葛曉慧，徐 亮，張雪松，趙 波，董科楓，李舒宏

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州 310007；2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

葛曉慧1，徐 亮2，張雪松1，趙 波1，董科楓2，李舒宏2

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州 310007；2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

為了研究光伏-太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的相關性能，針對該系統(tǒng)的結構特點，運用集總參數(shù)法分別建立了光伏/蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。通過所建的模型分析了光伏-太陽能熱泵熱水系統(tǒng)在不同的環(huán)境溫度、太陽輻射強度、風速以及壓縮機轉(zhuǎn)速下的光電、光熱輸出特性的變化規(guī)律；并以南京地區(qū)為例，將光伏-太陽能熱泵熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)、無冷卻的太陽能光伏系統(tǒng)對比。結果顯示，光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)較太陽能光伏系統(tǒng)的全年發(fā)電量提高了31.5%；光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)的全年平均熱電綜合性能系數(shù)可達到8.83，遠高于傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)。

光伏-太陽能熱泵；性能模擬；全年狀況

0 引言

盡管近年來光伏發(fā)電技術有了很大提高，但光伏電池的能量利用率依然較低，照射到電池表面的太陽能只有不到20%的份額被轉(zhuǎn)化成電能，其余能量被轉(zhuǎn)化成熱能，一部分散失到環(huán)境中，另一部分使得光伏電池的溫度升高，導致電池光電轉(zhuǎn)換效率下降(工作溫度每上升1℃，發(fā)電效率下降3‰～5‰)。光伏-太陽能熱泵(photovoltaic/thermal solar assisted heat pump，PV-SAHP)系統(tǒng)可以在提高光電轉(zhuǎn)換效率的同時提供生活熱水或供暖，可更加有效地緩解電力需求，以及充分利用建筑物表面和改善室內(nèi)熱環(huán)境[1-4]。

隨著能源緊張、環(huán)境污染、溫室效應等問題日趨嚴重，PV-SAHP系統(tǒng)越來越受到研究學者的關注。Sadasuke Ito等[5-6]于1997首先提出光伏系統(tǒng)與太陽能熱泵結合的概念。季杰等[7-8]搭建了PV-SAHP系統(tǒng)試驗臺，實驗結果表明，熱效率比普通空氣源熱泵提高了43%。裴剛等[9]實驗研究了玻璃蓋板對PV-SAHP系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、熱泵循環(huán)的性能的影響。T T Chow[10]在香港地區(qū)搭建了PV-SAHP系統(tǒng)，研究結果發(fā)現(xiàn)，當夏季太陽福照充足時，熱泵循環(huán)制取熱水產(chǎn)量是冬季的2倍以上，但不間斷的運行壓縮機，消耗較多電能。徐國英等[11]研究了采用普通銅管和多孔鋁扁管的2種PV蒸發(fā)器，研究結果表明多孔鋁扁管集熱蒸發(fā)器的熱泵系統(tǒng)具有更好性能系數(shù)。

本文以R22作為熱泵工質(zhì)，設計一種光伏-太陽能熱泵熱水系統(tǒng)。通過建立理論模型，對該系統(tǒng)在不同環(huán)境參數(shù)和運行參數(shù)下制取生活熱水過程中的運行特性進行分析。同時，以南京地區(qū)為例，研究全年各月份該系統(tǒng)的運行特性，并與傳統(tǒng)太陽能熱泵熱水系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)相比較。

1 系統(tǒng)設計

該太陽能光伏-熱泵系統(tǒng)以R22循環(huán)工質(zhì)，采用獨特設計的太陽能光伏/集熱器作為室外換熱器。系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由太陽能光伏/集熱器、壓縮機、內(nèi)置盤管式冷凝水箱、電子膨脹閥組成。

獨特設計的光伏/蒸發(fā)器結構如圖2所示，截面從上而下依次為：鋼化玻璃(3.2 mm)、電池組件(EVA膠膜(0.5 mm)+電池片(0.2 mm)+EVA膠膜(0.5 mm)+TPT絕緣層(0.32 mm))、吸熱鋁板(0.4 mm)、銅管道(φ8 mm)、保溫層(20 mm)。

該系統(tǒng)各部件參數(shù)選取以家用熱水器所需制熱量為設計條件，并根據(jù)標準和實驗條件等確定設計工況。主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)設計Table 1 Design parameters

2 系統(tǒng)模型建立

為研究光伏-太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的運行特性，首先針對系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)建立各部件數(shù)學模型，系統(tǒng)中除了水箱循環(huán)采用動態(tài)模型外，其他部件均采用穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。

2.1 壓縮機模型

本系統(tǒng)擬采用變頻渦旋壓縮機。由于壓縮機的時間常數(shù)遠小于蒸發(fā)器與冷凝器的時間常數(shù)，因此壓縮機采用穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)模型。壓縮機的排氣溫度、工質(zhì)流量、理論壓縮功、實際耗功采用文獻中的經(jīng)驗關聯(lián)式[12]：

排氣溫度為

(1)

式中：Ti、To分別為壓縮機進口溫度，K；Pc、Pe分別為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力，Pa；k為制冷劑絕熱壓縮指數(shù)。

工質(zhì)流量為

(2)

式中：Mcom為通過壓縮機的制冷劑循環(huán)量，kg/s；λL為壓縮機的容積效率；n為壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min；Vd為壓縮機的氣缸排放量，m3/min；νs為壓縮機吸氣口的比容，m3/kg。

理論壓縮功率為

(3)

式中：Nth為壓縮機的理論耗功，W。

實際消耗功率為

(4)

式中：Nre為壓縮機實際耗功，W；ηi、ηl、ηm分別為指示效率、機械效率、電機效率。

2.2 電子膨脹閥模型

系統(tǒng)中采用的節(jié)流裝置為電子膨脹閥，是一種新型的節(jié)流裝置，對制冷劑進行節(jié)流降壓，同時可以通過自動控制手段來有效地調(diào)節(jié)制冷劑流量，使PV-SAHP系統(tǒng)一直處于高效的運行狀態(tài)，同時也有利于系統(tǒng)的安全運行。制冷劑流過膨脹閥的速度快、時間短，因此該過程可以看作是等焓過程，即節(jié)流閥的進出口焓值相等。

hel,i=hel,o

(5)

根據(jù)相關文獻的推薦，通過電子膨脹閥的制冷劑流量可采用下面的簡化模型[13]:

(6)

式中：Meev為制冷劑流量，kg/s；Cf為電子膨脹閥流量系數(shù)；Af為電子膨脹閥流通面積，m2；ρr為制冷劑在膨脹閥進口的平均密度，kg/m3。

2.3 冷凝器仿真模型

目前，冷凝器的模型主要有動態(tài)集中參數(shù)模型、穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型和穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)模型。其中穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型按狀態(tài)將制冷劑分為3個區(qū)，即過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)(如圖3所示)，對每個區(qū)分別采用集中參數(shù)模型。盡管這類模型無法反映參數(shù)的分布體征，但通過將差異較大的區(qū)域分離開來建模，可以較好地反映不同區(qū)域的換熱特征，從而從整體上較好地逼近冷凝器的實際特征。因此，在本系統(tǒng)仿真中的冷凝器將采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型。建立的冷凝器穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型是基于以下的主要假設：①管內(nèi)制冷劑的流動為一維均相流動；②忽略制冷劑在管內(nèi)的壓降；③只考慮管內(nèi)徑向的導熱，忽略其他方向的導熱。

對于單相區(qū)(過冷區(qū)、過熱區(qū))，制冷劑側的換熱系數(shù)αl由Dittus-Boeler換熱關聯(lián)式計算：

Nu=0.023Re0.8Pr0.3

(7)

式中：Nu為努謝爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

對于兩相區(qū)，制冷劑側換熱系數(shù)采用Shah[14]式：

(8)

式中：αTP為兩相區(qū)換熱系數(shù)，W/(m2·K)；αl為液相換熱系數(shù)，W/(m2·K)；x為干度。

對于水側的換熱系數(shù)采用大空間自然對流換熱關聯(lián)式：

Nuw=0.48(GrPr)n

(9)

式中：Nuw為水側努謝爾數(shù)。

2.4 光伏/蒸發(fā)器仿真模型

太陽輻射能落到太陽能光伏/蒸發(fā)器后，其中一部分能量轉(zhuǎn)化成電能，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能被制冷劑吸收，剩余部分能量散失到環(huán)境中。光伏/蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程表述為：

Qs=Qpv+Qu+Ql

(10)

式中：QS為集熱器獲得的熱量，W；QPV為光伏電池板獲得的熱量，W；Qu為制冷劑吸收的熱量，W；Ql為向環(huán)境散失的熱量，W。

光伏電池吸收太陽輻射能后產(chǎn)出的電能表達式為：

Qpv=GAcβ(1-γc)τcαpηp

(11)

式中：G為太陽輻射強度，W/m2；Ac為集熱面積，m2；β為電池覆蓋率；γc為覆蓋層的反射率；τc為玻璃蓋板透射率；αp為電池組件吸收率；ηp為光電轉(zhuǎn)換效率。

制冷劑吸收的熱量的表達式為：

Qu=m(hf,o-hf,i)

(12)

式中：m為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；hf,i、hf,o分別為制冷劑在集熱器中進、出口焓，kJ/kg。

散失到環(huán)境中的能量表達式為：

Ql=ULAc(Tpv-Ta)

(13)

式中：UL為以Tpv為參照溫度的光伏/蒸發(fā)器總熱損失系數(shù), W/(m2·K);Tpv為光伏電池溫度，K;Ta為環(huán)境溫度，K。

(14)

式中:hcon、hrad分別為頂部對流、輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Rglass、REVA分別為玻璃、EVA熱阻，m2·K/W。

對于PV蒸發(fā)器的數(shù)學模型同樣采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型。針對PV蒸發(fā)器的數(shù)值模擬是建立在以下假設的基礎之上的：①管內(nèi)制冷劑的流動為一維均相流動；②忽略制冷劑在管內(nèi)的壓降；③只考慮管內(nèi)徑向的導熱，忽略其他方向的導熱；④太陽輻射的能量在薄鋁板便面的分布是均勻的；⑤蒸發(fā)器外側與環(huán)境之間的換熱無凝結現(xiàn)象，不考慮析濕對換熱的影響。

對于單相區(qū)(過熱區(qū))，制冷劑側的換熱系數(shù)αl仍由Dittus-Boeler換熱關聯(lián)式計算；對于兩相區(qū)則采用Gungor-Winterton關聯(lián)式。

αTP=Eαl+Sαnb

(15)

式中：αnb為核態(tài)沸騰換熱系數(shù)，W/(m2·K)；E為對流加強因子；S為沸騰抑制因子。

αnb采用Cooper核態(tài)池沸騰關聯(lián)式計算，表達式為

(16)

式中：M為制冷劑摩爾分子量；q為熱流密度W/m2。

2.5 系統(tǒng)仿真計算

該系統(tǒng)算法中，在已知系統(tǒng)的結構參數(shù)、環(huán)境參數(shù)(如水溫、環(huán)境溫度等)的情況下，求得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行性能。模型中制冷劑R22的熱物性和傳輸特性參數(shù)是通過Matlab直接調(diào)用工質(zhì)物性計算軟件Refprop中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的計算流程如圖4所示。

3 模擬分析

3.1 系統(tǒng)性能評價指標

PV-SAHP熱效率是指單位集熱器面積輸出的熱量與入射太陽能的能量之比，定義為：

(17)

PV-SAHP集熱器電效率是指單位集熱器面積輸出的電能與入射太陽能的能量之比，定義為：

(18)

PV-SAHP系統(tǒng)熱電綜合性能系數(shù)[6]應包括系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，且需考慮電能與熱能品位差別，因此系統(tǒng)熱電綜合性能系數(shù)定義為：

(19)

式中：δCOP為系統(tǒng)的熱電綜合性能系數(shù)；ηpower為常規(guī)電廠的發(fā)電效率(Huang[15]給出的值為0.38)。

3.2 環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

3.2.1 太陽輻射強度和環(huán)境溫度的影響

圖5為太陽輻射分別是500、700、900 W/m2時，在不同的環(huán)境溫度下將水箱中的水從20 ℃加熱到55 ℃的過程中，系統(tǒng)的平均電效率、光電輸出功率、熱效率、冷凝功率的變化規(guī)律。

圖5(a)中可見，當太陽輻射強度一定時，隨著環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)的電效率、光電輸出功率同時下降。這主要是因為，環(huán)境溫度升高會造成電池板的溫度的升高，導致系統(tǒng)電效率、光電輸出電功率下降。同時，當環(huán)境溫度一定時，隨著太陽輻射強度升高，系統(tǒng)電效率下降，但光電輸出功率增加。

圖5(b)可知，當太陽輻射強度一定時，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的熱效率、冷凝功率同時上升。這是因為，當外界環(huán)境溫度升高時，系統(tǒng)向環(huán)境的散失熱量減少，這使得制冷劑吸收的熱量增加。因此，系統(tǒng)的熱效率、冷凝功率上升。同時，當外界環(huán)境溫度一定時，隨著太陽輻射強度增大，系統(tǒng)的熱效率減小、冷凝功率增大。主要是因為，當太陽輻射強度增大時，玻璃板溫升高，系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱量增加，因此系統(tǒng)熱效率減小，但因太陽輻射增大，系統(tǒng)冷凝功率仍然增大。

3.2.2 風速的影響

圖6為太陽輻射強度600 W/m2、環(huán)境溫度為15 ℃，熱水從20 ℃加熱到55 ℃的過程中，系統(tǒng)的平均電效率、熱效率、性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)隨風速的變化規(guī)律。由圖6(a)可見，當風速由0.5 m/s增加到3 m/s時，系統(tǒng)的平均電效率由12.4%增加到了13.26%，增加了近6.9%，而系統(tǒng)的平均熱效率由65.45%下降到55.63%，下降了近15%。這是由于，風速的增加使得電池板溫度下降，同時系統(tǒng)向環(huán)境散熱增加，因此，系統(tǒng)的電效率增加，而熱效率減小。由6(b)可知，隨著風速的增加，系統(tǒng)平均COP(δCOP)逐漸減小。分析其原因可知，隨著風速增加，系統(tǒng)向環(huán)境散熱不斷增加，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度不斷減小，因此系統(tǒng)平均COP逐漸減小。

3.3 運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

圖7為太陽輻射700 W/m2時，環(huán)境溫度10 ℃、電子膨脹閥開度一定時，壓縮機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)系能的影響。該圖為在壓縮機不同轉(zhuǎn)速的條件下將水箱中的水從20 ℃加熱到55 ℃過程中，系統(tǒng)的平均電效率、熱效率、COP、加熱時間隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。圖7(a)中可見，當壓縮機轉(zhuǎn)速增加時，系統(tǒng)電效率、熱效率都增大，同時，加熱熱水所用的時間減小。這主要是由于，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速增加，流過集熱器的制冷劑流量也增加，因此，被制冷劑吸收的熱量會更多，電池板的溫度降低，系統(tǒng)的熱效率、電效率會增大，加熱熱水時間減小。由圖7(b)可知，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速增加系統(tǒng)COP逐漸下降，當壓縮機轉(zhuǎn)速由1 000 r/min增加到1 800 r/min時，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力逐漸降低，冷凝壓力逐漸升高，系統(tǒng)的平均COP由6.39下降到4.15。所以在實際的運行過程中，針對不同季節(jié)的氣象條件，需要綜合考慮系統(tǒng)節(jié)能及熱水加熱消耗時間，來確定壓縮機的最佳轉(zhuǎn)速；夏季時，因輻射強度較大，可以適當降低壓縮機轉(zhuǎn)速，既可以提高系統(tǒng)COP，同時也不會使得耗時過長。

4 全年運行系能分析

根據(jù)南京氣象資料，以各月逐時太陽輻射強度和環(huán)境溫度的平均值為條件，分別對同面積的傳統(tǒng)直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)(DX-SAHP)、無冷卻的太陽能光伏系統(tǒng)(PV)、太陽能光伏-熱泵熱水系統(tǒng)(PV-SAHP)進行模擬。模擬時，當水溫由20 ℃加熱到55 ℃時，熱水系統(tǒng)停止運行，光伏系統(tǒng)繼續(xù)運行，運行小時數(shù)等于日照小時數(shù)。模擬的結果如圖8—10所示。

從圖8中看出，對于PV-SAHP系統(tǒng)，在3—10月份，光伏模塊的總輸出電量要高于壓縮機消耗的電量，并且有富余，最高為7月份，有2.24 kW·h富余。全年PV-SAHP系統(tǒng)的發(fā)電量為1 035 kW·h，壓縮機的全年耗電量為754 kW·h，因此，對于PV-SAHP系統(tǒng)可實現(xiàn)脫離電網(wǎng)獨立運行。但是需要指出的是壓縮機的耗電量與光伏模塊輸出電量并不總是同步的(1、2、11、12月份系統(tǒng)輸出電量小于壓縮耗電量)，因此要實現(xiàn)PV-SAHP系統(tǒng)的獨立運行，蓄電、控制和逆變裝置必不可少。

圖9給出了PV-SAHP系統(tǒng)和PV系統(tǒng)全年各月平均電量輸出和電效率。從圖9可以看出，PV-SAHP系統(tǒng)全年各月的電量輸出和電效率均高于PV系統(tǒng)，特別是在4—9月份。這主要是因為南京處于夏熱冬冷地區(qū)，夏季溫度高、輻射較強，此時PV-SAHP系統(tǒng)比PV系統(tǒng)有較大優(yōu)勢。PV系統(tǒng)全年平均電效率為11%，全年發(fā)電量為787 kW·h，

而PV-SAHP系統(tǒng)全年平均電效率為12.27%，全年發(fā)電量為1 035 kW·h。與較PV系統(tǒng)相比，PV-SAHP系統(tǒng)的全年平均電效率、發(fā)電量分別提高了11.5%、31.5%。因此，在夏熱冬冷地區(qū)，PV-SAHP系統(tǒng)較PV系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

圖10為PV-SAHP系統(tǒng)和DX-SAHP系統(tǒng)全年各月平均COP和壓縮機耗電量。圖中可見，DX-SAHP系統(tǒng)的全年各月平均耗電量均小于DX-SAHP系統(tǒng)；同時，盡管DX-SAHP系統(tǒng)的全年各月平均COP均略大于PV-SAHP系統(tǒng)的COP，但是遠小于PV-SAHP系統(tǒng)的COP。PV-SAHP系統(tǒng)全年平均COP為8.83，而DX-SAHP系統(tǒng)全年平均COP為5，因此，PV-SAHP系統(tǒng)比DX-SAHP對太陽能的利用率更高。

5 結論

(1) 對系統(tǒng)不同的環(huán)境參數(shù)和運行參數(shù)下的模擬得出：太陽輻射強度、環(huán)境溫度、風速、壓縮機轉(zhuǎn)速均對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響。當太陽輻射增大時、雖然系統(tǒng)的電效率、熱效率減小，但光電、光熱輸出功率增大，當環(huán)境溫度、風速減小時，系統(tǒng)電效率增大、熱效率減?。淮送?，系統(tǒng)在實際運行過程中，需要針對不同氣候條件，綜合考慮系同節(jié)能與加熱熱水時間，來確定壓縮機的最佳轉(zhuǎn)速。

(2) 對系統(tǒng)的全年運行模擬得出：系統(tǒng)全年發(fā)電量為1 035 kW·h，耗電量為787 kW·h，因此，對于PV-SAHP系統(tǒng)可以實現(xiàn)脫離電網(wǎng)獨立運行；該系統(tǒng)相對與無冷卻的PV系統(tǒng)的全年發(fā)電量提高了31.5%，同時該系統(tǒng)的全年平均COP達到8.83，比傳統(tǒng)DX-SAHP系統(tǒng)的全年平均COP相對高出76.6%。

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(編輯 蔣毅恒)

Performance Simulation of Photovoltaic Solar Assisted-Heat Pump Water Heating System

GE Xiaohui1， XU Liang2， ZHANG Xuesong1， ZHAO Bo1， DONG Kefeng2， LI Shuhong2

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310007, Zhejiang Province, China; 2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)

The lumped parameter method was introduced to build the steady state models of photovoltaic solar assisted-heat pump water heater (PV-SAHP) system, so as to study the performance of photovoltaic solar heat pump hot water system. The models, covering PV evaporator, compressor，condenser, electronic expansion valve, were used to analyze the changes of electrical efficiency and thermal efficiency with varying environmental temperature, solar radiation, wind speed and compressor capacity. Based on the meteorological data in Nanjing, the performance of proposed PV-SAHP system was compared with that of traditional direct expansion solar assisted-heat pump water heating (DX-SAHP) system and PV system. The results show that the annual power generation of PV-SAHP system is more than that of DX-SAHP system by 31.5%; the average coefficient of performance of PV/T-SAHP system can reach 8.83, considerably higher than that of SAHP system.

PV-SAHP； performance simulation; all year round status

國家十二五科技支撐計劃項目(2014BAJ01B05-02)

TK519

： A

： 2096-2185(2016)03-0029-08

2016-11-01

葛曉慧(1981—)，女，博士，高級工程師，主要研究方向為分布式電源和微電網(wǎng)技術，324139340@qq.com；

徐 亮(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為太陽能光伏光熱一體化；

張雪松(1979—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為分布式電源及微電網(wǎng)控制與保護；

趙 波(1977—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為分布式電源及微電網(wǎng)控制與保護；

李舒宏(1973—)，男，博士生導師，研究方向為太陽能熱利用、熱泵與空調(diào)系統(tǒng)及設備的優(yōu)化節(jié)能、建筑圍護結構遮陽隔熱技術；

董科楓(1992—),男，碩士研究生，主要研究方向為太陽能光伏光熱一體化。

Project supported by Key Project of the National Twelfth-Five Year Research Program of China(2014BAJ01B05-02)