV/TE），設(shè)計(jì)研發(fā)一種新型太陽(yáng)能-空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)（solar energy and air dual-heat-source heat pump system, DHS-HP），它可以同時(shí)從太陽(yáng)輻射和環(huán)境空氣中吸收熱量，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，提升系統(tǒng)的綜合性能。為深入分析該系統(tǒng)的運(yùn)行性能，本文對(duì)近似工況下太陽(yáng)能供熱模式和雙熱源供熱模式下DHS-HP 系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行研究，分析不同模式運(yùn)行特點(diǎn)、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略，旨在為該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 DHS-HP系統(tǒng)

1.1 MHPA-PV/TE結(jié)構(gòu)

圖1為平板微熱管陣列，其具有接觸熱阻小、傳熱能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)[27-28]。圖2 為MHPA-PV/TE，其利用平板微熱管陣列對(duì)傳統(tǒng)PV/TE 結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，從上到下依次為光伏組件、平板微熱管陣列、制冷劑換熱器、空氣換熱器和風(fēng)機(jī)、保溫層等。其中，光伏組件采用單晶硅，總面積約1.86 m2，發(fā)電面積約1.79 m2；每個(gè)平板微熱管陣列尺寸為950 mm×120 mm×3 mm，均勻布置于電池背部；制冷劑換熱器采用微通道扁管，尺寸為1950 mm×100 mm×10 mm，固定于熱管背部上方，兩個(gè)風(fēng)機(jī)均安裝于其背部，提升與環(huán)境空氣的換熱能力；熱管背部的其余區(qū)域敷設(shè)15 個(gè)空氣換熱器，尺寸均為850 mm×120 mm×20 mm；保溫層厚度約30 mm，被粘貼在空氣換熱器背部，以減少熱損失。此外，每個(gè)換熱元件接觸面間均填充有導(dǎo)熱硅膠，以減少接觸熱阻。

1.2 DHS-HP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖1 平板微熱管陣列示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat micro heat pipe array

圖2 MHPA-PV/TE示意圖Fig.2 Schematic diagram of MHPA-PV/TE

圖3 為DHS-HP 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括MHPA-PV/TE、壓縮機(jī)、貯熱水箱、毛細(xì)管、套管換熱器等部件。其中，采用MHPA-PV/TE 的同時(shí)，本系統(tǒng)還設(shè)置了風(fēng)冷換熱器作為輔助蒸發(fā)器，通過(guò)雙蒸發(fā)器的相互補(bǔ)充，用以提升系統(tǒng)的適用范圍。通過(guò)梳理已有相關(guān)系統(tǒng)的選型參數(shù)[2-22]，1HP 壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)光伏光熱蒸發(fā)器面積約2～5 m2，單位面積光伏光熱蒸發(fā)器對(duì)應(yīng)水箱容積約26～92 L。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)際選用2塊光伏光熱蒸發(fā)器（單塊面積為1.86 m2），1HP 定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，水箱容積為200 L，制冷劑為R22。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在供熱工況下具有3 種運(yùn)行模式：①太陽(yáng)能供熱模式（S 模式）。當(dāng)白天晴朗、日照充足時(shí)，電磁閥5-1 和5-3 開(kāi)啟、5-2 和5-4 關(guān)閉，MHPA-PV/TE背部風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，以太陽(yáng)能為主要熱源進(jìn)行供熱；②太陽(yáng)能-空氣雙熱源供熱模式（SA模式）。當(dāng)白天多云、日照不足時(shí)，電磁閥5-1 和5-3 開(kāi)啟、5-2 和5-4 關(guān)閉，MHPA-PV/TE 背部風(fēng)機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)，以太陽(yáng)能和環(huán)境空氣為熱源進(jìn)行供熱；③空氣源供熱模式（A 模式）。當(dāng)白天陰天或夜間時(shí)，電磁閥5-1 和5-3 關(guān)閉、5-2 和5-4 開(kāi)啟，以環(huán)境空氣為主要熱源進(jìn)行供熱。此外，根據(jù)使用需求的變化，該系統(tǒng)還可以通過(guò)開(kāi)啟四通換向閥6，利用單向閥組10，實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)的功能。測(cè)試儀器和傳感器參數(shù)如表1所示。其中，熱電阻用于采集水箱、蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)、冷凝器進(jìn)出水和MHPA-PV/TE 背板等溫度；熱電偶用于采集蒸發(fā)器、冷凝器等部件中制冷劑的溫度。流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)均通過(guò)Agilent 34970A進(jìn)行記錄，周期為10 s。

1.3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

DHS-HP 系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括發(fā)電量、電效率、得熱量、熱效率、COP和綜合性能效率。

系統(tǒng)的瞬時(shí)發(fā)電量可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

系統(tǒng)的瞬時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率可按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

系統(tǒng)的冷凝器瞬時(shí)放熱量可按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率是指單位面積光伏光熱蒸發(fā)器通過(guò)對(duì)流、輻射等途徑從周?chē)h(huán)境中吸收的熱量與入射太陽(yáng)輻射的能量之比，可采用冷凝器瞬時(shí)放熱量扣除壓縮機(jī)瞬時(shí)功耗進(jìn)行計(jì)算，即[6]：

熱泵的性能系數(shù)可按式（5）進(jìn)行計(jì)算：

由于熱能和電能屬于兩種品位不同的能源，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其能量利用特性，這里采用Huang等[29-30]提出的綜合性能效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：

1.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析

E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo是熱泵系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，相對(duì)誤差分別為：

根據(jù)式（7）～式（12）進(jìn)行計(jì)算得到，E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo的相 對(duì)誤差分 別為0.71%、2.12%、

圖3 DHS-HP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of DHS-HP system

1—MHPA-PV/TE;2—壓縮機(jī);3—套管換熱器;4—貯熱水箱;5—電磁閥;6—四通換向閥;7—毛細(xì)管;8—過(guò)濾器;9—儲(chǔ)液罐;10—單向閥;11—風(fēng)冷換熱器;12—軸流風(fēng)機(jī);13—循環(huán)水泵;14—數(shù)據(jù)采集儀;15—計(jì)算機(jī);—溫度傳感器;—功率傳感器;—流量傳感器;—壓力傳感器;—電流傳感器;—電壓傳感器;—風(fēng)速傳感器3.00%、3.74%、3.16%和4.30%。

表1 測(cè)試設(shè)備和傳感器參數(shù)Table 1 Types of related measured instruments and sensors

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 為不同模式下太陽(yáng)輻照（G）和環(huán)境溫度（Ta）的變化曲線(xiàn)。SA 模式下，GSA為152～733 W/m2，平均456 W/m2；Ta,SA為7.5～13.6℃，平均10.6℃。S 模式下，GS為295～783 W/m2，平均634 W/m2；Ta,S為4.6～14.9℃，平均9.1℃。根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)，可分為3 個(gè)階段：第1 階段（0～60 min），Ta,SA＜Ta,S，GSA＜GS；第2 階段（60～140 min），Ta,SA≈Ta,S，GSA＜GS；第3 階段（140～270 min），Ta,SA＞Ta,S，GSA≈GS。

圖4 太陽(yáng)輻照與環(huán)境溫度變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation curves of solar radiation and ambient temperature

圖5 環(huán)境溫度與蒸發(fā)器背板溫度以及環(huán)境溫度與蒸發(fā)器出風(fēng)溫度的差值的變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation curves of temperature differences in ambient air and back panel as well as ambient air and outlet air

圖5為不同模式下環(huán)境溫度與蒸發(fā)器背板溫度的差值（ΔTa-eva）以及環(huán)境溫度與蒸發(fā)器出風(fēng)溫度的差值（ΔTa-out）的變化曲線(xiàn)。由圖可知，SA 模式下ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA隨太陽(yáng)輻照的降低顯著增加。第1 階段，GSA在208～549 W/m2之間 變化，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分別波動(dòng)在-0.2～3.5℃和0.2～1.4℃，蒸發(fā)器從環(huán)境空氣中吸熱。第2 階段，GSA下降至152 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA逐 步 提 升，最 高 達(dá)4.1℃和1.6℃，蒸發(fā)器從環(huán)境空氣中的吸熱能力進(jìn)一步增強(qiáng)。第3 階 段，GSA穩(wěn) 定 在598 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分別波動(dòng)在-3.1～0.5℃和-0.3～0.5℃，蒸發(fā)器出現(xiàn)向環(huán)境空氣散熱的現(xiàn)象。對(duì)于S 模式，由于未采用與環(huán)境空氣強(qiáng)制對(duì)流的換熱方式，ΔTa-eva,S波動(dòng)在-5.4～0.5℃，環(huán)境空氣中的熱量未被利用；而在第3 階段，由于SA 模式中環(huán)境空氣作用的轉(zhuǎn)變，致使ΔTa-eva,SA和ΔTa-eva,S開(kāi)始趨于一致。需要說(shuō)明的是，由于制冷劑換熱器布置在出風(fēng)口處，其對(duì)蒸發(fā)器出風(fēng)溫度造成一定影響，致使第3 階段中絕大多數(shù)時(shí)間ΔTa-out,SA略大于0 情況的出現(xiàn)。根據(jù)上述特性，通過(guò)監(jiān)測(cè)ΔTa-eva的變化進(jìn)行運(yùn)行策略的調(diào)整，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的運(yùn)行效果，即當(dāng)ΔTa-eva＞0（即背板溫度小于環(huán)境溫度）時(shí)，啟動(dòng)雙熱源模式；當(dāng)ΔTa-eva＜0（即背板溫度大于環(huán)境溫度）時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能供熱模式。

圖6 得熱量和熱效率的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of heat gain and thermal efficiency

圖6為不同模式下得熱量（Qth）和熱效率（ηth）的變化曲線(xiàn)。由圖可知，Qth和ηth受太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的變化有一定波動(dòng)，但隨運(yùn)行時(shí)間增加總體呈下降趨勢(shì)。第1 階段，由于環(huán)境空氣的能量補(bǔ)充，SA模式下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的能源供應(yīng)，Qth,SA在993～1251 W 范圍內(nèi)小幅波動(dòng)；ηth,SA最高達(dá)129.7%，且整個(gè)過(guò)程均高于ηth,S。第2 階段，SA 模式下環(huán)境空氣的能量補(bǔ)充作用進(jìn)一步顯現(xiàn)，使Qth,SA與Qth,S相差不大，平均約872 W 和932 W；平均ηth,SA卻高達(dá)87.4%，是ηth,S的2倍。第3階段，Qth,SA和ηth,SA的變化趨勢(shì)與S模式趨于一致。測(cè)試期間，平均Qth,SA和ηth,SA分別為962 W 和56.7%；而S 模 式 下 平 均僅 為858 W 和36.4%。不難看出，SA 模式更適合在低輻照條件下運(yùn)行。

圖7 為不同模式下發(fā)電量（E）和電效率（ηe）的變化曲線(xiàn)。由圖可知，E 和ηe與太陽(yáng)輻射的變化趨勢(shì)基本一致。測(cè)試期間，SA 模式下，ESA為14～278 W，平均130 W；ηe,SA為2.3～12.8%，平均7.7%。S 模式下，ES為27～364 W，平均224 W；ηe,S為2.4～12.7%，平均9.5%?？傮w上看，由于S 模式下太陽(yáng)輻照較強(qiáng)且環(huán)境溫度較低，使其平均ES和ηe,S高于SA 模式。但在第3 階段，由于SA 模式下蒸發(fā)器開(kāi)始向環(huán)境空氣散熱，使其發(fā)電效率有所提升，平均ηe,SA約8.3%，而S 模式下約7.8%，提升0.5%。綜上可知，SA 模式在高輻照條件下環(huán)境空氣的作用會(huì)由向蒸發(fā)器供熱轉(zhuǎn)變成為蒸發(fā)器散熱，雖然其會(huì)減少蒸發(fā)器的集熱量，但是卻實(shí)現(xiàn)了為光伏電池散熱的效果，對(duì)發(fā)電性能有一定提升作用。

圖7 發(fā)電量和電效率的變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of power generation and electrical efficiency

圖8 蒸發(fā)壓力和冷凝壓力的變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation curves of evaporation and condensation pressures

圖8 為不同模式下蒸發(fā)壓力（Peva）和冷凝壓力（Pcon）的變化曲線(xiàn)。由圖可知，蒸發(fā)壓力隨太陽(yáng)輻射和環(huán)境空氣溫度的波動(dòng)而變化，冷凝壓力隨運(yùn)行時(shí)間逐步增加。由于第1～2 階段SA 模式下平均太陽(yáng)輻射和平均環(huán)境溫度均低于S 模式，致使其平均Peva,SA約0.4 MPa，比S 模式低0.06 MPa。進(jìn)入第3階段，隨環(huán)境溫度的升高，Peva,SA開(kāi)始高于Peva,S直至結(jié)束。對(duì)于Pcon,SA，第1～2 階段均低于Pcon,S，進(jìn)入第3 階段，兩者的差距才逐漸減少，最后均達(dá)到2.1 MPa。

圖9 為不同模式下壓縮機(jī)（Ecom）和水箱溫度（Ttk）的變化曲線(xiàn)。SA 模式下Ecom,SA從521 W 增長(zhǎng)至862 W，平均685 W；S 模式下Ecom,S從511 W 增長(zhǎng)至831 W，平均687 W；兩種模式下壓縮機(jī)平均功率基本相同。水箱從20℃加熱至50℃的過(guò)程中，SA 模式和S 模式分別用時(shí)255 min 和270 min，前者可縮短加熱時(shí)間約5.6%。

圖9 壓縮機(jī)功率和水箱溫度的變化曲線(xiàn)Fig.9 Variation curves of energy consumption and water tank temperature

圖10 總效率和COP的變化曲線(xiàn)Fig.10 Variation curves of overall efficiency and COP

圖10 為不同模式下綜合性能效率（ηo）和COP變化曲線(xiàn)。由圖可知，隨運(yùn)行時(shí)間的增加，ηo和COP呈下降的趨勢(shì)。SA 模式下，COPSA在1.5～3.3 范圍內(nèi)波動(dòng)，平均2.38；S 模式下，COPS在0.6～4.4 范圍內(nèi)波動(dòng)，平均2.23。受環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射的綜合作用，COPSA比COPS更加穩(wěn)定，且提升超過(guò)6.7%。對(duì)于綜合性能效率，絕大多數(shù)時(shí)間ηo,SA均高于ηo,S，平均分別為81.7%和56.7%，提高約25.0%?？傮w上看，測(cè)試期間平均太陽(yáng)輻照處于較低水平，SA模式的綜合性能優(yōu)于S 模式，但是其第3 階段存在散熱情況，一定程度上降低了SA模式的綜合性能。

3 結(jié) 論

將平板微熱管陣列技術(shù)應(yīng)用于光伏光熱組件并改裝為MHPA-PV/TE，進(jìn)而研發(fā)得到新型DHSHP 系統(tǒng)。在平均太陽(yáng)能輻照456～634 W/m2、平均環(huán)境溫度9.1～10.6℃的工況下，對(duì)該系統(tǒng)在S 模式和SA 模式下的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下。

（1）受太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度影響，SA 模式下環(huán)境空氣的作用包括放熱和吸熱兩種功能，環(huán)境溫度與背板溫度的溫差在-3.1～3.5℃之間波動(dòng)，蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫差在-0.3～1.6℃之間波動(dòng)。而S 模式下環(huán)境溫度始終低于背板溫度，溫差最大達(dá)-5.4℃，環(huán)境空氣中的熱能未被充分利用。

（2）SA 模式適合在低輻照條件下運(yùn)行。在平均太陽(yáng)輻照456 W/m2、環(huán)境溫度10.6℃的條件下，SA模式下DHS-HP 系統(tǒng)熱效率、總效率和COP 分別達(dá)56.7%、81.7%和2.38，比S模式提升20.3%、25.0%和6.7%。與SA 模式相比，S 模式更適合在高輻照條件下運(yùn)行。

（3）SA 模式在高輻照條件下雖然會(huì)造成系統(tǒng)的散熱量增加，但是對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能卻有一定促進(jìn)作用。

（4）DHS-HP系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)背板溫度小于環(huán)境溫度時(shí)啟動(dòng)雙熱源模式，當(dāng)背板溫度大于環(huán)境溫度時(shí)啟動(dòng)太陽(yáng)能供熱模式，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——面積，m2

COP——性能系數(shù)

c——比熱容，J/(kg·K)

E——發(fā)電量，W

G——太陽(yáng)輻照，W/m2

I——電流，A

m——流量，kg/s

P——壓力，Pa

Q——熱量，W

T——溫度，℃

ΔT——溫差，℃

U——電壓，V

η——效率

下角標(biāo)

a——環(huán)境空氣

com——壓縮機(jī)

con——冷凝器

e——電性能

eva——蒸發(fā)器

in——入口

o——綜合性能

out——出口

S——太陽(yáng)能供熱模式

SA——太陽(yáng)能和空氣雙熱源供熱模式

th——熱性能

tk——貯熱水箱

w——水