太陽能-熱泵復合供能系統

王崗，全貞花,2，趙耀華,2，靖赫然，佟建南

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太陽能-熱泵復合供能系統

王崗1，全貞花1,2，趙耀華1,2，靖赫然1，佟建南1

（1北京工業大學建筑工程學院，北京 100124；2北京工業大學未來網絡科技高精尖創新中心，北京 100124）

為最大限度利用可再生能源，將太陽能PV/T集熱器與熱泵相結合組成太陽能-熱泵復合供能系統，通過不同閥門之間的相互切換，可實現多種運行模式以滿足人們對生活熱水、采暖或制冷的需求。實驗主要針對單空氣源熱泵制熱、PV/T與水源熱泵聯合制熱及PV/T與雙熱源熱泵聯合制熱3種運行工況進行研究，分別從室內溫度、制熱量、熱泵COP、集熱效率、發電效率等方面對系統進行實驗研究與理論分析，實驗結果表明，3種運行工況下熱泵COP分別為2.26、3.4和2.61，平均室內溫度分別為15.3、18.8和16.5℃，基本能滿足冬季采暖負荷要求。系統可充分利用太陽能與熱泵各自的優勢，實現能源節約，為太陽能和熱泵在建筑中聯合運行模式提供部分參考價值。

太陽能；壓縮機；可再生能源；性能系數；能效分析

引 言

伴隨世界經濟的快速發展，傳統化石燃料正逐漸消耗殆盡，能源危機和環境污染日趨嚴重，這一系列問題促使人們加速探索開發利用可再生能源。太陽能以取之不盡用之不竭、清潔和無污染等獨特優勢成為眾多可再生能源中的首選能源[1]。光伏利用技術是太陽能利用技術的一種主要方式，而普通太陽能硅電池在標況下光電轉換效率僅有12%～17%左右，其吸收的太陽輻射能83%以上未被利用，這部分太陽輻射能被電池吸收轉化為熱能，導致光電轉換效率下降[2]。為降低光伏背板溫度及提高光電轉換效率，國內外學者主要采用水和空氣作為工作介質對光伏電池進行冷卻散熱，并做了大量相關研究工作[3-5]，這種技術被稱為光伏光熱（PV/T）技術。

太陽能和熱泵聯合運行技術是太陽能利用技術的另一種形式，該技術首先由Jordan等[6]提出，隨后國內外學者對此進行了大量實驗研究與理論研究。太陽能和熱泵結合形式是多種多樣的，研究主要集中于太陽能與空氣源熱泵或水源熱泵聯合運行。Huang等[7-8]提出并設計了整合型太陽能熱泵熱水器，并對其性能進行了實驗研究，實驗結果表明如果設計合理，該系統能同時吸收太陽能和空氣的熱量。Chyng等[9]對其進行了模擬研究，模擬結果與實驗結果能很好地匹配。Bellos等[10]對比分析了光伏集熱器與空氣源熱泵或水源熱泵聯合運行性能，并進行了能耗分析。Yahya等[11]分析了太陽能與太陽能輔助熱泵進行干燥性能，熱泵性能系數均值可達3.38。Tzivanidis等[12]研究了太陽能輔助熱泵系統與其他一些常規加熱系統的比較及評估，并對運行成本及投資進行分析。Sourbron等[13]分析了太陽能作為低溫熱源驅動熱泵系統的性能，得出傳熱速率高于或等于200 W·K-1的情況下方案設計是可行的。Poppi等[14]通過經濟分析研究了太陽能與空氣源熱泵聯合運行系統的可行性。Aguilar等[15]進行了熱泵用于生活熱水及光伏用于發電及并網長達一年的時間，旨在研究太陽能光伏發電與熱泵結合在住宅中的應用。Fu等[16]設計了熱泵-熱管光伏光熱集熱系統，該系統在有無太陽能的條件下均能實現居民對生活熱水的需求。Zhang等[17]設計了一種環路熱管熱泵系統，性能較為優越。張小松等[18-21]在前期研究基礎上構建了直膨式太陽能熱泵熱水系統，實驗結果表明該系統在不同天氣不同熱源模式下均能將熱水加熱到一定溫度；隨后，又研究了一種平板型太陽能光伏光熱熱泵系統，并對其夏季工況特性進行實驗研究。張龍燦等[22]將太陽能環形熱管循環模式和太陽能熱泵循環模式有機結合，并對兩種模式下的瞬時性能和全天性能進行了實驗 研究。

本研究將太陽能PV/T集熱器與多功能熱泵相結合，通過開啟不同閥門來實現多種運行模式，滿足人們對采暖與生活熱水的需求。實驗采用趙耀華等[23-27]發明的基于平板微熱管陣列PV/T集熱器，其不僅具有相對較高的光電效率和光熱效率，而且工藝簡單，是目前為止唯一可商業化的光伏光熱組件。本研究在以往實驗研究基礎上[28-30]，對太陽能-熱泵復合供能系統性能進行了實驗研究。

1 實驗介紹

1.1 系統構成

太陽能-熱泵復合供能系統主要由太陽能循環系統、熱泵系統及末端系統3部分組成，如圖1所示。太陽能PV/T循環系統主要由PV/T集熱器、循環水泵和水箱組成；熱泵系統主要由壓縮機、翅片管式換熱器、套管式換熱器、毛細管等組成，其中熱泵系統共有兩個套管換熱器，主要用于實現不同運行工況模式之間的切換。末端系統根據不同運行模式由室內風機盤管、循環水泵、定壓水箱等組成。

圖1 太陽能-熱泵復合供能系統示意圖

1.2 系統運行原理

實驗系統通過不同閥門之間的切換可分為多種運行工況，實現太陽能系統與熱泵系統之間的結合與匹配，滿足冬季用戶對采暖或生活熱水的需求。本研究主要介紹冬季運行模式下的3種工況。

工況1為單空氣源熱泵制熱運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥5和電磁閥2。當熱泵系統工作時，低溫低壓制冷劑氣體經壓縮機壓縮成高溫高壓制冷劑氣體，隨后經電磁閥8進入套管換熱器1，與水進行熱量交換，通過風機盤管將熱量散入室內，使室內保持一定的舒適度，被冷卻后的高壓低溫制冷劑液體經電磁閥7進入毛細管，節流后變為低壓低溫制冷劑氣液兩相共存，而后經電磁閥5進入風冷管翅式換熱器，制冷劑在換熱器內吸收空氣的熱量，成為低壓低溫制冷劑氣體，最終經電磁閥2進入壓縮機，完成一個工作循環。

工況2為太陽能PV/T集熱循環與水源熱泵聯合制熱運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥6和電磁閥3。當熱泵系統工作時，低溫低壓制冷劑氣體經壓縮機壓縮成高溫高壓制冷劑氣體，隨后經電磁閥8進入套管換熱器1，與工況1散熱模式相同，被冷卻后的高壓低溫制冷劑液體經電磁閥7進入毛細管，節流后變為低壓低溫制冷劑氣液兩相共存，而后經電磁閥6進入套管換熱器2，制冷劑在套管換熱器中吸收來自水箱的熱量，成為低壓低溫制冷劑氣體，最終經電磁閥3進入壓縮機，完成一個工作循環。太陽能PV/T循環系統與熱泵系統同時運行，充分利用集熱器背板產生的余熱，通過水循環系統將熱量儲存在水箱中，為熱泵系統蒸發器提供低溫熱源，滿足供暖需求。

工況3為太陽能PV/T集熱循環與雙熱源熱泵聯合運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥5、電磁閥2、電磁閥6和電磁閥3。當熱泵系 統工作時，同時以太陽能產生的低溫熱水與空氣作為熱泵系統蒸發器的低溫熱源，運行方式將工況1和工況2相結合，同時太陽能集熱器背板余熱產生的熱量除用于低溫熱源，多余的部分被儲存于水 箱中。

1.3 系統測試

實驗采用1HP轉子式壓縮機，其他部件與壓縮機相匹配，末端散熱設備采用FP-68WA。太陽能集熱器共6塊，集熱面積為7.68 m2，發電面積為6.75 m2，單塊集熱器的峰值功率為195 W。水箱底部設有冷水補水接管和排污管，補水管可直接與城市自來水管網連接。實驗房間總面積約為15 m2。

實驗主要采用T型熱電偶、熱電阻、壓力變送器、功率自計儀、電磁流量計、電流表和電壓表對溫度、壓力、功率、流量、電流和電壓進行時時監控與測量，其中溫度、流量和壓力通過Agilent 34970A進行記錄。

儀器誤差及測量范圍見表1。

表1 測量儀器誤差及測量范圍

2 評價指標與不確定度分析

2.1 性能評價指標

太陽能PV/T光伏光熱系統瞬時集熱功率如下

太陽能PV/T光伏光熱系統瞬時集熱效率如下

(2)

太陽能PV/T光伏光熱系統瞬時光電功率如下

太陽能PV/T光伏光熱系統瞬時光電效率如下

(4)

熱泵系統瞬時制熱量為

熱泵系統瞬時COP為

(6)

2.2 不確定度分析

設函數是由個獨立變量1,2,3, …, x組成的函數，每個獨立變量相對不確定度分別為δ1，δ2，δ3, …, δx，根據誤差傳遞公式可計算各個變量的不確定度，文中主要針對集熱效率、發電效率、換熱量及COP進行不確定性分析，其相對不確定度結果見表2。

(8)

表2 相對不確定度

3 數據處理

3.1 單空氣源熱泵制熱運行模式（工況1）

圖2為室內外溫度隨運行時間的變化。運行期間，室外溫度最低為-2.6℃，最高為2.7℃，平均溫度為0.6℃。初始運行時，由于室內計算機等發熱設備及房間保溫效果等多因素影響使室內初始溫度高于室外溫度，其值為5.1℃，室內溫度隨熱泵運行至中午12：00之后達到15℃以上直至運行結束，最大可達17.6℃，基本能滿足供暖需求。

圖2 室內外溫度隨時間變化

圖3為制熱量與熱泵COP隨運行時間的變化趨勢。初始運行時，制熱量與熱泵COP均有升高的趨勢，而后趨于平緩。運行期間，熱泵制熱量在0.99～1.58 kW范圍內變化，平均制熱量為1.44 kW；熱泵COP最小值為1.83，最大值為2.73。結合室外溫度可知，平均環境溫度為0.6℃的情況下，空氣源熱泵COP在整個運行期間的平均值為2.26，說明熱泵設計較為合理，性能較可靠。

圖3 制熱量與COP隨運行時間變化

3.2 PV/T與水源熱泵聯合制熱運行模式（工況2）

圖4為太陽輻照度及室內外溫度隨運行時間變化情況，運行期間太陽輻照度變化范圍為194～753 W·m-2，平均輻照度為594 W·m-2；室外溫度最低為1℃，最高為6℃，均值為3.6℃；室內溫度變化范圍為7.7～22.6℃，平均為18.8℃，滿足冬季采暖負荷的要求。

圖4 輻照度及室內外溫度隨運行時間的變化

圖5為水箱水溫、集熱效率及發電效率隨運行時間變化情況。運行期間水箱水溫呈現先降低后增加而后又降低的現象，產生此現象的原因主要是由于初始運行時僅依靠太陽能獲得的熱量并不能滿足水源熱泵對低溫熱源的需求，因此需從水箱中吸熱，隨輻照度的增加，從太陽能所獲取的熱量除供給水源熱泵吸收之外仍有結余，結余部分儲存在水箱中，導致水箱水溫出現上升的趨勢，而后隨輻照度的降低，從太陽能所獲取的熱量不足以作為水源熱泵的低溫熱源，此時不足部分從水箱中吸收，致使水箱水溫再次出現下降趨勢，水箱水溫運行期間在11.6～14.2℃之間變化，平均值為12.8℃，初始運行與運行結束時溫度基本相等。太陽能PV/T集熱器發電效率變化范圍為4.6%～17.1%，均值可達13.1%；集熱效率變化范圍為6.8%～41.5%，平均值為35.3%。運行期間，集熱效率與發電效率隨輻照度下降均呈現降低趨勢。

圖5 水箱水溫、集熱效率及發電效率隨運行時間變化

圖6為熱泵制熱量與COP隨運行時間變化情況。運行期間，熱泵制熱量出現先上升后降低的趨勢，在10:30左右值最小為2.2 kW，運行至14:00左右達到最大值（2.6 kW），均值為2.4 kW，變化趨勢與圖5中水箱水溫相似，主要是由于水箱作為水源熱泵的低溫熱源，蒸發溫度隨低溫熱源溫度的變化而變化，而制熱量與蒸發溫度呈正比例變化。熱泵COP變化范圍為3.0～4.3，平均值為3.4，相對較高，COP在運行期間整體呈現減小的趨勢，主要原因是熱泵COP同時由蒸發溫度和壓縮機耗功率兩個因素綜合影響所決定的。

圖6 制熱量與熱泵COP隨運行時間的變化

3.3 PV/T與雙熱源熱泵聯合運行模式（工況3）

圖7為太陽輻照度及室內外溫度隨運行時間的變化情況。太陽輻照度在360～815 W·m-2之間變化，均值為658.5 W·m-2；室外溫度在2.3～4.8℃之間變化，均值為4.0℃；室內溫度初始為10.5℃，最高達19.3℃，運行期間平均值為16.5℃，基本滿足采暖要求。

圖7 太陽輻照度及室內外溫度隨運行時間變化

圖8為水箱水溫、發電效率及集熱效率隨運行時間變化情況。水箱水溫從初始運行15℃升高到運行結束時的25.2℃，溫升約為10.2℃。水箱水溫逐漸升高表明從太陽能所吸收的熱量并沒有完全被熱泵所吸收，剩余部分儲存在水箱中，主要是由于雙熱源熱泵同時以空氣和水箱中的低溫水作為低溫熱源。集熱效率變化趨勢與圖7中太陽輻照度變化趨勢基本一致，在7.0%～30.9%之間變化，均值為21.6%；發電效率在6.0%～16.6%范圍內變化，平均為12.7%。

圖9為熱泵制熱量與COP隨運行時間變化。熱泵制熱量與COP在初始運行時均呈現增加的趨勢，而后趨于相對穩定，說明雙熱源熱泵蒸發溫度及耗功率相對較為穩定。制熱量最小值為0.47 kW，最大值為1.95 kW，均值為1.76 kW，穩定運行時在1.9 kW附近變化；COP變化范圍為1.33～3.07，平均值為2.61，穩定運行時在2.7附近變化。由以上分析可知，太陽能聯合雙熱源熱泵運行性能相對較為可靠。

圖8 水箱水溫、發電效率及集熱效率隨運行時間的變化

圖9 熱泵制熱量與COP隨運行時間變化

3.4 工況分析

熱泵系統在工況1運行模式下，運行期間COP均值達到2.26，滿足空氣源熱泵冬季運行要求，證明該系統設計較為合理。工況2與工況3運行時，太陽輻照度和室外溫度相對較為接近，對于太陽能循環系統，工況2的平均集熱效率與發電效率均高于工況3，產生此現象的主要原因是由于工況3運行模式水箱水溫逐漸升高，其溫度高于工況2運行模式的水溫，而水溫越高，集熱量越低，因此集熱效率低于工況2；同時，水箱水溫升高，導致流經太陽能PV/T集熱器背板的水溫升高，從背板余熱中所吸收的熱量減少，使背板溫度升高，而發電效率與背板溫度大小呈反向變化，因此發電效率也低于工況2。對于熱泵系統，工況2制熱量與熱泵COP均高于工況3，主要是因為工況2以低溫水作為低溫熱源，而工況3同時以空氣和低溫水作為低溫熱源，致使工況3蒸發溫度低于工況2，工況2熱泵COP高于工況3，但由于工況3并不是單純吸收水箱低溫水的熱量，而是同時吸收低溫水和空氣熱量，因此通過太陽能吸收的熱量并沒有完全用于熱泵系統的吸收，多余的熱量儲存于水箱中，因此工況3水箱最終水溫高于工況2，溫升達到10.2℃，而工況2水箱初始水溫與最終水溫基本相同，說明從太陽能中所獲得的熱量能滿足熱泵的需求，太陽能PV/T集熱器數量與熱泵系統之間的匹配相對較為合理。當無太陽能時，可開啟工況1運行模式進行供暖或供熱水；當環境溫度較低且輻照度較高時，可開啟工況2運行模式供暖；當環境溫度較高且太陽能輻照度較低時，可開啟工況3運行模式供暖。工況2和工況3更加充分利用了可再生能源，可根據外部條件，開啟不同的運行模式。

4 結 論

設計并建立了一套太陽能-熱泵復合供能系統，利用閥門之間的切換實現不同運行工況，滿足建筑供暖及生活熱水需求。主要針對單空氣源熱泵制熱、PV/T與水源熱泵聯合制熱及PV/T與雙熱源熱泵聯合制熱3種運行工況進行性能研究，結果表明，3種運行工況平均COP分別可達2.26、3.4和2.61，工況2和工況3的集熱效率和發電效率均值分別可達35.3%、13.1%和21.6%、12.7%。同時，對不同運行工況進行性能分析，給出了不同工況適用條件。研究表明，新型太陽能熱泵系統能充分利用太陽能，通過能量的梯級利用，以及太陽能與空氣能的優勢互補，實現能源的高效利用。實驗研究的數據與分析可為太陽能熱泵系統的實際應用提供參考價值。

符 號 說 明

A——面積，m2 COP——系統性能系數 cp——水比熱容，J·kg-1·K-1 G——太陽輻照度，W·m-2 I——電流，A Q——制熱量，W q——流量，L·h-1 T——溫度，℃ U——電壓，V W——集熱功率，W η——效率，% 下角標 c——集熱 cin——集熱器入口 cout——集熱器出口 e——發電 hin——換熱器入口 hout——換熱器出口 t——時間 p——壓縮機 τ——某一時刻

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Solar-heat pump combined energy system

WANG Gang1, QUAN Zhenhua1,2, ZHAO Yaohua1,2, JING Heran1, TONG Jiannan1

(1College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2Scientific Research Project of Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology,Beijing 100124,China)

To make the best use of renewable energy, a system of solar-heat pump composite energy was formed by combining solar PV/T collector with heat pump. Switching between the different valves can achieve many operating modes to meet people’s need for hot water and heat and cooling. The experiment mainly studied three operating modes: single-air-source heat pump, solar PV/T collector with water-source heat pump, and solar PV/T collector with dual-heat-source heat pump. Indoor temperature, heat capacity, COP, thermal efficiency and electric efficiency were investigated experimentally and analyzed theoretically. Results showed that COP were 2.26, 3.4 and 2.61, respectively, along with average indoor temperature of 15.3, 18.8 and 16.5℃, which can basically meet the need for heating load in winter. The advantage of solar energy and heat pump were made full use and realized energy conservation, which provide some reference for solar and heat pump operation modes in buildings.

solar energy; compressor; renewable energy; coefficient of performance; energy efficiency analysis

10.11949/j.issn.0438-1157.20161482

TK 519

A

0438—1157（2017）05—2132—08

全貞花。

王崗（1987—），男，博士研究生。

北京未來網絡科技高精尖創新中心項目。

2016-10-20收到初稿，2017-01-21收到修改稿。

2016-10-20.

Prof. QUAN Zhenhua, quanzh@bjut.edu.cn

supported by the Scientific Research Project of Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology.