張政，李舒宏

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光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管復(fù)合熱水系統(tǒng)性能模擬

張政，李舒宏

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京， 210096)

針對光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管(PVSA?HP/LHP)復(fù)合熱水系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，對該系統(tǒng)在熱泵(HP)模式獨立運行、環(huán)形熱管?熱泵(LHP?HP)復(fù)合模式運行下的性能進行對比模擬。基于壓縮機耗能最少的原則，分析太陽輻照強度和環(huán)境溫度的變化對LHP?HP模式下合理切換時刻的影響，并以此為基準計算系統(tǒng)在復(fù)合模式下全年各月份的運行狀況。研究結(jié)果表明：在春、秋季典型晴天工況下，將150 L水從15 ℃加熱到50 ℃的運行過程中，LHP?HP模式的平均熱效率和電效率分別比HP模式低37.00%和6.88%，但節(jié)約40.60%的電能；隨著太陽輻照強度的增強以及環(huán)境溫度升高，LHP?HP模式下切換時刻的冷凝水溫升高，壓縮機所消耗的電能減少。在3~11月份晴天工況下，應(yīng)盡量優(yōu)先采用LHP?HP復(fù)合模式運行以節(jié)約電能；在冬季或太陽輻照較低時，則采用HP模式獨立運行。

太陽能熱泵；環(huán)形熱管；切換模式；性能模擬

在清潔能源太陽能的熱利用領(lǐng)域，太陽能熱泵系統(tǒng)以其高效制取熱水的優(yōu)點受到眾多關(guān)注[1?4]。ITO 等[5?7]提出光伏系統(tǒng)與太陽能熱泵結(jié)合的概念，可實現(xiàn)太陽能光伏光熱的綜合利用。JI等[8?9]搭建了光伏太陽能熱泵試驗臺，測試結(jié)果表明其熱效率比普通空氣源熱泵提高了43%。XU等[10?11]采用多孔扁管結(jié)構(gòu)改進集熱器，改進型集熱器比傳統(tǒng)的蛇形盤管結(jié)構(gòu)具有更高的傳熱性能，系統(tǒng)平均性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)提高了5%。CHOW等[12]在我國香港地區(qū)搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng)，全年工況的測試結(jié)果表明夏季太陽輻照充足時熱泵循環(huán)制取的熱水產(chǎn)量是冬季的2倍以上。盡管光伏太陽能系統(tǒng)的制熱性能較好，但持續(xù)運行壓縮機會不斷消耗電能。熱管是依賴其內(nèi)部介質(zhì)的相變來實現(xiàn)熱量傳遞和轉(zhuǎn)移的元件，由于其均溫性和熱二極管特性，近年來已成為太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點[13?14]。PEI等[15?17]提出當太陽輻照較強、外界環(huán)境溫度較高時，采用被動式的環(huán)形熱管系統(tǒng)可有效節(jié)約能源。CHIEN等[18]的研究表明太陽能環(huán)形熱管集熱系統(tǒng)的熱效率比傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)的熱效率高18%。綜合考慮光伏太陽能熱泵系統(tǒng)效率高、熱管系統(tǒng)運行無需額外功耗的優(yōu)點，張龍燦等[19]搭建了光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管系統(tǒng)實驗平臺，其研究結(jié)果表明光伏太陽能熱泵和環(huán)形熱管各自運行時的光電光熱綜合效率分別為78.99%和40.91%，但該研究尚未考慮環(huán)形熱管?熱泵復(fù)合模式的合理切換。本文作者通過建立理論模型，對比實驗數(shù)據(jù)驗證模型的準確性。基于耗能最少的原則，研究LHP?HP復(fù)合模式下加熱熱水過程的運行特性以及不同環(huán)境工況的影響，并以此為基礎(chǔ)計算系統(tǒng)復(fù)合模式在全年各月份下的運行狀況，以便為提高太陽能利用率以節(jié)約電能提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)原理與設(shè)計

光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管復(fù)合系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由太陽能光伏/集熱蒸發(fā)器(PV/T-collector)、壓縮機、內(nèi)置盤管式冷凝水箱、熱力膨脹閥等組成。光伏太陽能集熱/蒸發(fā)器面積為4 m2，結(jié)構(gòu)如圖2所示。截面從上而下依次為鋼化玻璃、電池組件(EVA膠膜+電池片+EVA膠膜+TPT絕緣層)、吸熱鋁板、平行銅管道、保溫層。管道間距為120 mm，銅管內(nèi)徑為9 mm。熱泵壓縮機額定功率為740 W，循環(huán)工質(zhì)采用R134a。

通過閥門切換，系統(tǒng)可在不同模式下運行：

1) HP模式。關(guān)閉閥門3和4，開啟閥門1和2，此時環(huán)形熱管模式關(guān)閉，僅由熱泵模式制取熱水。

2) LHP?HP復(fù)合模式。先關(guān)閉閥門1和2，開啟閥門3和4，工質(zhì)受熱蒸發(fā)后直接進入冷凝水箱，熱量被傳遞后冷凝的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)自身重力回流至PV/T蒸發(fā)器，完成LHP模式循環(huán)；根據(jù)需求再關(guān)閉閥門3和4，開啟閥門1和2，切換為HP模式，工質(zhì)受熱蒸發(fā)并經(jīng)壓縮機加壓升溫后在冷凝水箱中釋放熱量，冷凝后工質(zhì)流經(jīng)膨脹閥節(jié)流再重新進入PV/T蒸發(fā)器，完成HP模式循環(huán)。

圖1 光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管復(fù)合系統(tǒng)原理圖

圖2 集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)模型的建立

為研究光伏太陽能熱泵/環(huán)形熱管復(fù)合系統(tǒng)加熱水的運行特性，對該系統(tǒng)的各組成部件建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模型中除水箱循環(huán)采用動態(tài)模型外，其他部件均采用穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

2.1 太陽能光伏/集熱蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型

太陽輻射透射過玻璃蓋板后進入光伏電池，其中一部分能量散失到外界環(huán)境中，一部分能量轉(zhuǎn)化為電能，剩余絕大部分則轉(zhuǎn)化為熱能被制冷劑吸收。在穩(wěn)態(tài)時，PV/T蒸發(fā)器的熱貯存率為0，其有效的集熱量e為

式中：e為PV/T蒸發(fā)器的有效集熱量，W；s為太陽輻射強度，W/m2；p為集熱板的采光面積，m2；g為玻璃蓋板的透射率；為光伏電池對太陽輻射的吸收率；為電池覆蓋率；pv為系統(tǒng)的電效率；pv(pv)和a(a)為光伏電池工作溫度和環(huán)境溫度，K(℃)；L為光伏電池對環(huán)境的總熱損失系數(shù)，W/(m2?K)。

考慮光伏電池及其封裝材料EVA膠膜、TPT絕緣層的導(dǎo)熱熱阻，忽略光伏電池厚度方向的內(nèi)部溫差，建立PV/T蒸發(fā)器的傳熱熱阻模型，如圖3所示。

圖3 PV/T蒸發(fā)器傳熱熱阻模型

根據(jù)傳熱熱阻模型，L的計算公式為

式中：con和rad分別為光伏電池對外界的對流和輻射損失因子，W/(m2?K)；glass和EVA分別為玻璃、EVA膠膜熱阻，(m2?K)/W。

con和rad的計算公式分別如下[20]：

式中：為玻璃蓋板的發(fā)射率；為Stefan?Boltzmann常數(shù)，W/(m?K4)。

系統(tǒng)的電效率pv隨著光伏電池工作溫度pv的降低而升高。工作溫度每下降1 ℃，系統(tǒng)的電效率平均提高0.4%~0.5%，其具體計算公式為[21]

式中：0為在光伏組件在標準條件(s=1 000 W/m2，吸熱板溫度p=25 ℃)下的系統(tǒng)的電效率，本文取0.11。光伏電池的輸出電功率pv為

PV/T蒸發(fā)器中的制冷劑吸收太陽能后經(jīng)歷相態(tài)變化，2相區(qū)局部換熱系數(shù)tp通過Lockhart?Martinelli參數(shù)計算[22]

式中l(wèi)為制冷劑純液相時的傳熱系數(shù)，以標準的Dittus?Boelter公式計算，tt為Lockhart?Martinelli數(shù)。

l計算公式如下：

式中：l，和分別為制冷劑液相的導(dǎo)熱系數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特常數(shù)；i為制冷劑管內(nèi)徑，m。

在干度范圍內(nèi)對局部傳熱系數(shù)進行積分得到平均傳熱系數(shù)。

2.2 冷凝水箱模型

冷凝水箱采用沉浸式冷凝螺旋盤管結(jié)構(gòu)，對于系統(tǒng)仿真，采用更為方便的集總參數(shù)法建立冷凝器模型。

制冷劑側(cè)流動換熱方程為

式中：r為制冷劑在冷凝器中放出的熱量，W；r為制冷劑循環(huán)量，kg/s；r2和r3分別為冷凝器進、出口的制冷劑焓，J/kg；i為水與制冷劑間換熱系數(shù)，W/(m2?K)；i為內(nèi)表面換熱面積，m2；w和rm分別為水溫和制冷劑冷凝溫度，K。

水循環(huán)側(cè)換熱方程如下：

2.3 熱泵循環(huán)模型

相比熱管循環(huán)仿真算法，熱泵循環(huán)中除了上述太陽能集熱/蒸發(fā)器和冷凝水箱模型外，還需另外建立壓縮機和節(jié)流裝置理論模型。在熱泵系統(tǒng)模型中忽略各管路壓力損失，過冷度和過熱度均取5 ℃。

2.3.1 壓縮機模型的建立

該系統(tǒng)主要關(guān)注壓縮機的實際制冷劑循環(huán)量和輸入功率，其中制冷劑循環(huán)量r由壓縮機工作容積h、轉(zhuǎn)速、容積效率v和進口處制冷劑比容1來確定：

壓縮機輸入功率為

式中：com為壓縮機功率，W；2和1分別為壓縮機出口、進口的制冷劑焓，J/kg；com為壓縮機的總效率。

2.3.2 熱力膨脹閥模型

建立熱力膨脹閥模型時，假定閥門進、出口的焓值相等，即節(jié)流過程為等焓過程。

式中：r,i和r,o分別為熱力膨脹閥進口和出口的制冷劑焓值，J/kg。

2.4 系統(tǒng)性能分析指標

本文模擬中的系統(tǒng)瞬時性能指標為一個計算步長內(nèi)的值，系統(tǒng)平均性能指標為整個運行過程中的值?；跓崃W(xué)第一定律，系統(tǒng)的光電光熱綜合效率pvt為

式中：w為熱水得熱量，W；pv為光伏組件的光電功率，W；c為光伏/集熱的有效集熱面積，m2；th為系統(tǒng)的熱效率；為光伏電池的覆蓋率，=p/c。

系統(tǒng)的電效率pv為

式中：p為光伏電池面積，m2。

光伏太陽能環(huán)形熱管模式的熱效率th,LHP和熱泵模式的熱效率th,HP的計算公式分別如下：

式中：com為壓縮機功率，W。

此外，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP計算公式為

3 模擬及分析

為驗證模擬程序的準確性，本文以文獻[23]中的實驗工況及系統(tǒng)部件參數(shù)為參照，設(shè)置模擬程序的輸入?yún)?shù)，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比。在相同的太陽輻射強度、環(huán)境溫度、水初溫和水終溫條件下，模擬結(jié)果及實驗所得的結(jié)果對比情況如表1所示。結(jié)果表明熱泵模式的加熱時間的相對誤差最大為4.5%，理論計算值均與實驗值較吻合，可用于進一步模擬復(fù)合系統(tǒng)的運行特性。

3.1 典型工況下的運行特性

3.1.1 春、秋季晴天時的運行特性

以太陽輻射強度s為600 W/m2，環(huán)境溫度a為15 ℃為例，分別對HP模式和LHP?HP模式下的加熱過程進行模擬研究。模擬中設(shè)定系統(tǒng)在LHP?HP模式運行下共耗時360 min將150 L升水從15 ℃加熱到50 ℃，以壓縮機耗能最少為原則，且在規(guī)定時間內(nèi)水溫達到目標溫度。計算得出該條件下LHP模式將水溫提升到32.5 ℃時切換為HP模式，再繼續(xù)加熱到50 ℃。

春、秋季晴天典型工況下的運行特性如圖4~5所示。由圖4可知：獨立HP模式下加熱熱水過程總耗時僅為195 min，過程中熱效率從初始的最高值0.745逐漸下降到結(jié)束時的最低值0.570，平均熱效率為0.653。在LHP?HP復(fù)合模式下，LHP運行階段的平均熱效率為0.323，切換為HP模式后，熱效率明顯提高，平均達到0.610，整個LHP?HP模式運行下的熱效率為0.406，比HP模式下低37%。此外，HP模式獨立運行時系統(tǒng)的電效率呈逐漸下降趨勢，平均值為0.113；LHP?HP模式運行時，由于在LHP運行階段流經(jīng)PV/T蒸發(fā)器的制冷劑的蒸發(fā)溫度較高，平均電效率僅為0.101。切換為HP模式后，電效率明顯提升。LHP?HP模式下的平均電效率為0.104。計算得到LHP?HP模式下的光電光熱綜合效率為0.495，相比HP模式下降低33.9%。

從圖5可以看出：HP模式運行時的壓縮機功率隨時間逐漸增大，從0.310 kW逐漸增大到0.598 kW，平均功率為0.460 kW。而COP與壓縮機功率呈相反趨勢，由開始運行時的6.10逐漸下降到結(jié)束時的3.08，平均值為4.33。這是因為開始加熱時水溫相對較低，熱泵系統(tǒng)壓比小，所需電功率小，因此，COP較高。隨著加熱的進行水溫升高，工作壓差不斷增大，而壓縮機運轉(zhuǎn)效率下降，實際耗功持續(xù)增加，因此，COP逐漸減小。制取熱水全過程中，HP模式獨立運行時總耗電量為1.436 kW?h，而LHP?HP復(fù)合模式運行時總耗電量僅為0.853 kW?h，比獨立HP模式節(jié)約40.6%的電能，且COP平均值達到3.51。

表1 模擬值與實驗值的比較

1—HP熱效率；2—LHP?HP熱效率；3—HP電效率；4—LHP?HP電效率；5—HP水溫；6—LHP?HP水溫。

1—HP壓縮機功率；2—LHP?HP壓縮機功率；3—HP COP；4—LHP?HP COP。

3.1.2 冬季晴天時的運行特性

冬季太陽輻照總量和日照時間都較少，經(jīng)模擬可知PV/T蒸發(fā)器內(nèi)只有少量制冷劑工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，制冷劑與冷凝水箱中水之間的溫差不足以持續(xù)提供LHP模式循環(huán)所需的驅(qū)動力，導(dǎo)致LHP模式的熱效率不足20%甚至無法運行，因此，冬季工況宜采用HP模式獨立運行制取生活熱水。以太陽輻射強度為350 W/m2，環(huán)境溫度為5 ℃為例，對冬季晴天時的系統(tǒng)運行特性進行模擬研究，結(jié)果如圖6~7所示。由圖6可知：HP模式運行時需329 min將150 L水從10 ℃加熱到50 ℃。系統(tǒng)的熱效率和電效率均隨加熱時間呈下降趨勢，熱效率由0.749逐漸下降到0.516，平均為0.642；電效率由0.121下降到0.118，平均為0.120，光電光熱綜合效率平均達到0.742。由圖7可知：HP系統(tǒng)COP從5.20下降到2.48，壓縮機耗功從0.248 kW持續(xù)增加到0.494 kW，在冬季典型晴天工況下復(fù)合系統(tǒng)HP模式獨立運行時的COP平均可達3.44，全程共耗電量2.04 kW?h。

綜合以上分析可知：春、秋季典型晴天工況下制取生活熱水，采用LHP?HP模式時加熱時間較長，光伏光熱綜合效率比HP獨立運行模式的低，但能顯著節(jié)約電能，因此，在有較充裕的太陽輻照可以利用條件下，應(yīng)優(yōu)先采用LHP?HP切換模式。在冬季環(huán)境或太陽輻照較少時，LHP模式難以持續(xù)有效運行，僅采用HP模式。

1—HP電效率；2—HP熱效率；3—HP水溫。

1—壓縮機功率；2—COP。

3.2 不同環(huán)境參數(shù)對LHP?HP復(fù)合模式切換的影響

外部環(huán)境工況是影響系統(tǒng)運行的關(guān)鍵因素。在運行LHP?HP復(fù)合模式時，綜合考慮太陽輻射強度和環(huán)境溫度2方面的因素，需要選擇合適的時刻將LHP模式切換為HP模式，以實現(xiàn)加熱熱水過程中的耗電量最少，且能夠在規(guī)定時間將熱水加熱到目標溫度。

對LHP?HP模式在不同太陽輻射強度和環(huán)境溫度條件下的切換運行特性進行模擬，設(shè)定系統(tǒng)運行 360 min將150 L水從15 ℃加熱到50 ℃。模擬中以壓縮機耗能最少為原則制定切換時刻，以冷凝水箱中的水溫為切換參數(shù)，結(jié)果如圖8~9所示。由圖8~9可知：太陽輻照強度越強以及環(huán)境溫度越高，LHP模式運行階段的時間越長，切換時的水溫越高，壓縮機所消耗的電能就越少。在s為450 W/m2，a為10 ℃工況下LHP模式運行了161 min，切換為HP模式時水溫為21.3 ℃，壓縮機耗電量為1.46 kW?h。而在s為 650 W/m2，在a為25 ℃工況下LHP模式運行了 326 min，對應(yīng)的水溫為43.1 ℃，壓縮機耗電量明顯降低，僅為0.34 kW?h。從圖9還可以看出：切換為HP模式運行時，COP隨著太陽輻照強度增加和環(huán)境溫度升高，呈上升趨勢，但幅度并不明顯，這是由于PV/T蒸發(fā)器的得熱量雖然隨環(huán)境工況增加，但切換的水溫也升高而導(dǎo)致壓縮機功率增大，因此，COP受環(huán)境工況影響較小。

1—Es=450 W/m2，切換水溫；2—Es=550 W/m2，切換水溫；3—Es=650 W/m2，切換水溫；4—Es=450 W/m2，環(huán)形熱管運行時間；5—Es=550 W/m2，環(huán)形熱管運行時間；6—Es=650 W/m2，環(huán)形熱管運行時間。

1—Es=450 W/m2，耗電量；2—Es=550 W/m2，耗電量；3—Es=650 W/m2，耗電量；4—Es=450 W/m2，HP COP；5—Es=550 W/m2，HP COP；6—Es=650 W/m2，HP COP。

3.3 全年運行性能分析

根據(jù)南京氣象資料，取各月份的平均太陽輻射強度和環(huán)境溫度為定值，模擬全年各月份工況下HP模式和LHP?HP復(fù)合模式運行性能狀況?；谇懊嫣岢龅那袚Q原則，將150 L水從15 ℃加熱到50 ℃，模擬結(jié)果如圖10~11所示。由圖10可知：在3~11月份，HP模式獨立運行時所消耗電量最高為11月份(平均為1.65 kW?h)，最低為8月份(平均為1.11 kW?h)。而采用LHP?HP復(fù)合模式時各月份消耗的電量均比HP模式的低，其中在11月份時切換水溫最低，為21.4 ℃，所節(jié)約的電能最少，平均為0.21 kW?h。在7~8月份可以僅依靠LHP模式運行，無需切換為HP模式，不消耗任何電能。由圖11可知：HP模式下平均熱效率的變化趨勢實際上與各月份平均太陽輻射強度的變化趨勢基本一致，各月份平均熱效率為0.557~0.685，平均電效率為0.107~0.120。LHP?HP模式下各月平均熱效率為0.365~0.409，平均電效率為0.095~0.107。LHP?HP模式的光電光熱綜合效率全年平均為0.467，比HP模式低36.6%。

圖10 全年月平均耗電量和切換水溫

圖11 全年月平均熱效率和電效率

通過以上對比分析可知：在3~11月份的晴天工況下，應(yīng)盡量優(yōu)先采用LHP?HP復(fù)合模式制取熱水，可有效節(jié)約電能。尤其是在7~8月份，僅依靠LHP模式加熱即可達到目標水溫，無需消耗電量。

4 結(jié)論

1)在春秋季典型晴天工況下，LHP?HP復(fù)合模式的平均熱效率和電效率分別為0.411和0.101，與HP模式相比分別降低37.00%和6.88%；而LHP?HP復(fù)合模式總耗電量為0.853 kW?h，比HP模式獨立運行時節(jié)約40.60%的電能。因此，在有較充裕的太陽輻射量可以利用的春、秋季，應(yīng)優(yōu)先采用LHP?HP復(fù)合模式。冬季太陽輻射少且環(huán)境溫度低，LHP模式難以持續(xù)運行，僅采用HP模式，COP可達3.44，消耗電量 2.04 kW?h。

2) 在LHP?HP復(fù)合模式下，太陽輻照強度越強以及環(huán)境溫度越高，LHP模式運行階段的時間越長，即切換時的水溫越高，壓縮機所消耗的電能就越少。COP隨著太陽輻照強度的增加和環(huán)境溫度的升高而呈緩慢上升趨勢，但受環(huán)境工況影響較小。

3) 在3~11月份，LHP?HP復(fù)合模式下各月份平均熱效率和平均電效率均比HP模式下的低，但耗電量明顯比HP模式下的低。因此，應(yīng)盡量優(yōu)先采用LHP?HP復(fù)合模式制取熱水，可有效節(jié)約電能。尤其是在7~8月份，僅依靠LHP模式加熱即可達到目標水溫，無需消耗電量。

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(編輯 伍錦花)

Performance simulation of photovoltaic solar assisted heat pump/loop heat pipe hybrid water heater system

ZHANG Zheng, LI Shuhong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A numerical model for photovoltaic solar assisted heat pump/loop heat pipe (PV?SAHP/LHP) hybrid water heater system was established. The performances of independent heat pump mode (HP) and loop heat pipe-heat pump switching mode (LHP?HP) were simulated. Based on the least power consumption, the effects of various solar radiation and ambient temperature on optimal switch of LHP?HP mode were analyzed, and the all-year-round operation status was also calculated. The results show that when heating 150 L tank from 15 ℃ to 50 ℃ in typical spring and autumn sunny weather, the average thermal efficiency and electrical efficiency of LHP?HP mode are respectively 37.00% and 6.88% lower than that of independent HP mode, while using the LHP?HP mode saves up to 40.60% power consumption. With the increase of solar radiation and ambient temperature, the optimal switching water temperature of LHP?HP increases and the compressor power consumption decreases. On sunny days from March to November, LHP?HP mode should be in priority-of-use mode to save electricity. HP mode should be used in winter or in low-solar radiation and ambient temperature conditions.

solar heat pump; loop heat pipe; switching mode; performance simulation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.033

TK51

A

1672?7207(2017)12?3392?08

2017?01?06；

2017?02?28

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAJ01B05)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性項目(BY2015070-14)(Project(2014BAJ01B05) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period of China; Project(BY2015070-14) supported by the Industry-Academy-Research Forward-Looking Program of Jiangsu Province)

李舒宏，博士，教授，從事太陽能熱利用研究；E-mail：equart@163.com