直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)運行性能仿真與分析

01系統(tǒng)原理如圖1所示，直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)由PVT集熱/蒸發(fā)器、光伏發(fā)電調(diào)控模塊（光伏逆控一體機、蓄電池）、熱泵循環(huán)模塊（壓縮機、冷凝器、膨脹閥）與集熱水箱組成。一方面，PVT集熱/蒸發(fā)器作為光伏組件，將入射太陽輻射中的一部分能量轉(zhuǎn)化為電能輸出。該過程中，光伏逆控一體機追蹤最大功率點，優(yōu)化光伏組件的發(fā)電性能。與此同時，光伏逆控一體機可將光伏組件產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，也可將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，用以驅(qū)動壓縮機（或其他負載）或輸出至電網(wǎng)。圖1

直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)示意Fig.1

Theschematicdiagramofthesolar-assisteddirect-expansionPVTheatpumpdomestichotwatersystem另一方面，熱泵工質(zhì)（R410a，R134A等）流經(jīng)PVT集熱/蒸發(fā)器，經(jīng)由相變過程帶走光伏組件的工作廢熱。吸收了工作廢熱的熱泵工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮升溫升壓后，在冷凝器中將熱量釋放至集熱水箱，完成冷凝過程。釋放了熱量后的過冷熱泵工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，變?yōu)榈蜏氐蛪籂盍魅隤VT集熱/蒸發(fā)器，完成一個完整的熱泵循環(huán)。在入射輻射之外，PVT集熱/蒸發(fā)器還可以收集組件背部的散射和反射輻射。如圖2所示，直膨式PVT組件為一次層壓成型的多層結(jié)構(gòu)，從上至下分別由玻璃面蓋、EVA膠膜、PV電池、EVA膠膜和鋁基背板（即換熱器）組成。鋁基背板中布置有經(jīng)特別設(shè)計的流體通道形式（如圖3所示），該流道形式經(jīng)研究證明具有良好的集熱性能與溫度均勻性。圖2

直膨式PVT組件結(jié)構(gòu)與物理模型Fig.2

Thestructureandthephysicalmodelofthedirect-expansionPVTmodule圖3

直膨式PVT組件流道結(jié)構(gòu)Fig.3

Thestructureofthefluidchannelofthedirect-expansionPVTmodule由于入射太陽輻射和背板散射/反射輻射的效應(yīng)，在輻照條件良好的條件下，直膨式PVT熱泵的蒸發(fā)溫度相比于空氣源熱泵更高，相應(yīng)地，其熱力性能也相對較為優(yōu)越。02數(shù)學(xué)模型圖4為PVT熱泵熱水系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。其中，I為組件正面入射太陽輻照強度；Ir為背板輻照強度，W/m2；Qe為光伏發(fā)電功率，W；Qc為冷凝功率，W；Wele為壓縮機功率，W；T為溫度，℃；h為比焓，kJ/kg；p為壓強，kPa；下標ei、eo、ci、co分別代表蒸發(fā)器進出口與冷凝器進出口，e與c分別表示蒸發(fā)和冷凝壓力。圖4

PVT熱泵熱水系統(tǒng)熱力學(xué)模型Fig.4

ThethermodynamicsmodelofthePVTheatpumpdomestichotwatersystem1）PVT集熱/蒸發(fā)器。由圖2所示PVT集熱/蒸發(fā)器的能量平衡模型可知組件的工作廢熱為式中：A

為集熱/蒸發(fā)器面積，m2；

τg

為面蓋玻璃透射率；

αp

為PV電池吸收率；

ηe

為PV發(fā)電效率；

αr

為背板吸收率；

Ir

為背部散射輻射，W/m2。隨組件溫度升高，PV發(fā)電效率下降。式中：

ηrc

為組件在參考溫度（

Trc

=25℃）下的發(fā)電效率，本文取19.1%；

Tp

為組件溫度，℃；

βPV

為PV組件的溫度系數(shù)，1/℃。PVT集熱/蒸發(fā)器向環(huán)境的熱損失為式中：

Ta

為周圍環(huán)境溫度，℃；

UL

為總熱損系數(shù)，W/(m2·K)。式中：

Rg

、

REVA

、

Rr

分別為玻璃面蓋、EVA膠膜、鋁基背板的熱阻，(m2·K)/W；

hcv

、

hrd

分別為組件表面與環(huán)境間的對流與輻射換熱系數(shù)，W/m2。熱泵工質(zhì)的得熱功率滿足式中：

Tf

為流體平均溫度，正常工況下與系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相近，為計算簡便，可近似為蒸發(fā)溫度；

F′

為集熱/蒸發(fā)器的無量綱效率因子，與集熱背板的流道結(jié)構(gòu)、組件的總熱損系數(shù)、集熱背板的導(dǎo)熱系數(shù)以及流道內(nèi)對流換熱系數(shù)有關(guān)。流經(jīng)PVT組件的工質(zhì)質(zhì)量流量滿足2）壓縮機。壓縮機輸入功率可表示為式中：

ηele

為壓縮機電效率；

q

為流經(jīng)壓縮機的工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s。式中：

λ

為壓縮機容積效率，與壓比成負相關(guān)；

Vth

為壓縮機理論輸氣量，m3/h；

νsuc

為壓縮機吸氣比容，m3/kg；N為PVT組件數(shù)量。壓縮機出口焓（即冷凝器入口焓）為式中：

ηex

為壓縮機的等熵效率；

hcs

為等熵壓縮情況下壓縮機的出口焓，kJ/kg。3）冷凝器、水箱、膨脹閥。冷凝功率（即水箱得熱功率）為在給定的一段時間內(nèi)，水箱溫升與冷凝功率滿足式中：

M

為水箱中水的質(zhì)量，kg；

cw

為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT

為給定時間內(nèi)水的溫升，℃；

Qtl

為水箱對外界的熱損失功率，W。工質(zhì)流經(jīng)膨脹閥前后，其焓值滿足4）系統(tǒng)評價指標。直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的評價指標有3個，其中性能系數(shù)為發(fā)電增益為加熱時間為水箱容積確定后，將水箱內(nèi)的水從初始溫度加熱至指定溫度所需的時間。5）仿真模型。在Matlab平臺上建立直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的仿真模型，計算邏輯如圖5所示。圖5

計算流程Fig.5

Theflowchartofthecalculation03結(jié)果與分析3.1

性能仿真參數(shù)設(shè)置基于臨港地區(qū)氣象參數(shù)（輻照強度、環(huán)境溫度），對直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)進行仿真。在各個季節(jié)選取典型工況，研究直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)在C1，C2，C3不同配置（3種不同壓縮機理論輸氣量）下的運行性能，系統(tǒng)配備4片PVT組件，水箱容積為400L，每日最長工作時間為8h。表1為性能仿真實驗的相關(guān)參數(shù)。表1

性能仿真參數(shù)Table1

Theparametersoftheperformancesimulation3.2

仿真結(jié)果圖6為系統(tǒng)在各個季節(jié)典型工況下的運行情況。由圖6可見，系統(tǒng)運行初期，太陽能PVT熱水系統(tǒng)的瞬時COP先隨午前輻照強度的上升而上升；運行一段時間后，系統(tǒng)的瞬時COP隨午后輻照強度的下降和水箱溫度的升高而下降。如圖6a）所示，當(dāng)系統(tǒng)配置方式為C1時，其在春、夏、秋、冬典型工況下的平均COP分別為6.67、7.34、6.28和5.59，加熱400L熱水所需的工作時間分別為292min、275min、311min和344min。圖6

不同配置PVT熱泵熱水系統(tǒng)運行性能Fig.6

TheperformanceofPVTheatpumpdomestichotwatersystemswithdifferentconfigurations由圖6b）和圖6c）可見，隨著壓縮機理論輸氣量的下降，流經(jīng)每片組件的工質(zhì)流量下降，導(dǎo)致直膨式PVT組件內(nèi)的工質(zhì)平均溫度（與蒸發(fā)溫度相近）上升。因此，隨著壓縮機理論輸氣量的下降，直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的COP在不同工況下均有所提升。當(dāng)系統(tǒng)配置為C3時，其春、夏、秋、冬典型工況下的平均COP分別為8.48、9.52、8.09和6.38，相比于系統(tǒng)配置為C1時，COP分別上升了27.1%、29.7%、28.8%和14.1%，系統(tǒng)的節(jié)能效益得到了有效提升。由此可見，壓縮機理論輸氣量下降對系統(tǒng)COP的提升效果在輻照、環(huán)溫條件較好的工況下更為顯著。然而，壓縮機理論輸氣量的下降意味著壓縮機輸入功率降低，這將導(dǎo)致冷凝功率下降，從而延長系統(tǒng)的工作時間。系統(tǒng)配置為C3時，其在春、夏、秋、冬典型工況下所需的加熱時間分別為351min、327min、369min與464min，相比于系統(tǒng)配置為C1時，加熱時間分別上升了20.2%、18.9%、18.6%和34.9%。相比于其他季節(jié)，由于冬季午后太陽輻照強度顯著下降，冬季工況下系統(tǒng)的加熱時間延長程度更大。由于464min已經(jīng)相當(dāng)接近設(shè)定的最長工作時間（8h），故不建議繼續(xù)減小壓縮機理論輸氣量。表2總結(jié)了不同配置方式的直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)在不同季節(jié)的運行性能。表2

不同配置系統(tǒng)運行性能Table2

Theperformanceofthesystemswithdifferentconfigurations對于直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)，熱泵工質(zhì)在收集光伏組件工作廢熱并用以制備熱水的同時，也可以有效降低光伏組件工作溫度，提高光伏組件的發(fā)電效率。在環(huán)境條件相同的條件下，光伏組件溫度下降和發(fā)電量提高的程度隨系統(tǒng)配置的不同而有所變化。圖7為不同配置的PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年組件日平均溫度波動情況。由圖7可見，由于熱泵循環(huán)帶走了光伏組件的工作廢熱，光伏組件的工作溫度有效降低。相比于單純的PV組件（組件年平均溫度為32.4℃），配置方式為C1，C2，C3時，其組件年平均溫度分別下降了18.1℃、15.6℃和13.6℃。其中，在輻照強度較大和環(huán)境溫度較高的夏季（純光伏組件平均溫度為43.2℃），PVT系統(tǒng)的平均溫降分別為21.9℃、19.1℃和16.9℃，最大溫降幅度分別達到35.4℃、31.7℃和28.6℃。圖8為不同配置的PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年日平均發(fā)電增益情況。系統(tǒng)配置為C1、C2和C3時，系統(tǒng)全年平均發(fā)電增益分別為9.27%、8.33%和7.09%。圖7

不同配置PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年組件日平均溫度Fig.7

Thedaily-averagedmoduletemperatureofPVTheatpumpdomestichotwatersystemswithdifferentconfigurations圖8

不同配置PVT熱泵熱水系統(tǒng)全年日平均發(fā)電增益Fig.8

Thedaily-averagedelectricitygenerationbenefitofPVTheatpumpdomestichotwatersystemswithdifferentconfigurations04結(jié)論本文建立了直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab平臺上仿真分析了不同配置方案的系統(tǒng)運行性能，得到如下結(jié)論。1）熱水制備性能。對于配置方式為C1（壓縮機理論輸氣量為12.268m3/h）的系統(tǒng)，其在春、夏、秋、冬季典型工況下，將400L水從15℃加熱至55℃，其平均COP分別為6.67、7.34、6.28和5.59，所需加熱時間分別為292min、275min、311min和344min。在組件數(shù)量相同的情況下，減少壓縮機理論輸氣量可以提高系統(tǒng)COP，但系統(tǒng)所需加熱時間延長。相比于配置方式為C1