PV/T耦合熱泵系統運行特性分析

摘 要：基于PV/T-熱泵供生活熱水系統、地源-空氣源熱泵供暖系統構建了PV/T耦合熱泵系統，并以鄭州地區某棟3層公共建筑為研究對象，通過對比PV/T耦合熱泵系統與PV/T-熱泵供生活熱水系統和地源-空氣源熱泵供暖系統在PV/T組件表面溫度與發電效率、集熱量、土壤溫度變化及地源熱泵季節能效比等方面的性能，對PV/T耦合熱泵系統進行了效果驗證。分析結果顯示：1） 在供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了7.38 ℃；在非供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了26.49 ℃。說明PV/T耦合熱泵系統可有效降低PV/T組件的表面溫度。2） 在供暖季和非供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的日均發電效率平均值分別提升了2.72%和9.24%；在供暖季和非供暖季，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的集熱效率分別提升了19.96%和74.65%。3） 在PV/T組件面積為90 m2的情況下，隨著系統運行年限的增加，PV/T耦合熱泵系統和地源-空氣源熱泵供暖系統的土壤溫度均整體呈下降趨勢。在PV/T組件面積為180 m2的情況下，當采用PV/T耦合熱泵系統時，20年內土壤溫度以每年0.14 ℃的速率上升；相較于地源-空氣源熱泵供暖系統，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比提升了13.44%。

關鍵詞：PV/T組件；地源熱泵；水源熱泵；供暖；供暖季

中圖分類號：TM615/TK513.5 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著光伏發電技術日趨成熟，其已成為太陽能的主要利用方式之一[1]。由于光伏組件發電過程中，其接收的一部分太陽輻射會透過自身轉變成熱能，從而造成光伏組件溫度升高，降低其發電效率[2-4]；此外，高溫也會對太陽電池的壽命造成負面影響[5]。為了減少高溫對光伏組件發電效率及太陽電池壽命的影響，可在光伏組件背面貼合一個導熱流道，形成光伏/光熱（PV/T）組件，這樣既可以吸收光伏組件運行過程中產生的熱量，降低太陽電池溫度，提高光伏組件發電效率；又可吸收透過光伏組件的太陽能，加熱流道內的工質。PV/T組件可充分發揮光伏發電與太陽能熱利用的優勢，實現太陽能的高效利用。

張露等[6]利用間接式PV/T熱泵熱水系統在夏季制取生活熱水，實驗結果表明：相較于光伏組件的發電量，PV/T組件的發電量提高了11%，太陽電池工作溫度下降了25.5 ℃，PV/T組件綜合效率達74.40%，熱泵平均能效比（COP）達4.7。Zhou等[7]將均采用微通道的太陽能集熱板和PV/T組件并聯后與熱泵組成混合加熱系統，微通道PV/T組件的平均發電效率、集熱效率和綜合效率分別為13.8%、31.9%和45.0%；微通道太陽能集熱板的平均集熱效率為50.8%；熱泵的COP為4.9；混合加熱系統運行期間，太陽能供能占比為44.0%。Choi等[8]對PV/T耦合空氣源熱泵系統的系統性能進行了實驗研究，研究結果表明：PV/T組件的綜合效率為46.89%，是光伏組件的2.99倍；相較于傳統的空氣源熱泵，與PV/T組件耦合的空氣源熱泵系統的平均COP提高了3.12%，最大可提高8.57%。陳紅兵等[9]對熱管式PV/T熱泵系統在供熱和集熱兩種運行模式下的性能進行了研究，研究結果顯示：供熱模式下，系統的日均集熱效率、發電效率分別為33.90%、12.20%；集熱模式下，系統的日均集熱效率、發電效率分別為25.30%、12.90%。兩種運行模式下PV/T組件的日均發電效率比光伏組件的日均發電效率分別提高了25.70%、14.20%。褚磊馳等[10]對光伏直驅PV/T雙源熱泵熱水系統的性能進行了實驗研究，研究結果顯示：系統運行4 h，熱泵的平均COP為8.83，PV/T組件的平均工作溫度比光伏組件的降低了9.80 ℃，發電效率提高了17.53%。Yan等[11]建立了PV/T組件耦合分體式地源熱泵系統的仿真模型，模擬結果顯示：該系統中熱泵機組的制熱和制冷COP分別為3.53和2.81；PV/T組件的表面溫度相對較低、發電效率較高，其綜合效率約為66%，且PV/T組件的年發電量比熱泵的年耗電量多約1278.10 kWh，系統長期運行可使土壤平均溫度以每年0.12～0.26 ℃的速率升高。Zhang等[12]設計了基于三流體換熱器的PV/T-空氣雙源熱泵系統，與傳統的空氣源熱泵相比，在供暖季，該系統可同時從太陽和空氣中吸收能量，使其能耗降低了13.10%；與傳統的光伏組件相比，PV/T組件的發電量增加了14.70%。張長興等[13]將PV/T耦合土壤源熱泵系統、光伏組件及土壤源熱泵系統的運行性能進行了對比分析，分析結果顯示：典型日PV/T組件溫度比光伏組件溫度最高可降低20.91 ℃，降幅為44.69%，發電效率提升了12.12%，運行20年后，采用PV/T耦合土壤源熱泵系統的土壤溫度比采用土壤源熱泵系統時的高2.50 ℃。

上述研究中，關于PV/T耦合地源熱泵系統的實驗研究大多是將系統用于制取生活熱水，實驗時間較短，且未考慮太陽輻射強度存在冬季低、夏季高的情況，而生活熱水需求反而是冬季高、夏季低，導致系統提供的生活熱水存在供需不平衡的情況；關于PV/T耦合地源熱泵系統的模擬研究大多是將系統用于供暖或制冷，對制取生活熱水的考慮較少。因此，本文基于PV/T-熱泵供生活熱水系統、地源-空氣源熱泵供暖系統構建PV/T耦合熱泵系統，以便于其實現生活熱水供需平衡、供暖季對地源熱泵補熱和非供暖季利用土壤儲熱，并以鄭州地區某棟3層公共建筑為研究對象，通過對比PV/T耦合熱泵系統與PV/T-熱泵供生活熱水系統和地源-空氣源熱泵供暖系統在PV/T組件表面溫度與發電效率、集熱量、土壤溫度變化及地源熱泵季節能效比等方面的性能，對PV/T耦合熱泵系統進行效果驗證。

1" 建筑能耗分析

本文以鄭州某棟3層公共建筑（下文簡稱為“本建筑”）為例，對其冬季供暖熱負荷和生活熱水負荷進行計算。DeST軟件是一款建筑能耗模擬軟件，其可實現建筑全年逐時負荷的模擬。鄭州地區的供暖時間為當年11月15日至次年3月15日，利用DeST軟件建立本建筑的全年逐時熱負荷計算模型（如圖1所示），并對其供暖季熱負荷進行計算。

計算結果顯示：供暖季，本建筑的逐時熱負荷峰值為117.68 kW，累計耗熱量為149.15 MWh；在供暖季的2880 h中，熱負荷率在0.0～0.7之間的時間有2520 h，熱負荷率在0.7～0.8之間的時間有272 h，熱負荷率在0.8～1.0之間的時間僅有88 h；生活熱水平均日耗熱量為480.232 MJ。

2" PV/T耦合熱泵系統的結構設計

PV/T耦合熱泵系統包括PV/T-熱泵供生活熱水系統與地源-空氣源熱泵供暖系統兩部分，其主要由PV/T組件、集熱水箱、水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵、地埋管換熱器、生活水箱、儲熱水箱、循環泵、光伏逆變器等組成。

在太陽輻照度較高時，以PV/T組件收集的熱量作為水源熱泵和地源熱泵的低溫熱源；而在太陽輻照度較低時，將空氣源熱泵制取的低溫熱水儲存在儲熱水箱中，作為水源熱泵的低溫熱源。PV/T組件所發電力供設備使用或并網。

在供暖季，PV/T耦合熱泵系統由地源熱泵、空氣源熱泵承擔建筑的熱負荷，水源熱泵承擔生活熱水負荷。在非供暖季，將PV/T組件收集的熱量儲存在集熱水箱中，通過水源熱泵或換熱器來滿足生活熱水負荷，若有富余的熱量，則由土壤儲熱。

利用動態能耗模擬軟件TRNSYS對PV/T耦合熱泵系統進行建模，該系統的工作原理圖如圖2所示。圖中：V1～V18均為三通閥門，P1～P7均為循環水泵。圖中的加粗線條意味著以收集到的太陽輻射能為媒介將PV/T-熱泵供生活熱水系統與地源-空氣源熱泵供暖系統進行耦合，從而形成PV/T耦合熱泵系統。

現有研究中，熱泵選型均是通過建筑逐時熱負荷峰值來確定[14-16]，考慮到本建筑的熱負荷特性，熱負荷率大于0.7的時間很少；且當建筑熱負荷較低但熱泵額定制熱量較大時，會導致熱泵能效偏低。因此，本文以熱負荷峰值的70%來確定地源熱泵參數，即選擇每小時制熱量為82.38 kWh的地源熱泵；以熱負荷峰值的30%來確定空氣源熱泵參數，即選擇每小時制熱量為35.30 kWh的空氣源熱泵。由于PV/T組件僅需承擔本建筑的生活熱水平均日耗熱量，因此確定其面積時僅考慮其在生活熱水方面的需要，根據GB 50495—2019《太陽能供熱采暖工程技術標準》[17]，計算得到PV/T組件面積為90 m2。

3" PV/T耦合熱泵系統合理性驗證

TRNSYS軟件可用于PV/T系統、熱泵-空調系統等系統的模擬與計算，用戶直接調用所需模塊，并設置特定的輸入條件即可[18]。本文搭建的PV/T耦合熱泵系統的核心模塊包括PV/T組件、水源熱泵機組和地埋管換熱器。文獻[13]通過TRNSYS軟件建立了PV/T耦合土壤源熱泵復合系統，驗證了PV/T組件在動態的室外氣象條件下發電和集熱參數準確的變化情況。文獻[19]根據DOE-2模型和多元多項式回歸模型建立的水源熱泵機組模型，該模型可正確反映在變工況下熱泵機組的運行性能。文獻[20]使用熱響應測試數據驗證地埋管換熱器模型的準確性，在模型運行穩定后，地埋管進出口平均溫度模擬值與實測值的相對誤差為0.9%，說明二者的吻合度較高，該模型可用于地埋管換熱器模擬研究。綜上可知，無論是TRNSYS軟件，還是PV/T耦合熱泵系統采用的PV/T組件、水源熱泵機組和地埋管換熱器模型都具有較高的準確度，可用于本文搭建PV/T耦合熱泵系統模型。

4" 模擬結果與分析

4.1" PV/T組件表面溫度與發電效率

PV/T組件表面溫度與太陽輻照度、環境溫度、風速及集熱水箱溫度等有關，當集熱水箱溫度與PV/T組件內的集熱工質溫差達到設定值時， PV/T耦合熱泵系統和PV/T-熱泵供生活熱水系統的集熱循環啟動，將PV/T組件的熱量轉移至集熱水箱。PV/T耦合熱泵系統的集熱水箱熱量除全年供水源熱泵制取生活熱水外，在供暖季還可為地源熱泵補熱，在非供暖季通過土壤儲熱；而PV/T-熱泵供生活熱水系統的集熱水箱的熱量僅供生活熱水。因熱量利用方式不同，這兩種系統的集熱水箱溫度之間會存在差距。由此可知，熱量利用方式是影響集熱水箱溫度和PV/T組件表面溫度的重要因素。

分別對2022年11月15日—2023年11月15日期間PV/T組件發電時，PV/T耦合熱泵系統和PV/T-熱泵供生活熱水系統的PV/T組件表面溫度和發電效率進行測試，并求得日平均值，如圖3、圖4所示。

結合圖3、圖4可以發現：

1） 兩種系統形式下，PV/T組件的日均表面溫度與日均發電效率均呈負相關。

2）在供暖季期間，3月11日時PV/T-熱泵供生活熱水系統的PV/T組件日均表面溫度最高，為46.73 ℃，日均發電效率為12.47%；而PV/T耦合熱泵系統當天的PV/T組件日均表面溫度為25.28 ℃，日均發電效率為13.63%。通過對比兩種系統形式下的PV/T組件日均表面溫度與日均發電效率發現，PV/T耦合熱泵系統形式下，PV/T組件日均表面溫度降低了21.45 ℃，日均發電效率提升了9.30%，發電量增加了10.71%。

3）在非供暖季期間，9月13日時PV/T-熱泵供生活熱水系統的PV/T組件日均表面溫度最高，為79.20 ℃，日均發電效率為11.65%；而PV/T耦合熱泵系統當天的PV/T組件日均表面溫度為33.37 ℃，日均發電效率為13.25%。通過對比兩種系統形式下的PV/T組件日均表面溫度與日均發電效率發現，PV/T耦合熱泵系統形式下，PV/T組件日均表面溫度降低了45.83 ℃，日均發電效率提升了13.73%，發電量增加了17.46%。

4） 在供暖季PV/T組件發電期間，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值為18.69 ℃，日均發電效率平均值為13.96%，總發電量為4785.77 kWh；相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了7.38 ℃，日均發電效率平均值提升了2.72%，總發電量增加了3.71%。

5） 在非供暖季PV/T組件發電期間，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值為27.12 ℃，日均發電效率平均值為13.59%，總發電量為12070.69 kWh；相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了26.49 ℃，日均發電效率平均值提升了9.24%，總發電量增加了12.46%。

綜上可知，PV/T耦合熱泵系統在非供暖季更具有優勢。

4.2" 集熱量對比

對PV/T耦合熱泵系統和PV/T-熱泵供生活熱水系統分別在供暖季、1月（最冷月）、非供暖季及7月（最熱月）的集熱情況進行對比，對比結果如圖5所示。

由圖5可知：

1） PV/T-熱泵供生活熱水系統在1月和7月的集熱量相近，這是因為7月時集熱水箱的溫度較高，PV/T-熱泵供生活熱水系統較難啟動集熱循環；而在1月時集熱水箱溫度較低，PV/T-熱泵供生活熱水系統的集熱循環啟動較為容易，會一直運行集熱；除了為生活熱水供熱外，在采暖季PV/T耦合熱泵系統還需為地源熱泵補熱，在非采暖季用于土壤儲熱，因此，其在1月和7月集熱量比PV/T-熱泵供生活熱水系統分別增加11.60%、100.36%。

2） 在采暖季，PV/T耦合熱泵系統的集熱量為19981.98 kWh，集熱效率為57.14%，比PV/T-熱泵供生活熱水系統的集熱效率提升了19.96%；在19981.98 kWh的集熱量中，對水源熱泵的供熱量為14314.55 kWh，為地源熱泵的補熱量為5667.43 kWh。

3） 在非采暖季，PV/T耦合熱泵系統的集熱量為60171.57 kWh，集熱效率為66.42%，比PV/T-熱泵供生活熱水系統的集熱效率提升了74.65%；在60171.57的集熱量中，對水源熱泵的供熱量為26158.50 kWh，通過土壤的儲熱量為34013.07 kWh。

通過對PV/T-熱泵供生活熱水系統和PV/T耦合熱泵系統在采暖季、非采暖季和全年的集熱效率進行分析發現，PV/T耦合熱泵系統的集熱效率分別為57.14%、66.42%和63.83%，比PV/T-熱泵供生活熱水系統分別提升了19.96%、74.65%和56.83%。

4.3" 土壤溫度變化情況

為分析增加太陽能利用對土壤溫度的影響，對地源-空氣源熱泵供暖系統和PV/T耦合熱泵系統運行20年內的土壤溫度進行了測試，測試結果如圖6所示。需要說明的是，盡管計算得到的PV/T組件面積為90 m2，但為了尋求地源-空氣源熱泵中地源熱泵通過地埋管換熱器從土壤吸收熱量和PV/T耦合熱泵系統通過地埋管換熱器在土壤中蓄存熱量的平衡，使系統運行的20年中土壤溫度保持合理，由此模擬得到此種情況下的PV/T組件面積為180 m2，因此圖6同時分析了PV/T組件面積為180 m2時的土壤溫度。

從圖6可以看出：

1） 當PV/T組件面積為90 m2時，隨著系統運行年限的增加，PV/T耦合熱泵系統和地源-空氣源熱泵供暖系統的土壤溫度呈下降趨勢，但PV/T耦合熱泵系統的土壤溫度高于地源-空氣源熱泵供暖系統的土壤溫度；到第20年時，PV/T耦合熱泵系統的土壤溫度由初始溫度15.4 ℃降至10.26 ℃，地源-空氣源熱泵供暖系統的土壤溫度由初始溫度15.4 ℃降至6.18 ℃，PV/T耦合熱泵系統第20年時的土壤溫度比地源-空氣源熱泵供暖系統的高4.08 ℃。這是因為地源-空氣源熱泵供暖系統僅在供暖季運行。此外，地源-空氣源熱泵供暖系統運行20年的土壤溫度變化趨勢與文獻[21]中的地源熱泵系統僅供暖季運行時10年內的土壤溫度變化趨勢相似，進一步驗證了本文建立的PV/T耦合熱泵系統的有效性。

2） 當PV/T組件面積為90 m2時，PV/T耦合熱泵系統的集熱量大多用于生活熱水，為地源熱泵補熱量僅占集熱量的28.36%，且該集熱量僅占地源熱泵取熱量的5.58%，因此，其對土壤溫度影響較小。當PV/T組件面積為180 m2時，土壤溫度呈逐年上升趨勢，在第20年土壤溫度由初始值15.4 ℃上升至18.29 ℃，以每年0.14 ℃的速率上升，但在可接受范圍內[11]。

4.4" 地源熱泵運行情況

由于利用土壤蓄熱會影響土壤溫度，進而影響地源熱泵性能，以地源熱泵的季節能效比SCOP探究地源熱泵的運行情況，其計算式可表示為：

SCOP=" Q" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

W

式中：Q為地源熱泵制熱量，kWh；W為地源熱泵耗電量，kWh。

對地源-空氣源熱泵供暖系統和PV/T耦合熱泵系統在20年內的地源熱泵季節能效比進行測試，測試結果如圖7所示。

由圖7可知：

1） 當PV/T組件面積為90 m2時，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比呈下降趨勢，但始終高于未利用太陽能的地源-空氣源熱泵供暖系統的地源熱泵季節能效比；在第20年時，相較于地源-空氣源熱泵供暖系統，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比提升了4.30%。

2） 當PV/T組件面積為180 m2時，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比先上升后基本趨于平穩，20年的地源熱泵季節能效比平均值為4.20。在第20年時，相較于PV/T組件面積為90 m2的PV/T耦合熱泵系統，PV/T組件面積為180 m2的該系統的地源熱泵季節能效比提升了8.76%；相較于地源-空氣源熱泵供暖系統，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比提升了13.44%。

綜上可知，當PV/T組件面積為90 m2時，由于其僅可提供生活熱水，導致其對PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比的提升不大；但當PV/T組件面積為180 m2時，其不僅可提供生活熱水，還有助于地源熱泵季節能效比的提升與穩定。

5" 結論

本文基于PV/T-熱泵供生活熱水系統、地源-空氣源熱泵供暖系統構建了PV/T耦合熱泵系統，并以鄭州地區某棟3層公共建筑為研究對象，通過對比PV/T耦合熱泵系統與PV/T-熱泵供生活熱水系統和地源-空氣源熱泵供暖系統在PV/T組件表面溫度與發電效率、集熱量、土壤溫度變化及地源熱泵季節能效比等方面的性能，對PV/T耦合熱泵系統進行了效果驗證。得出以下結論：

1） 在供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了7.38 ℃；在非供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的PV/T組件日均表面溫度平均值降低了26.49 ℃。說明PV/T耦合熱泵系統可有效降低PV/T組件的表面溫度。

2） 在供暖季和非供暖季PV/T組件發電期間，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的日均發電效率平均值分別提升了2.72%和9.24%；在供暖季和非供暖季，相較于PV/T-熱泵供生活熱水系統，PV/T耦合熱泵系統的集熱效率分別提升了19.96%和74.65%。

3） 在PV/T組件面積為90 m2的情況下，隨著系統運行年限的增加，PV/T耦合熱泵系統和地源-空氣源熱泵供暖系統的土壤溫度均整體呈下降趨勢。在PV/T組件面積為180 m2的情況下，當采用PV/T耦合熱泵系統時，20年內土壤溫度以每年0.14 ℃的速率上升；相較于地源-空氣源熱泵供暖系統，PV/T耦合熱泵系統的地源熱泵季節能效比提升了13.44%。

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OPERATION CHARACTERISTICS ANALYSIS OF

PV/T COUPLED HEAT PUMP SYSTEM

Zhou Dongdong1，Liu Yin1，Dong Suiju2，Meng Zhaofeng1

（1. School of Energy and Environmental，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；

2. Zhengzhou Heating Group Co. Ltd.，Zhengzhou 450052，China）

Abstract：This paper constructs a PV/T coupled heat pump system based on a PV/T heat pump system for domestic hot water supply and a ground source air source heat pump heating system. Taking a three-story public building in Zhengzhou as the research object，the PV/T coupled heat pump system is compared with the PV/T heat pump system for domestic hot water supply and the ground source air source heat pump heating system in terms of surface temperature and power generation efficiency of PV/T components，heat collection，soil temperature changes，and seasonal coefficient of performance of ground source heat pumps. The effectiveness of the PV/T coupled heat pump system is verified. The analysis results show that：1） During the heating season，the average daily surface temperature of PV/T components in the PV/T coupled heat pump system decreased by 7.38 ℃ compared to the PV/T heat pump system for supplying domestic hot water. During the non heating season，the average daily surface temperature of PV/T components in the PV/T coupled heat pump system decreased by 26.49 ℃ compared to the PV/T heat pump system for supplying domestic hot water. The PV/T coupled heat pump system can effectively reduce the surface temperature of PV/T components. 2） During the heating season and non heating season，the average daily power generation efficiency of the PV/T coupled heat pump system increased by 2.72% and 9.24%，respectively，compared to the PV/T heat pump system for domestic hot water supply. In the heating season and non heating season，compared to the PV/T-heat pump system for domestic hot water supply，the collection efficiency of the PV/T-coupled heat pump system has increased by 19.96% and 74.65%，respectively. 3） In the case of a PV/T component area of 90 m2，with the increase of system operating years，the soil temperature of both the PV/T coupled heat pump system and the ground source air source heat pump heating system shows an overall downward trend. When using a PV/T coupled heat pump system with a PV/T component area of 180 m2，the soil temperature increases at a rate of 0.14 ℃ per year for 20 years. Compared to the ground source air source heat pump heating system，the PV/T coupled heat pump system has increased the seasonal coefficient of performance of the ground source heat pump by 13.44%.

Keywords：PV/T components；ground source heat pump；water source heat pump；heating；heating season