復(fù)合型光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統(tǒng)熱電性能研究

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(jì)，住宅和商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)耗電量占全國(guó)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(bǔ)應(yīng)用的新型供熱模式，對(duì)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(guó)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(diǎn)，也有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)清潔能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與梯級(jí)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(jì)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(dú)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(shí)，PVT 組件不具備發(fā)電和產(chǎn)熱的作用，此時(shí)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(duì)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(yùn)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(shì)互補(bǔ)與梯級(jí)利用。搭建PVT 熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，利用EES 熱力學(xué)計(jì)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(duì)系統(tǒng)性能的影響，并將該P(yáng)VT 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(duì)比，進(jìn)而為提升PVT 熱泵系統(tǒng)熱力性能并拓展多能互補(bǔ)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

PVT熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)空氣擾動(dòng)，強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)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(huì)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(shí)利用風(fēng)冷式蒸發(fā)盤管進(jìn)行制熱，保證系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of heating experiment

1.2 測(cè)量裝置和測(cè)點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量時(shí)間間隔為5s，測(cè)量裝置如表2所示。其中T 型熱電偶用來測(cè)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)且沿板面長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量裝置Table 2 The main measuring devices in the experiment

續(xù)表2 實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量裝置

圖3 光伏板背板溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Temperature measurement points location of PV panel backplane

2 模擬計(jì)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(cè)試工況下的發(fā)電效率和實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在太陽輻射照度約為100W/m2時(shí)，光伏板背板溫度與翅片溫度對(duì)比如圖5所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(dòng)。圖6所示為PVT 熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度與COP 隨時(shí)間的變化曲線。在該時(shí)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(duì)比圖Fig.5 Temperature comparison of the photovoltaic panel backplane and inner fins

圖6 PVT 熱泵性能隨時(shí)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(jì)算軟件模擬不同太陽輻射強(qiáng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)，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?yàn)樵谡舭l(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(shí)室外空氣溫度由-5℃增加到15℃時(shí)，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(duì)(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(shí)，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(shí)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(yùn)行的穩(wěn)定性。對(duì)系統(tǒng)的熱電性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)時(shí)熱電聯(lián)產(chǎn)效果顯著。

（2）當(dāng)太陽輻射照度為500W/m2時(shí)，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(shí)，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%。