風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)日間冷電聯(lián)產(chǎn)性能實(shí)驗(yàn)研究

徐建偉 楊 華 馮關(guān)源 孔祥飛 李 晗 范 滿

(河北工業(yè)大學(xué),天津)

0 引言

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,能源改革也在不斷推進(jìn)。太陽(yáng)能作為一種常見(jiàn)的可再生能源,在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比越來(lái)越大。建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的36%,其產(chǎn)生的碳排放量占總量的近40%[1],因而將太陽(yáng)能與建筑系統(tǒng)相結(jié)合,既符合目前建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì),也是太陽(yáng)能規(guī)?；玫挠行緩絒2]。太陽(yáng)能應(yīng)用于建筑夏季制冷主要有2種方式:光熱利用與吸收式空調(diào)相結(jié)合、光伏發(fā)電與蒸氣壓縮式空調(diào)相結(jié)合。但受技術(shù)和成本的制約,2種方式的制冷性能系數(shù)受限于集熱/發(fā)電效率[3]。

太陽(yáng)能光伏/光熱(PV/T)空調(diào)系統(tǒng)可以綜合利用太陽(yáng)能、空氣熱能和天空長(zhǎng)波輻射能進(jìn)行冷熱電聯(lián)產(chǎn),通過(guò)循環(huán)介質(zhì)有效降低光伏板溫度,同時(shí)回收廢熱,從而提高綜合能源利用效率[4-5]。陳建泉對(duì)PV/T空調(diào)系統(tǒng)的夏季制冷效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論建模研究,結(jié)果表明用PV/T空調(diào)進(jìn)行制冷以滿足建筑用冷需求是可行的[6]。Rossi等人在不同氣候條件下比較了傳統(tǒng)太陽(yáng)能空調(diào)、風(fēng)冷式空調(diào)和PV/T空調(diào)系統(tǒng)的能耗和COP,結(jié)果表明PV/T空調(diào)具有更低的能耗和更高的COP[7]。黃文竹在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下研究了PV/T空調(diào)的制冷性能,結(jié)果表明系統(tǒng)COP在0.65～1.39之間[8]。曠玉輝測(cè)試了帶蓄冷水箱的PV/T空調(diào)在夜間的蓄冷性能,蓄冷水箱溫度從28.7 ℃逐漸降低到19.5 ℃,總蓄冷量為14.9 kW·h,系統(tǒng)平均COP約為2.9[9]。Delamo等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PV/T空調(diào)系統(tǒng)的COP最高達(dá)4.6[10]。

現(xiàn)有研究表明了PV/T空調(diào)制冷的可行性和高效性,但研究多集中在夜間利用長(zhǎng)波輻射制冷工況,在日間太陽(yáng)輻照影響下光伏板溫度升高,光伏發(fā)電效率和冷凝器散熱效果均會(huì)受到影響,傳統(tǒng)PV/T空調(diào)系統(tǒng)利用PV/T組件作為系統(tǒng)冷凝器,在日間太陽(yáng)輻照度較大時(shí)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)制冷,針對(duì)系統(tǒng)日間冷電聯(lián)產(chǎn)性能的研究還比較缺乏。因此本文提出了一種風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)在夏季日間的冷電聯(lián)產(chǎn)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,深入分析了環(huán)境因素、運(yùn)行參數(shù)等對(duì)系統(tǒng)發(fā)電和制冷性能的影響,為拓展PV/T空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍提供參考。

1 系統(tǒng)形式和實(shí)驗(yàn)裝置介紹

系統(tǒng)改造前(風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組)的額定制冷量為2.6 kW,額定輸入功率為0.76 kW。改造后風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示,主要部件包括:壓縮機(jī)、四通換向閥、電磁膨脹閥、蒸發(fā)器、風(fēng)冷(翅片管)冷凝器和PV/T冷凝器。系統(tǒng)的發(fā)電功能由PV/T冷凝器上的光伏板實(shí)現(xiàn),制冷劑為R410A,其循環(huán)過(guò)程為:制冷劑在壓縮機(jī)中被壓縮成高溫高壓蒸氣,再進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器和PV/T冷凝器冷凝為高溫高壓液體,接著通過(guò)電磁膨脹閥節(jié)流為低溫低壓液體,然后在蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)成低溫低壓蒸氣,最后再進(jìn)入壓縮機(jī)完成循環(huán)。

圖1 風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)圖

在風(fēng)冷冷凝器與PV/T冷凝器之間設(shè)置1根旁通管,通過(guò)控制閥門(mén)1～3,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在風(fēng)冷式PV/T空調(diào)和風(fēng)冷式空調(diào)間的轉(zhuǎn)換。在無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)(如陰雨天),光伏板的發(fā)電功能難以實(shí)現(xiàn),啟動(dòng)PV/T冷凝支路進(jìn)行制冷。在太陽(yáng)輻照度較小時(shí)(如陰天、多云天氣),光伏板發(fā)電性能與PV/T冷凝制冷效果均不理想,利用風(fēng)冷冷凝支路進(jìn)行制冷。在太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)時(shí),PV/T組件僅起發(fā)電作用,冷凝作用由風(fēng)冷冷凝支路和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。主要的測(cè)試儀器見(jiàn)表1。

表1 主要測(cè)試儀器

風(fēng)冷式PV/T冷凝器由PV/T冷凝器和風(fēng)冷式冷凝器串聯(lián)組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。PV/T冷凝器自上而下依次為光伏板、鋁板和銅管;光伏板朝南向鋪設(shè),與水平方向夾角為40°;銅管全長(zhǎng)約13 m,外徑8 mm,通過(guò)焊接與鋁板緊密連接;為了降低鋁板與光伏板間的接觸熱阻,兩者之間填充了導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K))。風(fēng)冷式冷凝器主要由風(fēng)機(jī)和翅片管換熱器組成;盤(pán)管形式為雙排銅管,全長(zhǎng)約為26 m,外徑8 mm;翅片尺寸為50.0 mm×36.0 mm×0.1 mm(長(zhǎng)×寬×高),翅片間距為2 mm。實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)運(yùn)行主要依據(jù)電網(wǎng)供電,光伏板發(fā)電通過(guò)外接阻值為30 Ω的電阻進(jìn)行消耗,在光伏板與電阻之間并聯(lián)電壓變送器用于監(jiān)測(cè)輸出電壓,在光伏板與電阻之間串聯(lián)電流變送器用于監(jiān)測(cè)光伏板的輸出電流,如圖3所示。室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。房間尺寸為5.4 m×3.6 m×2.6 m(長(zhǎng)×寬×高),位于某住宅2層露臺(tái),系統(tǒng)蒸發(fā)器安裝在房間的南墻上方。在室內(nèi)端布置15個(gè)溫度傳感器,共分為3組,用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度。

圖2 風(fēng)冷式PV/T冷凝器結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)接電示意圖

圖4 室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 系統(tǒng)輸出電功率Qe。

Qe=UI

(1)

式中U為光伏板的輸出電壓,V;I為光伏板的輸出電流,A。

2) 系統(tǒng)輸出電效率ηe。

(2)

式中Ae為光伏板面積,m2;Is為太陽(yáng)輻照度,W/m2。

3) 系統(tǒng)制冷量Qr。

Qr=m(he,o-he,i)

(3)

式中m為制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;he,o和he,i分別為蒸發(fā)器出口和入口比焓,kJ/kg。

4) 系統(tǒng)COP。

(4)

式中η為COP;Wsy為系統(tǒng)輸入功率,kW。

2.2 不確定性分析

為表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,引入不確定度[11-12]。經(jīng)計(jì)算,光伏板的輸出電功率、輸出電效率的相對(duì)不確定度分別為±0.5%、±3.0%,系統(tǒng)制冷量和COP的相對(duì)不確定度分別為±1.1%、±1.2%。

3 風(fēng)冷式PV/T空調(diào)發(fā)電性能分析

在不同天氣條件下對(duì)光伏板的發(fā)電性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。晴天、多云與陰天的平均太陽(yáng)輻照度分別為943.1、530.8、250.1 W/m2,3種天氣對(duì)應(yīng)的光伏板平均溫度分別為49.2、36.5、23.8 ℃。在不同太陽(yáng)輻照度和光伏板溫度影響下,光伏板輸出電功率差距較大,其中多云天氣下的輸出電功率最高,平均值為13.7 W,而晴天與陰天時(shí)的平均輸出電功率分別為12.8 W和11.6 W。晴天、多云和陰天條件下的平均輸出電效率分別為1.2%、4.8%和3.2%。陰天時(shí),太陽(yáng)輻照度和光伏板溫度均較低,光伏板的輸出電效率在3%～5%之間。多云時(shí),太陽(yáng)輻照度相較于陰天時(shí)增大,光伏板平均溫度為36.5 ℃,光伏板的輸出電效率最高可達(dá)6.4%。晴天時(shí),光伏板溫度較高,可達(dá)50 ℃以上,雖然太陽(yáng)輻照度較大,但由于過(guò)高的光伏板溫度導(dǎo)致電效率較低,平均值為1.2%。由于該研究的目的主要在于探究系統(tǒng)在夏季日間制冷的可行性,選取的光伏板面積僅1.06 m2,額定功率僅200 W,在陰天、多云與晴天時(shí),光伏板的平均輸出電功率分別占同時(shí)刻系統(tǒng)輸入電功率的2.9%、2.8%與2.4%。

圖5 不同天氣條件下光伏板溫度和發(fā)電性能

光伏板的輸出電功率同時(shí)受太陽(yáng)輻照度與光伏板溫度的影響,如圖6所示。當(dāng)太陽(yáng)輻照度為固定值時(shí),光伏板輸出電功率隨光伏板溫度的升高而降低;而當(dāng)光伏板溫度固定時(shí),光伏板輸出電功率隨太陽(yáng)輻照度的增大而升高。

圖6 光伏板輸出電功率隨光伏板溫度與太陽(yáng)輻照度的變化

光伏板輸出電功率關(guān)于光伏板溫度和太陽(yáng)輻照度的函數(shù)擬合關(guān)系如式(5)所示,R2=0.84。

(5)

式中tpv為光伏板溫度,℃。

4 風(fēng)冷式PV/T空調(diào)制冷性能分析

本章分析太陽(yáng)輻照度、室外風(fēng)速、室外溫度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響,其中空調(diào)機(jī)組的供冷量由特定溫度設(shè)定參數(shù)的室內(nèi)負(fù)荷決定,而系統(tǒng)能效受室外環(huán)境參數(shù)影響。

4.1 太陽(yáng)輻照度影響

在室外風(fēng)速為0.5 m/s、室外溫度為30 ℃時(shí),太陽(yáng)輻照度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響如圖7所示。由圖7a可以看出:在陰天天氣下,太陽(yáng)輻照度小于150 W/m2,系統(tǒng)制冷量和COP都較小;在多云天氣下,太陽(yáng)輻照度達(dá)到365 W/m2,系統(tǒng)制冷量和COP分別為2.18 kW和4.4;在晴天天氣下,太陽(yáng)輻照度達(dá)到810 W/m2,系統(tǒng)制冷量和COP分別達(dá)到2.45 kW和4.6。由此得出,隨著太陽(yáng)輻照度的增大,系統(tǒng)制冷量與COP均增大。這是因?yàn)楣夥鍦囟扰c室內(nèi)冷負(fù)荷均隨太陽(yáng)輻照度的增大而升高或增大,為了保證冷凝器具有良好的散熱性能,壓縮機(jī)輸入功率增大,冷凝溫度提高,同時(shí)制冷劑流量增大,系統(tǒng)制冷量增大。當(dāng)太陽(yáng)輻照度由31 W/m2升高到810 W/m2時(shí),制冷量的增加幅度(提高2.0倍)比耗功量的增加幅度(提高1.7倍)大,因而COP有小幅增大。由圖7b可以看出,當(dāng)太陽(yáng)輻照度提高到810 W/m2時(shí),系統(tǒng)冷凝溫度與制冷劑流量分別提高到37.8 ℃與43.8 kg/h。

圖7 太陽(yáng)輻照度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響

4.2 室外風(fēng)速影響

在室外溫度為30 ℃、太陽(yáng)輻照度為360 W/m2的條件下,室外風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響如圖8所示?？梢钥闯?隨著室外風(fēng)速由0.2 m/s升高到1.4 m/s,系統(tǒng)制冷量由0.79 kW增大到2.14 kW,COP由3.3增大到5.4。不同風(fēng)速時(shí)系統(tǒng)壓縮機(jī)輸入功率與制冷劑流量變化很小,風(fēng)速主要影響PV/T組件與空氣的對(duì)流換熱性能,當(dāng)室外風(fēng)速由0.2 m/s升高到1.4 m/s時(shí),PV/T組件與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)由3.4 W/(m2·K)提升到7.0 W/(m2·K),更有助于PV/T組件對(duì)環(huán)境空氣的散熱,進(jìn)而改善系統(tǒng)制冷性能。

圖8 室外風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響

4.3 室外溫度影響

在太陽(yáng)輻照度為360 W/m2、室外風(fēng)速為0.4 m/s的條件下,室外溫度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響如圖9所示?？梢钥闯?隨著室外溫度的升高,室內(nèi)外溫差逐漸加大,室內(nèi)冷負(fù)荷隨之增大,為了維持室內(nèi)溫度,壓縮機(jī)輸入功率提高,制冷劑流量與冷凝溫度隨之提高,系統(tǒng)制冷量進(jìn)一步增大;當(dāng)室外溫度由23.6 ℃升高到32.7 ℃時(shí),制冷量的增加幅度(提高2.0倍)比耗功量的增加幅度(提高2.8倍)小,因此COP持續(xù)降低;當(dāng)室外溫度達(dá)到32.7 ℃時(shí),系統(tǒng)冷凝溫度與制冷劑流量分別提高到38.9 ℃與44.7 kg/h,制冷量增加到2.78 kW,COP降低到3.3。

圖9 室外溫度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響

5 結(jié)論

本文提出了一種風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng),將風(fēng)冷式冷凝器與PV/T冷凝器組成為一體,可改善在日間太陽(yáng)輻照影響下光伏板溫度升高導(dǎo)致的光伏發(fā)電和冷凝器散熱性能相互制約問(wèn)題,提升風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)在日間的利用率。本文實(shí)驗(yàn)研究了太陽(yáng)輻照度、室外風(fēng)速、室外溫度等對(duì)系統(tǒng)發(fā)電和制冷性能的影響,得到如下結(jié)論:

1) 光伏板溫度隨太陽(yáng)輻照度的增大而升高,光伏板輸出電效率隨光伏板溫度升高而降低。當(dāng)平均太陽(yáng)輻照度從250.1 W/m2升高到943.1 W/m2時(shí),光伏板平均溫度從23.8 ℃升高到49.2 ℃;當(dāng)光伏板溫度從36.5 ℃升高到49.2 ℃時(shí),光伏板輸出電效率從4.8%降低到1.2%。

2) 室外溫度對(duì)風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響相對(duì)最大,當(dāng)室外溫度從23.6 ℃升高到32.7 ℃時(shí),制冷量從0.92 kW增加到2.78 kW,COP從5.3降低到3.3;太陽(yáng)輻照度的影響相對(duì)最小,當(dāng)太陽(yáng)輻照度從31 W/m2增大到810 W/m2時(shí),制冷量從0.81 kW增大到2.45 kW,COP從4.0增大到4.6。在多種夏季日間工況下,風(fēng)冷式PV/T空調(diào)系統(tǒng)均能正常工作,證明了其在日間冷電聯(lián)產(chǎn)的可能性。