復合型光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統熱電性能研究

王祥達 范 滿 徐建偉 桑文虎 左瑞旺

（河北工業大學能源與環境工程學院 天津 300401）

0 引言

隨著化石燃料耗量的增加以及環境污染和全球氣候變暖現象的加劇，作為清潔能源的太陽能和高效節能的熱泵技術得到極大的關注[1,2]。據統計，住宅和商業建筑的空調系統耗電量占全國能源消耗總量約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應用的新型供熱模式，對建筑節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在我國已得到廣泛應用，但兩者的結合應用還比較少，兩者的結合應用可以克服太陽能受天氣條件影響的缺點，也有利于提高系統穩定性，因此國內學者對太陽能熱泵技術展開了積極研究[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供系統，既可以利用熱泵及時將光伏組件的發電余熱帶走，緩解光伏組件溫度過高而引起的發電效率降低現象；也可以利用太陽能提高熱泵的蒸發溫度，改善系統熱力性能，從而實現清潔能源的優勢互補與梯級利用[8,9]。

為了進一步改善直膨式PVT 熱泵系統性能，Tsai[10,11]設計了光電自給自足的PVT 熱泵系統，熱泵COP 達7.09，光電光熱綜合效率達86%。Xu 等[12]和Pei 等[13,14]研究發現，PVT 熱泵系統的冬季制熱COP 在3.8 左右，夏季制冷COP 在4.7左右，光電轉換效率比單獨的光伏組件高16.3%，光電光熱綜合效率可達84.7%。Chen 等[15]、Zhou等[16,17]和Xu 等[18]分別研發了玻璃真空管PVT 蒸發器、微通道PVT 蒸發器和聚光型PVT 蒸發器，將上述三種蒸發器應用于PVT 熱泵系統中，均取得了較好的熱電聯產性能。然而在冬季太陽輻射較弱或無太陽輻射時，PVT 組件不具備發電和產熱的作用，此時PVT 組件作為蒸發器的性能不如常規的風冷式蒸發器。根據Sun 等[19]的研究結果，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%。

針對如何保證直膨式PVT 熱泵系統在制熱工況下的連續高效運行難題，本研究提出一種復合型太陽能光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統，將PVT 蒸發器與風冷式蒸發器有機結合，進行清潔能源的優勢互補與梯級利用。搭建PVT 熱泵系統實驗測試平臺，利用EES 熱力學計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對系統性能的影響，并將該PVT 熱泵系統制熱性能與常規風冷式熱泵系統進行對比，進而為提升PVT 熱泵系統熱力性能并拓展多能互補應用提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

PVT熱泵系統實驗測試在天津（117°E，39°N）進行，其中復合型PVT 蒸發器的結構如圖1所示。室外機部分被整合在三棱柱結構內，斜面上鋪放光伏板，傾角為45°，光伏板背板上鋪設鋁板，兩者通過高導熱EVA 膠進行粘合，在鋁板背部鋪設制冷劑盤管，該盤管主要與光伏板背板進行熱交換；在三棱柱內部與光伏板平行鋪設兩排鋁板，鋁板上鋪放風冷式蒸發盤管，鋁板與盤管組成翅片式換熱器，與空氣進行熱交換。側面放置風機，用于增強空氣擾動，強化換熱。

圖1 復合型PVT 蒸發器結構示意圖Fig.1 The Schematic diagram of composite PVT evaporator structure

在日間，光伏板在太陽輻射下發電發熱，光伏板溫度高于周圍環境空氣溫度，此時利用PVT蒸發盤管制熱相比于風冷式蒸發盤管可以提高蒸發溫度；在夜間，光伏板與低溫天空長波輻射換熱使得光伏板溫度降低，若利用PVT 蒸發盤管進行制熱會降低蒸發溫度，可能導致盤管結霜甚至不能正常工作，此時利用風冷式蒸發盤管進行制熱，保證系統運行的穩定性與高效性。制熱循環系統如圖2所示，制冷劑為R410A，主要設備參數如表1所示。

表1 PVT 熱泵系統主要參數Table 1 Main parameters of PVT heat pump system

圖2 制熱循環實驗系統圖Fig.2 System diagram of heating experiment

1.2 測量裝置和測點位置

實驗測試參數包括：太陽輻射照度、蒸發及冷凝盤管進出口壓力和溫度、制冷劑流量、光伏板背板溫度以及系統耗電量等，各參數的測量時間間隔為5s，測量裝置如表2所示。其中T 型熱電偶用來測量光伏板背板溫度，其布置位置如圖3所示。考慮到光伏組件溫度分布的不均勻性，9個測溫點且沿板面長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律。

表2 實驗中主要測量裝置Table 2 The main measuring devices in the experiment

續表2 實驗中主要測量裝置

圖3 光伏板背板溫度測點布置圖Fig.3 Temperature measurement points location of PV panel backplane

2 模擬計算

復合型PVT 熱泵系統壓焓圖如圖4所示，據此可得熱泵制熱量如式（1）：

圖4 PVT 熱泵系統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分別為冷凝器進出口制冷劑焓值，kJ/kg。

壓縮機耗功量如式（2）：

式中，ηcom為壓縮機等熵效率，取0.75；h2為蒸發器出口制冷劑焓值，kJ/kg。

光伏板溫度可由式（3）進行估算[20,21]：

式中，ta是室外環境空氣溫度，℃。

光伏板發電效率及發電量分別如式（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分別為光伏板在標準測試工況下的發電效率和實際發電效率；WPV為光伏板發電量，kW。

PVT 熱泵制熱工況下性能系數（COP）如式（6）：

3 結果與討論

3.1 實驗結果分析

在太陽輻射照度約為100W/m2時，光伏板背板溫度與翅片溫度對比如圖5所示。實驗過程中，制冷劑流量穩定在0.015kg/s 左右，當室外溫度處于最高值17.5℃時，光伏板背板溫度可達到10℃。而當室外空氣溫度在16～17.5℃之間變化時，風冷式翅片和光伏板背板的溫度分別在7℃和8℃左右波動。圖6所示為PVT 熱泵系統蒸發溫度、冷凝溫度與COP 隨時間的變化曲線。在該時段內，PVT 熱泵的蒸發溫度在0～1℃之間變化，比風冷式熱泵系統高1～3℃；PVT 熱泵的COP 在3.4～3.6 之間，相比于風冷式熱泵提高6.3%～12.5%，能效提升效果顯著。

圖5 光伏板背板與內部翅片溫度對比圖Fig.5 Temperature comparison of the photovoltaic panel backplane and inner fins

圖6 PVT 熱泵性能隨時間變化曲線Fig.6 PVT heat pump performance curve with time

3.2 模擬結果分析

本節利用EES 熱力學計算軟件模擬不同太陽輻射強度、室外空氣溫度及冷凝溫度下PVT 熱泵的熱電性能，并將其與風冷式熱泵在相同室外工況下的制熱性能進行對比分析。

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 熱泵蒸發溫度與COP 均增大。當室外溫度為0℃，太陽輻射照度為200、400、600W/m2時，PVT 熱泵的蒸發溫度分別為-15.3、-11.8 和-8.3℃，COP分別為3.1、3.5、3.9；而同種工況下風冷式熱泵的蒸發溫度與COP 為定值，分別為-15℃和2.9。由此可見，太陽輻射照度對改善PVT 熱泵蒸發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PVT 熱泵COP 的影響如圖8所示。當室外溫度為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，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，這是因為在蒸發溫度相同的情況下，冷凝溫度越低，壓縮機耗功越少。而在相同冷凝溫度下，隨著室外溫度的升高，蒸發溫度升高，熱泵COP 增大。當冷凝溫度為60℃，同時室外空氣溫度由-5℃增加到15℃時，PVT 熱泵COP 可由3.4提高至5.0，分別比風冷式熱泵高25.9%和35.1%。

圖8 室外空氣溫度和冷凝溫度對(a)PVT 熱泵和(b)風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 熱泵與風冷式熱泵熱力性能比較

在日間制熱工況下，當室外溫度為0℃、太陽輻射照度為500W/m2、制冷劑流量為0.015kg/s時，PVT 熱泵與風冷式熱泵的lgP-h如圖9所示，其中PVT 熱泵的熱力參數變化過程為1-2-3-4-5-6-7，風冷式熱泵的熱力參數變化過程為1’-2’-3’-4’-5’-6’-7’。相比于風冷式熱泵，PVT 熱泵的蒸發溫度可提高5.0 ℃，蒸發壓力升高92.1kPa，蒸發器出口焓值為419.03kJ/kg。同時制熱量降低0.086kW，光伏組件發電量為165W，系統耗電量降低279W。綜上，PVT 熱泵的COP為3.7，比風冷式熱泵COP 提高27.6%。

圖9 PVT 熱泵與風冷式熱泵的lg P-h 圖Fig.9 lg P-h diagram of PVT heat pump and air-cooled heat pump

4 結論

該研究將PVT 蒸發器與風冷式蒸發器有機結合，提出一種復合型太陽能光伏光熱一體化（PVT）熱泵系統，既可以高效利用太陽能，又能保證系統連續制熱運行的穩定性。對系統的熱電性能進行實驗測試與模擬分析，得出主要結論如下：

（1）PVT 組件可以充分利用太陽能，當太陽輻射照度在100～500W/m2，光伏板溫度上升，可使蒸發溫度提高-2.7～7.1℃，系統COP 提高-0.6%～38.8%，太陽輻射較強時熱電聯產效果顯著。

（2）當太陽輻射照度為500W/m2時，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冷式熱泵的COP。

（3）當室外溫度為0℃、太陽輻射照度為500W/m2、制冷劑流量為0.015kg/s 時，PVT 熱泵的制熱量雖然比風冷式熱泵低86W，但光伏組件發電量為165W，系統耗電量比風冷式熱泵小279W，PVT 熱泵COP 比風冷式熱泵高27.6%。