太陽能-空氣雙熱源熱泵系統性能實驗

侯隆澍，全貞花，杜伯堯，趙耀華，江波

（1 北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室，北京100124； 2 住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心，北京100835； 3 北京萬興建筑集團有限公司，北京102600）

引 言

基于光伏光熱技術的太陽能直膨熱泵系統（PV/T-DXHP）具有結構簡單、高效節能等特點，是近年來太陽能綜合利用的一種新形式。針對光伏光熱蒸發器（PV/TE）的結構優化和PV/T-DXHP 系統的運行特性，國內外研究學者已從理論和實驗等角度進行研究[1]。Ji等[2]采用管板式PV/TE 與熱泵系統相結合，對系統能量轉換過程進行分析，與獨立運行的光伏光熱組件和熱泵系統相比，其COP 和電效率均有提升。Mohanraj等[3-4]對比圓管和三角管的管板式PV/T-DXHP 系統的運行性能，研究表明三角管比圓管COP提升約3%～5%、電效率提升約4%～13%。徐國英等[5]對采用多孔扁管式結構的PV/TDXHP 系統進行研究，與管板式結構相比，COP 提升約7%、熱效率提升約6%。Zhang 等[6-9]設計吹脹式結構PV/TE 并建立熱泵系統實驗裝置，其夏季時COP 和電效率可達7.18 和11.8%，冬季時約3.45 和7.51%。Shao 等[10-11]將上述系統與建筑屋頂相結合并進行實驗研究，研究表明該系統可降低建筑得熱量約39.9%、日負荷約38.6%。

目前，研究學者已對管板式、流道式和吹脹式結構的PV/T-DXHP 系統進行深入研究，但對熱管式PV/T-DXHP 系統研究卻相對較少[12-14]。由于熱管具有傳熱性能強、均溫性好等特點，其與PV/TDXHP 系統結合具有很好的應用前景。Fu 等[15-16]采用熱管式光伏光熱組件與熱泵系統進行集成，對其運行性能進行研究，在太陽能熱泵模式下運行時，其熱效率約61.1%～82.1%、電效率約8.3%～9.1%。但是上述系統在熱泵模式下蒸發器是以管板式結構進行集熱的，未充分發揮熱管的作用，同樣的情況也出現在Li等[17-18]的研究中。Zhang 等[19-22]采用圓柱形熱管對PV/T-DXHP 系統進行改造，在室外測試條件下，其電效率、熱效率和總效率約9.13%、39.25%和48.37%，COP可達5.51以上。但是受圓柱形熱管的形狀限制，其與換熱元件間的接觸面積有限、熱阻偏大，一定程度上影響了系統性能[23]。

為優化熱管式PV/TE 的結構、提升PV/T-DXHP系統性能，在前期研究的基礎上[23-26]，本文將平板微熱管陣列光伏光熱組件改造為新型光伏光熱蒸發器（photovoltaic-thermal evaporator with flat micro heat pipe array, MHPA-PV/TE），設計研發一種新型太陽能-空氣雙熱源熱泵系統（solar energy and air dual-heat-source heat pump system, DHS-HP），它可以同時從太陽輻射和環境空氣中吸收熱量，實現多能互補，提升系統的綜合性能。為深入分析該系統的運行性能，本文對近似工況下太陽能供熱模式和雙熱源供熱模式下DHS-HP 系統的運行性能進行研究，分析不同模式運行特點、優化系統運行策略，旨在為該系統的實際應用提供指導。

1 DHS-HP系統

1.1 MHPA-PV/TE結構

圖1為平板微熱管陣列，其具有接觸熱阻小、傳熱能力強、可靠性高等特點[27-28]。圖2 為MHPA-PV/TE，其利用平板微熱管陣列對傳統PV/TE 結構進行簡化，從上到下依次為光伏組件、平板微熱管陣列、制冷劑換熱器、空氣換熱器和風機、保溫層等。其中，光伏組件采用單晶硅，總面積約1.86 m2，發電面積約1.79 m2；每個平板微熱管陣列尺寸為950 mm×120 mm×3 mm，均勻布置于電池背部；制冷劑換熱器采用微通道扁管，尺寸為1950 mm×100 mm×10 mm，固定于熱管背部上方，兩個風機均安裝于其背部，提升與環境空氣的換熱能力；熱管背部的其余區域敷設15 個空氣換熱器，尺寸均為850 mm×120 mm×20 mm；保溫層厚度約30 mm，被粘貼在空氣換熱器背部，以減少熱損失。此外，每個換熱元件接觸面間均填充有導熱硅膠，以減少接觸熱阻。

1.2 DHS-HP實驗平臺

圖1 平板微熱管陣列示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat micro heat pipe array

圖2 MHPA-PV/TE示意圖Fig.2 Schematic diagram of MHPA-PV/TE

圖3 為DHS-HP 實驗平臺，包括MHPA-PV/TE、壓縮機、貯熱水箱、毛細管、套管換熱器等部件。其中，采用MHPA-PV/TE 的同時，本系統還設置了風冷換熱器作為輔助蒸發器，通過雙蒸發器的相互補充，用以提升系統的適用范圍。通過梳理已有相關系統的選型參數[2-22]，1HP 壓縮機對應光伏光熱蒸發器面積約2～5 m2，單位面積光伏光熱蒸發器對應水箱容積約26～92 L。結合本系統的特點，實際選用2塊光伏光熱蒸發器（單塊面積為1.86 m2），1HP 定頻轉子壓縮機，水箱容積為200 L，制冷劑為R22。該實驗平臺在供熱工況下具有3 種運行模式：①太陽能供熱模式（S 模式）。當白天晴朗、日照充足時，電磁閥5-1 和5-3 開啟、5-2 和5-4 關閉，MHPA-PV/TE背部風機處于關閉狀態，以太陽能為主要熱源進行供熱；②太陽能-空氣雙熱源供熱模式（SA模式）。當白天多云、日照不足時，電磁閥5-1 和5-3 開啟、5-2 和5-4 關閉，MHPA-PV/TE 背部風機處于開啟狀態，以太陽能和環境空氣為熱源進行供熱；③空氣源供熱模式（A 模式）。當白天陰天或夜間時，電磁閥5-1 和5-3 關閉、5-2 和5-4 開啟，以環境空氣為主要熱源進行供熱。此外，根據使用需求的變化，該系統還可以通過開啟四通換向閥6，利用單向閥組10，實現制冷空調的功能。測試儀器和傳感器參數如表1所示。其中，熱電阻用于采集水箱、蒸發器進出風、冷凝器進出水和MHPA-PV/TE 背板等溫度；熱電偶用于采集蒸發器、冷凝器等部件中制冷劑的溫度。流量、溫度和壓力等數據均通過Agilent 34970A進行記錄，周期為10 s。

1.3 系統性能評價指標

DHS-HP 系統的性能評價指標主要包括發電量、電效率、得熱量、熱效率、COP和綜合性能效率。

系統的瞬時發電量可按式（1）進行計算：

系統的瞬時光電轉換效率可按式（2）進行計算：

系統的冷凝器瞬時放熱量可按式（3）進行計算：

系統的瞬時熱效率是指單位面積光伏光熱蒸發器通過對流、輻射等途徑從周圍環境中吸收的熱量與入射太陽輻射的能量之比，可采用冷凝器瞬時放熱量扣除壓縮機瞬時功耗進行計算，即[6]：

熱泵的性能系數可按式（5）進行計算：

由于熱能和電能屬于兩種品位不同的能源，為準確評價其能量利用特性，這里采用Huang等[29-30]提出的綜合性能效率進行評價，即：

1.4 實驗誤差分析

E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo是熱泵系統性能評價的重要指標，相對誤差分別為：

根據式（7）～式（12）進行計算得到，E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo的相 對誤差分 別為0.71%、2.12%、

圖3 DHS-HP實驗平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of DHS-HP system

1—MHPA-PV/TE;2—壓縮機;3—套管換熱器;4—貯熱水箱;5—電磁閥;6—四通換向閥;7—毛細管;8—過濾器;9—儲液罐;10—單向閥;11—風冷換熱器;12—軸流風機;13—循環水泵;14—數據采集儀;15—計算機;—溫度傳感器;—功率傳感器;—流量傳感器;—壓力傳感器;—電流傳感器;—電壓傳感器;—風速傳感器3.00%、3.74%、3.16%和4.30%。

表1 測試設備和傳感器參數Table 1 Types of related measured instruments and sensors

2 實驗結果與分析

圖4 為不同模式下太陽輻照（G）和環境溫度（Ta）的變化曲線。SA 模式下，GSA為152～733 W/m2，平均456 W/m2；Ta,SA為7.5～13.6℃，平均10.6℃。S 模式下，GS為295～783 W/m2，平均634 W/m2；Ta,S為4.6～14.9℃，平均9.1℃。根據環境參數的變化趨勢，可分為3 個階段：第1 階段（0～60 min），Ta,SA＜Ta,S，GSA＜GS；第2 階段（60～140 min），Ta,SA≈Ta,S，GSA＜GS；第3 階段（140～270 min），Ta,SA＞Ta,S，GSA≈GS。

圖4 太陽輻照與環境溫度變化曲線Fig.4 Variation curves of solar radiation and ambient temperature

圖5 環境溫度與蒸發器背板溫度以及環境溫度與蒸發器出風溫度的差值的變化曲線Fig.5 Variation curves of temperature differences in ambient air and back panel as well as ambient air and outlet air

圖5為不同模式下環境溫度與蒸發器背板溫度的差值（ΔTa-eva）以及環境溫度與蒸發器出風溫度的差值（ΔTa-out）的變化曲線。由圖可知，SA 模式下ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA隨太陽輻照的降低顯著增加。第1 階段，GSA在208～549 W/m2之間 變化，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分別波動在-0.2～3.5℃和0.2～1.4℃，蒸發器從環境空氣中吸熱。第2 階段，GSA下降至152 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA逐 步 提 升，最 高 達4.1℃和1.6℃，蒸發器從環境空氣中的吸熱能力進一步增強。第3 階 段，GSA穩 定 在598 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分別波動在-3.1～0.5℃和-0.3～0.5℃，蒸發器出現向環境空氣散熱的現象。對于S 模式，由于未采用與環境空氣強制對流的換熱方式，ΔTa-eva,S波動在-5.4～0.5℃，環境空氣中的熱量未被利用；而在第3 階段，由于SA 模式中環境空氣作用的轉變，致使ΔTa-eva,SA和ΔTa-eva,S開始趨于一致。需要說明的是，由于制冷劑換熱器布置在出風口處，其對蒸發器出風溫度造成一定影響，致使第3 階段中絕大多數時間ΔTa-out,SA略大于0 情況的出現。根據上述特性，通過監測ΔTa-eva的變化進行運行策略的調整，可以進一步提升系統的運行效果，即當ΔTa-eva＞0（即背板溫度小于環境溫度）時，啟動雙熱源模式；當ΔTa-eva＜0（即背板溫度大于環境溫度）時，啟動太陽能供熱模式。

圖6 得熱量和熱效率的變化曲線Fig.6 Variation curves of heat gain and thermal efficiency

圖6為不同模式下得熱量（Qth）和熱效率（ηth）的變化曲線。由圖可知，Qth和ηth受太陽輻射和環境溫度的變化有一定波動，但隨運行時間增加總體呈下降趨勢。第1 階段，由于環境空氣的能量補充，SA模式下系統實現相對穩定的能源供應，Qth,SA在993～1251 W 范圍內小幅波動；ηth,SA最高達129.7%，且整個過程均高于ηth,S。第2 階段，SA 模式下環境空氣的能量補充作用進一步顯現，使Qth,SA與Qth,S相差不大，平均約872 W 和932 W；平均ηth,SA卻高達87.4%，是ηth,S的2倍。第3階段，Qth,SA和ηth,SA的變化趨勢與S模式趨于一致。測試期間，平均Qth,SA和ηth,SA分別為962 W 和56.7%；而S 模 式 下 平 均僅 為858 W 和36.4%。不難看出，SA 模式更適合在低輻照條件下運行。

圖7 為不同模式下發電量（E）和電效率（ηe）的變化曲線。由圖可知，E 和ηe與太陽輻射的變化趨勢基本一致。測試期間，SA 模式下，ESA為14～278 W，平均130 W；ηe,SA為2.3～12.8%，平均7.7%。S 模式下，ES為27～364 W，平均224 W；ηe,S為2.4～12.7%，平均9.5%。總體上看，由于S 模式下太陽輻照較強且環境溫度較低，使其平均ES和ηe,S高于SA 模式。但在第3 階段，由于SA 模式下蒸發器開始向環境空氣散熱，使其發電效率有所提升，平均ηe,SA約8.3%，而S 模式下約7.8%，提升0.5%。綜上可知，SA 模式在高輻照條件下環境空氣的作用會由向蒸發器供熱轉變成為蒸發器散熱，雖然其會減少蒸發器的集熱量，但是卻實現了為光伏電池散熱的效果，對發電性能有一定提升作用。

圖7 發電量和電效率的變化曲線Fig.7 Variation curves of power generation and electrical efficiency

圖8 蒸發壓力和冷凝壓力的變化曲線Fig.8 Variation curves of evaporation and condensation pressures

圖8 為不同模式下蒸發壓力（Peva）和冷凝壓力（Pcon）的變化曲線。由圖可知，蒸發壓力隨太陽輻射和環境空氣溫度的波動而變化，冷凝壓力隨運行時間逐步增加。由于第1～2 階段SA 模式下平均太陽輻射和平均環境溫度均低于S 模式，致使其平均Peva,SA約0.4 MPa，比S 模式低0.06 MPa。進入第3階段，隨環境溫度的升高，Peva,SA開始高于Peva,S直至結束。對于Pcon,SA，第1～2 階段均低于Pcon,S，進入第3 階段，兩者的差距才逐漸減少，最后均達到2.1 MPa。

圖9 為不同模式下壓縮機（Ecom）和水箱溫度（Ttk）的變化曲線。SA 模式下Ecom,SA從521 W 增長至862 W，平均685 W；S 模式下Ecom,S從511 W 增長至831 W，平均687 W；兩種模式下壓縮機平均功率基本相同。水箱從20℃加熱至50℃的過程中，SA 模式和S 模式分別用時255 min 和270 min，前者可縮短加熱時間約5.6%。

圖9 壓縮機功率和水箱溫度的變化曲線Fig.9 Variation curves of energy consumption and water tank temperature

圖10 總效率和COP的變化曲線Fig.10 Variation curves of overall efficiency and COP

圖10 為不同模式下綜合性能效率（ηo）和COP變化曲線。由圖可知，隨運行時間的增加，ηo和COP呈下降的趨勢。SA 模式下，COPSA在1.5～3.3 范圍內波動，平均2.38；S 模式下，COPS在0.6～4.4 范圍內波動，平均2.23。受環境溫度和太陽輻射的綜合作用，COPSA比COPS更加穩定，且提升超過6.7%。對于綜合性能效率，絕大多數時間ηo,SA均高于ηo,S，平均分別為81.7%和56.7%，提高約25.0%。總體上看，測試期間平均太陽輻照處于較低水平，SA模式的綜合性能優于S 模式，但是其第3 階段存在散熱情況，一定程度上降低了SA模式的綜合性能。

3 結 論

將平板微熱管陣列技術應用于光伏光熱組件并改裝為MHPA-PV/TE，進而研發得到新型DHSHP 系統。在平均太陽能輻照456～634 W/m2、平均環境溫度9.1～10.6℃的工況下，對該系統在S 模式和SA 模式下的運行特性進行研究，得到結論如下。

（1）受太陽輻射和環境溫度影響，SA 模式下環境空氣的作用包括放熱和吸熱兩種功能，環境溫度與背板溫度的溫差在-3.1～3.5℃之間波動，蒸發器進出風溫差在-0.3～1.6℃之間波動。而S 模式下環境溫度始終低于背板溫度，溫差最大達-5.4℃，環境空氣中的熱能未被充分利用。

（2）SA 模式適合在低輻照條件下運行。在平均太陽輻照456 W/m2、環境溫度10.6℃的條件下，SA模式下DHS-HP 系統熱效率、總效率和COP 分別達56.7%、81.7%和2.38，比S模式提升20.3%、25.0%和6.7%。與SA 模式相比，S 模式更適合在高輻照條件下運行。

（3）SA 模式在高輻照條件下雖然會造成系統的散熱量增加，但是對系統發電性能卻有一定促進作用。

（4）DHS-HP系統運行中，當背板溫度小于環境溫度時啟動雙熱源模式，當背板溫度大于環境溫度時啟動太陽能供熱模式，可以進一步提升系統的運行效果。

符 號 說 明

A——面積，m2

COP——性能系數

c——比熱容，J/(kg·K)

E——發電量，W

G——太陽輻照，W/m2

I——電流，A

m——流量，kg/s

P——壓力，Pa

Q——熱量，W

T——溫度，℃

ΔT——溫差，℃

U——電壓，V

η——效率

下角標

a——環境空氣

com——壓縮機

con——冷凝器

e——電性能

eva——蒸發器

in——入口

o——綜合性能

out——出口

S——太陽能供熱模式

SA——太陽能和空氣雙熱源供熱模式

th——熱性能

tk——貯熱水箱

w——水