王崗，全貞花,2，趙耀華,2，靖赫然，佟建南

?

太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)

王崗1，全貞花1,2，趙耀華1,2，靖赫然1，佟建南1

（1北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2北京工業(yè)大學(xué)未來網(wǎng)絡(luò)科技高精尖創(chuàng)新中心，北京 100124）

為最大限度利用可再生能源，將太陽能PV/T集熱器與熱泵相結(jié)合組成太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，通過不同閥門之間的相互切換，可實現(xiàn)多種運行模式以滿足人們對生活熱水、采暖或制冷的需求。實驗主要針對單空氣源熱泵制熱、PV/T與水源熱泵聯(lián)合制熱及PV/T與雙熱源熱泵聯(lián)合制熱3種運行工況進行研究，分別從室內(nèi)溫度、制熱量、熱泵COP、集熱效率、發(fā)電效率等方面對系統(tǒng)進行實驗研究與理論分析，實驗結(jié)果表明，3種運行工況下熱泵COP分別為2.26、3.4和2.61，平均室內(nèi)溫度分別為15.3、18.8和16.5℃，基本能滿足冬季采暖負荷要求。系統(tǒng)可充分利用太陽能與熱泵各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)能源節(jié)約，為太陽能和熱泵在建筑中聯(lián)合運行模式提供部分參考價值。

太陽能；壓縮機；可再生能源；性能系數(shù)；能效分析

引 言

伴隨世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化石燃料正逐漸消耗殆盡，能源危機和環(huán)境污染日趨嚴重，這一系列問題促使人們加速探索開發(fā)利用可再生能源。太陽能以取之不盡用之不竭、清潔和無污染等獨特優(yōu)勢成為眾多可再生能源中的首選能源[1]。光伏利用技術(shù)是太陽能利用技術(shù)的一種主要方式，而普通太陽能硅電池在標況下光電轉(zhuǎn)換效率僅有12%～17%左右，其吸收的太陽輻射能83%以上未被利用，這部分太陽輻射能被電池吸收轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降[2]。為降低光伏背板溫度及提高光電轉(zhuǎn)換效率，國內(nèi)外學(xué)者主要采用水和空氣作為工作介質(zhì)對光伏電池進行冷卻散熱，并做了大量相關(guān)研究工作[3-5]，這種技術(shù)被稱為光伏光熱（PV/T）技術(shù)。

太陽能和熱泵聯(lián)合運行技術(shù)是太陽能利用技術(shù)的另一種形式，該技術(shù)首先由Jordan等[6]提出，隨后國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量實驗研究與理論研究。太陽能和熱泵結(jié)合形式是多種多樣的，研究主要集中于太陽能與空氣源熱泵或水源熱泵聯(lián)合運行。Huang等[7-8]提出并設(shè)計了整合型太陽能熱泵熱水器，并對其性能進行了實驗研究，實驗結(jié)果表明如果設(shè)計合理，該系統(tǒng)能同時吸收太陽能和空氣的熱量。Chyng等[9]對其進行了模擬研究，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果能很好地匹配。Bellos等[10]對比分析了光伏集熱器與空氣源熱泵或水源熱泵聯(lián)合運行性能，并進行了能耗分析。Yahya等[11]分析了太陽能與太陽能輔助熱泵進行干燥性能，熱泵性能系數(shù)均值可達3.38。Tzivanidis等[12]研究了太陽能輔助熱泵系統(tǒng)與其他一些常規(guī)加熱系統(tǒng)的比較及評估，并對運行成本及投資進行分析。Sourbron等[13]分析了太陽能作為低溫?zé)嵩打?qū)動熱泵系統(tǒng)的性能，得出傳熱速率高于或等于200 W·K-1的情況下方案設(shè)計是可行的。Poppi等[14]通過經(jīng)濟分析研究了太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)的可行性。Aguilar等[15]進行了熱泵用于生活熱水及光伏用于發(fā)電及并網(wǎng)長達一年的時間，旨在研究太陽能光伏發(fā)電與熱泵結(jié)合在住宅中的應(yīng)用。Fu等[16]設(shè)計了熱泵-熱管光伏光熱集熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在有無太陽能的條件下均能實現(xiàn)居民對生活熱水的需求。Zhang等[17]設(shè)計了一種環(huán)路熱管熱泵系統(tǒng)，性能較為優(yōu)越。張小松等[18-21]在前期研究基礎(chǔ)上構(gòu)建了直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)在不同天氣不同熱源模式下均能將熱水加熱到一定溫度；隨后，又研究了一種平板型太陽能光伏光熱熱泵系統(tǒng)，并對其夏季工況特性進行實驗研究。張龍燦等[22]將太陽能環(huán)形熱管循環(huán)模式和太陽能熱泵循環(huán)模式有機結(jié)合，并對兩種模式下的瞬時性能和全天性能進行了實驗 研究。

本研究將太陽能PV/T集熱器與多功能熱泵相結(jié)合，通過開啟不同閥門來實現(xiàn)多種運行模式，滿足人們對采暖與生活熱水的需求。實驗采用趙耀華等[23-27]發(fā)明的基于平板微熱管陣列PV/T集熱器，其不僅具有相對較高的光電效率和光熱效率，而且工藝簡單，是目前為止唯一可商業(yè)化的光伏光熱組件。本研究在以往實驗研究基礎(chǔ)上[28-30]，對太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)性能進行了實驗研究。

1 實驗介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)主要由太陽能循環(huán)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及末端系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。太陽能PV/T循環(huán)系統(tǒng)主要由PV/T集熱器、循環(huán)水泵和水箱組成；熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機、翅片管式換熱器、套管式換熱器、毛細管等組成，其中熱泵系統(tǒng)共有兩個套管換熱器，主要用于實現(xiàn)不同運行工況模式之間的切換。末端系統(tǒng)根據(jù)不同運行模式由室內(nèi)風(fēng)機盤管、循環(huán)水泵、定壓水箱等組成。

圖1 太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)運行原理

實驗系統(tǒng)通過不同閥門之間的切換可分為多種運行工況，實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)之間的結(jié)合與匹配，滿足冬季用戶對采暖或生活熱水的需求。本研究主要介紹冬季運行模式下的3種工況。

工況1為單空氣源熱泵制熱運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥5和電磁閥2。當(dāng)熱泵系統(tǒng)工作時，低溫低壓制冷劑氣體經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓制冷劑氣體，隨后經(jīng)電磁閥8進入套管換熱器1，與水進行熱量交換，通過風(fēng)機盤管將熱量散入室內(nèi)，使室內(nèi)保持一定的舒適度，被冷卻后的高壓低溫制冷劑液體經(jīng)電磁閥7進入毛細管，節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏刂评鋭庖簝上喙泊?，而后?jīng)電磁閥5進入風(fēng)冷管翅式換熱器，制冷劑在換熱器內(nèi)吸收空氣的熱量，成為低壓低溫制冷劑氣體，最終經(jīng)電磁閥2進入壓縮機，完成一個工作循環(huán)。

工況2為太陽能PV/T集熱循環(huán)與水源熱泵聯(lián)合制熱運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥6和電磁閥3。當(dāng)熱泵系統(tǒng)工作時，低溫低壓制冷劑氣體經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓制冷劑氣體，隨后經(jīng)電磁閥8進入套管換熱器1，與工況1散熱模式相同，被冷卻后的高壓低溫制冷劑液體經(jīng)電磁閥7進入毛細管，節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏刂评鋭庖簝上喙泊?，而后?jīng)電磁閥6進入套管換熱器2，制冷劑在套管換熱器中吸收來自水箱的熱量，成為低壓低溫制冷劑氣體，最終經(jīng)電磁閥3進入壓縮機，完成一個工作循環(huán)。太陽能PV/T循環(huán)系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)同時運行，充分利用集熱器背板產(chǎn)生的余熱，通過水循環(huán)系統(tǒng)將熱量儲存在水箱中，為熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器提供低溫?zé)嵩?，滿足供暖需求。

工況3為太陽能PV/T集熱循環(huán)與雙熱源熱泵聯(lián)合運行模式，此時開啟電磁閥8、電磁閥7、電磁閥5、電磁閥2、電磁閥6和電磁閥3。當(dāng)熱泵系 統(tǒng)工作時，同時以太陽能產(chǎn)生的低溫?zé)崴c空氣作為熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?，運行方式將工況1和工況2相結(jié)合，同時太陽能集熱器背板余熱產(chǎn)生的熱量除用于低溫?zé)嵩?，多余的部分被儲存于?箱中。

1.3 系統(tǒng)測試

實驗采用1HP轉(zhuǎn)子式壓縮機，其他部件與壓縮機相匹配，末端散熱設(shè)備采用FP-68WA。太陽能集熱器共6塊，集熱面積為7.68 m2，發(fā)電面積為6.75 m2，單塊集熱器的峰值功率為195 W。水箱底部設(shè)有冷水補水接管和排污管，補水管可直接與城市自來水管網(wǎng)連接。實驗房間總面積約為15 m2。

實驗主要采用T型熱電偶、熱電阻、壓力變送器、功率自計儀、電磁流量計、電流表和電壓表對溫度、壓力、功率、流量、電流和電壓進行時時監(jiān)控與測量，其中溫度、流量和壓力通過Agilent 34970A進行記錄。

儀器誤差及測量范圍見表1。

表1 測量儀器誤差及測量范圍

2 評價指標與不確定度分析

2.1 性能評價指標

太陽能PV/T光伏光熱系統(tǒng)瞬時集熱功率如下

太陽能PV/T光伏光熱系統(tǒng)瞬時集熱效率如下

(2)

太陽能PV/T光伏光熱系統(tǒng)瞬時光電功率如下

太陽能PV/T光伏光熱系統(tǒng)瞬時光電效率如下

(4)

熱泵系統(tǒng)瞬時制熱量為

熱泵系統(tǒng)瞬時COP為

(6)

2.2 不確定度分析

設(shè)函數(shù)是由個獨立變量1,2,3, …, x組成的函數(shù)，每個獨立變量相對不確定度分別為δ1，δ2，δ3, …, δx，根據(jù)誤差傳遞公式可計算各個變量的不確定度，文中主要針對集熱效率、發(fā)電效率、換熱量及COP進行不確定性分析，其相對不確定度結(jié)果見表2。

(8)

表2 相對不確定度

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 單空氣源熱泵制熱運行模式（工況1）

圖2為室內(nèi)外溫度隨運行時間的變化。運行期間，室外溫度最低為-2.6℃，最高為2.7℃，平均溫度為0.6℃。初始運行時，由于室內(nèi)計算機等發(fā)熱設(shè)備及房間保溫效果等多因素影響使室內(nèi)初始溫度高于室外溫度，其值為5.1℃，室內(nèi)溫度隨熱泵運行至中午12：00之后達到15℃以上直至運行結(jié)束，最大可達17.6℃，基本能滿足供暖需求。

圖2 室內(nèi)外溫度隨時間變化

圖3為制熱量與熱泵COP隨運行時間的變化趨勢。初始運行時，制熱量與熱泵COP均有升高的趨勢，而后趨于平緩。運行期間，熱泵制熱量在0.99～1.58 kW范圍內(nèi)變化，平均制熱量為1.44 kW；熱泵COP最小值為1.83，最大值為2.73。結(jié)合室外溫度可知，平均環(huán)境溫度為0.6℃的情況下，空氣源熱泵COP在整個運行期間的平均值為2.26，說明熱泵設(shè)計較為合理，性能較可靠。

圖3 制熱量與COP隨運行時間變化

3.2 PV/T與水源熱泵聯(lián)合制熱運行模式（工況2）

圖4為太陽輻照度及室內(nèi)外溫度隨運行時間變化情況，運行期間太陽輻照度變化范圍為194～753 W·m-2，平均輻照度為594 W·m-2；室外溫度最低為1℃，最高為6℃，均值為3.6℃；室內(nèi)溫度變化范圍為7.7～22.6℃，平均為18.8℃，滿足冬季采暖負荷的要求。

圖4 輻照度及室內(nèi)外溫度隨運行時間的變化

圖5為水箱水溫、集熱效率及發(fā)電效率隨運行時間變化情況。運行期間水箱水溫呈現(xiàn)先降低后增加而后又降低的現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是由于初始運行時僅依靠太陽能獲得的熱量并不能滿足水源熱泵對低溫?zé)嵩吹男枨螅虼诵鑿乃渲形鼰?，隨輻照度的增加，從太陽能所獲取的熱量除供給水源熱泵吸收之外仍有結(jié)余，結(jié)余部分儲存在水箱中，導(dǎo)致水箱水溫出現(xiàn)上升的趨勢，而后隨輻照度的降低，從太陽能所獲取的熱量不足以作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，此時不足部分從水箱中吸收，致使水箱水溫再次出現(xiàn)下降趨勢，水箱水溫運行期間在11.6～14.2℃之間變化，平均值為12.8℃，初始運行與運行結(jié)束時溫度基本相等。太陽能PV/T集熱器發(fā)電效率變化范圍為4.6%～17.1%，均值可達13.1%；集熱效率變化范圍為6.8%～41.5%，平均值為35.3%。運行期間，集熱效率與發(fā)電效率隨輻照度下降均呈現(xiàn)降低趨勢。

圖5 水箱水溫、集熱效率及發(fā)電效率隨運行時間變化

圖6為熱泵制熱量與COP隨運行時間變化情況。運行期間，熱泵制熱量出現(xiàn)先上升后降低的趨勢，在10:30左右值最小為2.2 kW，運行至14:00左右達到最大值（2.6 kW），均值為2.4 kW，變化趨勢與圖5中水箱水溫相似，主要是由于水箱作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，蒸發(fā)溫度隨低溫?zé)嵩礈囟鹊淖兓兓茻崃颗c蒸發(fā)溫度呈正比例變化。熱泵COP變化范圍為3.0～4.3，平均值為3.4，相對較高，COP在運行期間整體呈現(xiàn)減小的趨勢，主要原因是熱泵COP同時由蒸發(fā)溫度和壓縮機耗功率兩個因素綜合影響所決定的。

圖6 制熱量與熱泵COP隨運行時間的變化

3.3 PV/T與雙熱源熱泵聯(lián)合運行模式（工況3）

圖7為太陽輻照度及室內(nèi)外溫度隨運行時間的變化情況。太陽輻照度在360～815 W·m-2之間變化，均值為658.5 W·m-2；室外溫度在2.3～4.8℃之間變化，均值為4.0℃；室內(nèi)溫度初始為10.5℃，最高達19.3℃，運行期間平均值為16.5℃，基本滿足采暖要求。

圖7 太陽輻照度及室內(nèi)外溫度隨運行時間變化

圖8為水箱水溫、發(fā)電效率及集熱效率隨運行時間變化情況。水箱水溫從初始運行15℃升高到運行結(jié)束時的25.2℃，溫升約為10.2℃。水箱水溫逐漸升高表明從太陽能所吸收的熱量并沒有完全被熱泵所吸收，剩余部分儲存在水箱中，主要是由于雙熱源熱泵同時以空氣和水箱中的低溫水作為低溫?zé)嵩础＜療嵝首兓厔菖c圖7中太陽輻照度變化趨勢基本一致，在7.0%～30.9%之間變化，均值為21.6%；發(fā)電效率在6.0%～16.6%范圍內(nèi)變化，平均為12.7%。

圖9為熱泵制熱量與COP隨運行時間變化。熱泵制熱量與COP在初始運行時均呈現(xiàn)增加的趨勢，而后趨于相對穩(wěn)定，說明雙熱源熱泵蒸發(fā)溫度及耗功率相對較為穩(wěn)定。制熱量最小值為0.47 kW，最大值為1.95 kW，均值為1.76 kW，穩(wěn)定運行時在1.9 kW附近變化；COP變化范圍為1.33～3.07，平均值為2.61，穩(wěn)定運行時在2.7附近變化。由以上分析可知，太陽能聯(lián)合雙熱源熱泵運行性能相對較為可靠。

圖8 水箱水溫、發(fā)電效率及集熱效率隨運行時間的變化

圖9 熱泵制熱量與COP隨運行時間變化

3.4 工況分析

熱泵系統(tǒng)在工況1運行模式下，運行期間COP均值達到2.26，滿足空氣源熱泵冬季運行要求，證明該系統(tǒng)設(shè)計較為合理。工況2與工況3運行時，太陽輻照度和室外溫度相對較為接近，對于太陽能循環(huán)系統(tǒng)，工況2的平均集熱效率與發(fā)電效率均高于工況3，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是由于工況3運行模式水箱水溫逐漸升高，其溫度高于工況2運行模式的水溫，而水溫越高，集熱量越低，因此集熱效率低于工況2；同時，水箱水溫升高，導(dǎo)致流經(jīng)太陽能PV/T集熱器背板的水溫升高，從背板余熱中所吸收的熱量減少，使背板溫度升高，而發(fā)電效率與背板溫度大小呈反向變化，因此發(fā)電效率也低于工況2。對于熱泵系統(tǒng)，工況2制熱量與熱泵COP均高于工況3，主要是因為工況2以低溫水作為低溫?zé)嵩?，而工況3同時以空氣和低溫水作為低溫?zé)嵩矗率构r3蒸發(fā)溫度低于工況2，工況2熱泵COP高于工況3，但由于工況3并不是單純吸收水箱低溫水的熱量，而是同時吸收低溫水和空氣熱量，因此通過太陽能吸收的熱量并沒有完全用于熱泵系統(tǒng)的吸收，多余的熱量儲存于水箱中，因此工況3水箱最終水溫高于工況2，溫升達到10.2℃，而工況2水箱初始水溫與最終水溫基本相同，說明從太陽能中所獲得的熱量能滿足熱泵的需求，太陽能PV/T集熱器數(shù)量與熱泵系統(tǒng)之間的匹配相對較為合理。當(dāng)無太陽能時，可開啟工況1運行模式進行供暖或供熱水；當(dāng)環(huán)境溫度較低且輻照度較高時，可開啟工況2運行模式供暖；當(dāng)環(huán)境溫度較高且太陽能輻照度較低時，可開啟工況3運行模式供暖。工況2和工況3更加充分利用了可再生能源，可根據(jù)外部條件，開啟不同的運行模式。

4 結(jié) 論

設(shè)計并建立了一套太陽能-熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，利用閥門之間的切換實現(xiàn)不同運行工況，滿足建筑供暖及生活熱水需求。主要針對單空氣源熱泵制熱、PV/T與水源熱泵聯(lián)合制熱及PV/T與雙熱源熱泵聯(lián)合制熱3種運行工況進行性能研究，結(jié)果表明，3種運行工況平均COP分別可達2.26、3.4和2.61，工況2和工況3的集熱效率和發(fā)電效率均值分別可達35.3%、13.1%和21.6%、12.7%。同時，對不同運行工況進行性能分析，給出了不同工況適用條件。研究表明，新型太陽能熱泵系統(tǒng)能充分利用太陽能，通過能量的梯級利用，以及太陽能與空氣能的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)能源的高效利用。實驗研究的數(shù)據(jù)與分析可為太陽能熱泵系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供參考價值。

符 號 說 明

A——面積，m2 COP——系統(tǒng)性能系數(shù) cp——水比熱容，J·kg-1·K-1 G——太陽輻照度，W·m-2 I——電流，A Q——制熱量，W q——流量，L·h-1 T——溫度，℃ U——電壓，V W——集熱功率，W η——效率，% 下角標 c——集熱 cin——集熱器入口 cout——集熱器出口 e——發(fā)電 hin——換熱器入口 hout——換熱器出口 t——時間 p——壓縮機 τ——某一時刻

References

[1] 付祥釗. 可再生能源在建筑中的應(yīng)用 [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009: 21-29. FU X K. Applications of Renewable Energies in Buildings [M]. Beijing: China Construction Industry Press, 2009: 21-29.

[2] 季杰, 程洪波, 何偉, 等. 太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實驗研究 [J]. 太陽能學(xué)報, 2005, (2): 170-173. JI J, CHENG H B, HE W,. Experimental study on a hybrid photovoltaic/thermal solar system [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2005, (2): 170-173.

[3] ZONDAG H A, DE VRIES D W,. The yield of different combined PV-thermal collector designs [J]. Solar Energy, 2003, 74: 253-269.

[4] KRATTER S. Development of an integrated solar home system [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004, 82: 119-130.

[5] CHOW T T, PEI G. Energy and exergy analysis of photovoltaic-thermal collector with and without glass cover [J]. Applied Energy, 2009, 86: 310-316.

[6] JORDAN R, THREKELD J. Availability and utilization of solar energy [J]. ASHRAE Trans., 1954, 60.

[7] HUANG B J, CHYNG J P. Integral-type solar-assisted heat pump water heater [J]. Renewable Energy, 1999, 16: 731-734.

[8] HUANG B J, CHYNG J P. Performance characteristics of integral type solar-assisted heat pump [J]. Solar Energy, 2001, 71 (6): 403-414.

[9] CHYNG J P, LEE C P, HUANG B J. Performance analysis of a solar-assisted heat pump water heater [J]. Solar Energy, 2003, 74: 33-44.

[10] BELLOS E, TZIVANIDIS C, MOSCHOS K,. Energetic and financial evaluation of solar assisted heat pump space heating systems [J]. Energy Conversion & Management, 2016, 120: 306-319.

[11] YAHYA M, FUDHOLI A, HAFIZH H,. Comparison of solar dryer and solar-assisted heat pump dryer for cassava [J]. Solar Energy, 2016, 136: 606-613.

[12] TZIVANIDIS C, BELLOS E, MITSOPOULOS G,. Energetic and financial evaluation of a solar assisted heat pump heating system with other usual heating systems in Athens [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 106: 87-97.

[13] SOURBRON M, OZALP N. Determination of heat transfer characteristics of solar thermal collectors as heat source for a residential heat pump [J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2016, 138 (4): 1873-1877.

[14] POPPI S, BALES C, HEINZ A,. Analysis of system improvements in solar thermal and air source heat pump combisystems [J]. Applied Energy, 2016, 173: 606-623.

[15] AGUILAR F J, ALEDO S, QUILES P V. Experimental study of the solar photovoltaic contribution for the domestic hot water production with heat pumps in dwellings [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 101: 379-389.

[16] FU H D, PEI G, JI J,. Experimental study of a photovoltaic solar-assisted heat-pump/heat-pipe system [J]. Thermal Engineering, 2012, 40: 343-350.

[17] ZHANG X X, ZHAO X D, SHEN J C,. Design, fabrication and experimental study of a solar photovoltaic/loop-heat-pipe based heat pump system [J]. Solar Energy, 2013, 97: 551-568.

[18] 徐國英, 張小松, 楊磊. 兩種集熱結(jié)構(gòu)的太陽能光伏/光熱一體化熱泵性能分析 [J]. 化工學(xué)報, 2008, 59 (S2): 224-229. XU G Y, ZAHNG X S, YANG L. Performance evaluation of PV/T integrated heat pump using two different collector/evaporators [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2008, 59 (S2): 224-229.

[19] 楊磊, 張小松. 復(fù)合熱源太陽能熱泵熱水系統(tǒng)性能模擬 [J].化工學(xué)報, 2009, 60 (9): 2292-2298. YANG L, ZHANG X S. Performance simulation of multiple heat source solar heat pump water heater system [J]. CIESC Journal, 2009, 60 (9): 2292-2298.

[20] 張月紅, 徐國英, 張小松. 太陽能與空氣復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng)多模式運行實驗特性 [J]. 化工學(xué)報, 2010, 61 (2): 484-490. ZHANG Y H, XU G Y, ZAHNG X S. Experimental characteristics of solar-air source heat pump water heating system operating in different modes [J]. CIESC Journal 2010, 61 (2): 484-490.

[21] 徐國英, 張小松, 趙善國. 平板型太陽能光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)特性 [J]. 化工學(xué)報, 2012, 63 (S2): 136-141. XU G Y, ZHANG X S, ZHAO S G. Performance of flat-plate PV/T integrated heat pump water heating system [J]. CIESC Journal, 2012, 63 (S2): 136-141.

[22] 張龍燦, 裴剛, 張濤, 等. 新型光伏-太陽能環(huán)形熱管/熱泵復(fù)合系統(tǒng) [J]. 化工學(xué)報. 2014, 65 (8): 3228-3236.ZHANG L C, PEI G, ZHANG T,. A new photovoltaic solar-assisted loop heat pipe/heat-pump system [J].CIESC Journal, 2014, 65 (8): 3228-3236.

[23] 趙耀華, 王宏燕, 刁彥華, 等. 平板微熱管陣列及其傳熱特性 [J]. 化工學(xué)報, 2011, 62 (2): 336-343. ZHAO Y H, WANG H Y, DIAO Y H,. Heat transfer characteristics of flat micro-heat pipe array [J]. CIESC Journal, 2011, 62 (2): 336-343.

[24] LI N J, QUAN Z H, ZHAO Y H,.Experimental study of solar photovoltaic/thermal (PV/T) system based on flat plate heat pipe array [C]//Low-Carbon Economy Science and Technology Innovation in Civil Engineering — Proceedings of International Conference on Technology of Architecture and Structure. Beijing, 2010.

[25] QUAN Z H, WANG L C, ZHAO Y H,. The experimental research on instantaneous efficiency of PV/T module based on micro heat pipe array [J]. Advanced Materials Research, 2013, 732: 306-311.

[26] LI N J, QUAN Z H, ZHAO Y H. The experimental study of new-type water-cooling PV/T collector [J]. Advanced Materials Research, 2012, 242: 374-377.

[27] QUAN Z H, LI N J, ZHAO Y H, TANG X. Experimental study of solar photovoltaic/thermal (pv/t) system based on flat plate heat pipe [C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, APPEEC 2011. Wuhan, China, 2011.

[28] 王崗, 全貞花, 趙耀華, 等. 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵熱水系統(tǒng) [J]. 化工學(xué)報, 2014, 65 (3): 1033-1039. WANG G, QUAN Z H, ZHAO Y H,. Solar-air composite heat source heat pump hot water System [J]. CIESC Journal, 2014, 65 (3): 1033-1039.

[29] WANG G, QUAN Z H, ZHAO Y H,. Experimental study on a novel PV/T air dual-heat-source composite heat pump hot water system [J]. Energy & Buildings, 2015, 108: 175-184.

[30] HOU L S, QUAN Z H, ZHAO Y H,. An experimental and simulative study on a novel photovoltaic-thermal collector with micro heat pipe array (MHPA-PV/T) [J]. Energy & Buildings, 2016, 124: 60-69.

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

全貞花。

王崗（1987—），男，博士研究生。

北京未來網(wǎng)絡(luò)科技高精尖創(chuàng)新中心項目。

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.