复合型光伏光热一体化（PVT）热泵系统热电性能研究

王祥达 范 满 徐建伟 桑文虎 左瑞旺

（河北工业大学能源与环境工程学院 天津 300401）

0 引言

随着化石燃料耗量的增加以及环境污染和全球气候变暖现象的加剧，作为清洁能源的太阳能和高效节能的热泵技术得到极大的关注[1,2]。据统计，住宅和商业建筑的空调系统耗电量占全国能源消耗总量约45%左右[3]。故因地制宜推广太阳能、空气热能等可再生能源分布式多能互补应用的新型供热模式，对建筑节能减排具有重要意义[4,5]。目前太阳能光热利用和热泵型空调在我国已得到广泛应用，但两者的结合应用还比较少，两者的结合应用可以克服太阳能受天气条件影响的缺点，也有利于提高系统稳定性，因此国内学者对太阳能热泵技术展开了积极研究[1,2,6,7]。直膨式光伏光热一体化（PVT）热泵，作为一种新兴的热电联供系统，既可以利用热泵及时将光伏组件的发电余热带走，缓解光伏组件温度过高而引起的发电效率降低现象；也可以利用太阳能提高热泵的蒸发温度，改善系统热力性能，从而实现清洁能源的优势互补与梯级利用[8,9]。

为了进一步改善直膨式PVT 热泵系统性能，Tsai[10,11]设计了光电自给自足的PVT 热泵系统，热泵COP 达7.09，光电光热综合效率达86%。Xu 等[12]和Pei 等[13,14]研究发现，PVT 热泵系统的冬季制热COP 在3.8 左右，夏季制冷COP 在4.7左右，光电转换效率比单独的光伏组件高16.3%，光电光热综合效率可达84.7%。Chen 等[15]、Zhou等[16,17]和Xu 等[18]分别研发了玻璃真空管PVT 蒸发器、微通道PVT 蒸发器和聚光型PVT 蒸发器，将上述三种蒸发器应用于PVT 热泵系统中，均取得了较好的热电联产性能。然而在冬季太阳辐射较弱或无太阳辐射时，PVT 组件不具备发电和产热的作用，此时PVT 组件作为蒸发器的性能不如常规的风冷式蒸发器。根据Sun 等[19]的研究结果，PVT 热泵的COP 比空气源热泵在阴天夜间低约14.3%，而在晴天夜间低约46.7%。

针对如何保证直膨式PVT 热泵系统在制热工况下的连续高效运行难题，本研究提出一种复合型太阳能光伏光热一体化（PVT）热泵系统，将PVT 蒸发器与风冷式蒸发器有机结合，进行清洁能源的优势互补与梯级利用。搭建PVT 热泵系统实验测试平台，利用EES 热力学计算软件分析太阳辐射照度、室外空气温度和冷凝温度等参数对系统性能的影响，并将该PVT 热泵系统制热性能与常规风冷式热泵系统进行对比，进而为提升PVT 热泵系统热力性能并拓展多能互补应用提供参考。

1 实验方法

1.1 实验装置

PVT热泵系统实验测试在天津（117°E，39°N）进行，其中复合型PVT 蒸发器的结构如图1所示。室外机部分被整合在三棱柱结构内，斜面上铺放光伏板，倾角为45°，光伏板背板上铺设铝板，两者通过高导热EVA 胶进行粘合，在铝板背部铺设制冷剂盘管，该盘管主要与光伏板背板进行热交换；在三棱柱内部与光伏板平行铺设两排铝板，铝板上铺放风冷式蒸发盘管，铝板与盘管组成翅片式换热器，与空气进行热交换。侧面放置风机，用于增强空气扰动，强化换热。

图1 复合型PVT 蒸发器结构示意图Fig.1 The Schematic diagram of composite PVT evaporator structure

在日间，光伏板在太阳辐射下发电发热，光伏板温度高于周围环境空气温度，此时利用PVT蒸发盘管制热相比于风冷式蒸发盘管可以提高蒸发温度；在夜间，光伏板与低温天空长波辐射换热使得光伏板温度降低，若利用PVT 蒸发盘管进行制热会降低蒸发温度，可能导致盘管结霜甚至不能正常工作，此时利用风冷式蒸发盘管进行制热，保证系统运行的稳定性与高效性。制热循环系统如图2所示，制冷剂为R410A，主要设备参数如表1所示。

表1 PVT 热泵系统主要参数Table 1 Main parameters of PVT heat pump system

图2 制热循环实验系统图Fig.2 System diagram of heating experiment

1.2 测量装置和测点位置

实验测试参数包括：太阳辐射照度、蒸发及冷凝盘管进出口压力和温度、制冷剂流量、光伏板背板温度以及系统耗电量等，各参数的测量时间间隔为5s，测量装置如表2所示。其中T 型热电偶用来测量光伏板背板温度，其布置位置如图3所示。考虑到光伏组件温度分布的不均匀性，9个测温点且沿板面长度和宽度方向均匀布置，取其平均值分析光伏板背板温度变化规律。

表2 实验中主要测量装置Table 2 The main measuring devices in the experiment

续表2 实验中主要测量装置

图3 光伏板背板温度测点布置图Fig.3 Temperature measurement points location of PV panel backplane

2 模拟计算

复合型PVT 热泵系统压焓图如图4所示，据此可得热泵制热量如式（1）：

图4 PVT 热泵系统lgP-h 图Fig.4 lg P-h diagram of PVT heat pump

式中，mr为制冷剂流量，kg/s；h3、h6分别为冷凝器进出口制冷剂焓值，kJ/kg。

压缩机耗功量如式（2）：

式中，ηcom为压缩机等熵效率，取0.75；h2为蒸发器出口制冷剂焓值，kJ/kg。

光伏板温度可由式（3）进行估算[20,21]：

式中，ta是室外环境空气温度，℃。

光伏板发电效率及发电量分别如式（4）和（5）所示：

式中，I为太阳辐射照度，W/m2；A为光伏板面积，m2；ηPV0和ηPV分别为光伏板在标准测试工况下的发电效率和实际发电效率；WPV为光伏板发电量，kW。

PVT 热泵制热工况下性能系数（COP）如式（6）：

3 结果与讨论

3.1 实验结果分析

在太阳辐射照度约为100W/m2时，光伏板背板温度与翅片温度对比如图5所示。实验过程中，制冷剂流量稳定在0.015kg/s 左右，当室外温度处于最高值17.5℃时，光伏板背板温度可达到10℃。而当室外空气温度在16～17.5℃之间变化时，风冷式翅片和光伏板背板的温度分别在7℃和8℃左右波动。图6所示为PVT 热泵系统蒸发温度、冷凝温度与COP 随时间的变化曲线。在该时段内，PVT 热泵的蒸发温度在0～1℃之间变化，比风冷式热泵系统高1～3℃；PVT 热泵的COP 在3.4～3.6 之间，相比于风冷式热泵提高6.3%～12.5%，能效提升效果显著。

图5 光伏板背板与内部翅片温度对比图Fig.5 Temperature comparison of the photovoltaic panel backplane and inner fins

图6 PVT 热泵性能随时间变化曲线Fig.6 PVT heat pump performance curve with time

3.2 模拟结果分析

本节利用EES 热力学计算软件模拟不同太阳辐射强度、室外空气温度及冷凝温度下PVT 热泵的热电性能，并将其与风冷式热泵在相同室外工况下的制热性能进行对比分析。

3.2.1 太阳辐射照度的影响

图7所示PVT 热泵制热性能随太阳辐射照度的变化曲线，随着太阳辐射照度的增大，PVT 热泵蒸发温度与COP 均增大。当室外温度为0℃，太阳辐射照度为200、400、600W/m2时，PVT 热泵的蒸发温度分别为-15.3、-11.8 和-8.3℃，COP分别为3.1、3.5、3.9；而同种工况下风冷式热泵的蒸发温度与COP 为定值，分别为-15℃和2.9。由此可见，太阳辐射照度对改善PVT 热泵蒸发温度和制热性能影响较大。

图7 PVT 热泵制热性能随太阳辐射照度变化曲线Fig.7 Variation curve of PVT heat pump heating performance with solar irradiance

3.2.2 室外空气温度和冷凝温度的影响

冷凝温度和室外温度对PVT 热泵COP 的影响如图8所示。当室外温度为0℃、制冷剂流量为0.015kg/s、太阳辐射照度为500W/m2、冷凝温度为55、60、65℃时，PVT 热泵的COP 分别为4.1、3.7、3.3，表明冷凝温度越低，热泵的COP越大，这是因为在蒸发温度相同的情况下，冷凝温度越低，压缩机耗功越少。而在相同冷凝温度下，随着室外温度的升高，蒸发温度升高，热泵COP 增大。当冷凝温度为60℃，同时室外空气温度由-5℃增加到15℃时，PVT 热泵COP 可由3.4提高至5.0，分别比风冷式热泵高25.9%和35.1%。

图8 室外空气温度和冷凝温度对(a)PVT 热泵和(b)风冷式热泵制热性能的影响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 热泵与风冷式热泵热力性能比较

在日间制热工况下，当室外温度为0℃、太阳辐射照度为500W/m2、制冷剂流量为0.015kg/s时，PVT 热泵与风冷式热泵的lgP-h如图9所示，其中PVT 热泵的热力参数变化过程为1-2-3-4-5-6-7，风冷式热泵的热力参数变化过程为1’-2’-3’-4’-5’-6’-7’。相比于风冷式热泵，PVT 热泵的蒸发温度可提高5.0 ℃，蒸发压力升高92.1kPa，蒸发器出口焓值为419.03kJ/kg。同时制热量降低0.086kW，光伏组件发电量为165W，系统耗电量降低279W。综上，PVT 热泵的COP为3.7，比风冷式热泵COP 提高27.6%。

图9 PVT 热泵与风冷式热泵的lg P-h 图Fig.9 lg P-h diagram of PVT heat pump and air-cooled heat pump

4 结论

该研究将PVT 蒸发器与风冷式蒸发器有机结合，提出一种复合型太阳能光伏光热一体化（PVT）热泵系统，既可以高效利用太阳能，又能保证系统连续制热运行的稳定性。对系统的热电性能进行实验测试与模拟分析，得出主要结论如下：

（1）PVT 组件可以充分利用太阳能，当太阳辐射照度在100～500W/m2，光伏板温度上升，可使蒸发温度提高-2.7～7.1℃，系统COP 提高-0.6%～38.8%，太阳辐射较强时热电联产效果显著。

（2）当太阳辐射照度为500W/m2时，随着室外空气温度在-5～15℃、冷凝温度在55～65℃之间变化，PVT 热泵的COP 在3.1～5.6 之间，均高于同种工况下风冷式热泵的COP。

（3）当室外温度为0℃、太阳辐射照度为500W/m2、制冷剂流量为0.015kg/s 时，PVT 热泵的制热量虽然比风冷式热泵低86W，但光伏组件发电量为165W，系统耗电量比风冷式热泵小279W，PVT 热泵COP 比风冷式热泵高27.6%。