光伏光熱-熱泵系統(tǒng)供熱水箱與蓄熱水箱匹配研究

曲明璐，閆楠楠，王海洋，盧明琦

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

隨著我國城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展，建筑規(guī)模也迅速增長，消耗了大量建材，產(chǎn)生了大量的能耗與碳排放，這些建筑能耗與碳排放在我國全社會(huì)占有相當(dāng)?shù)谋壤齕1-2]。當(dāng)今世界建筑正處于高增長期，預(yù)計(jì)從現(xiàn)在到2050 年，全球新增建筑面積將是中國現(xiàn)有存量的2.5 倍（即1 500～2 000 億）[3]。不斷增長的建筑面積導(dǎo)致了更多的建筑運(yùn)行用能，使得采暖、空調(diào)、生活熱水、家用電器等終端用能需求和產(chǎn)生的碳排放也不斷上升[3]。對此，我國對低碳發(fā)展給出了明確的目標(biāo)和時(shí)間，將力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[4]?？稍偕茉磳Υ龠M(jìn)建筑節(jié)能具有重要意義，是替代化石能源實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途經(jīng)。

太陽能作為可再生的清潔能源在能源供給結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用尤為廣泛。近幾年國內(nèi)外學(xué)者對光伏光熱-熱泵（PV/T-HP）系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[5-7]。崔云翔等[8]對太陽能-地源熱泵不同運(yùn)行模式進(jìn)行了研究，得出了上海地區(qū)太陽能-地源熱泵系統(tǒng)的較佳流量配比。金滿等[9]對太陽能光伏光熱系統(tǒng)輔助地源熱泵進(jìn)行了供暖模擬研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)整體性能系數(shù)較傳統(tǒng)地源熱泵均有很大的提升。曲明璐等[10]對PV/T-HP 系統(tǒng)的蓄熱水箱大小進(jìn)行了全天運(yùn)行模擬，并對集熱水泵流量進(jìn)行了優(yōu)化。在PV/T-HP 系統(tǒng)中，蓄熱水箱的大小直接影響集熱器的電效率與熱泵機(jī)組的制熱效率。然而目前對PV/T-HP 系統(tǒng)供熱水箱與蓄熱水箱大小匹配的研究還相對較少。

為得到不同容量供熱水箱最佳匹配的蓄熱水箱大小，本文通過TRNSYS 軟件對不同容量下的供熱水箱匹配不同容量下的蓄熱水箱進(jìn)行了全年的系統(tǒng)運(yùn)行性能模擬，以?損作為評價(jià)指標(biāo)，通過模擬結(jié)果得到全年最小?損的蓄熱水箱的容量，為后續(xù)選擇供熱水箱與蓄熱水箱匹配問題提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 是光伏光熱-熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)主要包括太陽能光伏光熱組件子系統(tǒng)、水源熱泵子系統(tǒng)、生活熱水子系統(tǒng)3 部分。其中，系統(tǒng)光伏板面積為9.18 m2，熱泵額定制熱量為3 kW，供熱水箱容積為200 L，蓄熱水箱容積為500 L。系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)部件介紹可參見文獻(xiàn)[10]。

圖1 光伏光熱-熱泵系統(tǒng)圖Fig.1 Photovoltaic thermal-heat pump system diagram

2 系統(tǒng)綜合效率分析

由于電能和熱能的品位不同，太陽能光伏光熱組件的電效率與熱效率以及熱泵機(jī)組的制熱效率無法采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)去衡量，因此，本文考慮使用?的概念，通過計(jì)算系統(tǒng)整體的?損來評價(jià)光伏光熱-熱泵系統(tǒng)的綜合性能。

在PV/T-HP 系統(tǒng)中?損El為消耗?與輸出?的差值，如式（1）所示。該公式是由?平衡公式[11-12]得到，即所有的輸入?減去所有的輸出?等于?損失。

式中：P0為輸出?包括發(fā)電?；EX,C為輸出熱量?；PW為消耗?包括水泵消耗?；PH為熱泵機(jī)組消耗?；Es為太陽能輻射?。

由于本文中系統(tǒng)光伏組件傾角、面積及各項(xiàng)參數(shù)均相同，因此，太陽能輻射?數(shù)值沒有差異。

在式(1)中各項(xiàng)?的計(jì)算如下：系統(tǒng)中發(fā)電?P0即為系統(tǒng)發(fā)電量，各水泵消耗?PW及熱泵機(jī)組消耗?PH皆為各自運(yùn)行所耗電量，輸出熱量?EX,C包括熱泵制熱?EX與 PV/T 組件產(chǎn)熱?EC。

式中：QH為熱泵的制熱量；T0為環(huán)境溫度；T為熱泵熱水溫度。

式中：Qe為集熱盤管中循環(huán)水的得熱量；Tc為PV/T組件出口水溫。

式中：Qs為太陽能PV/T 組件有效得熱量；Ts為太陽輻射溫度，取Ts=6 000 K。

PV/T 組件光電轉(zhuǎn)換效率nP為 光電輸出功率與太陽有效熱能的比值，熱泵的制熱量QH為供熱側(cè)進(jìn)出水管中循環(huán)水得熱量。

式中，WP為PV/T 組件的輸出功率，可通過光伏發(fā)電輸出的電壓U和電流I相乘得到。

式中：mL為冷凝水循環(huán)流量；c為水的比熱容；Tout，Tin分別為冷凝水進(jìn)、出口水溫。

水源熱泵的制熱效率COP計(jì)算式為

式中，W為壓縮機(jī)功率。

3 系統(tǒng)性能模擬與結(jié)果分析

選用TRNSYS 軟件來進(jìn)行仿真模擬。該仿真模型中光伏光熱組件選用TYPE50 模塊，水源熱泵模塊采用在TRNSYS 平臺上自行研發(fā)的TYPE 225 模塊來模擬水-水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行。系統(tǒng)模擬的輸入?yún)?shù)如表1 所示。模型中設(shè)備參數(shù)的設(shè)置與實(shí)驗(yàn)中設(shè)備參數(shù)保持一致。圖2 為光伏光熱-熱泵系統(tǒng)仿真模型圖。

表1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)Tab.1 Input parameters of the system

圖2 光伏光熱-熱泵系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of the photovoltaic thermal-heat pump system

3.1 系統(tǒng)模擬驗(yàn)證

在已構(gòu)建的系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，將2014年12 月21 日實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型輸出的參數(shù)進(jìn)行對比分析驗(yàn)證。圖3 為實(shí)驗(yàn)當(dāng)天逐時(shí)室外環(huán)境溫度和太陽輻射強(qiáng)度變化。全天最高溫度和最大輻射強(qiáng)度均出現(xiàn)在11:45，分別是8.5 ℃和553 W/m2。

圖3 實(shí)驗(yàn)的氣象參數(shù)Fig.3 Meteorological parameters of the experiment

實(shí)驗(yàn)與模擬系統(tǒng)均在9:00 開啟熱泵機(jī)組和集熱循環(huán)泵。為盡量保證實(shí)驗(yàn)與模擬的一致性，各部件初始參數(shù)、室外氣象參數(shù)、仿真模型運(yùn)行邏輯都與實(shí)驗(yàn)一致。集熱循環(huán)泵開啟后系統(tǒng)開始收集光熱并且銅管內(nèi)循環(huán)水開始為光伏板表面降溫，蓄熱水箱溫度升高。當(dāng)供熱水箱溫度超過50 ℃時(shí)，熱泵機(jī)組停機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行為直供模式。集熱循環(huán)泵全天運(yùn)行直至19:00 系統(tǒng)全部關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)步驟和測試設(shè)備見文獻(xiàn)[10]。

從圖4 和圖5 中可以看出，供熱水箱、蓄熱水箱和發(fā)電量的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的平均誤差分別為15.83%，7.86%和13.26%。模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下兩水箱溫度變化曲線基本吻合，發(fā)電量曲線基本吻合，誤差均在合理值范圍內(nèi)。因此，可以認(rèn)為本文所構(gòu)建的光伏光熱-熱泵系統(tǒng)仿真模型具有準(zhǔn)確性和可靠性，可以用來進(jìn)行后續(xù)研究。

圖4 兩水箱溫度的實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of experimental and simulated data for the temperature of two water tanks

圖5 發(fā)電量的實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated data of power generation

3.2 模擬工況

相關(guān)研究表明，太陽能集熱器的集熱面積對應(yīng)所需的蓄熱水箱容量[13]大約為40～100 L/m2，考慮到PV/T 組件表面有一層單晶硅，其主要依靠傳熱來加熱熱水。所以，光伏光熱組件的集熱效率要低于太陽能平板集熱器，而一般平板集熱器集熱效率在40%～80%范圍內(nèi)[14]。綜合考慮，本文選取100，200，300 L 這3 種不同容量的供熱水箱，通過系統(tǒng)仿真模擬來研究各容量供熱水箱在單位PV/T 集熱器面積水箱容量30，60，90 L/m2時(shí)的匹配情況。選取上海地區(qū)典型氣象年來進(jìn)行全年的系統(tǒng)運(yùn)行性能模擬分析。本文此部分以供熱水箱容量為100 L 的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖6 是3 種蓄熱水箱容量下系統(tǒng)月平均電效率的變化情況。由此可見，3 種容量下系統(tǒng)的電效率變化趨勢一致，隨著夏季太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，光伏光熱組件的溫度升高，導(dǎo)致電效率在夏季有下降的趨勢，均在7 月達(dá)到了最低值，分別為11.43%，11.52%，11.58%。熱泵運(yùn)行階段蓄熱水箱越小，溫度下降得越快，電效率越高；熱泵停機(jī)后，蓄熱水箱容積越大，溫度上升得越慢，電效率越高。這是因?yàn)樾顭崴錅囟冉档蛣t集熱循環(huán)水溫度降低，集熱循環(huán)水流經(jīng)光伏板表面會(huì)降低光伏板的溫度，從而使光伏組件發(fā)電效率升高，反之亦然。而熱泵機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間段在一天中占的比例越少，所以，考慮平均全年整體平均電效率時(shí)，蓄熱水箱容積越大，相應(yīng)的電效率就會(huì)越高。從圖6 中也可以看到，90 L/m2時(shí)系統(tǒng)的電效率整體大于其他2 種。在整個(gè)模擬過程中，30，60，90 L/m2蓄熱水箱對應(yīng)的系統(tǒng)年平均電效率分別為12.07%，12.16%，12.20%。

圖6 不同容量時(shí)系統(tǒng)電效率逐月變化情況Fig.6 Monthly change in electrical efficiency of the system under different capacities

圖7 和圖8 分別為100 L 供熱水箱下，蓄熱水箱不同容量時(shí)熱泵機(jī)組逐月運(yùn)行能耗與COP變化情況。從圖中可以看出，由于蓄熱水箱溫度超過設(shè)定溫度50 ℃，90 L/m2時(shí)系統(tǒng)在7 月和8 月切換成直供模式，因此，熱泵無運(yùn)行能耗和COP值。3 種容量下熱泵機(jī)組的總能耗為470.56，445.13，447.74 MJ；年平均COP分別為6.90，7.14，7.15?？梢钥吹? 種不同容量下蓄熱水箱容量越大，系統(tǒng)年平均COP越高。

圖7 不同容量時(shí)熱泵機(jī)組逐月運(yùn)行能耗Fig.7 Monthly operating energy consumption of heat pump units under different capacities

圖8 不同容量時(shí)系統(tǒng)全年COP 變化情況Fig.8 Annual COP change of the system under different capacities

當(dāng)供熱水箱容量為200，300 L 時(shí)，系統(tǒng)年平均電效率和COP值如表2 所示。通過對結(jié)果進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)年平均電效率的整體變化趨勢均與100 L 供熱水箱一致，且都是蓄熱水箱容量30 L/m2時(shí)最小，90 L/m2時(shí)最大；年平均COP均在蓄熱水箱30 L/m2時(shí)最小，90 L/m2時(shí)最大。由此可見，蓄熱水箱容量越大，系統(tǒng)全年平均電效率越高，熱泵機(jī)組年平均COP越大。

表2 不同容量下系統(tǒng)電效率和COPTab.2 Electrical efficiency and COP of the system under different capacities

為判斷不同容量下系統(tǒng)全年的運(yùn)行性能并使結(jié)果更為直觀，采用上文提到的?損作為系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)，不同容量下系統(tǒng)各?值如表3 所示。

從表3 可以看出，90 L/m2時(shí)系統(tǒng)全年平均電效率最高，所以，其發(fā)電量?高于其他2 個(gè)。3 種水箱容積情況下熱泵年運(yùn)行總時(shí)長相差不大，30 L/m2時(shí)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間略高于其余2 種容量的系統(tǒng)，因此，3 個(gè)系統(tǒng)的輸出熱量?相差不大，90 L/m2時(shí)的系統(tǒng)全年輸出?分別比30 L/m2與60 L/m2高了53.8 MJ 和21.1 MJ。消耗?中源側(cè)水泵耗?的差別較為明顯，主要是因?yàn)橄募鞠到y(tǒng)大部分時(shí)間處于直供模式下，此時(shí)蓄熱水箱與供熱水箱間僅通過源側(cè)水泵進(jìn)行換熱，蓄熱水箱容積越小，其溫度升高越快，水箱內(nèi)水溫更高，換熱時(shí)間越短，進(jìn)而源側(cè)水泵開啟時(shí)間也越短，其耗電量也越少。因此，30 L/m2時(shí)源側(cè)水泵全年耗?要明顯小于其他2 種容量。綜合輸出?與消耗?，蓄熱水箱容量為60 L/m2時(shí)的系統(tǒng)全年?損分別比30，90 L/m2降低了9.96%，5.61%。

表3 不同容量下系統(tǒng)各?值匯總Tab.3 Summary of each exergy value of the system under different capacities MJ

綜合上述3 種蓄熱水箱容量下系統(tǒng)全年運(yùn)行情況分析，水箱容量越大，其系統(tǒng)全年平均電效率越高，熱泵機(jī)組年平均COP越大，但直供模式下供熱水箱到達(dá)設(shè)定溫度的時(shí)間也越長。綜合計(jì)算?損可以發(fā)現(xiàn)，60 L/m2時(shí)系統(tǒng)全年?損最小。

當(dāng)供熱水箱容量為200，300 L 時(shí)，各容量蓄熱水箱的數(shù)據(jù)如表4 和表5 所示。由此可見，蓄熱水箱大小為60 L/m2時(shí)系統(tǒng)全年?損最小，分別為389.94，402.64 MJ，而且供熱水箱容量200 L時(shí)，60 L/m2分別比30，90 L/m2低12.68%，9.01%，供熱水箱容量為300 L 時(shí)，60 L/m2分別比30，90 L/m2低1.49%，0.67%。

表4 供熱水箱容量200 L 時(shí)系統(tǒng)各?值匯總Tab.4 Summary of each exergy value of the system with the heating tank capacity of 200 L MJ

表5 供熱水箱容量300 L 時(shí)系統(tǒng)各?值匯總Tab.5 Summary of each exergy value of the system with the heating tank capacity of 300 L MJ

4 結(jié)論

利用TRNSYS 軟件搭建了光伏光熱-熱泵系統(tǒng)的仿真模型，選取不同容量的供熱水箱匹配不同容量的蓄熱水箱，對系統(tǒng)進(jìn)行全年模擬。

a.水箱容量越大，系統(tǒng)全年的平均電效率越高，熱泵機(jī)組的年平均COP越大，但是，在直供模式下供熱水箱達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間越長。

b.以全年?損作為系統(tǒng)運(yùn)行性能評價(jià)指標(biāo)，通過計(jì)算不同容量供熱水箱下系統(tǒng)的全年?損可知，100，200，300 L 供熱水箱容量下最匹配的蓄熱水箱大小均為60 L/m2，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行性能更佳。

本文僅對蓄熱水箱容量為30，60，90 L/m2的3 種工況進(jìn)行了分析，接下來的工作將探究是否可能存在最優(yōu)的蓄熱水箱容量使得全年?損最小。