單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)夏季制冷特性實(shí)驗(yàn)研究

周 超 王晶晶 張吉禮 陳建泉

(1 濰坊科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 濰坊 262700；2 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連 116024；3 深圳天祥質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司廣州分公司 廣州 510663)

太陽(yáng)能是一種量大質(zhì)優(yōu)的清潔可再生能源，相比于傳統(tǒng)的化石能源，太陽(yáng)能資源的高效深度開(kāi)發(fā)利用及建筑一體化的實(shí)現(xiàn)，是建筑領(lǐng)域解決能源短缺、降低碳排放的有效途徑。現(xiàn)有的太陽(yáng)能光熱利用、光伏發(fā)電及光伏光熱(PVT)綜合利用技術(shù)，是解決建筑熱、電負(fù)荷需求的有效途徑，但夏季為建筑提供空調(diào)冷量的問(wèn)題依舊未得到低成本、高效率地解決。目前，最常見(jiàn)的太陽(yáng)能制冷空調(diào)技術(shù)主要有太陽(yáng)能集熱器+溴化鋰吸收式制冷和光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)直流冷機(jī)制冷兩大類(lèi)[1]，受技術(shù)和成本的雙重制約，兩類(lèi)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果不理想。現(xiàn)有太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)一般僅應(yīng)用在科學(xué)研究和少數(shù)示范項(xiàng)目中，很難得到大規(guī)模工程應(yīng)用。因此，需要加強(qiáng)太陽(yáng)能綜合利用技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)能夠集成化地解決建筑多樣化能源需求的、在夏季實(shí)現(xiàn)可再生能源高效制冷的太陽(yáng)能PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)。

太陽(yáng)能PVT熱泵是解決上述問(wèn)題的新思路[2]。該項(xiàng)技術(shù)是熱泵技術(shù)與光伏光熱綜合利用技術(shù)的結(jié)合，將天空長(zhǎng)波輻射冷卻融入PVT熱泵綜合利用過(guò)程，充分利用輻射換熱與空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)在夏季夜晚和陰雨天白天的高效制冷運(yùn)行，制取冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷水箱中，供應(yīng)建筑夏季空調(diào)制冷需求。新型PVT組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和夜空長(zhǎng)波輻射冷卻技術(shù)研究是PVT熱泵系統(tǒng)制冷性能提升的關(guān)鍵。

周偉等[3]基于太陽(yáng)能-空氣能光伏/光熱一體化熱泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型多孔扁盒式PVT集熱板，并展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，雙熱源并聯(lián)運(yùn)行模式下分別比單太陽(yáng)能模式和單空氣能模式的制熱COP提高了32.78%和47.64%。陳道川等[4]對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了由六邊形與四邊形單元組合的流道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，應(yīng)用新型集熱/蒸發(fā)器的直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)冬季工況和夏季工況的制熱COP分別可達(dá)到4.5和6.6。胡名科等[5-6]提出了光譜選擇性復(fù)合板芯，同時(shí)具有光伏發(fā)電、集熱和輻射制冷多種功能，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該復(fù)合表面的熱電冷綜合性能顯著提升。在作者的前期研究[7-8]中，提出了吹脹式PVT熱泵系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于該系統(tǒng)的新型吹脹式PVT組件。

長(zhǎng)波輻射冷卻是PVT熱泵系統(tǒng)制冷工況的主要熱交換方式，因此，研究的重點(diǎn)在于提升PVT組件與天空之間的輻射冷卻效果。E.Erell等[9]從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了夜間長(zhǎng)波輻射冷卻對(duì)建筑物的影響。M. Simonetti等[10]對(duì)長(zhǎng)波輻射冷卻進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，利用天空輻射制冷，可以減少50%的制冷空調(diào)能耗。李戩洪等[11]在研究中測(cè)試了不同表面涂層材料的輻射致冷性能，結(jié)果表明，輻射材料溫度比環(huán)境溫度平均低7.5～9.0 ℃，利用長(zhǎng)波輻射進(jìn)行制冷具有可行性。芮智剛等[12-13]開(kāi)發(fā)了一種新型太空輻射致冷裝置。王文卓等[14]設(shè)計(jì)了在輻射板上增加凸起的新型輻射換熱器，建立了數(shù)值傳熱模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模型驗(yàn)證。程亞利等[15]設(shè)計(jì)了以空氣作為制冷劑的輻射致冷裝置，并對(duì)其制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。U. Eicker等[16]測(cè)試了夜間工況下以水為載冷介質(zhì)的PVT組件的集冷性能。尹寶泉等[17]測(cè)試了水冷型單晶硅PVT組件在夏季夜間的散熱性能。魏世超[18]對(duì)PVT組件的散熱制冷特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了不同工況下，輻射散熱和對(duì)流散熱的占比及其影響因素。此外，有學(xué)者對(duì)天空長(zhǎng)波冷輻射制冷技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了綜述研究[19]。

綜上所述，雖然PVT熱泵系統(tǒng)和長(zhǎng)波輻射冷卻技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究，但太陽(yáng)能制冷技術(shù)領(lǐng)域仍亟需通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論方法研究PVT熱泵系統(tǒng)的制冷性能和運(yùn)行特性。因此，本文提出單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)，重點(diǎn)研究系統(tǒng)在夏季的制冷性能，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)作為冷凝器的吹脹式PVT組件，建立系統(tǒng)主要部件的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在大連地區(qū)自然工況下開(kāi)展制冷性能實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而對(duì)數(shù)學(xué)模型的理論解進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)循環(huán)形式設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 PVT熱泵系統(tǒng)制冷循環(huán)形式設(shè)計(jì)

單級(jí)壓縮PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)需在既有PVT熱泵系統(tǒng)制熱和發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制冷和蓄冷的功能，因此，系統(tǒng)循環(huán)形式設(shè)計(jì)需滿足如下要求：1)PVT組件在不同模式下可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能的切換，實(shí)現(xiàn)在不同模式下制熱、發(fā)電、制冷效益；2)從系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)的角度考慮，應(yīng)使系統(tǒng)中制冷循環(huán)和制熱循環(huán)的部件盡可能共用，如采用同一套壓縮機(jī)、節(jié)流閥、主要系統(tǒng)管路等；3)從系統(tǒng)運(yùn)行的角度考慮，PVT熱泵制冷循環(huán)與制熱循環(huán)之間應(yīng)互不干擾，能夠便捷切換制冷模式和制熱模式；4)從建筑的用能特點(diǎn)角度考慮，夏季用冷時(shí)段主要集中在日間和夜間的前半段，而制冷時(shí)段則主要在整個(gè)夜間，制熱用熱則相反。因此系統(tǒng)制熱制冷模式應(yīng)以蓄能型為主，需配備相應(yīng)的蓄冷和蓄熱設(shè)備。

基于既有PVT熱泵系統(tǒng)形式及上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的單級(jí)壓縮PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、PVT組件、四通換向閥、電子膨脹閥、內(nèi)置高效冷凝換熱盤(pán)管的蓄熱水箱、內(nèi)置高效蒸發(fā)換熱盤(pán)管的蓄冷水箱、光伏逆變器等部件組成。

圖1 單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)原理及各測(cè)點(diǎn)布置Fig. 1 Principle of PVT heat pump system with single-stage compression and layout of measuring points

該系統(tǒng)的壓縮機(jī)、電子膨脹閥、四通換向閥、PVT組件為制冷和制熱模式共用部件，蓄熱水箱和蓄冷水箱分別在制熱和制冷模式下制備、儲(chǔ)存熱量和冷量。四通換向閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)制熱和制冷模式的切換，PVT組件在制熱模式和制冷模式分別作為系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器，通過(guò)蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱，實(shí)現(xiàn)熱量和冷量的制備。光伏逆變器用于將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電或存入蓄電池中。

在夏季，建筑普遍具有空調(diào)制冷需求。夏季夜間或陰雨天的日間，PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)以制冷工況運(yùn)行，PVT組件作為熱泵系統(tǒng)的冷凝器，組件表面吸收來(lái)自天空的長(zhǎng)波冷輻射能，通過(guò)與天空的長(zhǎng)波冷輻射換熱和與空氣的自然對(duì)流換熱釋放熱量，通過(guò)系統(tǒng)工況切換實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，將制取的冷量(冷水和冰)蓄存在蓄冷水箱中，供建筑夏季使用。系統(tǒng)的制冷工況工作原理如圖2所示。

圖2 單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)制冷工況原理Fig. 2 Principle of refrigeration operation of the PVT heat pump system with single-stage compression

PVT熱泵系統(tǒng)制冷循環(huán)lgp-h圖如圖3所示。由圖3可知，在制冷模式下，壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣態(tài)制冷劑由作為冷凝器的PVT組件入口進(jìn)入，在流經(jīng)組件背板流道的過(guò)程中冷凝放熱，熱量經(jīng)層間導(dǎo)熱傳遞至組件正、反表面，通過(guò)輻射和對(duì)流換熱釋放至外部環(huán)境中；隨后，高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)PVT組件出口進(jìn)入電子膨脹閥進(jìn)行等焓節(jié)流，變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嗔鳎辉龠M(jìn)入作為蒸發(fā)器的蓄冷水箱換熱盤(pán)管內(nèi)，經(jīng)過(guò)沿程蒸發(fā)吸熱，吸收蓄冷水箱內(nèi)的熱量，變?yōu)檫^(guò)熱氣態(tài)制冷劑，同時(shí)水溫不斷降低至結(jié)冰狀態(tài)，蓄存用以供應(yīng)建筑制冷需求；隨后過(guò)熱氣態(tài)制冷劑經(jīng)四通換向閥重新進(jìn)入壓縮機(jī)入口進(jìn)行絕熱壓縮，變?yōu)楦邷馗邏簹鈶B(tài)制冷劑。由此完成一個(gè)制冷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷蓄冷的功能。

圖3 單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)制冷循環(huán)lgp-h圖Fig. 3 The lgp-h diagram of the PVT heat pump system with single-stage compression under cooling mode

1.2 PVT組件開(kāi)發(fā)

在單級(jí)壓縮PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，決定系統(tǒng)制冷性能優(yōu)劣的關(guān)鍵部件是作為冷凝器的PVT組件。本文基于已有學(xué)者對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)、管板式PVT組件、吹脹式換熱板等的研究，結(jié)合本文中對(duì)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的要求，經(jīng)逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了吹脹式PVT組件[7-8]。它由光伏組件與吹脹式換熱板經(jīng)層壓工藝加工而成，底面為蛇形盤(pán)管式制冷劑流道，層間結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 吹脹式PVT組件層間結(jié)構(gòu)Fig. 4 Interlayer structural form of the roll-bond PVT unit

PVT組件的上、下表面設(shè)計(jì)如圖5所示，組件尺寸為1.56 m×0.78 m，可接收到太陽(yáng)輻射的面積為1.2 m2，電池片覆蓋率為64%。上層光伏組件由32塊單晶硅太陽(yáng)能電池片串聯(lián)而成，呈4×8布置，光伏電池片的額定發(fā)電功率為4.72 W/片。下層換熱板采用單面吹脹加工工藝形成半橢圓形制冷劑流道，使光伏組件與換熱板緊密貼合，減小傳熱熱阻，強(qiáng)化換熱效果，同時(shí)，制冷劑流道敷設(shè)更緊密，解決了組件表面溫度分布不均問(wèn)題。

圖5 PVT組件上、下表面設(shè)計(jì)Fig. 5 Design of the PVT unit

當(dāng)系統(tǒng)以制冷模式運(yùn)行時(shí)，PVT組件作為熱泵系統(tǒng)的冷凝器與環(huán)境進(jìn)行輻射換熱，同時(shí)以對(duì)流換熱的方式向空氣中散熱，熱泵系統(tǒng)較高的冷凝溫度能為PVT組件提供較高的散熱溫度，大幅度提升組件的散熱功率，具有更優(yōu)的散熱效果，致使系統(tǒng)的制冷性能顯著提升。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖6所示為PVT熱泵實(shí)驗(yàn)裝置，本文對(duì)該裝置在夏季自然工況下的制冷性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究?；谙到y(tǒng)形式設(shè)計(jì)方法，本實(shí)驗(yàn)裝置由5個(gè)主要部件組成：吹脹式PVT組件，共4組；冷熱兩用熱泵機(jī)組，1臺(tái)；容量為150 L的內(nèi)置高效冷凝換熱盤(pán)管的蓄熱水箱，1臺(tái)；容量為600 L的內(nèi)置高效蒸發(fā)換熱盤(pán)管的蓄冷水箱，1臺(tái)；電力系統(tǒng)配置型號(hào)為EVT500的微型并網(wǎng)逆變器，2臺(tái)。

圖6 單級(jí)壓縮PVT熱泵實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 6 Experimental device of the PVT heat pump system with single-stage compression

為滿足系統(tǒng)性能測(cè)試要求，本實(shí)驗(yàn)裝置配有多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相應(yīng)的測(cè)試傳感器，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)研究系統(tǒng)的制冷性能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由4部分組成：1)室外環(huán)境氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)包括實(shí)驗(yàn)期間的實(shí)時(shí)太陽(yáng)總輻射照度、長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度、室外環(huán)境溫度、濕度等，本研究中采用PC-4型便攜式氣象站監(jiān)測(cè)氣象參數(shù)；2)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Pt100貼片式溫度傳感器監(jiān)測(cè)熱泵系統(tǒng)各溫度測(cè)點(diǎn)及PVT組件表面溫度，采用ZDR-20型溫度自記模塊監(jiān)測(cè)水箱內(nèi)水溫；3)系統(tǒng)制冷劑壓力監(jiān)測(cè)采用CYYZ11-H型壓力傳感器監(jiān)測(cè)熱泵系統(tǒng)各壓力測(cè)點(diǎn)；4)壓縮機(jī)耗電量監(jiān)測(cè)采用智能電表與數(shù)據(jù)采集模塊，光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用EnverBridge監(jiān)控器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用吉時(shí)利KEITHLEY 2700型多功能數(shù)據(jù)采集器將各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總到PC端。實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of experimental device and test system equipment components

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立及性能評(píng)價(jià)

2.1 PVT組件模型

根據(jù)熱平衡方程，在穩(wěn)態(tài)工況下，PVT組件的有效散熱量qp(W)等于組件內(nèi)制冷劑的冷凝放熱量qt(W)：

qp=qt

(1)

通過(guò)對(duì)PVT組件在制冷工況下的混合換熱過(guò)程分析，PVT組件的有效散熱量為：

qp=q1+q2+q3+q4

(2)

式中：q1為PVT組件上表面向環(huán)境的總輻射散熱量，W；q2為PVT組件上表面與空氣的自然對(duì)流散熱量，W；q3為PVT組件換熱板與空氣的自然對(duì)流散熱量，W；q4為PVT組件換熱板向環(huán)境的總輻射散熱量，W。

q1、q2、q3、q4分別為：

(3)

q2=Aghc,g-a,c(Tg-Ta)

(4)

q3=Abhc,b-a,c(Tb-Ta)

(5)

(6)

式中：Ag為光伏玻璃面積，m2；Tg為光伏玻璃的表面溫度，K；Ta為室外環(huán)境溫度，K；制冷工況：Ta

吹脹式換熱板流道內(nèi)制冷劑的流動(dòng)換熱方程為：

(7)

綜上所述，制冷工況下PVT組件模型可通過(guò)式(1)的內(nèi)外熱平衡方程求解。

2.2 蒸發(fā)器模型

本研究的蒸發(fā)器采用沉浸式蚊香形螺旋換熱盤(pán)管，根據(jù)設(shè)計(jì)蓄冷量和額定蓄冷能力，共設(shè)置15層盤(pán)管，銅管規(guī)格為外徑12.00 mm，壁厚1.00 mm，總傳熱面積3 m2，總管長(zhǎng)80 m。蒸發(fā)換熱盤(pán)管如圖7所示。

圖7 蓄冷水箱內(nèi)置蒸發(fā)換熱盤(pán)管Fig. 7 Evaporative heat exchange coil embedded in cold storage tank

在建立蓄冷水箱內(nèi)蒸發(fā)換熱盤(pán)管模型時(shí)，制冷劑側(cè)的流動(dòng)換熱方程為：

(8)

蒸發(fā)換熱盤(pán)管內(nèi)置于蓄冷水箱中，并直接從水中吸收熱量，水側(cè)換熱方程為：

(9)

式中：qw為熱水加熱功率，W；cp為水的定壓比熱，J/(kg·K)；m為蓄熱水箱內(nèi)水的總質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；V為蓄熱水箱體積，m3；τ為加熱時(shí)間，s。

綜上所述，蒸發(fā)換熱盤(pán)管的內(nèi)外熱平衡方程為qw=ζrqr，即：

(10)

式中：ζr為蓄冷水箱與室外環(huán)境之間的熱耗散系數(shù)，本研究中取0.85。

2.3 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)模型主要用于計(jì)算壓縮機(jī)的電功率、制冷劑流量、壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑參數(shù)等。本研究采用一臺(tái)額定容量為0.735 kW的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，參考文獻(xiàn)[20]提出的理論計(jì)算式，壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量為：

(11)

壓縮過(guò)程中吸氣和排氣過(guò)程的溫度和壓力參數(shù)關(guān)系為：

(12)

壓縮機(jī)輸入的電功率為：

(13)

2.4 電子膨脹閥模型

電子膨脹閥的節(jié)流過(guò)程可視為等焓過(guò)程，制冷劑流經(jīng)電子膨脹閥時(shí)，進(jìn)出口焓值相等，即：

hv,i=hv,o

(14)

式中：hv,i、hv,o分別為電子膨脹閥進(jìn)、出口焓值，J/kg。

參考文獻(xiàn)[21]提出的理論計(jì)算式，流經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)的制冷劑流量為：

(15)

2.5 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析

單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)制冷性能可以用系統(tǒng)的制冷功率、制冷量和制冷性能COPc等指標(biāo)進(jìn)行衡量與評(píng)價(jià)。

系統(tǒng)的制冷性能COPc定義為：制冷過(guò)程中系統(tǒng)總制冷量與壓縮機(jī)耗電量之比。蓄冷水箱是本系統(tǒng)中唯一的蓄冷裝置，系統(tǒng)總制冷量可轉(zhuǎn)化為水箱的蓄冷量進(jìn)行計(jì)算，總制冷量在數(shù)值上等于設(shè)定制冷運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)換熱盤(pán)管內(nèi)制冷劑流量與換熱盤(pán)管的進(jìn)出口焓差之積，在計(jì)算中也可利用換熱盤(pán)管的表面積與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與換熱溫差之積進(jìn)行表示。因此，系統(tǒng)制冷量和制冷性能COPc可分別按式(8)和式(16)計(jì)算：

(16)

式中:qr為蒸發(fā)換熱盤(pán)管吸熱量，即系統(tǒng)總制冷量，W。

基于誤差傳播理論[22]，本研究對(duì)搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷性能COPc的相對(duì)誤差為3.85%，采用相同方法計(jì)算制冷功率和累積制冷量的相對(duì)誤差，均在5%以?xún)?nèi)，滿足測(cè)試精度的要求。經(jīng)熱平衡校核，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的不平衡率也均在5%以?xún)?nèi)，平均不平衡率為3.4%，表明本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)大連地區(qū)夏季的氣象特征，制冷實(shí)驗(yàn)工況可分為：夜間晴天、夜間陰天、日間陰天、雨天。其中，夜間晴天和日間陰天是具有代表性的夏季制冷工況，因此，本文以此兩類(lèi)工況條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)的制冷性能。

3.1 夏季夜間制冷性能

單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)夏季夜間自然工況性能實(shí)驗(yàn)于8—9月份在大連地區(qū)進(jìn)行，裝置運(yùn)行時(shí)段為19∶00—05∶00(次日)。實(shí)驗(yàn)期間的室外環(huán)境參數(shù)如圖8、圖9所示。由圖8可知，8—9月份大連地區(qū)夏季室外環(huán)境溫度主要分布在18～33 ℃，相對(duì)濕度主要分布在40%～100%。8月份室外環(huán)境溫度和相對(duì)濕度較高，分別為23～33 ℃、60%～100%，且波動(dòng)較小，9月份環(huán)境溫度和相對(duì)濕度均有所降低，分別為15～28 ℃、30%～90%，且波動(dòng)趨于劇烈。由圖9可知，環(huán)境平均風(fēng)速為0～2.5 m/s。實(shí)驗(yàn)期間的室外環(huán)境參數(shù)符合大連地區(qū)夏季天氣規(guī)律。

圖8 大連地區(qū)8—9月室外環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化Fig. 8 Variation of outdoor ambient temperature and relative humidity in Dalian from August to September

圖9 大連地區(qū)8—9月室外環(huán)境風(fēng)速變化Fig. 9 Variation of outdoor ambient wind speed in Dalian from August to September

在一個(gè)完整的夜間制冷運(yùn)行周期內(nèi)，系統(tǒng)的制冷過(guò)程分為兩個(gè)階段，制冷凍水階段和制冰階段，由于蓄冷水箱內(nèi)水的初始溫度較高，因此系統(tǒng)在制冷運(yùn)行的第一個(gè)階段為水的降溫過(guò)程，按照建筑用空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)冷凍水溫度的要求，本文將蓄冷水箱內(nèi)溫度為5～12 ℃的水定義為具有制冷效益的冷水，此階段為制冷凍水階段；隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，蓄冷水箱內(nèi)冷凍水的溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)水溫低于5 ℃時(shí)，換熱盤(pán)管表面開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，且冰層厚度隨時(shí)間的推移而逐漸增大，直至系統(tǒng)停止運(yùn)行，此階段為制冰階段。制冷凍水階段和制冰階段統(tǒng)稱(chēng)為PVT熱泵系統(tǒng)的有效制冷階段。

為得到具有代表性的、涵蓋各氣象條件的制冷性能，本研究在9月份不同天氣條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)制冷性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選取有代表性的7組連續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別命名為實(shí)驗(yàn)周期1～7。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了系統(tǒng)制冷功率和制冷COPc的分布范圍如圖10所示。由圖10可知，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，系統(tǒng)的制冷功率和制冷COPc均隨著蒸發(fā)溫度的降低而逐漸降低，制冷凍水階段制冷性能均優(yōu)于制冰階段，整個(gè)制冷運(yùn)行周期內(nèi)，制冷功率約由制冷凍水階段的3.0 kW降至制冰階段的1.5 kW，運(yùn)行之初的制冷功率峰值可達(dá)3.8 kW；制冷COPc則由3.5逐漸降至2.3，峰值可達(dá)5.5。制冷性能在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)變化范圍較大，這與換熱盤(pán)管蒸發(fā)器側(cè)的換熱方式和系統(tǒng)的運(yùn)行特性有關(guān)，也與PVT組件的散熱特性有關(guān)。

圖10 夏季夜間單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)制冷性能Fig. 10 Refrigeration performance of PVT heat pump system with single-stage compression at night in summer

為進(jìn)一步研究系統(tǒng)在夏季典型工況下的制冷性能，本研究選取具有代表性的某一典型夏季夜間晴天工況的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)在該工況下的夜間制冷性能。通過(guò)對(duì)夜間制冷時(shí)段10 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)，得到系統(tǒng)在該典型工況下的制冷性能如圖11、圖12所示。

圖11 單個(gè)制冷周期內(nèi)制冷COPc和水箱水溫隨時(shí)間的變化Fig. 11 Variation of refrigeration COPc and water temperature of water tank with time in a single refrigeration cycle

圖12 單個(gè)制冷周期內(nèi)系統(tǒng)制冷量和耗電量的變化Fig. 12 Variation of refrigerating capacity and power consumption of the system in a single refrigeration cycle

由11圖可知，制冷過(guò)程的前4 h為制冷凍水階段，4 h后蓄冷水箱水溫降至5 ℃以下，在換熱盤(pán)管表面開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，水溫持續(xù)降低，換熱盤(pán)管表面的冰層厚度逐漸增大，直至系統(tǒng)停止運(yùn)行。在制冷凍水階段，隨著水箱水溫的逐漸降低，系統(tǒng)的制冷COPc逐漸降低，由初始運(yùn)行時(shí)的3.9逐漸降至2.5；系統(tǒng)進(jìn)入制冰階段后，COPc較為穩(wěn)定，約為2.3。由圖12可知，制冷功率與COPc變化趨勢(shì)相似，在制冷凍水階段，由3.1 kW逐漸降至1.7 kW，平均值約為2.0 kW；制冰階段，由于冰層厚度逐漸增大，傳熱熱阻增大，換熱性能逐漸變差，因此制冷功率依舊呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)，平均制冷功率約為1.5 kW。整個(gè)制冷運(yùn)行過(guò)程，長(zhǎng)波輻射照度和室外環(huán)境溫度對(duì)制冷性能的影響較小，而蒸發(fā)溫度和盤(pán)管換熱性能是影響系統(tǒng)制冷性能的主要因素。另外，機(jī)組的耗電功率在整個(gè)制冷運(yùn)行過(guò)程中較為恒定約0.7 kW，在10 h的實(shí)驗(yàn)周期中，系統(tǒng)的累積制冷量為18.5 kW·h，總耗電量為6.7 kW·h。

經(jīng)計(jì)算分析可知，制冷凍水階段和制冰階段的單位面積PVT組件制冷功率分別為420、320 W，是可查到的已有研究中單位面積組件最大散熱功率的3～4倍[23]，制冷性能提升顯著。經(jīng)多次連續(xù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)夏季夜間的平均制冷性能如表2所示。

表2 單級(jí)壓縮PVT熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)夏季夜間平均制冷性能Tab. 2 The average refrigeration performance parameters of PVT heat pump system with single-stage compression during summer night

3.2 夏季日間陰天制冷性能

當(dāng)夏季陰天日間太陽(yáng)輻射照度較弱時(shí)，PVT組件在系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)其表面溫度較低，因此當(dāng)熱泵系統(tǒng)冷凝溫度高于PVT組件表面溫度時(shí)，可通過(guò)PVT組件向環(huán)境中散熱，但由于夏季日間室外環(huán)境溫度較高，且有太陽(yáng)輻射的存在，在很大程度上會(huì)影響系統(tǒng)的制冷性能，研究系統(tǒng)在夏季日間陰天工況下的制冷性能是研究單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)夏季制冷性能的重要部分。

本研究在夏季日間陰天工況下進(jìn)行了多組制冷模式連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，制冷凍水階段系統(tǒng)的制冷COPc、制冷功率與環(huán)境參數(shù)的變化如圖13和圖14所示。

圖13 陰天日間制冷工況的環(huán)境參數(shù)分布Fig. 13 Distribution of the meteorological parameters during summer overcast daytime cooling mode

圖14 陰天日間制冷工況制冷COPc和制冷功率變化Fig. 14 Variation of refrigeration COPc and refrigeration power under daytime refrigeration conditions in cloudy days

由圖13、圖14可知，夏季陰天日間環(huán)境溫度分布在25～28 ℃，太陽(yáng)輻射照度的變化范圍為100～600 W/m2，該工況下，系統(tǒng)制冷凍水階段制冷COPc在2.2～2.6波動(dòng)，平均值約為2.37。系統(tǒng)制冷功率在1.6～2.1 kW波動(dòng)，平均值為1.89 kW，單位面積組件的平均制冷功率為390 W，制冷功率隨冷凍水溫度的降低而降低。

陰天日間工況下系統(tǒng)制冷性能變化特點(diǎn)與夜間并不相同，由于較高的環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射的影響，PVT組件的散熱性能顯著降低，因此系統(tǒng)在日間的制冷性能也低于夜間。以制冷凍水階段的制冷性能為參照，如圖15所示為夏季陰天日間和夜間工況下系統(tǒng)制冷COPc的對(duì)比，由圖15可知，在制冷凍水階段，陰天日間和夜間的平均制冷COPc分別為2.37和2.84，夜間的制冷性能更優(yōu)，相比于陰天日間約高20%。

圖15 夏季陰天日間和夜間制冷工況系統(tǒng)制冷COPc對(duì)比Fig. 15 Comparison of system COPc between summer overcast daytime and nighttime conditions

3.3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述建立的單級(jí)壓縮PVT熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以及系統(tǒng)制冷性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬研究前，應(yīng)驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論求解結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與分析。利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的理論求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差通過(guò)均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)衡量，計(jì)算式如下：

(17)

式中：xsim,i、xex,i分別為所取目標(biāo)參數(shù)的第i個(gè)理論解與第i個(gè)實(shí)驗(yàn)值；RMSD為參數(shù)的均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差；N為總數(shù)據(jù)量。

本研究選取單位面積PVT組件的散熱功率作為準(zhǔn)確性驗(yàn)證的目標(biāo)參數(shù)，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)物性參數(shù)、初始參數(shù)、氣象參數(shù)、迭代參數(shù)代入系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中，可以求解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中PVT組件的理論散熱功率，同時(shí)選取具有相近初始條件和氣象條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖16和圖17所示。由圖16、圖17可知，PVT組件理論散熱功率的變化趨勢(shì)與實(shí)際散熱功率基本相同，在相近的氣象參數(shù)條件下，理論求解工況點(diǎn)均在實(shí)驗(yàn)性能曲線的附近波動(dòng)，均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差在11%以下，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度較高，可以滿足系統(tǒng)性能仿真的要求，可以基于此模型進(jìn)一步開(kāi)展PVT熱泵系統(tǒng)和PVT組件的傳熱理論研究與性能仿真分析。

圖16 多個(gè)制冷周期組件散熱功率理論解與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 16 Comparison of the PVT unit heat dissipation power between theoretical solution value and experimental value in multiple refrigeration processes

圖17 一個(gè)制冷周期組件散熱功率理論解與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 17 Comparison of the PVT unit heat dissipation power between theoretical solution value and experimental value in one refrigeration process

4 結(jié)論

本文面向我國(guó)北方地區(qū)建筑夏季空調(diào)制冷的需求，在既有PVT熱泵系統(tǒng)制熱和發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將天空長(zhǎng)波輻射冷卻融入PVT熱泵綜合利用過(guò)程，提出單級(jí)壓縮PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用一套系統(tǒng)分時(shí)輸出熱能、電能和冷量。重點(diǎn)研究了系統(tǒng)組成及制冷工況下的運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)中作為冷凝器的吹脹式PVT組件，并論述了其結(jié)構(gòu)形式及工作原理?；跓崞胶夥匠?，建立了系統(tǒng)主要設(shè)備部件的數(shù)學(xué)模型，提出了系統(tǒng)制冷性能的評(píng)價(jià)方法，并在大連地區(qū)自然工況下開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論求解結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。得到結(jié)論如下：

1)夏季夜間晴朗氣象條件下，單個(gè)制冷周期內(nèi)，系統(tǒng)的制冷功率和制冷COPc均隨著蒸發(fā)溫度的降低而逐漸降低。制冷凍水階段制冷性能(制冷功率和制冷COPc平均值分別為2.0 kW和2.8)優(yōu)于制冰階段(制冷功率和制冷COPc平均值分別為1.5 kW和2.3)。制冷凍水階段和制冰階段的單位面積PVT組件散熱功率分別為420、320 W，是可查的已有研究中單位面積組件最大散熱功率的3～4倍，制冷性能提升顯著。

2)夏季陰天白天太陽(yáng)輻射照度較弱氣象條件下，系統(tǒng)仍可以制冷工況運(yùn)行，但由于夏季日間室外環(huán)境溫度較高，且有太陽(yáng)輻射的存在，日間陰天工況下系統(tǒng)的制冷性能低于夜間工況。日間陰天工況系統(tǒng)制冷凍水階段的平均制冷COPc和制冷功率分別為2.37和1.89 kW，夜間工況制冷性能相比于日間陰天工況約高20%。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各性能參數(shù)的理論解與實(shí)驗(yàn)解的均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差均在11%以下，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度較高，可以滿足系統(tǒng)性能仿真的要求。

3)單級(jí)壓縮PVT熱泵熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在夏季多種氣象條件下均可以制冷模式運(yùn)行，充分利用天空輻射冷卻和空氣對(duì)流熱能，實(shí)現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的制冷和蓄冷，以滿足建筑在夏季的空調(diào)制冷需求。

本文受濰坊科技學(xué)院學(xué)科建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)課題項(xiàng)目(2021XKJS41)、濰坊科技學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)資金項(xiàng)目(KJRC2020012)資助。(The project was supported by the Special Subject Project of Discipline Construction of Weifang University of Science and Technology (No. 2021XKJS41), and the Research Start-up Funding Project for High-level Talents of Weifang University of Science and Technology (No. KJRC2020012).)