陸王琳, 陳 培, 陸啟亮, 鮑佳麒, 劉文杰, 代彥軍

(1．上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240; 2．上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 太陽(yáng)能發(fā)電與制冷教育部工程研究中心,上海 200240)

近幾十年來(lái),全球能源消耗量和溫室氣體排放量快速上升,能源短缺和氣候變暖問(wèn)題日漸嚴(yán)重[1]。其中,建筑領(lǐng)域的能源消耗量占全球能源消耗總量的40%,其溫室氣體排放量也占全球溫室氣體排放總量的30%以上[2],預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年內(nèi)還將保持上升趨勢(shì)[3-4]。因此,大力推動(dòng)可再生能源技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和氣候問(wèn)題的重要途徑。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能光熱技術(shù)被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。由于光伏技術(shù)的快速發(fā)展,太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)(如建筑接觸式光伏(BAPV)[5]、建筑一體化光伏(BIPV)[6])的成本下降,發(fā)電效率得到提高,因而在建筑領(lǐng)域得到快速推廣。太陽(yáng)能光熱技術(shù)(如平板集熱器[7]、真空管集熱器[8])在供暖和生活熱水領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,被認(rèn)為是高效廉價(jià)的技術(shù)途徑。然而,上述2種太陽(yáng)能利用技術(shù)均只能以一種形式對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行利用,太陽(yáng)能綜合利用率不高。此外,對(duì)于光伏組件,未被利用的太陽(yáng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為工作廢熱,使得組件溫度上升,在溫度效應(yīng)下組件發(fā)電效率下降[9],其使用壽命受到影響。

太陽(yáng)能光伏光熱(PVT)技術(shù)[10]是將換熱結(jié)構(gòu)與光伏組件相耦合,通過(guò)集熱介質(zhì)(空氣[11]、水[12]、納米流體[13]、熱泵工質(zhì)[14]等)帶走光伏組件的工作廢熱,在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)、提高太陽(yáng)能綜合利用效率的同時(shí),也提高了光伏組件的發(fā)電效率。其中,直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵技術(shù)是將PVT技術(shù)與熱泵相結(jié)合,可有效提高集熱效率和熱能輸出品位[15]。李冠群[16]對(duì)基于微通道吹脹式組件的直膨式PVT熱泵進(jìn)行了性能仿真,結(jié)果表明,系統(tǒng)全年平均集熱效率可達(dá)71%,全年平均性能系數(shù)(COP)可達(dá)3.0。Zhou等[17]研究了基于微通道組件的直膨式PVT熱泵系統(tǒng),系統(tǒng)發(fā)電效率和集熱效率分別可達(dá)15.4%和56.6%,平均COP為4.7%。Shao等[18]將直膨式PVT組件作為建筑屋頂,并將其與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合,系統(tǒng)的電效率為11.23%,在夏季時(shí),其最大集熱效率可達(dá)120%,最大COP為6.0。Lu 等[19]研究了一種帶補(bǔ)氣增焓的直膨式PVT熱泵熱水系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行性能,當(dāng)供水溫度為50 ℃時(shí),系統(tǒng)在多云的冬季工況下COP為2.59。Yao 等[20]對(duì)一種帶補(bǔ)氣增焓的直膨式PVT熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)境溫度為-10 ℃、輻照強(qiáng)度為500 W/m2時(shí),系統(tǒng)COP可達(dá)4.0。此外,Yao 等[15]搭建了直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析,并證明了其減碳潛力。

目前,對(duì)于直膨式太陽(yáng)能PVT技術(shù)及熱泵系統(tǒng)的研究多集中于組件優(yōu)化[21]以及系統(tǒng)在一定環(huán)境條件下的運(yùn)行性能。針對(duì)環(huán)境條件的時(shí)空差異性對(duì)運(yùn)行性能的影響研究較為缺乏。為充分體現(xiàn)直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能優(yōu)勢(shì),以進(jìn)一步推廣其應(yīng)用,有必要對(duì)系統(tǒng)在不同地區(qū)和環(huán)境條件下的運(yùn)行性能及其波動(dòng)進(jìn)行探究。

筆者通過(guò)建立直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)的仿真模型,結(jié)合不同地區(qū)的環(huán)境條件,分析了系統(tǒng)在不同地區(qū)供暖季內(nèi)的運(yùn)行性能,包括熱力性能、集熱性能和發(fā)電性能,以更好地體現(xiàn)環(huán)境條件的時(shí)空差異性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

1 太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)

直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由光伏發(fā)電模塊和熱力循環(huán)模塊組成。其中,通過(guò)光伏逆變一體機(jī),光伏發(fā)電模塊可將光伏組件產(chǎn)生的直流電存儲(chǔ)至蓄電池,也可將其轉(zhuǎn)化為交流電輸出至電網(wǎng),或用于驅(qū)動(dòng)熱力循環(huán)模塊中的壓縮機(jī)。

圖1 直膨式PVT熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct-expansion PVT heat pump system

熱力循環(huán)模塊由PVT集熱/蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥組成。其中,由光伏組件和吹脹式集熱背板組成的PVT集熱/蒸發(fā)器是該系統(tǒng)的核心部件。在系統(tǒng)工作過(guò)程中,熱泵工質(zhì)(R134a、R410A等)流經(jīng)PVT集熱/蒸發(fā)器的集熱背板,帶走光伏組件發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的工作廢熱,可達(dá)到降低組件溫度、提高組件發(fā)電效率的效果。熱泵工質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)形成蒸汽,過(guò)熱蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)增壓提溫為高溫高壓氣體,經(jīng)壓縮機(jī)出口排出進(jìn)入冷凝器釋放熱量,用以供熱。冷凝后的熱泵工質(zhì)繼續(xù)流經(jīng)膨脹閥進(jìn)行節(jié)流后,流入PVT集熱蒸發(fā)器,完成完整的熱力循環(huán)。

在輻照條件良好的條件下,由于入射太陽(yáng)輻照效應(yīng),直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度可以得到有效提高,相應(yīng)地,其熱力性能相比于傳統(tǒng)空氣源熱泵具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型

圖2給出了直膨式PVT熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。其中,I為組件正面入射太陽(yáng)輻照強(qiáng)度;Ir為背部散射輻射強(qiáng)度;Qe為組件發(fā)電功率;Qc為冷凝功率;Wele為壓縮機(jī)輸入功率;T為溫度;h為比焓;p為壓強(qiáng);下標(biāo)ei、eo分別表示集熱/蒸發(fā)器進(jìn)口和出口,ci和co分別表示冷凝器進(jìn)口和出口,e和c分別表示蒸發(fā)器和冷凝器。

圖2 直膨式PVT熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)模型Fig.2 Thermodynamics model of direct-expansion PVT heat pump system

2.1.1 PVT/蒸發(fā)集熱器

PVT集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和物理模型見(jiàn)圖3。其中,hcv、hrd分別為對(duì)流與輻射傳熱系數(shù),Qth為熱泵工質(zhì)的得熱功率,Ib為背部散射輻射。

圖3 PVT集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和物理模型Fig.3 Structure and physical model of PVT collector/evaporator

組件工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱Qabs為:

Qabs=A[τgαpI(1-ηe)+αbIb]

(1)

式中:A為集熱/蒸發(fā)器面積,m2;τg為PV面蓋玻璃透射率;αp為PV電池吸收率;αb為集熱/蒸發(fā)器下表面吸收率;ηe為PV發(fā)電效率。

光伏發(fā)電效率ηe與組件溫度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

ηe=ηrc[1-βPV(Tp-Trc)]

(2)

式中:ηrc為組件在參考溫度Trc(25 ℃)下的發(fā)電功率;Tp為PV組件溫度,℃;βPV為PV組件的溫度系數(shù),K-1。

PVT集熱/蒸發(fā)器向環(huán)境的熱損失QL為:

QL=ULA(Tp-Ta)

(3)

(4)

式中:UL為總熱損系數(shù),W/(m2·K);Rg、REVA和Rr分別為玻璃面蓋、EVA膠膜和集熱背板的熱阻,m2·K/W;Ta為環(huán)境溫度,℃。

熱泵工質(zhì)的得熱功率Qth即為系統(tǒng)的蒸發(fā)功率,需滿足以下關(guān)系:

Qth=Qabs-QL

(5)

此外,熱泵工質(zhì)的得熱功率還需滿足以下關(guān)系:

Qth=F′[Qabs-AUL(Tw-Ta)]

(6)

式中:Tw為流體平均溫度,℃;F′為集熱/蒸發(fā)器的無(wú)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)和流道內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)有關(guān)[22]。

2.1.2 壓縮機(jī)

流經(jīng)壓縮機(jī)的熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量qm為:

qm=λqV,th/νsuc

(7)

式中:λ為壓縮機(jī)容積效率,其受壓縮機(jī)壓比影響;qV,th為壓縮機(jī)理論輸氣體積流量,m3/h;νsuc為壓縮機(jī)吸氣比容,m3/kg。

壓縮機(jī)功率We為:

We=qm(hci-heo)/ηele

(8)

式中:ηele為壓縮機(jī)電效率[23]。

壓縮機(jī)出口焓,即冷凝器入口焓滿足以下關(guān)系:

hci=heo+(hcs-heo)/ηex

(9)

式中:hcs為壓縮機(jī)等熵壓縮后的焓,kJ/kg;ηex為壓縮機(jī)的等熵效率。

2.1.3 冷凝器與膨脹閥

冷凝功率Qc為:

Qc=qm(hci-hco)

(10)

流經(jīng)膨脹閥前后,工質(zhì)的焓滿足如下關(guān)系:

hco=hei

(11)

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行性能,以系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、性能系數(shù)、單板得熱功率、得熱效率和發(fā)電增益作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別對(duì)系統(tǒng)的熱力性能、集熱性能和發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

性能系數(shù)CCOP為:

CCOP=Qc/We

(12)

發(fā)電增益B為:

(13)

式中:PPVT為直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵的發(fā)電量,kW·h;PPV為外界條件一致的條件下,光伏系統(tǒng)的發(fā)電量,kW·h。

得熱效率ηth為:

ηth=Qth/I

(14)

2.3 模型驗(yàn)證

基于上述理論模型建立了PVT熱泵系統(tǒng)的仿真模型。圖4對(duì)比了實(shí)驗(yàn)與仿真得到的系統(tǒng)瞬時(shí)COP和壓縮機(jī)功耗,以驗(yàn)證模型的可靠性。相比于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,仿真所得的系統(tǒng)瞬時(shí)COP平均誤差為2.1%,壓縮機(jī)功耗的最大瞬時(shí)誤差為3.9%。這表明仿真模型具有可靠性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配置見(jiàn)表1。

表1 PVT熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)配置

3 結(jié)果與分析

針對(duì)太陽(yáng)能PVT熱泵供暖系統(tǒng)在不同地區(qū)(北京、拉薩、蘭州)的日間運(yùn)行性能進(jìn)行仿真。采暖季為每年11月1日至次年2月28日,共4個(gè)月;系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為每日9:00—17:00,共8 h。選取5個(gè)冷凝溫度來(lái)研究具有不同供暖末端(地板采暖、風(fēng)機(jī)盤管、暖氣片)的PVT熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行性能。表2給出了太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)仿真模擬的相關(guān)參數(shù)。

表2 太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

圖5為不同地區(qū)采暖季PVT熱泵系統(tǒng)日均蒸發(fā)溫度的波動(dòng)情況。由于入射太陽(yáng)輻照效應(yīng),在輻照條件良好的條件下,系統(tǒng)日均蒸發(fā)溫度可接近甚至超過(guò)當(dāng)?shù)厝臻g平均環(huán)溫。當(dāng)冷凝溫度為50 ℃時(shí),位于北京和蘭州的PVT熱泵系統(tǒng)的供暖季平均蒸發(fā)溫度分別為1.9 ℃和-0.9 ℃,接近于供暖季平均日間環(huán)溫(2.4 ℃和0.8 ℃)。由于拉薩的PVT熱泵系統(tǒng)平均輻照強(qiáng)度較大,其供暖季平均蒸發(fā)溫度為11.6 ℃,高于其供暖季日間平均環(huán)溫(5.7 ℃)。相比于空氣源熱泵系統(tǒng),PVT熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得到有效提高,預(yù)計(jì)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能將得到顯著改善。

圖5 不同地區(qū)采暖季PVT熱泵日均蒸發(fā)溫度

圖6為各地區(qū)采暖季不同冷凝溫度水平下PVT熱泵系統(tǒng)日均COP的變化情況。在冷凝溫度為50 ℃的條件下,北京、拉薩、蘭州的PVT熱泵系統(tǒng)在采暖季的平均COP分別為3.67、5.01和3.41。PVT熱泵供暖系統(tǒng)在拉薩具有較為顯著的性能優(yōu)勢(shì),較北京和蘭州分別提升了36.5%和44.4%,說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行性能對(duì)輻照強(qiáng)度的變化較為敏感,平均輻照強(qiáng)度的增大可顯著提高PVT熱泵系統(tǒng)的熱力性能。表3給出了各地區(qū)PVT熱泵供暖系統(tǒng)在不同冷凝溫度下的采暖季平均COP以及最冷月的平均COP。在不同冷凝溫度下,相比北京和蘭州地區(qū),系統(tǒng)在拉薩的COP分別提升40%和50%左右。

圖6 不同地區(qū)采暖季PVT熱泵的日均COP

表3 不同地區(qū)PVT熱泵采暖季平均COP以及最冷月平均COP

圖7為各地區(qū)采暖季不同冷凝溫度下PVT熱泵系統(tǒng)日均單板得熱功率的波動(dòng)情況。隨著冷凝溫度的升高,不同城市的PVT熱泵系統(tǒng)日均單板得熱功率均有所下降。當(dāng)冷凝溫度從40 ℃增至60 ℃時(shí),北京、拉薩、蘭州的PVT熱泵系統(tǒng)的采暖季平均單板得熱功率分別下降13.3%、9.3%和12.0%。表4給出了各地區(qū)PVT熱泵采暖季平均單板得熱功率和得熱因子在不同冷凝溫度下的情況。雖然隨著冷凝溫度的升高,PVT集熱/蒸發(fā)器的得熱性能有所下降,但均達(dá)到50%,較之太陽(yáng)能平板集熱器的得熱功率有所提升,說(shuō)明該集熱/蒸發(fā)器具有較為良好的集熱性能。

圖7 不同地區(qū)采暖季PVT熱泵日均單板得熱功率

表4 不同地區(qū)PVT熱泵采暖季平均單板得熱功率/得熱因子

圖8為各地區(qū)不同冷凝溫度下采暖季PVT熱泵系統(tǒng)組件日平均溫度的波動(dòng)情況。在冷凝溫度為50 ℃的條件下,北京、蘭州的PVT熱泵供暖系統(tǒng)在供暖季的日間平均組件溫度分別為5.3 ℃和2.4℃,略高于其供暖季平均日間環(huán)溫(2.4 ℃和0.8 ℃)。隨著冷凝溫度的提高,不同地區(qū)PVT熱泵系統(tǒng)的組件溫度均有一定提升。以安裝在拉薩地區(qū)的PVT熱泵系統(tǒng)為例,隨著冷凝溫度由40 ℃提升至60 ℃,其供暖季日間平均組件溫度由15.7 ℃上升至18.6 ℃。

圖8 不同地區(qū)采暖季PVT熱泵的日均組件溫度

表5給出了在不同冷凝溫度下各地區(qū)PVT熱泵采暖系統(tǒng)采暖季平均發(fā)電效率和發(fā)電增益的情況。由于組件溫度上升,隨著冷凝溫度升高,不同地區(qū)PVT熱泵系統(tǒng)的發(fā)電效率均有所下降。隨著冷凝溫度由40 ℃提升至60 ℃,北京、拉薩、蘭州PVT熱泵系統(tǒng)的發(fā)電增益分別下降0.96%、1.41%和1.18%。在各冷凝溫度下,PVT熱泵系統(tǒng)的發(fā)電增益均在4%以上。

表5 不同地區(qū)PVT熱泵采暖季的平均發(fā)電效率和發(fā)電增益

4 結(jié) 論

(1) 由于太陽(yáng)輻照的效應(yīng),太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度有效提高,接近甚至超過(guò)環(huán)境溫度,相比于空氣源熱泵系統(tǒng),該系統(tǒng)體現(xiàn)出了熱力性能的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)冷凝溫度為50 ℃時(shí),在北京、拉薩和蘭州,直膨式太陽(yáng)能PVT熱泵系統(tǒng)采暖季的平均COP分別為3.67、5.01和3.41。

(2) 當(dāng)冷凝溫度為50 ℃時(shí),在北京、拉薩和蘭州,采暖季系統(tǒng)的平均單板得熱功率分別為541 W、810 W和504 W,得熱因子分別為71.7%、62.0%和79.3%,得熱因子優(yōu)于平板集熱器。隨著冷凝溫度的上升,集熱能力有所下降。

(3) 當(dāng)冷凝溫度為50 ℃時(shí),在北京、拉薩、蘭州,采暖季系統(tǒng)的平均發(fā)電效率分別為20.67%、19.67%和20.92%,相比于純光伏組件,系統(tǒng)的發(fā)電增益分別為4.76%、8.67%和6.10%。