光伏/光熱聯合空氣源熱泵系統的性能研究

收稿日期：2023-03-27

通信作者：劉異（1996—），女，碩士，主要從事空氣源熱泵系統方面的研究。843779843@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230327.02 文章編號：1003-0417（2024）04-66-07

摘 要：為了改善傳統光伏發電系統的運行性能，提出了一種光伏/光熱（PV/T）聯合空氣源熱泵系統，介紹了該系統的工作原理和運行方式，研究了該系統的綜合性能評價方法，然后利用TRNSYS瞬時系統模擬軟件建立了該系統的仿真模型，并以重慶地區為例，對比分析了PV/T聯合空氣源熱泵系統與單一光伏發電系統的組件表面溫度、熱效率、電效率、?效率和一次能源節約效率。研究結果表明：1） PV/T組件表面溫度與光伏組件表面溫度的變化趨勢較為一致，二者的平均值相差13 ℃，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統可以有效降低光伏組件表面溫度；2） PV/T聯合空氣源熱泵系統和光伏發電系統的平均電效率分別為11.40%和9.86%，相對提高了15.62%，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統能夠獲得更多的電能；3） PV/T聯合空氣源熱泵系統和光伏發電系統的?效率平均值分別為11.73%和8.94%，相對提高了31.21%，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統能夠獲得更多的可用能；4） PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均一次能源節約效率為50.94%，其總體變化趨勢與熱效率的變化趨勢相似。

關鍵詞：光伏/光熱一體化；空氣源熱泵；電效率；?效率；一次能源節約效率；綜合性能評價

中圖分類號：TK519/TK514 " " " " " 文獻標志碼：A

0" 引言

太陽能的高效規模化應用是緩解當前能源緊缺與環境壓力的有效途徑之一[1-2]。在太陽能的應用形式中，光伏/光熱（PV/T）一體化系統可以在利用光伏發電的同時提供低溫熱水，但當所提供的低溫熱水用于生活熱水和供暖時，需要輔助加熱系統或設置蓄熱裝置。于是有研究學者提出將PV/T組件與空氣源熱泵結合，從而可以在為用戶提供電能的同時提供生活熱水和供暖，并對此進行了大量研究[3-4]。

在當前PV/T一體化系統的相關研究中：陳劍波等[5]、李新銳等[6]為解決因室外工況不穩定而造成的熱泵機組制熱量不足的問題，提出了一種PV/T組件與雙源熱泵一體化系統，研究結果表明：該一體化系統擁有更高的電效率。婁尚等[7]對以水為工質的雙通道PV/T系統的性能進行了研究，研究結果表明：雙通道PV/T系統可有效降低太陽電池的工作溫度，同時，工質流量的變化對該PV/T系統熱性能的影響更大。杜柏堯[8]研究了PV/T聯合空氣能直膨式熱泵系統的性能，并對比分析了不同季節條件下該聯合系統的制熱性能，研究結果表明：隨著環境溫度的降低，該聯合系統的性能會隨之下降。荊樹春等[9]對聯合熱泵的PV/T一體化系統和水冷式PV/T一體化系統的性能進行了對比分析，分析結果表明：聯合熱泵的PV/T一體化系統的太陽電池溫度比水冷式PV/T一體化系統的低，聯合熱泵的PV/T一體化系統的?效率也比水冷式PV/T一體化系統的低。周偉等[10]、曲明璐等[11-12]對PV/T與熱泵一體化系統分別在雙熱源運行、單空氣能運行、單太陽能運行3種模式下的性能進行了實驗研究。

然而，目前從能量和?的角度對PV/T聯合空氣源熱泵系統的綜合性能展開的研究較少。因此，本文提出了一種PV/T聯合空氣源熱泵系統，在介紹該系統的工作原理和運行方式的基礎上，對其綜合性能評價方法進行研究，然后利用TRNSYS瞬時系統模擬軟件建立該系統的仿真模型，并以重慶地區為例，對PV/T聯合空氣源熱泵系統的發電量、?效率及一次能源節約效率等進行分析。

1" 系統的工作原理和運行方式

1.1" 工作原理

在進行PV/T聯合空氣源熱泵系統設計時，考慮到PV/T組件在制備低溫熱源上具有優勢，因此系統主要制取低溫熱水用于建筑的供暖和生活熱水預熱，其中室內供暖末端采用地板輻射供暖裝置，其設計水溫不高于50 ℃。同時，由于日間太陽輻射的波動較大且夜間無太陽輻射，部分時刻不能滿足建筑的供熱負荷需求或制冷負荷需求，因此需要在系統中設置輔助冷熱源。

本文提出的PV/T聯合空氣源熱泵系統主要包括PV/T組件、蓄熱水箱、空氣源熱泵、地板輻射供暖裝置等，其工作原理示意圖如圖1所示。

PV/T聯合空氣源熱泵系統的工作原理為：PV/T組件將光伏組件吸收的熱量傳遞給空氣源熱泵中的制冷劑，促使制冷劑發生汽化反應；汽化后的制冷劑經壓縮機壓縮后呈現高溫高壓狀態，而后進入冷凝器將熱量傳遞給熱水循環系統中的循環水；釋放熱量后的制冷劑經過節流閥再次回到蒸發器，從而完成1次循環。同時，熱水循環系統中的熱水進入蓄熱水箱，可用來提供生活熱水和為建筑供暖；當熱水的溫度低于設計溫度時，啟動蓄熱水箱內的電加熱器輔助加熱。

1.2" 運行方式

1.2.1" 夏季及過渡季節的運行方式

PV/T聯合空氣源熱泵系統在夏季和過渡季節主要為用戶提供電量和生活熱水，夏季時還需要通過空氣源熱泵滿足室內的制冷需求。在此時間段，由于日間的太陽輻射較強，可能導致PV/T聯合空氣源熱泵系統的供熱量大于生活熱水預熱的需求量，從而導致流過光伏組件表面集熱管道的水溫過高，使PV/T組件的冷卻效果達不到預期效果，而且光伏組件工作溫度遠大于系統運行的設計溫度，會降低其使用壽命和發電效率。因此，需在夜間利用輻射原理，通過PV/T組件將多余的熱量散發出去，以避免該現象的發生。

1.2.2" 冬季的運行方式

PV/T聯合空氣源熱泵系統在冬季能為用戶提供電量和生活熱水，同時可滿足室內供暖需求。在PV/T聯合空氣源熱泵系統運行過程中，可以得到不超過50 ℃的低溫熱水，用于生活熱水和地板輻射供暖裝置的預熱。同時，PV/T聯合空氣源熱泵系統的管路防凍采用回流排空的防凍方式，當PV/T循環泵停止運行后，PV/T組件和室外管路中的水將自行流回到蓄熱水箱中，使該系統內管路中的水排空，從而實現防凍的目的。當太陽輻射較弱時，PV/T聯合空氣源熱泵系統會啟動空氣源熱泵來滿足供熱需求。

2" 系統的綜合性能評價方法

目前，對于PV/T聯合空氣源熱泵系統的性能評價主要是采用熱效率和電效率等指標，缺乏統一的衡量標準。因此，為了區分電能與熱能品位的不同，本文通過?效率和一次能源節約效率對PV/T聯合空氣源熱泵系統的綜合性能進行評價，以便對系統進行優化處理。

PV/T聯合空氣源熱泵系統的?效率ηexe的表達式[13]為：

ηexe=ηe+ηth" 1–" " " 298

298+（tout–ta）" " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：ηe為PV/T聯合空氣源熱泵系統的電效率；ηth為PV/T聯合空氣源熱泵系統的熱效率；ta為室外的環境溫度，℃；tout為蓄熱水箱的出口溫度，℃。

其中，熱效率的表達式為：

ηth=" " "Qr" " " =" mcp（tout–tin）

ACG" " " " " " " "ACG" " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：Qr為PV/T聯合空氣源熱泵系統的輸出熱功率，W；AC為PV/T組件的面積，m2；G為PV/T聯合空氣源熱泵系統所在位置的太陽輻照度，W/m2；m為工質水的質量流量，kg/s；Cp為定壓比熱容，J/（kg·K）；tin為蓄熱水箱的進口溫度，℃。

電效率的表達式為：

ηe=" " "Qe" "=" ImVm

ACG" " " "ACG" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：Qe為光伏組件所輸出的電能的功率，W；Im為開路電流，A；Vm為開路電壓，V。

PV/T聯合空氣源熱泵系統的熱能和電能品位可以通過電效率、熱效率及?效率這3個指標進行評價，但在該系統的實際運行過程中，該系統產生的熱量并沒有參與熱力循環的做功過程。因此，文獻[14]提出了應用一次能源節約效率對系統進行整體評價的方法。一次能源節約效率Ef的表達式為：

Ef=" ηe" " +ηth" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

ηpow

式中：ηpow為火電機組的發電效率，本文取0.38。

3" 系統仿真模擬分析

3.1" 建立仿真模型

本文以重慶地區為例，采用TRNSYS軟件對PV/T聯合空氣源熱泵系統進行仿真模擬。根據PV/T聯合空氣源熱泵系統的設計方案，建立該系統的仿真模型，其中：PV/T組件模塊選擇“Type50”；空氣源熱泵模塊選擇“Type119”；蓄熱水箱模塊選擇“Type158”；氣象參數的模塊選擇“重慶地區典型年氣象參數”。該仿真模型圖如圖2所示。圖中，mix-1、yFill、yColl、div-1、flow control均為模塊名稱。

圖2" PV/T聯合空氣源熱泵系統的仿真模型圖

Fig. 2" Simulation model diagram of PV/T hybrid air

source heat pump system

3.2" 結果討論

以重慶地區為例，對PV/T聯合空氣源熱泵系統的發電量、?效率及一次能源節約效率等進行分析。采用單一的光伏發電系統作為對照分析組，其光伏組件配置與PV/T聯合空氣源熱泵系統中的光伏組件配置完全一樣。模擬時間段設置為9月1日08：00～18：00，選擇該時間段該地區的氣象數據作為參考，其太陽輻照度及室外環境溫度的曲線如圖3所示。

圖3" 模擬時間段內，重慶地區的太陽輻照度及

室外環境溫度曲線

Fig. 3" Curves of solar irradiance and outdoor environmental temperature in the Chongqing area during

simulation time period

從圖3可以看出：在模擬時間段內，重慶地區室外的平均環境溫度約為27.2 ℃，平均太陽輻照度約為641 W/m2。隨著室外的環境溫度逐漸升高，太陽輻照度在12：38達到峰值，為919 W/m2。

在模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統中PV/T組件表面溫度與光伏發電系統中光伏組件表面溫度隨時間變化的曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：在模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統中PV/T組件表面溫度與光伏發電系統中光伏組件表面溫度隨時間的變化趨勢較為一致，均在同一時刻達到最大值，分別為69.3 ℃和89.5 ℃。PV/T組件表面溫度的平均值為55.4 ℃，光伏組件表面溫度的平均值為68.4 ℃，二者相差13.0 ℃，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統可以有效降低光伏組件的表面溫度，依靠PV/T組件管道內的循環水來吸取熱量，從而使光伏組件的表面溫度維持在較低值。

圖4" 模擬時間段內，PV/T組件表面溫度與光伏組件

表面溫度隨時間變化的曲線

Fig. 4 Curves of relationship between surface temperature of PV/T modules and surface temperature of PV modules over time during simulation time period

在模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統與光伏發電系統的總能量如圖5所示。

圖5" 模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統與

光伏發電系統的總能量

Fig. 5" Total energy of PV/T hybrid air source heat pump

system and PV power generation system during

simulated time period

從圖5可以看出：

1）在模擬時間段內，累計投射到光伏組件表面的太陽總輻射量為1145.77 MJ。

2）PV/T聯合空氣源熱泵系統累計輸出的電能為118.46 MJ，折合發電量為32.89 kWh，平均電效率為11.40%。光伏發電系統累計輸出的電能為99.43 MJ，折合發電量為27.62 kWh，平均電效率為9.86%。PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均電效率比光伏發電系統的平均電效率提高了1.54%，相對提高了15.62%，該數據表明，光伏組件的部分熱量被PV/T聯合空氣源熱泵系統中的冷卻流體帶走，降低了光伏組件的表面溫度，使其更接近于設計溫度，發電效率更高，從而可以獲得更多的電能。

3）PV/T聯合空氣源熱泵系統運行時，其吸收的熱能隨著管道中的循環工質水經過熱泵側循環水泵不斷輸入到蓄熱水箱內，蓄熱水箱內的溫度最高可達60.87 ℃，可以滿足用戶生活熱水的預熱需求。該系統總得熱量為336.92 MJ，平均熱效率為23.59%。

在相同太陽輻射條件下，模擬時間段內PV/T聯合空氣源熱泵系統與光伏發電系統的?效率對比如圖6所示。

圖6" 模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統與

光伏發電系統的?效率對比

Fig. 6" Comparison of exergy efficiency between PV/T hybrid air source heat pump system and PV power generation system during simulation time period

從圖6可以看出：在相同太陽輻射條件下，模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統的?效率始終高于光伏發電系統的?效率。PV/T聯合空氣源熱泵系統的?效率平均值為11.73%，光伏發電系統的?效率平均值為8.94%，二者相比，PV/T聯合空氣源熱泵系統的?效率平均值提高了2.79%，相對提高了31.21%。該數據表明，PV/T聯合空氣源熱泵系統內冷卻流體在獲得熱量的同時降低了光伏組件表面溫度，提高了該系統的發電效率，與光伏發電系統相比，PV/T聯合空氣源熱泵系統能夠獲得更多的可用能。

利用?效率對PV/T聯合空氣源熱泵系統進行能量收益評價可以區分出熱能和電能的品位差別，但多數PV/T聯合空氣源熱泵系統產生的熱量被浪費了，并未參與熱力循環的做功過程，因此，利用?效率對該系統進行能量收益評價顯得較為單一。基于此，本文采用一次能源節約效率對PV/T聯合空氣源熱泵系統的能量收益進行評價。模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統的一次能源節約效率曲線如圖7所示。

圖7" 模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統的

一次能源節約效率曲線

Fig. 7" Primary energy saving efficiency curve of PV/T hybrid air source heat pump system during simulation time period

從圖7可以看出：模擬時間段內，PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均一次能源節約效率為50.94%。因為PV/T聯合空氣源熱泵系統的熱效率高于電效率，所以一次能源節約效率的總體變化趨勢與熱效率的變化趨勢基本相同。

4" 結論

本文提出了一種PV/T聯合空氣源熱泵系統，介紹了該系統的工作原理和運行方式，研究了該系統的綜合性能評價方法，然后利用TRSNYS瞬時系統模擬軟件建立了該系統的仿真模型，并以重慶地區為例進行了綜合性能評價分析，得出以下結論：

1） PV/T組件表面溫度與光伏組件表面溫度的變化趨勢較為一致，二者的平均值相差13.0 ℃，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統可以有效降低光伏組件表面溫度，依靠PV/T組件管道內的循環水來吸取熱量，從而使PV/T組件的表面溫度維持在較低值。

2） PV/T聯合空氣源熱泵系統和光伏發電系統的平均電效率分別為11.40%和9.86%，PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均電效率比光伏發電系統的平均電效率提高了1.54%，相對提高了15.62%，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統能夠獲得更多的電能。

3） PV/T聯合空氣源熱泵系統和光伏發電系統的?效率平均值分別為11.73%和8.94%，PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均?效率比光伏發電系統的平均?效率提高了2.79%，相對提高了31.21%，說明PV/T聯合空氣源熱泵系統能夠獲得更多的可用能。

4） PV/T聯合空氣源熱泵系統的平均一次能源節約效率為50.94%，其總體變化趨勢與熱效率的變化趨勢相同。

[參考文獻]

[1] ABU BAKAR M N，OTHMAN M，DIN M H，et al. Design concept and mathematical model of a bi-fluid photovoltaic/thermal （PV/T） solar collector[J]. Renewable energy，2014，67：153-164.

[2] 姚劍，彭浩，壽春暉，等. 直膨式太陽能PV/T熱泵系統性能分析[J]. 太陽能學報，2021，42（12）：35-40.

[3] 趙學林. 太陽能光伏光熱耦合熱泵供熱系統動態模擬與性能研究[D]. 北京：華北電力大學，2020.

[4] 周偉. 太陽能光伏光熱復合空氣源熱泵熱水系統性能研究[D]. 南京：東南大學，2016.

[5] 陳劍波，孫坤，聶琳杰，等. 基于太陽能光伏光熱組件的雙熱源熱泵機組的實驗研究[J]. 制冷學報，2015，36（5）：49-54，64.

[6] 李新銳，陳劍波，王成武. 太陽能光伏光熱組件與雙源熱泵一體化系統節能性分析[J]. 建筑節能，2018，46（2）：30-33.

[7] 婁尚，朱群志，李琛，等. 基于相變材料的雙通道PV/T系統性能研究[J]. 太陽能學報，2022，43（9）：98-103.

[8] 侯隆澍，全貞花，杜伯堯，等. 新型太陽能-空氣雙熱源直膨熱泵系統運行性能研究[J]. 建筑科學，2022，38（2）：153-159.

[9] 荊樹春，朱群志，段芮，等. 聯合熱泵的光伏光熱一體化系統的性能評價[J]. 可再生能源，2013，31（11）：1-4，8.

[10] 周偉，張小松，劉劍，等. 太陽能-空氣光伏/光熱一體化熱泵熱水系統實驗特性[J]. 制冷學報，2016，37（5）：10-16，25.

[11] 曲明璐，王海洋，閆楠楠，等. 太陽能光伏光熱-熱泵系統能量與?分析[J]. 暖通空調，2022（2）：118-123.

[12] 曲明璐，盧明琦，宋小軍，等. 蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統模擬研究[J]. 流體機械，2020，48（8）：82-88.

[13] 盧濤，蔣綠林，傅杰. 兩種不同結構的光伏光熱一體化系統的性能分析[J]. 可再生能源，2017，35（12）：1786-1790.

[14] MASSON L，RICHARDS B S，SCH?FER A I. System design and performance testing of a hybrid membrane——Photovltaic desalination system[J]. Desalination，2005，179（1-3）：51-59.

RESEARCH ON PERFORMANCE OF PV/T HYBRID AIR

SOURCE HEAT PUMP SYSTEM

Liu Yi

（State Nuclear Electric Power Planning Design amp; Research Institute Chongqing Co.，Ltd.，Chongqing 401147，China）

Abstract：In order to improve the operational performance of traditional PV power generation systems，this paper proposes a PV/T hybrid air source heat pump system. The working principle and operating mode of the system are introduced，and the comprehensive performance evaluation method of the system is studied. Then，a simulation model of the system is established using TRNSYS instantaneous system simulation software. Taking Chongqing area as an example，the surface temperature of modules，thermal efficiency，electrical efficiency，exergy efficiency，and primary energy saving efficiency of the PV/T hybrid air source heat pump system and PV power generation system are compared and analyzed. The research results show that：1） The variation trend of surface temperature of PV/T modules is relatively consistent with that of PV modules surface temperature，difference between the average of the two is 13 ℃，indicating that the PV/T hybrid air source heat pump system can effectively reduce the surface temperature of PV modules. 2） The average electrical efficiency of PV/T hybrid air source heat pump system and PV power generation system are 11.40% and 9.86%，respectively，which is a relative improvement of 15.62%，indicating that PV/T hybrid air source heat pump system can obtain more electrical energy. 3） The average exergy efficiency of PV/T hybrid air source heat pump system and PV power generation system is 11.73% and 8.94%，respectively，which is a relative improvement of 31.21%，indicating that PV/T hybrid air source heat pump system can obtain more available energy. 4） The average primary energy saving efficiency of the PV/T hybrid air source heat pump system is 50.94%，and its overall trend of change is similar to that of thermal efficiency.

Keywords：PV/T integration；air source heat pump；electrical efficiency；exergy efficiency；primary energy saving efficiency；comprehensive performance evaluation