直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)在不同城市運(yùn)行性能仿真與分析

陸王琳, 施 雨, 鮑佳麒, 劉文杰, 代彥軍

(1．上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240;2．上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,太陽能發(fā)電與制冷教育部工程研究中心,上海 200240)

上世紀(jì)中葉以來,全球溫室氣體排放量快速上升,引起了嚴(yán)重的氣候問題[1]。建筑作為重要的能源消耗單元,其溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放總量的30%以上[2]。在全球范圍內(nèi),約40%的建筑能耗用于建筑的供熱制冷[3]。因此,探究更為高效、清潔、可持續(xù)的建筑供熱方式,是減少建筑能耗與碳排放量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一[4-5]。

供熱方式的電氣化[6],即以熱泵(空氣源熱泵、水源熱泵)代替燃煤/燃?xì)忮仩t,被認(rèn)為是降低建筑供熱碳排放量的最有效途徑之一。此外,各種可再生能源,如地?zé)崮?地埋管換熱器[7]、地源熱泵[8])、太陽能[9-10](平板集熱器[11]、真空管集熱器[12])在建筑供熱領(lǐng)域的應(yīng)用也被認(rèn)為是降低建筑供熱碳排放量的重要方式。在低碳建筑供熱技術(shù)中,直接膨脹式(以下簡稱直膨式)太陽能熱泵[13]是結(jié)合了太陽能光熱技術(shù)與熱泵技術(shù)的新型供暖方式。由于太陽輻照的效應(yīng),直膨式太陽能熱泵的蒸發(fā)溫度提高,進(jìn)而其熱力性能可得到有效提高。因此,在太陽能資源較豐富的地區(qū),該系統(tǒng)較空氣源熱泵有性能優(yōu)勢(shì)。

在直膨式太陽能熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究人員將其與光伏光熱耦合技術(shù)(PVT技術(shù))[14]相結(jié)合,提出了直膨式太陽能PVT熱泵[15]。相比于傳統(tǒng)的空氣源熱泵,該技術(shù)可以提高低溫?zé)嵩吹钠肺?從而提升熱泵系統(tǒng)的熱力性能,還可實(shí)現(xiàn)太陽能熱電聯(lián)產(chǎn),提高太陽能綜合利用率。此外,該技術(shù)還可有效利用光伏組件的工作廢熱,降低光伏組件的工作溫度,抑制溫度效應(yīng),從而提高光伏組件的發(fā)電效率[16]。相比于傳統(tǒng)太陽能PVT技術(shù),增加熱泵循環(huán)可對(duì)組件溫度和用能溫度進(jìn)行解耦,解決了傳統(tǒng)太陽能PVT技術(shù)中用能品位與溫控效果的矛盾。

相關(guān)研究人員論證了太陽能PVT熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。張露[17]采用實(shí)驗(yàn)方法探究了一種基于吹脹工藝的直膨式PVT組件的熱泵熱水系統(tǒng)。Zhou 等[18]研究了采取蛇形流道結(jié)構(gòu)的直膨式PVT單機(jī)壓縮熱泵熱水系統(tǒng)在夏季工況下的運(yùn)行性能。Yao等[19]測(cè)試了一種基于吹脹式組件的直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)在上海地區(qū)的運(yùn)行性能。Lu等[20]研究了一種帶補(bǔ)氣增焓的直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行性能。

研究人員針對(duì)直膨式太陽能PVT組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[21]以及直膨式PVT熱泵系統(tǒng)在特定工況下的性能表現(xiàn)與性能優(yōu)化[22]展開了大量工作。然而,相關(guān)研究多局限于部分特定工況,對(duì)于系統(tǒng)在全年變化工況及在不同地域的運(yùn)行性能的探究尚較為缺乏。筆者基于直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的工作原理,在Matlab平臺(tái)上開發(fā)了基于迭代算法的直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)建筑氣候區(qū)劃與太陽能資源分區(qū)的差異,在不同城市對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能差異進(jìn)行了仿真模擬。

1 太陽能PVT熱泵系統(tǒng)

如圖1所示,典型的直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)包括直膨式PVT組件陣列、光伏發(fā)電調(diào)控模塊、熱泵循環(huán)模塊與集熱水箱。其中,直膨式PVT組件陣列是該系統(tǒng)最為重要的組成部分,一方面通過光生伏特效應(yīng),其將部分入射太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能輸出。在此過程中,光伏發(fā)電調(diào)控模塊中的光伏逆控一體機(jī)可追蹤光伏組件的最大功率點(diǎn),以優(yōu)化陣列發(fā)電性能,還可將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于蓄電池中,或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電,用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)等負(fù)載或?qū)⑵漭敵鲋岭娋W(wǎng)。

圖1 直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)示意圖

圖2為直膨式太陽能PVT組件的工作原理。其中,Pe為組件發(fā)電功率,I為組件正面入射太陽輻照強(qiáng)度,hcv、hrd分別為對(duì)流和輻射傳熱系數(shù),Qth為熱泵工質(zhì)的得熱功率,Ir為背板輻照強(qiáng)度。組件在將部分入射太陽輻射轉(zhuǎn)化為直流電能輸出的同時(shí),將其余部分入射輻射轉(zhuǎn)化為熱能。該組件還可通過面蓋層上表面和吹脹背板下表面與環(huán)境空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。當(dāng)組件溫度高于環(huán)境溫度時(shí),組件向環(huán)境散熱,反之則從環(huán)境中吸收熱量。此外,組件與周圍環(huán)境還存在著以輻射形式的熱交換。面蓋層的上表面可向天空輻射散熱,而背板的下表面涂敷有黑色涂層,可以吸收散射輻射以及來自地面的反射輻射。處于兩相狀態(tài)的熱泵工質(zhì)在背板的流體通道中流動(dòng),通過相變換熱形式將貯存在組件中的廢熱帶走,并經(jīng)熱泵循環(huán)提質(zhì)后,在冷凝端釋放熱量,供用戶使用。完成冷凝過程的過冷狀態(tài)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫降壓后,變?yōu)閮上酄顟B(tài)再流入組件中,完成一個(gè)完整的熱力循環(huán)。

圖2 直膨式PVT組件工作原理示意圖

圖3為直膨式PVT組件的多層結(jié)構(gòu),包括玻璃面蓋、聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜、太陽能光伏(PV)電池、絕緣層和吹脹式冷卻背板。該背板中布置有經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的流體通道結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)具有良好的集熱性能、溫度均勻性和流動(dòng)均勻性[23]。

圖3 直膨式PVT組件多層結(jié)構(gòu)

由于入射太陽輻照的效應(yīng),在輻照條件良好的情況下直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度可以得到有效提高,相應(yīng)地,其熱力性能,如系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)等相比于傳統(tǒng)空氣源熱泵具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)學(xué)模型

圖4為直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。其中,Qe為光伏發(fā)電功率,W;Qc為冷凝功率,W;Wele為壓縮機(jī)輸入功率,W;T為溫度,℃;h為工質(zhì)的比焓,kJ/kg;p為壓強(qiáng),kPa;下標(biāo)ei、eo、ci、co分別表示蒸發(fā)器進(jìn)、出口以及冷凝器進(jìn)、出口,e和c分別表示蒸發(fā)壓力和冷凝壓力,wt表示水箱。

圖4 直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)熱力學(xué)模型

2.1 直膨式PVT組件

工作過程中直膨式PVT組件可利用的熱能最大值Qabs為:

Qabs=A[τgαpI(1-ηe)+αrIr]

(1)

式中:A為集熱/蒸發(fā)器面積,m2;τg為玻璃面蓋的透射率;αp為PV電池吸收率;ηe為PV發(fā)電效率;αr為背板吸收率。

PV發(fā)電效率隨組件溫度的升高而下降,其滿足如下關(guān)系:

ηe=ηrc[1-βPV(Tp-Trc)]

(2)

式中:ηrc為組件在參考溫度Trc=25 ℃下的發(fā)電功率,取19.1%;Tp為組件溫度,℃;βPV為PV組件的溫度系數(shù),K-1。

直膨式PVT組件向環(huán)境的熱損失功率QL為:

QL=ULA(Tp-Ta)

(3)

式中:Ta為環(huán)境溫度;UL為總熱損失系數(shù),W/(m2·K)。

(4)

式中:Rg、REVA、Rr分別為玻璃面蓋、EVA膠膜和鋁基背板的熱阻,m2·K/W。

熱泵工質(zhì)的得熱功率Qth應(yīng)滿足以下關(guān)系:

Qth=Qabs-QL

(5)

(6)

式中:Tf為流體平均溫度,在正常工況下與系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相近,可近似為蒸發(fā)溫度;F′為集熱/蒸發(fā)器的效率因子,與集熱背板的流道結(jié)構(gòu)、組件的總熱損系數(shù)、集熱背板的導(dǎo)熱系數(shù)和流道內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)有關(guān)[21]。

顯然,由式(5)和式(6)求得的熱泵工質(zhì)得熱功率需一致。

流經(jīng)單片直膨式PVT組件的工質(zhì)質(zhì)量流量qm,e滿足以下關(guān)系:

qm,e=Qth/(heo-hei)

(7)

2.2 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)輸入功率We可由下式表示:

We=qm,c(hci-heo)/ηele

(8)

式中:ηele為壓縮機(jī)電效率[24];qm,c為流經(jīng)壓縮機(jī)的質(zhì)量流量。

(9)

式中:λ為壓縮機(jī)容積效率,與壓比呈負(fù)相關(guān)[22];qV,th為壓縮機(jī)理論輸氣量,m3/h;νsuc為壓縮機(jī)吸氣比體積,m3/kg。

流經(jīng)壓縮機(jī)的工質(zhì)質(zhì)量流量還需滿足以下關(guān)系:

qm,c=Nqm,e

(10)

式中:N為PVT組件數(shù)量。

壓縮機(jī)出口焓(即冷凝器入口焓)為:

hci=heo+(hcs-heo)/ηex

(11)

式中:ηex為壓縮機(jī)的等熵效率;hcs為等熵壓縮情況下壓縮機(jī)的出口焓。

2.3 冷凝器、水箱和膨脹閥

冷凝功率,即水箱得熱功率為:

Qc=qm(hci-hco)

(12)

式中:qm為水箱中被加熱流體的質(zhì)量流量,kg/s。

在給定的一段時(shí)間內(nèi),水箱溫升與冷凝功率滿足以下關(guān)系:

(13)

式中:m為水箱中水的質(zhì)量;cw為水的比熱容;ΔT為給定時(shí)間內(nèi)的溫升;Qtl為水箱對(duì)外界的熱損失功率;t為時(shí)間;t1為給水箱加熱的初始時(shí)刻;t2為水箱達(dá)到某一設(shè)定溫度的終止時(shí)刻。

流經(jīng)膨脹閥前后,熱泵工質(zhì)的焓應(yīng)滿足以下關(guān)系:

hco=hei

(14)

2.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括性能系數(shù)和發(fā)電增益。

性能系數(shù)CCOP為:

CCOP=Qc/We

(15)

發(fā)電增益B為:

(16)

式中:PPVT為直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的發(fā)電量;PPV為相同外界條件下PV系統(tǒng)的發(fā)電量。

2.5 仿真模型

基于上述數(shù)學(xué)模型在Matlab平臺(tái)上建立直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的仿真模型,計(jì)算流程如圖5所示。其步驟簡述如下:(1)根據(jù)組件流道結(jié)構(gòu),輸入相應(yīng)的效率因子(F′)公式;(2)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)過熱度(Tsh)、過冷度(Tsc)、壓縮機(jī)理論輸氣量(qV,th)、組件數(shù)量(N);(3)輸入環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),包括時(shí)間步長(Δt)、水箱溫度(Twt)、入射輻照強(qiáng)度(I)、風(fēng)速(νwind)和環(huán)境溫度(Ta);(4)假設(shè)組件溫度預(yù)設(shè)初值Tp;(5)假設(shè)蒸發(fā)溫度設(shè)定初值Tf;(6)通過PVT集熱/蒸發(fā)器模型內(nèi)的式(5)和式(6)計(jì)算蒸發(fā)熱,并進(jìn)行比較,如果誤差大于允許值,修正蒸發(fā)溫度,并重復(fù)步驟(5),如果誤差小于允許值,進(jìn)入步驟(7);(7)通過PVT集熱/蒸發(fā)器模型內(nèi)的式(7)計(jì)算組件內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量,與通過式(10)計(jì)算的流經(jīng)壓縮機(jī)的質(zhì)量流量(qm,c)進(jìn)行比對(duì),如果誤差大于允許值,修正組件溫度,重復(fù)步驟(4),如果誤差小于允許值,進(jìn)入步驟(8);(8)通過冷凝器、水箱模型計(jì)算冷凝功率(Qc)、水箱溫升(ΔT)和水箱溫度(Twt),如果水箱溫度高于設(shè)定的加熱終止溫度(Tend),則結(jié)束整個(gè)運(yùn)算;否則進(jìn)入下一時(shí)間步長的計(jì)算,返回步驟(3)。仿真模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[25]。

圖5 計(jì)算流程圖

3 結(jié)果與分析

根據(jù)不同太陽能資源分區(qū)差異以及建筑氣候區(qū)劃,選取6個(gè)城市(上海、北京、拉薩、蘭州、昆明、廣州),對(duì)直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。

基于不同城市的全年環(huán)境條件參數(shù)(輻照強(qiáng)度、環(huán)溫、風(fēng)速),對(duì)直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真。表1為不同城市性能仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)工作時(shí)間為每日9:00—17:00,水箱容積為400 L。由于水箱溫度的實(shí)時(shí)變化也會(huì)導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)冷凝溫度發(fā)生變化,所以仿真的時(shí)間步長應(yīng)盡可能短,以減小計(jì)算誤差。在綜合考慮計(jì)算效率與計(jì)算誤差后,仿真時(shí)間步長取為3 min。

表1 不同城市直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)的性能仿真參數(shù)

圖6為直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)在不同城市、不同季節(jié)典型工況下的運(yùn)行性能。在不同季節(jié)和城市,系統(tǒng)的瞬時(shí)COP大致呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。系統(tǒng)的COP先上升,這是由于一般情況下,隨著時(shí)段由早晨過渡至午間,入射太陽輻照隨之增加,系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度提高,從而系統(tǒng)的熱力性能提升;然而,隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長的增加,水箱內(nèi)水溫也隨之上升,系統(tǒng)的冷凝溫度不斷上升,且隨著時(shí)段逐漸由午間過渡到日落,太陽輻照強(qiáng)度達(dá)到峰值并最終下降,導(dǎo)致系統(tǒng)的COP下降。

表2給出了系統(tǒng)在不同城市、不同季節(jié)下的平均COP和加熱定量熱水所需的工作時(shí)長。在上海、北京、拉薩、蘭州、昆明和廣州,系統(tǒng)在夏季典型工況下的平均COP分別為7.34、7.30、6.98、8.18、6.24和6.79,在冬季典型工況下平均COP分別為5.59、5.21、6.05、5.03、6.48和5.43;系統(tǒng)在夏季加熱400 L的熱水,所需的平均工作時(shí)長分別為275 min、273 min、279 min、243 min、314 min和295 min,在冬季加熱400 L熱水所需的平均工作時(shí)長分別為344 min、364 min、316 min、376 min、298 min和359 min,均可滿足在8 h工作時(shí)長內(nèi)加熱定量熱水的要求。

表2 直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)在不同城市和季節(jié)下的平均COP和加熱時(shí)長

圖7為直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年每日平均組件溫度和發(fā)電增益。PVT技術(shù)的引入可顯著降低組件溫度,從而提高光伏組件的發(fā)電效率。采用PVT技術(shù)后組件溫降隨環(huán)境參數(shù)(輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度)的變化而改變,在全年范圍內(nèi)波動(dòng)較大。溫降和發(fā)電增益隨環(huán)境溫度和輻照強(qiáng)度的增大而增大。因此,在不同地區(qū)發(fā)電增益基本呈夏高冬低的趨勢(shì)。在環(huán)境溫度較高或輻照強(qiáng)度較大的工作日,組件溫降可達(dá)到40 K,而組件的最大發(fā)電增益可達(dá)到20%左右。如表3所示,在上海、北京、拉薩、蘭州、昆明和廣州,全年范圍內(nèi)直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的組件平均溫度分別為14.3 ℃、13.5 ℃、16.4 ℃、11.3 ℃、15.1 ℃和15.0 ℃,相比于純光伏組件分別下降了17.7 K、17.0 K、20.0 K、17.6 K、14.9 K和14.9 K;相比于純光伏組件,系統(tǒng)的全年平均發(fā)電增益分別為9.28%、8.56%、10.42%、10.01%、7.70%和7.64%。

表3 不同城市直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年平均組件溫降和發(fā)電增益

(a) 上海

4 結(jié) 論

(1) 由于太陽輻照效應(yīng),系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相比于空氣源熱泵系統(tǒng)得到有效提高,COP也相應(yīng)更高。在上海、北京、拉薩、蘭州、昆明和廣州,系統(tǒng)在夏季典型工況下的平均COP分別為7.34、7.30、6.98、8.18、6.24和6.79,在冬季典型工況下的平均COP分別為5.59、5.21、6.05、5.03、6.48和5.43。

(2) 在上海、北京、拉薩、蘭州、昆明和廣州,系統(tǒng)在夏季加熱400 L熱水所需的平均工作時(shí)長分別為275 min、273 min、279 min、243 min、314 min和295 min,在冬季加熱400 L熱水所需的平均工作時(shí)長分別為344 min、364 min、316 min、376 min、298 min、359 min。

(3) 在上海、北京、拉薩、蘭州、昆明和廣州,相比于純光伏組件,PVT組件的全年平均溫降分別為17.7 K、17.0 K、20.0 K、17.6 K、14.9 K和14.9 K,發(fā)電增益分別為9.28%、8.56%、10.42%、10.01%、7.70%和7.64%。