太阳能-空气光伏/光热一体化热泵热水系统实验特性

周伟 张小松 刘剑 黄紫祺

（东南大学能源与环境学院东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 南京 210096）

太阳能-空气光伏/光热一体化热泵热水系统实验特性

周伟 张小松 刘剑 黄紫祺

（东南大学能源与环境学院东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 南京 210096）

本文研究了一种新型光伏/光热一体化（PV/T）复合热源热泵热水系统，将多孔扁盒式PV/T集热板与空气源热泵相结合，根据不同控制方式组合成双热源并联、单太阳能和单空气能三种不同运行模式。在室外环境温度28.5℃下，将200 L 30℃热水加热到55℃，研究了加热时间、热水温度、COP等性能的变化规律，结果表明双热源并联运行模式下分别比单太阳能模式和单空气能模式的加热时间缩短了42%和54%，COP分别提高了32.78%和47.64%；同时实验研究了在夏季工况下将200 L水从9∶00循环加热到17∶00过程中系统热性能，探讨了太阳辐射强度、PV/T集热板温度对光电/光热效率的影响，通过实验对比可以得出在热电模式下系统的光电效率ηpv比单一光电模式平均高25.8%.

复合热源热泵热水系统；PV/T；多孔扁盒；运行模式；光电/光热效率

太阳能是一种取之不尽、安全、清洁无污染的可再生能源［1］，利用太阳能提供生活热水是减少建筑能耗、缓解能源与环境危机的重要途径之一。我国是太阳能资源十分丰富的国家，年日照时数大于2 200 h，太阳年辐射总量高于5 016 MJ/m2的地区占全国总面积的2/3以上［2-3］，具有利用太阳能的良好条件。空气源热泵系统是以空气作为冷源或热源的热泵，利用空气源热泵可将建筑的冷热源合二为一，节约成本的同时提高了设备使用率。但其缺点是冬季气温下降时，蒸发压力随之降低，使得压缩机吸气比容增大，制冷剂流量减少，导致制热能力大幅度衰减［4-5］。

针对太阳能现状及空气源热泵的工作特性，与热泵有机结合的光伏/光热一体化热泵可实现高效率的热、电联供［5-7］。一方面，PV/T系统提供电能的同时为光伏系统增加了热能；另一方面，PV/T光伏组件产生的热量被系统中的循环水带走，降低了光伏电池的工作温度，提高了发电量。目前PV/T光伏/光热一体化的研究重点之一是太阳能光伏集热器的结构设计及优化，国内外众多学者对此进行了研究，如Ito S等［5-6］设计了一种吹胀式铝板结构，Jan S等［8-12］开展了平板型集热结构、低倍聚光型PV/T-HP的理论与实验研究。上述研究主要针对集热器性能进行了热力研究但并未给出系统内部运行参数对光电、光热特性的影响。季杰等［13-14］提出一种全铝扁盒式PV/T热水系统，指出在对系统最终水温要求不高的情况下，可以通过降低系统初始水温等方法提高系统发电效率和热效率，但该集热器不能承受过大压力。孔祥强等［15］对裸板集热器的热力性能做了性能模拟，表明集热管内径对集热效率影响并不大，但并未提供实验数据支持。郭超等［16］对太阳能、空气源热泵热水系统做了性能优化的相关工作，通过模拟全年不同温度、气候环境，计算优化方案的综合运行效果，全年累计电能消耗减少达45.8%。本文在上述研究的基础上，基于一种自行研发的多孔扁盒集热器与空气源热泵相结合，组成具有几种不同运行模式的新型PV/T光伏光热一体化热泵系统，并对系统各性能及运行参数进行了实验研究，为实际应用提供了技术支持。

1　系统设计与工作原理

基于太阳能和空气能光伏/光热一体化热泵的建筑热电联供实验系统原理图如图1所示。该热电联供系统主要由两个子系统构成，分别为屋顶PV/T光伏/光热子系统和室内空气能热泵子系统。其中屋顶PV/T光伏/光热子系统主要由3块PV/T集热板、3 块PV板、逆变器、循环水泵、缓冲水箱等装置构成；室内空气能热泵子系统主要由热水箱、板式换热器、风冷换热器、压缩机、节流装置、电磁阀等构成。屋顶PV/T光伏/光热子系统中的循环介质为水，空气能热泵子系统中的循环介质为R22。自来水由循环水泵进入屋顶上的PV/T集热板，再进入缓冲水箱进行蓄热，当缓冲水箱与PV/T集热板中水的温差达到一定值时关闭电磁阀1开启电磁阀2，热水进入板式换热器与制冷剂进行换热，温度下降，降温后的热水再进入PV/T集热板，对电池模块进行冷却后流入缓冲水箱，完成一个循环。光伏电池在水的冷却下能够稳定高效地为建筑物输出电能；另一侧的制冷剂首先在板式换热器中吸收热水的能量再经由风冷换热器进一步吸收空气能蒸发后依次经压缩机、冷凝水箱、电子膨胀阀后完成一个热泵循环，从而加热水箱中的热水，获取的热水可以全年为建筑物提供生活热水、冬季采暖或夏季作为驱动空调系统的辅助热源。

图1　PV/T光伏光热一体化热泵热水系统Fig.1 Schematic diagram of PV/T integrated heat pum p water heating system

2　双热源光伏/光热一体化热泵热水系统实验台

2.1实验装置

为研究本光伏/光热一体化热泵热水系统的各项性能，本文搭建了太阳能-空气光伏/光热复合热源热泵热水系统的实验平台，其原理如图1所示。

热水系统中制冷剂为R22，压缩机为热泵热水器专用封闭转子式压缩机（功率886 W），热水箱容积为200 L，内置冷凝盘管长度12 m，板式换热器与风冷换热器并联构成系统的蒸发端，其中板式换热器额定换热量为2 200W，风冷换热器额定换热量为2 215 W；实验中热水箱的进口水温恒定，在入口处布置一个功率为3 kW的电加热器。系统中缓冲水箱的容积为40 L。集热装置由3块1.60 m2的PV/T集热/蒸发板组成，正南方向放置，倾角35°，其背部焊接6根多孔扁盒结构集热管，扁盒截面尺寸为25 mm× 2.5 mm，分为5个小孔，其结构如图2所示。

图2　多孔扁盒集热板结构Fig.2 Structure ofmu lti-port flat extruded alum inum tube

光伏系统主要包括光伏电池组件、逆变控制器、无线路由器。光伏组件是由360块156 mm×156 mm黑色多晶硅太阳能电池并联组成，总功率为1 500 W；逆变控制器为GOODWE光伏并网逆变器，型号为GW1500-NS，具有过压、欠压、过流、过热等保护功能，额定直流电压为360 V，额定输出电压为220 V，额定交流频率为50 Hz。

2.2测试方案

实验中测量系统由温度测量、压力测量、流量测量、辐射测量装置组成。测量温度时，使用铂电阻与铜-康热电偶分别测量水温与制冷剂温度；测量太阳辐射强度使用锦州阳光TBQ-2太阳总辐照表，与集热器平面平行。流量测量使用2个涡轮流量计分别测量循环水流量与热水箱出水流量，压缩机进出口与电子膨胀阀前后各置一个压力传感器，实验中功率的测量使用横河WT230功率。使用Agilent 34972A采集装置进行相关数据的采集，采集时间间隔为10 s。

2.2.1热泵热水器系统性能测量

为了深入研究复合热源热泵热水器的系统性能，分别对如下参数进行测量:

1）PV/T集热器进、出口的水温tp1和tp2；板式换热器水侧进、出口温度tb1和tb2；板式换热器制冷剂侧进、出口温度tz1和 tz2；风冷换热器进、出口处制冷剂温度tf1和tf2；压缩机进气温度tr1和进气压力pr1；压缩机排气温度tr2和排气压力pr2；节流前制冷剂温度tj1和制冷剂压力pj1；节流后制冷剂温度tj2和制冷剂压力pj2；热水箱进、出口的水温度twi和two；

2）缓冲水箱侧循环水体积流量Gw1和热水箱侧循环水体积流量Gw2；

3）PV/T集热器沿长度方向分别布置4个测点的温度t1，t2，t3和t4；

4）压缩机功率Ncom1，循环水泵功率Ncom2和补给水泵功率Ncom3；

热泵热水器输出的热量即热水箱得热量为:

热泵热水器的性能系数为热泵输出热量与压缩机耗功的比值:

2.2.2光伏集热器电性能的测量

实验中采用的光伏并网控制器通过直接测量光伏组件输出电压Vpv和输出电流Ipv从而获得光伏组件的实时输出功率:

实验中定义光伏组件的光电输出效率为单位面积光伏电池的实际输出功率与电池所在平面上太阳总辐射强度的比值:

2.2.3误差分析

由于实验所用测量与采集工具存在一定误差，为保证实验数据的可靠性，因此有必要对测量结果进行误差分析。实验中采用各种仪表测得的参数，其误差取决于测量仪表的精度，各测量装置的具体参数如表1所示；而系统的光电性能及热力性能参数均为直接测量值的函数，如公式（6）所示，其误差可以通过x1，x2，···，xn等独立变量的误差计算得到，变量y的相对误差计算如公式（7）所示，平均相对误差如公式（8）所示［17］，相对误差如表2所示。

3　实验运行分析

3.1热泵热水系统加热热水热性能实验分析

在常州地区根据不同运行模式（case1-双热源并联运行模式、case2-单太阳能运行模式、case3-单空气能运行模式），进行热泵热水系统加热热水的热性能实验研究（包括系统性能参数、加热时间等），并针对其中的双热源并联运行模式研究热水水温、蒸发温度、冷凝温度、压缩机排气温度等性能参数随时间的变化关系。实验中为了减少实验误差，取室外环境温度相同的测试周期分别进行热水加热实验。测试期间内室外环境温度平均值为28.5℃，空气平均相对湿度为34.6%，平均相对风速为0.67 m/s，水箱初始水温30℃，终止水温为55℃，出水流量控制在（0.36 ±0.01）m3/h。图3所示为不同运行模式下热水温度随加热时间的变化曲线。由图可知，实验过程中三种运行模式的曲线斜率都随时间逐渐减小。在室外平均环境温度为28.5℃时，三种运行模式所需的加热时间分别为75 min，130 min和165 min，可知在双热源并联运行模式下将200 L热水加热至55℃所需时间最短，分别比单太阳能运行模式和单空气能运行模式缩短了42%和54%。

表1　测量装置具体参数Tab.1 Specifications of the differentmeasuring devices

表2　计算量的相对误差Tab.2 Relative error of calculated values

图3　不同运行模式下热水温度随时间变化Fig.3 Variations of hot water tem perature w ith time in different operationalmodes

图4所示为三种运行模式下COP随加热时间的变化关系。由图可知，各运行模式下系统的COP都随运行时间的增加而减少，而且由曲线斜率可以得出COP减少的幅度也越来越小。但在室外环境温度相同的情况下，双热源并联运行模式总是比单热源运行模式下的COP高，而且COP在3.35～6.40之间变化，平均值为4.51；单太阳能运行模式下的COP在2.32～4.46之间变化，平均值为3.10；单空气能运行模式下的COP在1.80～3.82之间变化，平均值为2.20；双热源并联运行模式下的最高COP分别比单太阳能模式和单空气能模式下提高 32.78%和47.64%，平均值相对提高24.47%和40.14%；单太阳能运行模式下的最高COP比单空气能运行模式下提高26.05%，平均值提高21.98%。由此可知，双热源并联运行模式效果最好，其次为单太阳能运行模式，单空气能运行模式效果最差。

图4　不同运行模式下COP随加热时间变化Fig.4 Variations of COP w ith heating time in different operationalmodes

图5　系统运行温度参数及太阳辐射强度随时间的变化Fig.5 Variations of solar radiation intensity and system′s operating tem peratures w ith time

热泵热水系统在双热源运行模式下将200 L水从30℃加热至55℃的过程中，系统各运行温度参数以及太阳辐射强度随时间变化关系如图5所示。在系统刚开始运行的前5min，由于集热板温度较高，导致集热器中的循环水温度较高，使压缩机吸气温度过高，排气温度迅速升高到68.23℃。然而随着系统的运行，集热板逐渐被冷却，系统进入相对稳定的运行阶段，热水箱中的水温不断被加热到55℃，冷凝温度从51.65℃升高到69.93℃，排气温度从62.90℃升高到97.53℃。系统在14∶00～15∶10运行期间，太阳辐射强度整体呈下降趋势，蒸发温度te也呈现下降趋势，而且冷凝温度tc和热水温度two的增加速率也逐渐降低。原因在于随着太阳辐射强度的减少，集热板吸收的热量不断降低，导致系统蒸发端吸热量减少。

3.2恒定进水温度工况下热泵热水系统的热输出特性分析

在常州地区的一个晴天用热泵热水系统以单太阳能运行模式在恒定进水温度为28℃的条件下将200 L水进行循环加热的热性能实验。测试时间为2015-10-03，自09∶00～17∶00的测试期间，PV/T集热器所在倾斜平面上的太阳辐射强度EI随时间的变化如图6所示。测试期间太阳辐射强度在115～1 025 W/m2之间变化；环境温度最高值为31.7℃，最低值为22.2℃，平均值为26.7℃；空气平均相对湿度34.6%，平均相对风速为0.67 m/s；热水箱初始水温28℃，出水流量控制在（0.27±0.01）m3/h。

图6　太阳辐射强度随时间变化关系Fig.6 Variation of solar radiation w ith time

系统在运行期间各温度参数随时间变化关系如图7所示。从图中可得，在恒定出水流量0.27 m3/h的工况下，系统运行120 min后，热水温度two达到40℃，之后保持28℃进水和40℃出水的状态。系统刚开始运行时，由于PV/T集热板的初始温度tp较高，使压缩机吸气温度过高，压缩机排气温度tr2迅速上升至80℃。实验系统开启30 min内，随着PV/T集热板被不断冷却，集热板温度tp出现降低趋势，致使压缩机吸气温度与排气温度也出现降低趋势；9∶30之后测试时间内，系统进入相对稳定运行阶段，随着运行时间的推进，热水箱中水温不断升高至40℃，压缩机排气温度不断升高至89℃。在9∶30～12∶30的测试时间内，由于太阳辐射强度不断上升，PV/T集热板的温度和板式换热器得热量不断增加，压缩机吸/排气温度呈上升趋势；12∶30以后太阳辐射强度不断下降，PV/T集热板的温度和板式换热器得热量不断降低，压缩机吸/排气温度呈下降趋势。因此，在保证恒定进出水温度的工况下，系统的吸气温度与排气温度主要受太阳辐射强度的影响，其整体变化趋势与太阳辐射强度随时间变化曲线一致。

图7　系统温度参数随时间变化关系Fig.7 Variations of system′s operating tem peratures w ith time

图8所示为热泵热水系统在9∶00～17∶00的运行期间内COP随时间的变化关系。由图可知系统COP的整体变化趋势与太阳辐射强度随时间变化关系保持一致，但由于制冷剂直接吸收的热量来自于PV/T集热板中的循环水，而水的比热容较大，因此COP的波动幅度相对于太阳辐射强度较稳定。在12 ∶00之前，由于太阳辐射强度逐渐升高，系统得热量不断增加，COP呈上升趋势，之后由于太阳辐射强度逐渐下降，系统得热量不断减少，COP呈下降趋势；整个运行期间系统的COP在2.6～4.5之间波动，平均值为3.5，COP整体偏小是由冷凝盘管设计长度较短所致。

图8　COP随时间变化关系Fig.8 Variation of heat pum p′s COP w ith time

集热效率是衡量PV/T集热器的一个重要参数，图9所示为PV/T集热器的集热量及集热效率随时间的变化关系。PV/T板的集热量主要受太阳辐射强度的影响，其变化趋势与太阳辐射强度EI的变化趋势保持一致；PV/T板的集热效率在12∶30之前保持在51%～60%之间，平均值为55%。图10所示为PV/T板温度与环境温度的变化关系。结合图9和图10可知:在12∶30之后，由于太阳辐射强度突然下降与环境温度的升高，PV/T板与环境之间的温差减小，其向周围空气的散热量减少，使得PV/T板的集热效率突然升高；而在13∶50 PV/ T集热板的集热效率大于1是由于此时其温度低于环境温度，集热板除了吸收太阳能还从空气中吸收了一部分能量。

图9　PV/T板集热量与集热效率随时间变化关系Fig.9 Variations of PV/T cells′heat-collecting capacity and efficiency w ith tim e

3.3恒定进水温度工况下热泵系统的电输出特性分析

本次实验的光伏输出系统由3块PV板与3块PV/T板构成，分为热电输出模式（PV/T-HPmode）和（PV mode）单一光电输出模式。测试期间，环境温度从23.5℃升高到29.5℃，倾斜面上的太阳辐射强度在200～1 000 W/m2之间波动。如图10所示，在两种光电输出模式下，集热板背部的温度受太阳辐射强度的影响整体呈先升高后下降的趋势，但热电模式下的集热板温度波动幅度小于单一光电模式；热电模式下PV/T板背部的温度在30～41℃波动，平均值为35℃，单一光电模式下集热板背部的温度在43～65℃波动，平均值为56.6℃，二者之间最大温差为24.7℃，平均温差为21.6℃。

图11所示为两种运行模式下的光电输出效率对比，12∶30之前热电运行模式下的光电输出效率ηpv基本维持在15.4%，而单一光电运行模式下的光电输出效率ηpv保持12.4%，热电模式下的ηpv平均比单一光电模式下的ηpv高25.8%；而12∶30之后，由于太阳辐射强度剧烈波动，导致两种模式下的ηpv也出现大幅度的波动，但整体上热电模式ηpv高于单一光电模式ηpv。

图10　两种工作模式下集热板温度随时间变化关系Fig.10 Variations of PV/T cells′temperatures w ith time in two operation m odes

图11　两种模式下光电输出效率对比Fig.11 Com parisons of output electrical efficiencies in two operation modes

4　结论

本文介绍了一种自行研制的新型PV/T复合热源热泵热水系统，并针对该系统进行了综合性能的实验研究，得出以下结论:

1）在室外平均环境温度为28.5℃时，通过双热源并联模式、单太阳能模式、单空气能模式三种运行模式将200 L水从30℃加热到55℃的实验过程中，加热时间分别为75 min，130 min和165 min，系统COP分别为4.51，3.10和2.20。双热源并联运行模式下的加热时间分别比单太阳能运行模式和单空气能运行模式缩短了42%和54%，最高COP分别提高了32.78%和47.64%，由此可知双热源并联模式的运行效果最佳。

2）在常州地区室外平均环境温度为26.7℃，恒定进水温度为28℃的条件下，将200 L水进行循环加热实验，系统的平均COP为3.5，PV/T集热板的集热效率为55%，COP偏小是由于冷凝盘管设计长度较短所致；在热电模式下PV/T集热板的热量不断被经过的循环水带走，使得PV/T集热板的温度比单一光电模式下的温度平均低21.6℃，两者的光电输出效率分别为15.4%和12.4%，热电模式下的ηpv比单一光电模式平均高25.8%。

符号说明

Qw——热泵得热量，kW

cp——水的比热容，J/（kg·K）

ρw——水的密度，kg/m3

EI——倾斜面太阳辐射强度，W/m2

Apv——光伏电池总面积，m2

GW1——集热箱水的体积流量，m3/s

GW2——热水箱水的体积流量，m3/s

Ipv——光伏组件输出电流，A

Vpv——光伏组件输出电压，V

Ppv——光伏电池输出功率，W

Ncom1——压缩机功率，W

Ncom2——循环水泵功率，W

Ncom3——补给水泵功率，W

tp——集热板平均温度，℃

two——热泵热水器出口温度，℃

te——热泵蒸发温度，℃

tc——热泵冷凝温度，℃

tr1——压缩机吸气温度，℃

tr2——压缩机排气温度，℃

ηpv——光电输出效率

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About the author

Zhou Wei，male，master degree candidate，School of Energy and Environment，Southeast University，+86 15105177377，E-mail: seuzhous@163.com.Research fields:solar energy utilization and building energy efficiency.

Experimental Study of Solar-air Photovoltaic/Thermal Integrated Heat Pum p W ater Heating System

Zhou Wei Zhang Xiaosong Liu Jian Huang Ziqi
（School of Energy and Environment，Ministry of Education of Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control，Southeast University，Nanjing，210096，China）

A new type of photovoltaic/thermal integrated multiple heat source heat pump water heating system is studied.According to different controlling patterns，three operating modes are proposed which combines air source heat pump and PV/T collector based on multi-port tube.The three operatingmodes are double heat source operatingmode，single solar energy operatingmode and single air energy operatingmode.The performances of system are evaluated experimentally under different operating modes，including water temperature，heating time and coefficient of performance，etc.When 200 L water is heated from 30℃ to 55℃ at ambient temperature of28.5℃，experimental results show that the running time of double heat source operation is shorter than that of single air energy operation and single solar energy operation，decreased by 42%and 54%，respectively.The COP increase 32.78%and 47.64%，respectively.At the same time，the system's thermodynamic and photovoltaic output characteristics for heating 200 L are investigated experimentally from 9:00 to 17:00.Meanwhile，the effectof solar radiation intensity and PV/T collector's temperature on the photovoltaic/thermal efficiency is discussed.Comparative experimental results show that the photoelectric efficiency of thermoelectricmode is25.8%higher than thatof single photoelectric mode.

multiple source heat pump water heating system；photovoltaic/thermal（PV/T）；multi-port tube；operatingmode；photovoltaic/thermal efficiency

TK519；TQ051.5

A

0253-4339（2016）05-0010-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.010

国家自然科学基金（51376044）和国家科技支撑计划（2011BAJ03B14）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51376044）and the National Key Technology R&D Program of China（No.2011BAJ03B14）.）

2016年3月7日

周伟，男，硕士研究生，东南大学能源与环境学院，15105177377，E-mail:seuzhous@163.com。研究方向:太阳能利用与建筑节能。