太阳能-热泵复合供能系统

王岗，全贞花,2，赵耀华,2，靖赫然，佟建南



太阳能-热泵复合供能系统

王岗1，全贞花1,2，赵耀华1,2，靖赫然1，佟建南1

（1北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2北京工业大学未来网络科技高精尖创新中心，北京 100124）

为最大限度利用可再生能源，将太阳能PV/T集热器与热泵相结合组成太阳能-热泵复合供能系统，通过不同阀门之间的相互切换，可实现多种运行模式以满足人们对生活热水、采暖或制冷的需求。实验主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行研究，分别从室内温度、制热量、热泵COP、集热效率、发电效率等方面对系统进行实验研究与理论分析，实验结果表明，3种运行工况下热泵COP分别为2.26、3.4和2.61，平均室内温度分别为15.3、18.8和16.5℃，基本能满足冬季采暖负荷要求。系统可充分利用太阳能与热泵各自的优势，实现能源节约，为太阳能和热泵在建筑中联合运行模式提供部分参考价值。

太阳能；压缩机；可再生能源；性能系数；能效分析

引 言

伴随世界经济的快速发展，传统化石燃料正逐渐消耗殆尽，能源危机和环境污染日趋严重，这一系列问题促使人们加速探索开发利用可再生能源。太阳能以取之不尽用之不竭、清洁和无污染等独特优势成为众多可再生能源中的首选能源[1]。光伏利用技术是太阳能利用技术的一种主要方式，而普通太阳能硅电池在标况下光电转换效率仅有12%～17%左右，其吸收的太阳辐射能83%以上未被利用，这部分太阳辐射能被电池吸收转化为热能，导致光电转换效率下降[2]。为降低光伏背板温度及提高光电转换效率，国内外学者主要采用水和空气作为工作介质对光伏电池进行冷却散热，并做了大量相关研究工作[3-5]，这种技术被称为光伏光热（PV/T）技术。

太阳能和热泵联合运行技术是太阳能利用技术的另一种形式，该技术首先由Jordan等[6]提出，随后国内外学者对此进行了大量实验研究与理论研究。太阳能和热泵结合形式是多种多样的，研究主要集中于太阳能与空气源热泵或水源热泵联合运行。Huang等[7-8]提出并设计了整合型太阳能热泵热水器，并对其性能进行了实验研究，实验结果表明如果设计合理，该系统能同时吸收太阳能和空气的热量。Chyng等[9]对其进行了模拟研究，模拟结果与实验结果能很好地匹配。Bellos等[10]对比分析了光伏集热器与空气源热泵或水源热泵联合运行性能，并进行了能耗分析。Yahya等[11]分析了太阳能与太阳能辅助热泵进行干燥性能，热泵性能系数均值可达3.38。Tzivanidis等[12]研究了太阳能辅助热泵系统与其他一些常规加热系统的比较及评估，并对运行成本及投资进行分析。Sourbron等[13]分析了太阳能作为低温热源驱动热泵系统的性能，得出传热速率高于或等于200 W·K-1的情况下方案设计是可行的。Poppi等[14]通过经济分析研究了太阳能与空气源热泵联合运行系统的可行性。Aguilar等[15]进行了热泵用于生活热水及光伏用于发电及并网长达一年的时间，旨在研究太阳能光伏发电与热泵结合在住宅中的应用。Fu等[16]设计了热泵-热管光伏光热集热系统，该系统在有无太阳能的条件下均能实现居民对生活热水的需求。Zhang等[17]设计了一种环路热管热泵系统，性能较为优越。张小松等[18-21]在前期研究基础上构建了直膨式太阳能热泵热水系统，实验结果表明该系统在不同天气不同热源模式下均能将热水加热到一定温度；随后，又研究了一种平板型太阳能光伏光热热泵系统，并对其夏季工况特性进行实验研究。张龙灿等[22]将太阳能环形热管循环模式和太阳能热泵循环模式有机结合，并对两种模式下的瞬时性能和全天性能进行了实验 研究。

本研究将太阳能PV/T集热器与多功能热泵相结合，通过开启不同阀门来实现多种运行模式，满足人们对采暖与生活热水的需求。实验采用赵耀华等[23-27]发明的基于平板微热管阵列PV/T集热器，其不仅具有相对较高的光电效率和光热效率，而且工艺简单，是目前为止唯一可商业化的光伏光热组件。本研究在以往实验研究基础上[28-30]，对太阳能-热泵复合供能系统性能进行了实验研究。

1 实验介绍

1.1 系统构成

太阳能-热泵复合供能系统主要由太阳能循环系统、热泵系统及末端系统3部分组成，如图1所示。太阳能PV/T循环系统主要由PV/T集热器、循环水泵和水箱组成；热泵系统主要由压缩机、翅片管式换热器、套管式换热器、毛细管等组成，其中热泵系统共有两个套管换热器，主要用于实现不同运行工况模式之间的切换。末端系统根据不同运行模式由室内风机盘管、循环水泵、定压水箱等组成。

图1 太阳能-热泵复合供能系统示意图

1.2 系统运行原理

实验系统通过不同阀门之间的切换可分为多种运行工况，实现太阳能系统与热泵系统之间的结合与匹配，满足冬季用户对采暖或生活热水的需求。本研究主要介绍冬季运行模式下的3种工况。

工况1为单空气源热泵制热运行模式，此时开启电磁阀8、电磁阀7、电磁阀5和电磁阀2。当热泵系统工作时，低温低压制冷剂气体经压缩机压缩成高温高压制冷剂气体，随后经电磁阀8进入套管换热器1，与水进行热量交换，通过风机盘管将热量散入室内，使室内保持一定的舒适度，被冷却后的高压低温制冷剂液体经电磁阀7进入毛细管，节流后变为低压低温制冷剂气液两相共存，而后经电磁阀5进入风冷管翅式换热器，制冷剂在换热器内吸收空气的热量，成为低压低温制冷剂气体，最终经电磁阀2进入压缩机，完成一个工作循环。

工况2为太阳能PV/T集热循环与水源热泵联合制热运行模式，此时开启电磁阀8、电磁阀7、电磁阀6和电磁阀3。当热泵系统工作时，低温低压制冷剂气体经压缩机压缩成高温高压制冷剂气体，随后经电磁阀8进入套管换热器1，与工况1散热模式相同，被冷却后的高压低温制冷剂液体经电磁阀7进入毛细管，节流后变为低压低温制冷剂气液两相共存，而后经电磁阀6进入套管换热器2，制冷剂在套管换热器中吸收来自水箱的热量，成为低压低温制冷剂气体，最终经电磁阀3进入压缩机，完成一个工作循环。太阳能PV/T循环系统与热泵系统同时运行，充分利用集热器背板产生的余热，通过水循环系统将热量储存在水箱中，为热泵系统蒸发器提供低温热源，满足供暖需求。

工况3为太阳能PV/T集热循环与双热源热泵联合运行模式，此时开启电磁阀8、电磁阀7、电磁阀5、电磁阀2、电磁阀6和电磁阀3。当热泵系 统工作时，同时以太阳能产生的低温热水与空气作为热泵系统蒸发器的低温热源，运行方式将工况1和工况2相结合，同时太阳能集热器背板余热产生的热量除用于低温热源，多余的部分被储存于水 箱中。

1.3 系统测试

实验采用1HP转子式压缩机，其他部件与压缩机相匹配，末端散热设备采用FP-68WA。太阳能集热器共6块，集热面积为7.68 m2，发电面积为6.75 m2，单块集热器的峰值功率为195 W。水箱底部设有冷水补水接管和排污管，补水管可直接与城市自来水管网连接。实验房间总面积约为15 m2。

实验主要采用T型热电偶、热电阻、压力变送器、功率自计仪、电磁流量计、电流表和电压表对温度、压力、功率、流量、电流和电压进行时时监控与测量，其中温度、流量和压力通过Agilent 34970A进行记录。

仪器误差及测量范围见表1。

表1 测量仪器误差及测量范围

2 评价指标与不确定度分析

2.1 性能评价指标

太阳能PV/T光伏光热系统瞬时集热功率如下

太阳能PV/T光伏光热系统瞬时集热效率如下

(2)

太阳能PV/T光伏光热系统瞬时光电功率如下

太阳能PV/T光伏光热系统瞬时光电效率如下

(4)

热泵系统瞬时制热量为

热泵系统瞬时COP为

(6)

2.2 不确定度分析

设函数是由个独立变量1,2,3, …, x组成的函数，每个独立变量相对不确定度分别为δ1，δ2，δ3, …, δx，根据误差传递公式可计算各个变量的不确定度，文中主要针对集热效率、发电效率、换热量及COP进行不确定性分析，其相对不确定度结果见表2。

(8)

表2 相对不确定度

3 数据处理

3.1 单空气源热泵制热运行模式（工况1）

图2为室内外温度随运行时间的变化。运行期间，室外温度最低为-2.6℃，最高为2.7℃，平均温度为0.6℃。初始运行时，由于室内计算机等发热设备及房间保温效果等多因素影响使室内初始温度高于室外温度，其值为5.1℃，室内温度随热泵运行至中午12：00之后达到15℃以上直至运行结束，最大可达17.6℃，基本能满足供暖需求。

图2 室内外温度随时间变化

图3为制热量与热泵COP随运行时间的变化趋势。初始运行时，制热量与热泵COP均有升高的趋势，而后趋于平缓。运行期间，热泵制热量在0.99～1.58 kW范围内变化，平均制热量为1.44 kW；热泵COP最小值为1.83，最大值为2.73。结合室外温度可知，平均环境温度为0.6℃的情况下，空气源热泵COP在整个运行期间的平均值为2.26，说明热泵设计较为合理，性能较可靠。

图3 制热量与COP随运行时间变化

3.2 PV/T与水源热泵联合制热运行模式（工况2）

图4为太阳辐照度及室内外温度随运行时间变化情况，运行期间太阳辐照度变化范围为194～753 W·m-2，平均辐照度为594 W·m-2；室外温度最低为1℃，最高为6℃，均值为3.6℃；室内温度变化范围为7.7～22.6℃，平均为18.8℃，满足冬季采暖负荷的要求。

图4 辐照度及室内外温度随运行时间的变化

图5为水箱水温、集热效率及发电效率随运行时间变化情况。运行期间水箱水温呈现先降低后增加而后又降低的现象，产生此现象的原因主要是由于初始运行时仅依靠太阳能获得的热量并不能满足水源热泵对低温热源的需求，因此需从水箱中吸热，随辐照度的增加，从太阳能所获取的热量除供给水源热泵吸收之外仍有结余，结余部分储存在水箱中，导致水箱水温出现上升的趋势，而后随辐照度的降低，从太阳能所获取的热量不足以作为水源热泵的低温热源，此时不足部分从水箱中吸收，致使水箱水温再次出现下降趋势，水箱水温运行期间在11.6～14.2℃之间变化，平均值为12.8℃，初始运行与运行结束时温度基本相等。太阳能PV/T集热器发电效率变化范围为4.6%～17.1%，均值可达13.1%；集热效率变化范围为6.8%～41.5%，平均值为35.3%。运行期间，集热效率与发电效率随辐照度下降均呈现降低趋势。

图5 水箱水温、集热效率及发电效率随运行时间变化

图6为热泵制热量与COP随运行时间变化情况。运行期间，热泵制热量出现先上升后降低的趋势，在10:30左右值最小为2.2 kW，运行至14:00左右达到最大值（2.6 kW），均值为2.4 kW，变化趋势与图5中水箱水温相似，主要是由于水箱作为水源热泵的低温热源，蒸发温度随低温热源温度的变化而变化，而制热量与蒸发温度呈正比例变化。热泵COP变化范围为3.0～4.3，平均值为3.4，相对较高，COP在运行期间整体呈现减小的趋势，主要原因是热泵COP同时由蒸发温度和压缩机耗功率两个因素综合影响所决定的。

图6 制热量与热泵COP随运行时间的变化

3.3 PV/T与双热源热泵联合运行模式（工况3）

图7为太阳辐照度及室内外温度随运行时间的变化情况。太阳辐照度在360～815 W·m-2之间变化，均值为658.5 W·m-2；室外温度在2.3～4.8℃之间变化，均值为4.0℃；室内温度初始为10.5℃，最高达19.3℃，运行期间平均值为16.5℃，基本满足采暖要求。

图7 太阳辐照度及室内外温度随运行时间变化

图8为水箱水温、发电效率及集热效率随运行时间变化情况。水箱水温从初始运行15℃升高到运行结束时的25.2℃，温升约为10.2℃。水箱水温逐渐升高表明从太阳能所吸收的热量并没有完全被热泵所吸收，剩余部分储存在水箱中，主要是由于双热源热泵同时以空气和水箱中的低温水作为低温热源。集热效率变化趋势与图7中太阳辐照度变化趋势基本一致，在7.0%～30.9%之间变化，均值为21.6%；发电效率在6.0%～16.6%范围内变化，平均为12.7%。

图9为热泵制热量与COP随运行时间变化。热泵制热量与COP在初始运行时均呈现增加的趋势，而后趋于相对稳定，说明双热源热泵蒸发温度及耗功率相对较为稳定。制热量最小值为0.47 kW，最大值为1.95 kW，均值为1.76 kW，稳定运行时在1.9 kW附近变化；COP变化范围为1.33～3.07，平均值为2.61，稳定运行时在2.7附近变化。由以上分析可知，太阳能联合双热源热泵运行性能相对较为可靠。

图8 水箱水温、发电效率及集热效率随运行时间的变化

图9 热泵制热量与COP随运行时间变化

3.4 工况分析

热泵系统在工况1运行模式下，运行期间COP均值达到2.26，满足空气源热泵冬季运行要求，证明该系统设计较为合理。工况2与工况3运行时，太阳辐照度和室外温度相对较为接近，对于太阳能循环系统，工况2的平均集热效率与发电效率均高于工况3，产生此现象的主要原因是由于工况3运行模式水箱水温逐渐升高，其温度高于工况2运行模式的水温，而水温越高，集热量越低，因此集热效率低于工况2；同时，水箱水温升高，导致流经太阳能PV/T集热器背板的水温升高，从背板余热中所吸收的热量减少，使背板温度升高，而发电效率与背板温度大小呈反向变化，因此发电效率也低于工况2。对于热泵系统，工况2制热量与热泵COP均高于工况3，主要是因为工况2以低温水作为低温热源，而工况3同时以空气和低温水作为低温热源，致使工况3蒸发温度低于工况2，工况2热泵COP高于工况3，但由于工况3并不是单纯吸收水箱低温水的热量，而是同时吸收低温水和空气热量，因此通过太阳能吸收的热量并没有完全用于热泵系统的吸收，多余的热量储存于水箱中，因此工况3水箱最终水温高于工况2，温升达到10.2℃，而工况2水箱初始水温与最终水温基本相同，说明从太阳能中所获得的热量能满足热泵的需求，太阳能PV/T集热器数量与热泵系统之间的匹配相对较为合理。当无太阳能时，可开启工况1运行模式进行供暖或供热水；当环境温度较低且辐照度较高时，可开启工况2运行模式供暖；当环境温度较高且太阳能辐照度较低时，可开启工况3运行模式供暖。工况2和工况3更加充分利用了可再生能源，可根据外部条件，开启不同的运行模式。

4 结 论

设计并建立了一套太阳能-热泵复合供能系统，利用阀门之间的切换实现不同运行工况，满足建筑供暖及生活热水需求。主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行性能研究，结果表明，3种运行工况平均COP分别可达2.26、3.4和2.61，工况2和工况3的集热效率和发电效率均值分别可达35.3%、13.1%和21.6%、12.7%。同时，对不同运行工况进行性能分析，给出了不同工况适用条件。研究表明，新型太阳能热泵系统能充分利用太阳能，通过能量的梯级利用，以及太阳能与空气能的优势互补，实现能源的高效利用。实验研究的数据与分析可为太阳能热泵系统的实际应用提供参考价值。

符 号 说 明

A——面积，m2 COP——系统性能系数 cp——水比热容，J·kg-1·K-1 G——太阳辐照度，W·m-2 I——电流，A Q——制热量，W q——流量，L·h-1 T——温度，℃ U——电压，V W——集热功率，W η——效率，% 下角标 c——集热 cin——集热器入口 cout——集热器出口 e——发电 hin——换热器入口 hout——换热器出口 t——时间 p——压缩机 τ——某一时刻

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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

全贞花。

王岗（1987—），男，博士研究生。

北京未来网络科技高精尖创新中心项目。

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.