夏熱冬冷地區(qū)太陽能光伏/光熱?地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行性能模擬

劉仙萍，雷豫豪，田東，郝小禮，廖勝明

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2.湖南省智慧建造裝配式被動(dòng)房工程技術(shù)研究中心，湖南湘潭，411201；3.中南大學(xué)能源與科學(xué)工程學(xué)院，湖南長沙，410083）

化石能源的消耗引起全球CO2總排放量在過去50 多年年均增長率為2.14%[1]，CO2排放引發(fā)的負(fù)面環(huán)境問題已引起人們的關(guān)注。在建筑中有效利用太陽能和地?zé)崮艿饶茉?，是降低化石能源需求以及與之相關(guān)的CO2排放的有效途徑，其中太陽能光伏/光熱一體化應(yīng)用引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注[2?5]。由于晶體硅光伏電池吸收的太陽能接近80%轉(zhuǎn)化為熱能，從而引起電池溫度升高，電池溫度每升高1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率降低0.4%～0.5%。采用循環(huán)流體降低光伏/光熱組件(PV/T 組件)的溫度，可以使其發(fā)電效率高于普通光伏組件的發(fā)電效率[6]。同時(shí)，PV/T 組件產(chǎn)生的低溫?zé)崴鳛檠a(bǔ)充熱源，可以緩解傳統(tǒng)地源熱泵(GSHP)供熱系統(tǒng)運(yùn)行所造成的土壤熱不平衡問題。光伏/光熱組件與地源熱泵(PV/T-GSHP)聯(lián)合的系統(tǒng)能提高光伏組件發(fā)電效率和地源熱泵機(jī)組性能。BAKKER等[7]用TRNSYS軟件模擬PV/T-GSHP 家用系統(tǒng)，得出該系統(tǒng)能完全滿足1 個(gè)典型荷蘭家庭的全部熱水需求和用電需求，并且能維持土壤累年平均溫度穩(wěn)定。CANELLI 等[8]采用那不勒斯地區(qū)的氣候進(jìn)行模擬研究，得出PV/T-GSHP 系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)鍋爐方式可以節(jié)約53.1%的一次能源。ENTCHEV 等[9]對(duì)比PV/T-GSHP系統(tǒng)和鍋爐+冷水機(jī)組的傳統(tǒng)系統(tǒng)，得出一次能源節(jié)約率為58%。XIA等[10]對(duì)PV/T-GSHP系統(tǒng)性能進(jìn)行了預(yù)測和優(yōu)化分析，得出在優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下，20年生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性可以提高20.1%。ABU-RUMMAN 等[11]基于TRNSYS 軟件模擬約旦地區(qū)氣候下的PV/T-GSHP 供熱系統(tǒng)，得出PV/T組件降溫大于20 ℃，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比為4.6～6.2。XIA 等[12]對(duì)家用PV/T-GSHP 系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，得出該系統(tǒng)性能與PV/T組件面積密切相關(guān)。SOMMERFELDT等[13]對(duì)比模擬了瑞典住宅的PV/TGSHP 供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)的GSHP 供熱系統(tǒng)，得出前者相對(duì)于后者能減少18%的地埋管長度，或者減少50%地埋管占地面積。GURLER 等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了英國科頓地區(qū)的PV/T-GSHP 系統(tǒng)，得出熱泵的供熱季節(jié)能效比為2.30～2.43，PV/T 組件的發(fā)電量與熱泵機(jī)組能耗相當(dāng)。徐國英等[15]對(duì)平板型光伏光熱?熱泵熱水系統(tǒng)在南京夏季工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出熱電聯(lián)供運(yùn)行模式下能保證光電輸出穩(wěn)定，并且發(fā)電量相對(duì)無冷卻的PV 系統(tǒng)提高35%。CAI等[16]對(duì)中國大連的1棟示范建筑的PV/TGSHP 系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測，發(fā)現(xiàn)PV/T 組件的溫度相對(duì)于PV 組件溫度約降低10 ℃，光電效率提高25%，熱泵季節(jié)能效比接近3。目前人們對(duì)PV/T組件與地埋管設(shè)計(jì)的耦合關(guān)系的研究較少，為此，本文作者模擬研究我國夏熱冬冷地區(qū)住宅光伏/光熱?地源熱泵(PV/T-GSHP)聯(lián)合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能，分析PV/T 組件面積與地埋管設(shè)計(jì)對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，以便為PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)在我國夏熱冬冷地區(qū)的住宅集中供熱提供理論支持。

1 系統(tǒng)模型

光伏/光熱?地源熱泵(PV/T-GSHP)聯(lián)合供熱系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。由圖1可見：PV/T組件通過循環(huán)流體給光伏電池降溫，發(fā)電量抵扣水泵和地源熱泵機(jī)組的耗電，多余電量接入電網(wǎng)；PV/T組件產(chǎn)生的熱量通過地埋管換熱器釋放到土壤中。PV/T 組件與地源熱泵機(jī)組并聯(lián)，地埋管換熱器的出水分成2 部分：一部分經(jīng)過PV/T 組件，另一部分經(jīng)過地源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器。當(dāng)PV/T 組件或地源熱泵機(jī)組處于不工作狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的環(huán)路截止閥。PV/T組件采用溫差控制，當(dāng)PV/T組件的出水溫度與地埋管出水溫度之差超過5 ℃時(shí)，循環(huán)水經(jīng)過PV/T 組件；當(dāng)溫差小于2 ℃時(shí)，則循環(huán)水不經(jīng)過PV/T組件。

圖1 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV/T-GSHP hybrid heating system

典型居住建筑的基底面積設(shè)為900 m2，朝向正南，東西向面寬60 m，南北向面寬15 m，建筑樓層數(shù)為33層，層高3 m。通常居住建筑的高度均不超過100 m，因此，居住建筑100 m 高度內(nèi)最大樓層數(shù)為33 層。若PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)適用于33 層居住建筑，則該系統(tǒng)適應(yīng)于其他層數(shù)更少的居住建筑。需要供熱的建筑面積占總建筑面積的80%，其中，走廊、電梯間等公共空間不供熱。通過比較夏熱冬冷地區(qū)的7個(gè)典型城市(上海、杭州、南京、南昌、武行、合肥和長沙)的氣象參數(shù)(年總太陽輻射、供熱室外計(jì)算空氣溫度和地層原始溫度)，長沙的供熱室外計(jì)算空氣溫度和地層原始溫度都位于7個(gè)城市的中等水平，而年總太陽輻射量處于最低水平，因此，本文選擇長沙作為代表性城市進(jìn)行分析，室外氣象參數(shù)采用長沙地區(qū)的典型年氣象參數(shù)[17]。表1所示為室內(nèi)供熱設(shè)計(jì)溫度、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)和供暖期等設(shè)計(jì)參數(shù)，均按照夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[18]的要求設(shè)置。

表1 長沙地區(qū)居住建筑參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters for residential buildings in Changsha

采用動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件TRNSYS 的負(fù)荷計(jì)算模塊Type56 計(jì)算得到建筑峰值熱負(fù)荷為560 kW，全年累計(jì)供熱量為536 MW·h。根據(jù)建筑熱負(fù)荷特性，熱泵機(jī)組選取某品牌型號(hào)為RSLB830的機(jī)組，額定工況和設(shè)計(jì)工況下的性能參數(shù)如表2所示。地埋管換熱器根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)[19]，地埋管設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。取地埋管間距為5 m，則滿足建筑熱負(fù)荷需要深度為100 m 的鉆孔140 個(gè)。采用TRNSYS 模擬PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能。圖2所示為TRNSYS模塊以及對(duì)應(yīng)的模擬信息流程圖。

表2 熱泵機(jī)組性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of heat pump unit

表3 地埋管設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of ground pipes

圖2 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)TRNSYS模擬信息流程圖Fig.2 TRNSYS simulation flow chart for PV/T-GSHP Hybrid heating system

PV/T 組件布置在建筑屋面，組件總面積為900 m2，保證組件有一定的傾角并且后部距屋面的距離在合理的高度內(nèi)(限高不超過3 m)，PV/T組件的安裝傾角取11°。表4所示為PV/T組件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

表4 PV/T組件的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)Table 4 Structure and specifications of PV/T module

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的土壤保持熱平衡狀態(tài)是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。衡量土壤熱平衡狀態(tài)的主要指標(biāo)為土壤溫度，盡管土壤溫度會(huì)在1年內(nèi)發(fā)生上下波動(dòng)，若每年年末的土壤溫度與初始溫度一致，則表明土壤處于完全熱平衡狀態(tài)。若土壤溫度與初始溫度相比呈升高趨勢，則有利于提高熱泵運(yùn)行效率，但會(huì)降低PV/T 組件的光伏發(fā)電效率，因此，需要對(duì)PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)整體運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用季節(jié)能效比SCOP,HP評(píng)價(jià)地源熱泵機(jī)組的效率：

式中：SCOP,HP為熱泵機(jī)組的季節(jié)能效比；Qtotal,load為建筑全年累計(jì)供熱量，kW·h；WHP為供熱季熱泵機(jī)組耗電量，kW·h。

PV/T組件的全年平均光伏發(fā)電效率定義為

式中：ηPVT,el為全年平均光伏發(fā)電效率；WPVT,el為PV/T組件全年發(fā)電量，kW·h；It為PV/T組件的全年入射太陽輻照量，kW·h。

采用太陽能保證率SF評(píng)價(jià)PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能：

式中：Wpump為聯(lián)合系統(tǒng)循環(huán)水泵全年耗電量，kW·h。

若系統(tǒng)的太陽能保證率大于100%，則該系統(tǒng)每年的光伏發(fā)電量大于熱泵和水泵的耗電量之和，表明該系統(tǒng)可以近似實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供暖。

3 結(jié)果與討論

3.1 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能

選擇1 個(gè)供熱期的典型日(1月22日，接近大寒日)為例說明PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)中主要部件的進(jìn)出水溫度的變化趨勢。聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行第2年的1月22日的PV/T組件出水溫度、PV電池溫度、地埋管進(jìn)出水溫度、熱泵出水溫度和空氣溫度的變化曲線如圖3所示。由圖3可知：夜間或白天太陽輻射強(qiáng)度不足以滿足PV/T 組件工作條件時(shí)，PV/T 組件沒有循環(huán)流體通過，此時(shí)相當(dāng)于GSHP系統(tǒng)獨(dú)立工作，則地埋管進(jìn)出水溫度以及熱泵出水溫度將會(huì)逐漸降低；循環(huán)流體通過PV/T 組件時(shí)，PV/T出水溫度比PV電池溫度低0.5～2.0 ℃，PV電池溫度最高接近28 ℃。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行第2年1月22日的溫度變化曲線Fig.3 Temperature curves on Jan 22 of the next year

系統(tǒng)運(yùn)行第1年時(shí)每月的熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸熱量、地埋管換熱量和PV/T 組件集熱量對(duì)比如圖4所示，其中負(fù)值表示從土壤中吸熱。由圖4可見：在供熱季的3個(gè)月(1月份、2月份和12月份)內(nèi)，蒸發(fā)器吸熱量明顯高于PV/T 組件集熱量，并且蒸發(fā)器吸熱量與地埋管換熱量之間的差值基本等于PV/T 組件集熱量；在不同的月份，PV/T 組件集熱量分別僅為蒸發(fā)器吸熱量的4.1%(1月份)、4.6%(2月份)和8.7%(12月份)，從全年看，PV/T組件集熱量比蒸發(fā)器吸熱量大8.0%(第1年)。上述結(jié)果表明：在供熱季中，僅僅依靠PV/T 組件收集的太陽能很難保證土壤處于熱平衡狀態(tài)。但PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的優(yōu)勢在于當(dāng)熱泵不需要供熱運(yùn)行時(shí)，PV/T 組件的集熱量仍可以通過地埋管換熱器釋放到土壤中。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行第1年每月的PV/T集熱量、地埋管換熱量和熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸熱量的對(duì)比Fig.4 Comparison of monthly PV/T heat collection,ground pipe heat exchange and evaporator heat absorption in the first year

圖5所示為PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)在供熱運(yùn)行工況下的土壤溫度對(duì)比。由圖5可見：由于土壤的吸熱量(即PV/T集熱量)稍大于釋熱量(即蒸發(fā)器吸熱量)，因此，PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的土壤溫度也呈逐年緩慢上升趨勢，第20年末的土壤溫度僅為21.6 ℃，與初始地溫相比僅上升了0.8 ℃，表明長沙地區(qū)33層居住建筑通過在屋面全部安裝PV/T 組件可以確保PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的土壤處于熱平衡狀態(tài)。由圖5還可見：傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)的土壤溫度呈現(xiàn)明顯的逐年下降趨勢，第20年末的土壤溫度降低至5.9 ℃，與初始溫度相比下降14.9 ℃，表明PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)在保持土壤熱平衡方面有明顯優(yōu)勢，有利于提高熱泵機(jī)組的季節(jié)能效比。PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比如圖6所示。從圖6可見：PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比逐年小幅度上升，而傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比隨著運(yùn)行時(shí)間的增長顯著下降，在第20年，前者比后者高43.8%。

圖5 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)的土壤溫度變化曲線Fig.5 Soil temperature curves of PV/T-GSHP hybrid heating system and traditional GSHP system

圖6 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)GSHP系統(tǒng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比Fig.6 SCOP,HP curves of PV/T-GSHP hybrid heating system and traditional GSHP system

假設(shè)獨(dú)立光伏(PV)系統(tǒng)的電池性能與PV/T 組件的相同，PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)與獨(dú)立PV系統(tǒng)每年的光伏電池最高溫度如圖7所示。由圖7可見：PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)光伏電池對(duì)應(yīng)的最高溫度與獨(dú)立PV系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最高溫度相比顯著下降，降幅約為35 ℃。文獻(xiàn)[11，16，20]都得出在不同的氣候參數(shù)下，PV/T組件相對(duì)于獨(dú)立PV組件能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度溫降。

圖7 PV/T-GSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)與獨(dú)立PV系統(tǒng)每年光伏電池最高溫度Fig.7 Annual peak temperature of PV cells between PV/T-GSHP hybrid heating and traditional PV system

3.2 PV/T面積對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

土壤溫度的變化直接影響地源熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度，為了防止水溫過低引起地源熱泵機(jī)組結(jié)冰，應(yīng)使熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度大于4 ℃，否則應(yīng)在循環(huán)水中添加防凍劑以降低冰點(diǎn)。當(dāng)PV/T 組件的面積分別取300，600，900，1 200，1 500 和1 800 m2時(shí)，地源熱泵機(jī)組最低出水溫度的逐年變化趨勢如圖8所示。由圖8可知：當(dāng)PV/T組件面積大于600 m2時(shí)，地源熱泵機(jī)組最低出水溫度大于5 ℃；而當(dāng)PV/T 組件面積為300 m2時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的第5年熱泵機(jī)組最低出水溫度降到4 ℃以下。上述結(jié)果表明當(dāng)33 層居住建筑采用PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)時(shí)，PV/T 組件的安裝面積應(yīng)大于屋面面積的2/3。

圖8 不同PV/T組件面積下熱泵最低出水溫度的逐年變化趨勢Fig.8 Annual trend of the lowest outlet water temperature for HP in different PV/T module areas

由于PV/T 組件發(fā)電的時(shí)段并不與熱泵機(jī)組和水泵耗電的時(shí)段相對(duì)應(yīng)，因此，假定PV/T 組件產(chǎn)生并輸入電網(wǎng)的電量可以抵扣其他時(shí)段系統(tǒng)需要從電網(wǎng)獲取的電量?；诖思俣?，不同PV/T 組件面積下PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)的太陽能保證率如圖9所示。由圖9可見：當(dāng)PV/T 組件面積為900 m2時(shí)，太陽能保證率略低于100%，達(dá)97.0%～98.7%，這表明在33 層居住建筑的屋面全部安裝PV/T 組件時(shí)，PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)可以基本上實(shí)現(xiàn)冬季供熱零能耗。

圖9 不同PV/T組件面積下的太陽能保證率Fig.9 Solar fraction in different PV/T module areas

3.3 地埋管長度對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

地埋管長度受鉆井?dāng)?shù)和單個(gè)鉆井深度這2個(gè)參數(shù)的影響。當(dāng)鉆井深度為100 m，埋管間距為5 m時(shí)，PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行20 a 時(shí)，熱泵機(jī)組的平均季節(jié)能效比如圖10所示。由圖10可見：在不同的PV/T 組件面積下，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比均隨地埋管長度增加呈小幅度上升趨勢，但增幅并不顯著，地埋管長度增幅為75%(從11 200 m增加到19 600 m)的過程中，對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比增幅均約為11%；當(dāng)埋管長度為14 000 m時(shí)，PV/T 組件面積為900 m2所對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組季節(jié)能效比大于5，加大地埋管長度將增加土壤蓄熱體積，從而提高土壤溫度和季節(jié)能效比。由圖10可得出：在合理范圍內(nèi)，減少地埋管長度對(duì)土壤溫度和聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響并不顯著，從而使PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)具有減少地埋管長度的優(yōu)勢。

圖10 地埋管長度對(duì)熱泵機(jī)組季節(jié)能效比的影響Fig.10 Effects of ground pipes length on SCOP,HP

3.4 地埋管間距對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

不同PV/T 組件面積下地源熱泵機(jī)組季節(jié)能效比與地埋管間距之間的關(guān)系如圖11所示，其中，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比為系統(tǒng)運(yùn)行20 a 時(shí)熱泵機(jī)組的平均季節(jié)能效比。由圖11可見：地源熱泵機(jī)組季節(jié)能效比隨地埋管間距的變化趨勢與PV/T 面積有關(guān)，當(dāng)PV/T 組件面積較小時(shí)，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比隨地埋管間距的增加而小幅度增大；而隨PV/T 組件面積增加，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比呈下降趨勢；當(dāng)PV/T 組件面積為900 m2，地埋管間距從3 m 增加到7 m 時(shí)，熱泵機(jī)組能效比降幅為1.4%。導(dǎo)致上述變化趨勢的原因在于：當(dāng)PV/T 組件面積較小時(shí)，PV/T 組件的集熱量不足以補(bǔ)償熱泵蒸發(fā)器從土壤吸收的熱量，此時(shí)，增大地埋管間距將導(dǎo)致土壤蓄熱能力增加，有利于提高土壤溫度；而當(dāng)PV/T組件面積較大時(shí)，PV/T組件集熱量將大于熱泵蒸發(fā)器從土壤吸收的熱量，因此，較小地埋管間距對(duì)應(yīng)的土壤溫度提升幅度將大于地埋管間距較大時(shí)的提升幅度，導(dǎo)致熱泵的季節(jié)能效比隨地埋管間距增加而下降。

圖11 地埋管間距對(duì)熱泵機(jī)組季節(jié)能效比的影響Fig.11 Effect of ground pipe gaps on SCOP,HP

PV/T 組件20 a 期間平均光伏發(fā)電效率與地埋管間距的關(guān)系如圖12所示。由圖12可見：當(dāng)?shù)芈窆荛g距從3 m增加到7 m時(shí)，平均發(fā)電效率與PV/T組件的面積有關(guān)，但變化幅度均小于0.002，表明地埋管間距對(duì)PV/T 組件光伏發(fā)電效率的影響幾乎可以忽略。地埋管間距對(duì)系統(tǒng)太陽能保證率的影響如圖13所示。由圖13可見：地埋管間距對(duì)系統(tǒng)太陽能保證率的影響與對(duì)熱泵季節(jié)能效比的影響趨勢相同，但影響程度較?。划?dāng)?shù)芈窆荛g距從3 m增加到7 m，PV/T組件面積為300 m2時(shí)，太陽能保證率僅上升6.5%；當(dāng)PV/T組件面積為1 800 m2時(shí)，太陽能保證率僅下降7.6%；當(dāng)PV/T 組件面積為900 m2時(shí)，太陽能保證率幾乎不隨地埋管間距的變化而變化。

圖12 地埋管間距對(duì)PV/T組件平均光伏發(fā)電效率的影響Fig.12 Effect of ground pipe gaps on average electrical efficiency of PV/T module

圖13 地埋管間距對(duì)太陽能保證率的影響Fig.13 Effect of ground pipe gaps on solar fraction

通過分析地埋管間距對(duì)PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響可知：當(dāng)采用PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)時(shí)，減少地埋管間距并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生太大影響，甚至當(dāng)PV/T 面積較大時(shí)有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，同時(shí)，減少地埋管間距還會(huì)顯著減小地埋管換熱器的占地面積，因而該系統(tǒng)適用于高密度建筑小區(qū)中。

4 結(jié)論

1)PV/T-GSHP 聯(lián)合供熱系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)具有較好的運(yùn)行性能，能有效保證土壤熱平衡，系統(tǒng)運(yùn)行20 a時(shí)土壤溫度僅增加0.8 ℃，熱泵機(jī)組能效比相對(duì)于傳統(tǒng)的GSHP系統(tǒng)提高43.8%。PV/TGSHP聯(lián)合供熱系統(tǒng)光伏電池對(duì)應(yīng)的最高溫度與獨(dú)立PV系統(tǒng)相比顯著下降，降幅接近35 ℃。

2)隨PV/T 組件面積增加，熱泵出水溫度變化趨勢從逐年下降轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹉晟仙?。?dāng)PV/T 組件面積增加至屋頂面積的2/3 時(shí)，熱泵出水溫度大于5 ℃。太陽能保證率隨PV/T組件面積增大而增大；當(dāng)PV/T 組件滿屋頂安裝時(shí)，太陽能保證率接近100%，近似實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供暖。

3)不同的PV/T 組件面積下，熱泵機(jī)組季節(jié)能效比均隨地埋管長度增加而小幅度上升，但增幅并不顯著；地埋管間距對(duì)PV/T 組件光伏發(fā)電效率影響非常小，當(dāng)?shù)芈窆荛g距從3 m 增加到7 m 時(shí)，PV/T組件光伏發(fā)電效率的變化幅度小于0.002。

4)當(dāng)PV/T 面積較大時(shí)，減少地埋管間距有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行性能；當(dāng)PV/T 組件滿屋頂安裝時(shí)，地埋管間距對(duì)太陽能保證率的影響可以忽略，該聯(lián)合供熱系統(tǒng)應(yīng)用在高密度建筑小區(qū)中能減少用地。