风冷式PV/T空调系统日间冷电联产性能实验研究

徐建伟 杨 华 冯关源 孔祥飞 李 晗 范 满

(河北工业大学,天津)

0 引言

随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出,能源改革也在不断推进。太阳能作为一种常见的可再生能源,在我国能源结构中占比越来越大。建筑能耗约占全社会总能耗的36%,其产生的碳排放量占总量的近40%[1],因而将太阳能与建筑系统相结合,既符合目前建筑节能的发展趋势,也是太阳能规模化利用的有效途径[2]。太阳能应用于建筑夏季制冷主要有2种方式:光热利用与吸收式空调相结合、光伏发电与蒸气压缩式空调相结合。但受技术和成本的制约,2种方式的制冷性能系数受限于集热/发电效率[3]。

太阳能光伏/光热(PV/T)空调系统可以综合利用太阳能、空气热能和天空长波辐射能进行冷热电联产,通过循环介质有效降低光伏板温度,同时回收废热,从而提高综合能源利用效率[4-5]。陈建泉对PV/T空调系统的夏季制冷效果进行了实验测试与理论建模研究,结果表明用PV/T空调进行制冷以满足建筑用冷需求是可行的[6]。Rossi等人在不同气候条件下比较了传统太阳能空调、风冷式空调和PV/T空调系统的能耗和COP,结果表明PV/T空调具有更低的能耗和更高的COP[7]。黄文竹在室内实验室模拟环境下研究了PV/T空调的制冷性能,结果表明系统COP在0.65～1.39之间[8]。旷玉辉测试了带蓄冷水箱的PV/T空调在夜间的蓄冷性能,蓄冷水箱温度从28.7 ℃逐渐降低到19.5 ℃,总蓄冷量为14.9 kW·h,系统平均COP约为2.9[9]。Delamo等人通过实验发现PV/T空调系统的COP最高达4.6[10]。

现有研究表明了PV/T空调制冷的可行性和高效性,但研究多集中在夜间利用长波辐射制冷工况,在日间太阳辐照影响下光伏板温度升高,光伏发电效率和冷凝器散热效果均会受到影响,传统PV/T空调系统利用PV/T组件作为系统冷凝器,在日间太阳辐照度较大时往往无法实现制冷,针对系统日间冷电联产性能的研究还比较缺乏。因此本文提出了一种风冷式PV/T空调系统,对系统在夏季日间的冷电联产性能进行了实验测试,深入分析了环境因素、运行参数等对系统发电和制冷性能的影响,为拓展PV/T空调系统的应用范围提供参考。

1 系统形式和实验装置介绍

系统改造前(风冷式空调机组)的额定制冷量为2.6 kW,额定输入功率为0.76 kW。改造后风冷式PV/T空调系统如图1所示,主要部件包括:压缩机、四通换向阀、电磁膨胀阀、蒸发器、风冷(翅片管)冷凝器和PV/T冷凝器。系统的发电功能由PV/T冷凝器上的光伏板实现,制冷剂为R410A,其循环过程为:制冷剂在压缩机中被压缩成高温高压蒸气,再进入风冷冷凝器和PV/T冷凝器冷凝为高温高压液体,接着通过电磁膨胀阀节流为低温低压液体,然后在蒸发器吸热蒸发成低温低压蒸气,最后再进入压缩机完成循环。

图1 风冷式PV/T空调系统图

在风冷冷凝器与PV/T冷凝器之间设置1根旁通管,通过控制阀门1～3,可以实现系统在风冷式PV/T空调和风冷式空调间的转换。在无太阳辐射时(如阴雨天),光伏板的发电功能难以实现,启动PV/T冷凝支路进行制冷。在太阳辐照度较小时(如阴天、多云天气),光伏板发电性能与PV/T冷凝制冷效果均不理想,利用风冷冷凝支路进行制冷。在太阳辐照度较强时,PV/T组件仅起发电作用,冷凝作用由风冷冷凝支路和风机实现。主要的测试仪器见表1。

表1 主要测试仪器

风冷式PV/T冷凝器由PV/T冷凝器和风冷式冷凝器串联组成,结构如图2所示。PV/T冷凝器自上而下依次为光伏板、铝板和铜管;光伏板朝南向铺设,与水平方向夹角为40°;铜管全长约13 m,外径8 mm,通过焊接与铝板紧密连接;为了降低铝板与光伏板间的接触热阻,两者之间填充了导热硅脂(导热系数为1.2 W/(m·K))。风冷式冷凝器主要由风机和翅片管换热器组成;盘管形式为双排铜管,全长约为26 m,外径8 mm;翅片尺寸为50.0 mm×36.0 mm×0.1 mm(长×宽×高),翅片间距为2 mm。实验期间系统运行主要依据电网供电,光伏板发电通过外接阻值为30 Ω的电阻进行消耗,在光伏板与电阻之间并联电压变送器用于监测输出电压,在光伏板与电阻之间串联电流变送器用于监测光伏板的输出电流,如图3所示。室内温度测点布置如图4所示。房间尺寸为5.4 m×3.6 m×2.6 m(长×宽×高),位于某住宅2层露台,系统蒸发器安装在房间的南墙上方。在室内端布置15个温度传感器,共分为3组,用于监测室内温度。

图2 风冷式PV/T冷凝器结构图

图3 系统接电示意图

图4 室内温度测点布置

2 数据处理方法

2.1 系统性能评价指标

1) 系统输出电功率Qe。

Qe=UI

(1)

式中U为光伏板的输出电压,V;I为光伏板的输出电流,A。

2) 系统输出电效率ηe。

(2)

式中Ae为光伏板面积,m2;Is为太阳辐照度,W/m2。

3) 系统制冷量Qr。

Qr=m(he,o-he,i)

(3)

式中m为制冷剂质量流量,kg/s;he,o和he,i分别为蒸发器出口和入口比焓,kJ/kg。

4) 系统COP。

(4)

式中η为COP;Wsy为系统输入功率,kW。

2.2 不确定性分析

为表征实验数据在实验测试过程中产生的误差,引入不确定度[11-12]。经计算,光伏板的输出电功率、输出电效率的相对不确定度分别为±0.5%、±3.0%,系统制冷量和COP的相对不确定度分别为±1.1%、±1.2%。

3 风冷式PV/T空调发电性能分析

在不同天气条件下对光伏板的发电性能进行实验测试,结果如图5所示。晴天、多云与阴天的平均太阳辐照度分别为943.1、530.8、250.1 W/m2,3种天气对应的光伏板平均温度分别为49.2、36.5、23.8 ℃。在不同太阳辐照度和光伏板温度影响下,光伏板输出电功率差距较大,其中多云天气下的输出电功率最高,平均值为13.7 W,而晴天与阴天时的平均输出电功率分别为12.8 W和11.6 W。晴天、多云和阴天条件下的平均输出电效率分别为1.2%、4.8%和3.2%。阴天时,太阳辐照度和光伏板温度均较低,光伏板的输出电效率在3%～5%之间。多云时,太阳辐照度相较于阴天时增大,光伏板平均温度为36.5 ℃,光伏板的输出电效率最高可达6.4%。晴天时,光伏板温度较高,可达50 ℃以上,虽然太阳辐照度较大,但由于过高的光伏板温度导致电效率较低,平均值为1.2%。由于该研究的目的主要在于探究系统在夏季日间制冷的可行性,选取的光伏板面积仅1.06 m2,额定功率仅200 W,在阴天、多云与晴天时,光伏板的平均输出电功率分别占同时刻系统输入电功率的2.9%、2.8%与2.4%。

图5 不同天气条件下光伏板温度和发电性能

光伏板的输出电功率同时受太阳辐照度与光伏板温度的影响,如图6所示。当太阳辐照度为固定值时,光伏板输出电功率随光伏板温度的升高而降低;而当光伏板温度固定时,光伏板输出电功率随太阳辐照度的增大而升高。

图6 光伏板输出电功率随光伏板温度与太阳辐照度的变化

光伏板输出电功率关于光伏板温度和太阳辐照度的函数拟合关系如式(5)所示,R2=0.84。

(5)

式中tpv为光伏板温度,℃。

4 风冷式PV/T空调制冷性能分析

本章分析太阳辐照度、室外风速、室外温度对系统制冷性能的影响,其中空调机组的供冷量由特定温度设定参数的室内负荷决定,而系统能效受室外环境参数影响。

4.1 太阳辐照度影响

在室外风速为0.5 m/s、室外温度为30 ℃时,太阳辐照度对系统制冷性能的影响如图7所示。由图7a可以看出:在阴天天气下,太阳辐照度小于150 W/m2,系统制冷量和COP都较小;在多云天气下,太阳辐照度达到365 W/m2,系统制冷量和COP分别为2.18 kW和4.4;在晴天天气下,太阳辐照度达到810 W/m2,系统制冷量和COP分别达到2.45 kW和4.6。由此得出,随着太阳辐照度的增大,系统制冷量与COP均增大。这是因为光伏板温度与室内冷负荷均随太阳辐照度的增大而升高或增大,为了保证冷凝器具有良好的散热性能,压缩机输入功率增大,冷凝温度提高,同时制冷剂流量增大,系统制冷量增大。当太阳辐照度由31 W/m2升高到810 W/m2时,制冷量的增加幅度(提高2.0倍)比耗功量的增加幅度(提高1.7倍)大,因而COP有小幅增大。由图7b可以看出,当太阳辐照度提高到810 W/m2时,系统冷凝温度与制冷剂流量分别提高到37.8 ℃与43.8 kg/h。

图7 太阳辐照度对系统制冷性能的影响

4.2 室外风速影响

在室外温度为30 ℃、太阳辐照度为360 W/m2的条件下,室外风速对系统制冷性能的影响如图8所示。可以看出:随着室外风速由0.2 m/s升高到1.4 m/s,系统制冷量由0.79 kW增大到2.14 kW,COP由3.3增大到5.4。不同风速时系统压缩机输入功率与制冷剂流量变化很小,风速主要影响PV/T组件与空气的对流换热性能,当室外风速由0.2 m/s升高到1.4 m/s时,PV/T组件与空气的对流换热系数由3.4 W/(m2·K)提升到7.0 W/(m2·K),更有助于PV/T组件对环境空气的散热,进而改善系统制冷性能。

图8 室外风速对系统制冷性能的影响

4.3 室外温度影响

在太阳辐照度为360 W/m2、室外风速为0.4 m/s的条件下,室外温度对系统制冷性能的影响如图9所示。可以看出:随着室外温度的升高,室内外温差逐渐加大,室内冷负荷随之增大,为了维持室内温度,压缩机输入功率提高,制冷剂流量与冷凝温度随之提高,系统制冷量进一步增大;当室外温度由23.6 ℃升高到32.7 ℃时,制冷量的增加幅度(提高2.0倍)比耗功量的增加幅度(提高2.8倍)小,因此COP持续降低;当室外温度达到32.7 ℃时,系统冷凝温度与制冷剂流量分别提高到38.9 ℃与44.7 kg/h,制冷量增加到2.78 kW,COP降低到3.3。

图9 室外温度对系统制冷性能的影响

5 结论

本文提出了一种风冷式PV/T空调系统,将风冷式冷凝器与PV/T冷凝器组成为一体,可改善在日间太阳辐照影响下光伏板温度升高导致的光伏发电和冷凝器散热性能相互制约问题,提升风冷式PV/T空调系统在日间的利用率。本文实验研究了太阳辐照度、室外风速、室外温度等对系统发电和制冷性能的影响,得到如下结论:

1) 光伏板温度随太阳辐照度的增大而升高,光伏板输出电效率随光伏板温度升高而降低。当平均太阳辐照度从250.1 W/m2升高到943.1 W/m2时,光伏板平均温度从23.8 ℃升高到49.2 ℃;当光伏板温度从36.5 ℃升高到49.2 ℃时,光伏板输出电效率从4.8%降低到1.2%。

2) 室外温度对风冷式PV/T空调系统制冷性能的影响相对最大,当室外温度从23.6 ℃升高到32.7 ℃时,制冷量从0.92 kW增加到2.78 kW,COP从5.3降低到3.3;太阳辐照度的影响相对最小,当太阳辐照度从31 W/m2增大到810 W/m2时,制冷量从0.81 kW增大到2.45 kW,COP从4.0增大到4.6。在多种夏季日间工况下,风冷式PV/T空调系统均能正常工作,证明了其在日间冷电联产的可能性。