風冷式PV/T空調系統日間冷電聯產性能實驗研究

徐建偉 楊 華 馮關源 孔祥飛 李 晗 范 滿

(河北工業大學,天津)

0 引言

隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出,能源改革也在不斷推進。太陽能作為一種常見的可再生能源,在我國能源結構中占比越來越大。建筑能耗約占全社會總能耗的36%,其產生的碳排放量占總量的近40%[1],因而將太陽能與建筑系統相結合,既符合目前建筑節能的發展趨勢,也是太陽能規模化利用的有效途徑[2]。太陽能應用于建筑夏季制冷主要有2種方式:光熱利用與吸收式空調相結合、光伏發電與蒸氣壓縮式空調相結合。但受技術和成本的制約,2種方式的制冷性能系數受限于集熱/發電效率[3]。

太陽能光伏/光熱(PV/T)空調系統可以綜合利用太陽能、空氣熱能和天空長波輻射能進行冷熱電聯產,通過循環介質有效降低光伏板溫度,同時回收廢熱,從而提高綜合能源利用效率[4-5]。陳建泉對PV/T空調系統的夏季制冷效果進行了實驗測試與理論建模研究,結果表明用PV/T空調進行制冷以滿足建筑用冷需求是可行的[6]。Rossi等人在不同氣候條件下比較了傳統太陽能空調、風冷式空調和PV/T空調系統的能耗和COP,結果表明PV/T空調具有更低的能耗和更高的COP[7]。黃文竹在室內實驗室模擬環境下研究了PV/T空調的制冷性能,結果表明系統COP在0.65～1.39之間[8]。曠玉輝測試了帶蓄冷水箱的PV/T空調在夜間的蓄冷性能,蓄冷水箱溫度從28.7 ℃逐漸降低到19.5 ℃,總蓄冷量為14.9 kW·h,系統平均COP約為2.9[9]。Delamo等人通過實驗發現PV/T空調系統的COP最高達4.6[10]。

現有研究表明了PV/T空調制冷的可行性和高效性,但研究多集中在夜間利用長波輻射制冷工況,在日間太陽輻照影響下光伏板溫度升高,光伏發電效率和冷凝器散熱效果均會受到影響,傳統PV/T空調系統利用PV/T組件作為系統冷凝器,在日間太陽輻照度較大時往往無法實現制冷,針對系統日間冷電聯產性能的研究還比較缺乏。因此本文提出了一種風冷式PV/T空調系統,對系統在夏季日間的冷電聯產性能進行了實驗測試,深入分析了環境因素、運行參數等對系統發電和制冷性能的影響,為拓展PV/T空調系統的應用范圍提供參考。

1 系統形式和實驗裝置介紹

系統改造前(風冷式空調機組)的額定制冷量為2.6 kW,額定輸入功率為0.76 kW。改造后風冷式PV/T空調系統如圖1所示,主要部件包括:壓縮機、四通換向閥、電磁膨脹閥、蒸發器、風冷(翅片管)冷凝器和PV/T冷凝器。系統的發電功能由PV/T冷凝器上的光伏板實現,制冷劑為R410A,其循環過程為:制冷劑在壓縮機中被壓縮成高溫高壓蒸氣,再進入風冷冷凝器和PV/T冷凝器冷凝為高溫高壓液體,接著通過電磁膨脹閥節流為低溫低壓液體,然后在蒸發器吸熱蒸發成低溫低壓蒸氣,最后再進入壓縮機完成循環。

圖1 風冷式PV/T空調系統圖

在風冷冷凝器與PV/T冷凝器之間設置1根旁通管,通過控制閥門1～3,可以實現系統在風冷式PV/T空調和風冷式空調間的轉換。在無太陽輻射時(如陰雨天),光伏板的發電功能難以實現,啟動PV/T冷凝支路進行制冷。在太陽輻照度較小時(如陰天、多云天氣),光伏板發電性能與PV/T冷凝制冷效果均不理想,利用風冷冷凝支路進行制冷。在太陽輻照度較強時,PV/T組件僅起發電作用,冷凝作用由風冷冷凝支路和風機實現。主要的測試儀器見表1。

表1 主要測試儀器

風冷式PV/T冷凝器由PV/T冷凝器和風冷式冷凝器串聯組成,結構如圖2所示。PV/T冷凝器自上而下依次為光伏板、鋁板和銅管;光伏板朝南向鋪設,與水平方向夾角為40°;銅管全長約13 m,外徑8 mm,通過焊接與鋁板緊密連接;為了降低鋁板與光伏板間的接觸熱阻,兩者之間填充了導熱硅脂(導熱系數為1.2 W/(m·K))。風冷式冷凝器主要由風機和翅片管換熱器組成;盤管形式為雙排銅管,全長約為26 m,外徑8 mm;翅片尺寸為50.0 mm×36.0 mm×0.1 mm(長×寬×高),翅片間距為2 mm。實驗期間系統運行主要依據電網供電,光伏板發電通過外接阻值為30 Ω的電阻進行消耗,在光伏板與電阻之間并聯電壓變送器用于監測輸出電壓,在光伏板與電阻之間串聯電流變送器用于監測光伏板的輸出電流,如圖3所示。室內溫度測點布置如圖4所示。房間尺寸為5.4 m×3.6 m×2.6 m(長×寬×高),位于某住宅2層露臺,系統蒸發器安裝在房間的南墻上方。在室內端布置15個溫度傳感器,共分為3組,用于監測室內溫度。

圖2 風冷式PV/T冷凝器結構圖

圖3 系統接電示意圖

圖4 室內溫度測點布置

2 數據處理方法

2.1 系統性能評價指標

1) 系統輸出電功率Qe。

Qe=UI

(1)

式中U為光伏板的輸出電壓,V;I為光伏板的輸出電流,A。

2) 系統輸出電效率ηe。

(2)

式中Ae為光伏板面積,m2;Is為太陽輻照度,W/m2。

3) 系統制冷量Qr。

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

(3)

式中m為制冷劑質量流量,kg/s;he,o和he,i分別為蒸發器出口和入口比焓,kJ/kg。

4) 系統COP。

(4)

式中η為COP;Wsy為系統輸入功率,kW。

2.2 不確定性分析

為表征實驗數據在實驗測試過程中產生的誤差,引入不確定度[11-12]。經計算,光伏板的輸出電功率、輸出電效率的相對不確定度分別為±0.5%、±3.0%,系統制冷量和COP的相對不確定度分別為±1.1%、±1.2%。

3 風冷式PV/T空調發電性能分析

在不同天氣條件下對光伏板的發電性能進行實驗測試,結果如圖5所示。晴天、多云與陰天的平均太陽輻照度分別為943.1、530.8、250.1 W/m2,3種天氣對應的光伏板平均溫度分別為49.2、36.5、23.8 ℃。在不同太陽輻照度和光伏板溫度影響下,光伏板輸出電功率差距較大,其中多云天氣下的輸出電功率最高,平均值為13.7 W,而晴天與陰天時的平均輸出電功率分別為12.8 W和11.6 W。晴天、多云和陰天條件下的平均輸出電效率分別為1.2%、4.8%和3.2%。陰天時,太陽輻照度和光伏板溫度均較低,光伏板的輸出電效率在3%～5%之間。多云時,太陽輻照度相較于陰天時增大,光伏板平均溫度為36.5 ℃,光伏板的輸出電效率最高可達6.4%。晴天時,光伏板溫度較高,可達50 ℃以上,雖然太陽輻照度較大,但由于過高的光伏板溫度導致電效率較低,平均值為1.2%。由于該研究的目的主要在于探究系統在夏季日間制冷的可行性,選取的光伏板面積僅1.06 m2,額定功率僅200 W,在陰天、多云與晴天時,光伏板的平均輸出電功率分別占同時刻系統輸入電功率的2.9%、2.8%與2.4%。

圖5 不同天氣條件下光伏板溫度和發電性能

光伏板的輸出電功率同時受太陽輻照度與光伏板溫度的影響,如圖6所示。當太陽輻照度為固定值時,光伏板輸出電功率隨光伏板溫度的升高而降低;而當光伏板溫度固定時,光伏板輸出電功率隨太陽輻照度的增大而升高。

圖6 光伏板輸出電功率隨光伏板溫度與太陽輻照度的變化

光伏板輸出電功率關于光伏板溫度和太陽輻照度的函數擬合關系如式(5)所示,R2=0.84。

(5)

式中tpv為光伏板溫度,℃。

4 風冷式PV/T空調制冷性能分析

本章分析太陽輻照度、室外風速、室外溫度對系統制冷性能的影響,其中空調機組的供冷量由特定溫度設定參數的室內負荷決定,而系統能效受室外環境參數影響。

4.1 太陽輻照度影響

在室外風速為0.5 m/s、室外溫度為30 ℃時,太陽輻照度對系統制冷性能的影響如圖7所示。由圖7a可以看出:在陰天天氣下,太陽輻照度小于150 W/m2,系統制冷量和COP都較小;在多云天氣下,太陽輻照度達到365 W/m2,系統制冷量和COP分別為2.18 kW和4.4;在晴天天氣下,太陽輻照度達到810 W/m2,系統制冷量和COP分別達到2.45 kW和4.6。由此得出,隨著太陽輻照度的增大,系統制冷量與COP均增大。這是因為光伏板溫度與室內冷負荷均隨太陽輻照度的增大而升高或增大,為了保證冷凝器具有良好的散熱性能,壓縮機輸入功率增大,冷凝溫度提高,同時制冷劑流量增大,系統制冷量增大。當太陽輻照度由31 W/m2升高到810 W/m2時,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。由圖7b可以看出,當太陽輻照度提高到810 W/m2時,系統冷凝溫度與制冷劑流量分別提高到37.8 ℃與43.8 kg/h。

圖7 太陽輻照度對系統制冷性能的影響

4.2 室外風速影響

在室外溫度為30 ℃、太陽輻照度為360 W/m2的條件下,室外風速對系統制冷性能的影響如圖8所示。可以看出:隨著室外風速由0.2 m/s升高到1.4 m/s,系統制冷量由0.79 kW增大到2.14 kW,COP由3.3增大到5.4。不同風速時系統壓縮機輸入功率與制冷劑流量變化很小,風速主要影響PV/T組件與空氣的對流換熱性能,當室外風速由0.2 m/s升高到1.4 m/s時,PV/T組件與空氣的對流換熱系數由3.4 W/(m2·K)提升到7.0 W/(m2·K),更有助于PV/T組件對環境空氣的散熱,進而改善系統制冷性能。

圖8 室外風速對系統制冷性能的影響

4.3 室外溫度影響

在太陽輻照度為360 W/m2、室外風速為0.4 m/s的條件下,室外溫度對系統制冷性能的影響如圖9所示。可以看出:隨著室外溫度的升高,室內外溫差逐漸加大,室內冷負荷隨之增大,為了維持室內溫度,壓縮機輸入功率提高,制冷劑流量與冷凝溫度隨之提高,系統制冷量進一步增大;當室外溫度由23.6 ℃升高到32.7 ℃時,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持續降低;當室外溫度達到32.7 ℃時,系統冷凝溫度與制冷劑流量分別提高到38.9 ℃與44.7 kg/h,制冷量增加到2.78 kW,COP降低到3.3。

圖9 室外溫度對系統制冷性能的影響

5 結論

本文提出了一種風冷式PV/T空調系統,將風冷式冷凝器與PV/T冷凝器組成為一體,可改善在日間太陽輻照影響下光伏板溫度升高導致的光伏發電和冷凝器散熱性能相互制約問題,提升風冷式PV/T空調系統在日間的利用率。本文實驗研究了太陽輻照度、室外風速、室外溫度等對系統發電和制冷性能的影響,得到如下結論:

1) 光伏板溫度隨太陽輻照度的增大而升高,光伏板輸出電效率隨光伏板溫度升高而降低。當平均太陽輻照度從250.1 W/m2升高到943.1 W/m2時,光伏板平均溫度從23.8 ℃升高到49.2 ℃;當光伏板溫度從36.5 ℃升高到49.2 ℃時,光伏板輸出電效率從4.8%降低到1.2%。

2) 室外溫度對風冷式PV/T空調系統制冷性能的影響相對最大,當室外溫度從23.6 ℃升高到32.7 ℃時,制冷量從0.92 kW增加到2.78 kW,COP從5.3降低到3.3;太陽輻照度的影響相對最小,當太陽輻照度從31 W/m2增大到810 W/m2時,制冷量從0.81 kW增大到2.45 kW,COP從4.0增大到4.6。在多種夏季日間工況下,風冷式PV/T空調系統均能正常工作,證明了其在日間冷電聯產的可能性。