太阳能空气双热源热泵系统性能实验

引 言

基于光伏光热技术的太阳能直膨热泵系统（PV/T-DXHP）具有结构简单、高效节能等特点，是近年来太阳能综合利用的一种新形式。针对光伏光热蒸发器（PV/TE）的结构优化和PV/T-DXHP 系统的运行特性，国内外研究学者已从理论和实验等角度进行研究[1]。Ji等[2]采用管板式PV/TE 与热泵系统相结合，对系统能量转换过程进行分析，与独立运行的光伏光热组件和热泵系统相比，其COP 和电效率均有提升。Mohanraj等[3-4]对比圆管和三角管的管板式PV/T-DXHP 系统的运行性能，研究表明三角管比圆管COP提升约3%～5%、电效率提升约4%～13%。徐国英等[5]对采用多孔扁管式结构的PV/TDXHP 系统进行研究，与管板式结构相比，COP 提升约7%、热效率提升约6%。Zhang 等[6-9]设计吹胀式结构PV/TE 并建立热泵系统实验装置，其夏季时COP 和电效率可达7.18 和11.8%，冬季时约3.45 和7.51%。Shao 等[10-11]将上述系统与建筑屋顶相结合并进行实验研究，研究表明该系统可降低建筑得热量约39.9%、日负荷约38.6%。

目前，研究学者已对管板式、流道式和吹胀式结构的PV/T-DXHP 系统进行深入研究，但对热管式PV/T-DXHP 系统研究却相对较少[12-14]。由于热管具有传热性能强、均温性好等特点，其与PV/TDXHP 系统结合具有很好的应用前景。Fu 等[15-16]采用热管式光伏光热组件与热泵系统进行集成，对其运行性能进行研究，在太阳能热泵模式下运行时，其热效率约61.1%～82.1%、电效率约8.3%～9.1%。但是上述系统在热泵模式下蒸发器是以管板式结构进行集热的，未充分发挥热管的作用，同样的情况也出现在Li等[17-18]的研究中。Zhang 等[19-22]采用圆柱形热管对PV/T-DXHP 系统进行改造，在室外测试条件下，其电效率、热效率和总效率约9.13%、39.25%和48.37%，COP可达5.51以上。但是受圆柱形热管的形状限制，其与换热元件间的接触面积有限、热阻偏大，一定程度上影响了系统性能[23]。

为优化热管式PV/TE 的结构、提升PV/T-DXHP系统性能，在前期研究的基础上[23-26]，本文将平板微热管阵列光伏光热组件改造为新型光伏光热蒸发器（photovoltaic-thermal evaporator with flat micro heat pipe array, MHPA-PV/TE），设计研发一种新型太阳能-空气双热源热泵系统（solar energy and air dual-heat-source heat pump system, DHS-HP），它可以同时从太阳辐射和环境空气中吸收热量，实现多能互补，提升系统的综合性能。为深入分析该系统的运行性能，本文对近似工况下太阳能供热模式和双热源供热模式下DHS-HP 系统的运行性能进行研究，分析不同模式运行特点、优化系统运行策略，旨在为该系统的实际应用提供指导。

1 DHS-HP系统

1.1 MHPA-PV/TE结构

图1为平板微热管阵列，其具有接触热阻小、传热能力强、可靠性高等特点[27-28]。图2 为MHPA-PV/TE，其利用平板微热管阵列对传统PV/TE 结构进行简化，从上到下依次为光伏组件、平板微热管阵列、制冷剂换热器、空气换热器和风机、保温层等。其中，光伏组件采用单晶硅，总面积约1.86 m2，发电面积约1.79 m2；每个平板微热管阵列尺寸为950 mm×120 mm×3 mm，均匀布置于电池背部；制冷剂换热器采用微通道扁管，尺寸为1950 mm×100 mm×10 mm，固定于热管背部上方，两个风机均安装于其背部，提升与环境空气的换热能力；热管背部的其余区域敷设15 个空气换热器，尺寸均为850 mm×120 mm×20 mm；保温层厚度约30 mm，被粘贴在空气换热器背部，以减少热损失。此外，每个换热元件接触面间均填充有导热硅胶，以减少接触热阻。

1.2 DHS-HP实验平台

图1 平板微热管阵列示意图Fig.1 Schematic diagram of flat micro heat pipe array

图2 MHPA-PV/TE示意图Fig.2 Schematic diagram of MHPA-PV/TE1—光伏组件;2—平板微热管阵列;3—空气换热器;4—保温层;5—制冷剂换热器;6—风机

图3 为DHS-HP 实验平台，包括MHPA-PV/TE、压缩机、贮热水箱、毛细管、套管换热器等部件。其中，采用MHPA-PV/TE 的同时，本系统还设置了风冷换热器作为辅助蒸发器，通过双蒸发器的相互补充，用以提升系统的适用范围。通过梳理已有相关系统的选型参数[2-22]，1HP 压缩机对应光伏光热蒸发器面积约2～5 m2，单位面积光伏光热蒸发器对应水箱容积约26～92 L。结合本系统的特点，实际选用2块光伏光热蒸发器（单块面积为1.86 m2），1HP 定频转子压缩机，水箱容积为200 L，制冷剂为R22。该实验平台在供热工况下具有3 种运行模式：①太阳能供热模式（S 模式）。当白天晴朗、日照充足时，电磁阀5-1 和5-3 开启、5-2 和5-4 关闭，MHPA-PV/TE背部风机处于关闭状态，以太阳能为主要热源进行供热；②太阳能-空气双热源供热模式（SA模式）。当白天多云、日照不足时，电磁阀5-1 和5-3 开启、5-2 和5-4 关闭，MHPA-PV/TE 背部风机处于开启状态，以太阳能和环境空气为热源进行供热；③空气源供热模式（A 模式）。当白天阴天或夜间时，电磁阀5-1 和5-3 关闭、5-2 和5-4 开启，以环境空气为主要热源进行供热。此外，根据使用需求的变化，该系统还可以通过开启四通换向阀6，利用单向阀组10，实现制冷空调的功能。测试仪器和传感器参数如表1所示。其中，热电阻用于采集水箱、蒸发器进出风、冷凝器进出水和MHPA-PV/TE 背板等温度；热电偶用于采集蒸发器、冷凝器等部件中制冷剂的温度。流量、温度和压力等数据均通过Agilent A进行记录，周期为10 s。

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