21 世纪以来，全球能源加速消耗，化石燃料的使用造成大量温室气体排放，能源短缺与气候变暖已成为全球问题。能源与环境是我国关乎国民生计与国家安全的重要议题。2012— 2021 年，我国能源消耗总量逐步增长，至 2021 年，我国全年能源消费总量为 52.4 亿t标准煤，比上年增长 5.2%,两年平均增长 3.7%,对能源的需求随经济复苏同步回升[1]。建筑能源消耗是我国能源消耗的重要组成部分，占能源消耗总量的 45%,其产生的温室气体排放占温室气体总排放的 30% 以上[2]。太阳能等清洁能源在建筑用能领域的推广是缓解建筑高耗能、高温室气体排放问题的有效手段[3]。

太阳能以储量大、高效、无污染等优势成为学者们研究的热点[4]。我国面积广阔，太阳能资源尤为丰富，据有关资料显示，我国地平面每年接受到的太阳能辐射年总量在 1 050 ～ 2 450 (kW·h)/m2,折算成标准煤为 17 000 亿t, 俨然成为世界上太阳能资源最丰富的国家之一[5]。此外，热泵技术[6]作为一种通过压缩循环等方式将外界能量搬运至建筑内使用的高效集热技术，是实现建筑低碳排放的重要供热采暖技术。目前，太阳能在建筑领域的应用主要有太阳能光伏发电和太阳能光热利用[7]。在光伏发电实际使用过程中，光伏组件的光电转换效率不高于 20%,其余的能量转换为废热被光伏组件吸收或散失。研究表明，光伏组件表面温度每升高1 K,其发电效率会降低约 0.5%[8]。太阳能光伏光热一体化热泵(以下简称“PVT热泵”)[9-10]多联供系统是太阳能光伏光热综合利用技术与热泵技术的有机结合，通过对光伏组件、太阳能集热器和热泵蒸发器的耦合，利用集热介质收集光伏发电过程中光伏组件受太阳辐射产生的废热，并通过热泵技术加以利用，可以在不增加组件占地面积的前提下，根据环境条件与负荷需求调节工作模式，实现在同一套系统上输出热能和电能的一机多用的目的，提高了能源转化效率和设备利用率。

国内外相关研究人员已对PVT热泵系统展开了研究。王祥达等[11]耦合PVT蒸发器和风冷式蒸发器技术，研发了一种复合型PVT热泵系统，对该系统的冬季工况运行性能进行实验研究，结果表明，系统节约耗电量30 ～ 280 W,系统性能系数(COP)最高提高约 38%。张兰兰[12]提出了一种PVT-储能系统，该系统在应用PVT组件的同时也将某种聚光器与复合材料加以利用，采取理论与实验结合的方法研究系统热电特性，发现相变材料与聚光器改善了光伏组件表面过热和温度不均的问题，提升了电输出功率。周超[13]设计了吹胀板式PVT组件及PVT热泵热电冷多联供系统，对热泵系统夏季的热电冷运行特性进行试验研究，结果显示，系统白天平均发电效率为 13.6%,COP为 6.16,对比常规光伏组件发电量增加了10%～15%。Liang等[14]开发了一种可应用于建筑立面的 PVT 组件，该组件可实现电能与热水的热电联产，并能够大幅减少建筑的全年热负荷。Abu-Rumman等[15]将PVT技术与地源热泵系统耦合，结果表明，光伏组件的发电效率提高约 10%,热泵系统 COP 提高了1.5以上。Lu等[16]开发了一种具有补气增焓功能的PVT热泵系统，对其在冬季的运行性能展开研究，结果表明，在冬季阴天情况下系统 COP 约为 2.3。Liu等[17]研发了一种新型聚光PVT水源热泵系统，对系统性能的理论分析结果表明，系统平均发电效率为 9.4%,平均热效率为 54.8%。高燕飞等[18]针对 PVT 组件电热耦合系统建立数学模型，探究方管平板系统的热电性能，发现多方管系统效率比单方管系统高 3.1%。

PVT组件作为PVT热泵系统的关键部件，其组成在功能上可分为能实现光电转换的光伏组件和能实现热能收集的集热背板两部分。目前，主流的直膨式PVT组件[19]将两部分一并生产制造(以下称为“一体式 PVT 组件”),对于太阳能PVT 热泵系统技术的研究多集中于一体式 PVT 组件。而对于已经建设了光伏组件的场景，在既有光伏组件的基础上安装集热背板将其改造为 PVT 组件(以下称为“分体式 PVT 组件”),并对其运行性能的相关研究还较少。为完善 PVT 组件的性能，拓宽 PVT 热泵技术的应用场景，有必要对分体式PVT组件所构成的 PVT 热泵系统的运行性能进行研究。

笔者在已有市场成熟光伏组件产品的基础上，通过在光伏组件后添加集热背板，组装成分体式PVT 组件，通过搭建分体式 PVT 热泵试验台，在不同气候条件下进行分体式 PVT 热泵系统性能试验，分析不同环境条件下分体式 PVT 热泵系统的性能特征，验证在既有光伏组件的基础上加装集热背板的技术实施可行性。

1、分体式PVT 热泵试验系统

1.1 分体式 PVT 组件组装方式

如图1所示，为保证吹胀式集热背板恰好能够放入光伏组件铝边框中，所设计的吹胀式集热背板的尺寸略小于既有光伏组件铝边框，并在集热背板上对应光伏组件接线盒位置处设计并预留有略大于接线盒尺寸的开口。集热背板的冷媒管路布置应尽量覆盖光伏组件电池面积，其冷媒管路接口应为背出方式，背板与光伏组件间接触面应涂有导热硅脂、导热凝胶，或加装导热垫片强化传热。集热背板与既有光伏组件安装完毕后，组成的分体式 PVT 组件通过特质固定件可直接安装固定在原有光伏组件支架上，冷媒管路可通过特制铝/铜接头与分体式 PVT 组件连接，如图2所示。

图1 分体式 PVT 组件吹胀式集热背板结构图

图2 分体式 PVT 组件的安装方式及冷媒管路连接示意图

1.2 分体式PVT热泵系统试验台系统与配置

试验台架采用2块分体式太阳能 PVT 组件作为直膨式热泵系统的集热/蒸发器，采用单级压缩机实现热泵系统运行。所搭建试验台架由最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracker, MPPT)太阳能控制器、蓄电池、直流(DC)负载、气液分离器、单级转子压缩机、储热水箱(含冷凝盘管)、电子膨胀阀和分体式 PVT 组件组成。试验台系统原理图如图3所示。

试验台安装地点为上海市闵行区(121°E,31°N),朝正南安装，安装倾角为 30°,光伏组件长 1.68 m, 宽 1.0 m, 厚 35 mm。试验台基础框架由铝型材搭建而成，试验台框架与光伏组件间加装有C型钢支架，特制固定件与 C 型钢相匹配。控制电柜内为系统供电和采集模块接线，采集模块包括有辐照采集、温度采集和压力采集。温度和压力采集的布置位置如图3所示，在温度采集模块中，水箱中温度测点 T7 采用铠装方式，其余所有 PT100 铂电阻传感器均使用卡箍直接捆绑在铜管管壁上，并用铝箔纸缠绕增强传热效果，另外在分体式 PVT 组件出口到储热水箱的冷媒管路做了保温。压缩机采用单级定频压缩机(0.75 HP)。储热水箱容量为 150 L,内置冷凝盘管。试验台主要参数如表1所示。

图3 分体式 PVT 热泵系统原理图

表1 试验台主要参数

1.3 试验台传感器参数与测点

分体式PVT 热泵系统试验台架的传感器参数见表2,通过温度、压力、辐照、输出电流、电压和功率等系统运行参数的检测，可以对分体式 PVT 热泵系统性能进行分析。其中，温度传感器布置于 PVT 组件进出口、压缩机进出口、冷凝器出口、电子膨胀阀出口、水箱和外界环境中，根据 PVT 热泵的系统原理及布置情况，冷凝器出口可认为是电子膨胀阀入口状态，压缩机出口可认为是冷凝器入口状态。由于水箱内水的温度沿高度方向会发生分层现象，因此，水箱中的温度传感器布置点位于水箱中部，测量数据视为水温的平均值。

表2 试验台传感器型号参数

2、系统性能评价指标及误差分析

2.1 性能评价指标

PVT组件的性能评价指标包括发电性能和集热性能评价两方面，具体见表3。

表3 PVT 组件性能评价指标

PVT热泵系统的性能评价指标包括系统供热功率、制热 COP、压缩机压比和无量纲压力损失系数等。

2.1.1 PVT组件评价指标

单位面积发电功率定义为组件发电输出功率除以组件太阳能电池板有效面积：

式中：Pe为单位面积发电功率，W/m2;Pe, output为组件发电输出功率，W;Asc为组件太阳能电池板有效面积，m2。

发电效率ηe定义为单位面积发电功率除以太阳辐射强度：

式中：I为太阳辐射强度，W/m2。

单位面积集热功率定义为组件总得热功率除以组件集热面积：

式中：qth为单位面积集热功率，W/m2;Qth, output为组件总得热功率，W;Aca为组件集热面积，m2

得热因子定义为单位面积集热功率除以太阳辐射强度，与集热效率定义一致：

2.1.2 PVT 热泵系统评价指标

系统供热量可近似为冷凝侧获得热量，定义为水箱中(内置冷凝器盘管)水的得热量：

式中：Qheat为系统供热量，J;Qcond为冷凝侧得热量，J;

w为水箱中水的总质量，kg;cp为水的比热容，J/(kg·K);Tw,out为水箱出口温度，℃;Tw,in为水箱进口温度，℃。

系统供热功率则为系统在单位时间内的供热量除以测试时间：

式中：Pheat为系统供热功率，W;T为测试时间，s。

系统的能效比ηCOP定义为系统供热功率除以系统运行功率(即压缩机功率):

式中：Pcom为系统运行功率，W

压缩机压比定义为排气压力(即冷凝压力)除以吸气压力(即蒸发压力):

式中：εCR为压缩机压比；pcond为冷凝压力，Pa;peva为蒸发压力，Pa

无量纲压力损失系数p′定义为蒸发压力损失除以蒸发平均压力

式中：ploss为蒸发压力损失，Pa;pave为蒸发平均压力，Pa;peva,in为蒸发器吸气压力，Pa;peva,out为蒸发器排气压力，Pa。

2.2 误差分析

通过误差分析可确定各个参数的可靠性与准确性。假设间接参数y,可通过直接测量的参数x1,x2,…,xn计算所得，其函数关系如下：

假设Δx1,Δx2,…,Δxn为直接测量参数x1,x2,…,xn对应的测量误差(各直接测量参数互相独立),则间接参数y的最大不确定度Δy为

而间接参数y的最大相对误差可由下式计算：

根据2.1节系统性能评价指标与表2的传感器误差，可计算得到各个参数的最大不确定度，结果见表4。

表4 系统性能指标最大不确定度

3、结果与分析

3.1 晴天典型日日间性能测试

选取2023年5月9日晴天典型日日间测试工况见表5,系统运行时间为10:10—13:15,运行时长共计 185 min。水箱初始水温为 29.2 ℃,终止水温为 60.6 ℃。

表5 晴天典型日日间测试工况

图4(a)给出了晴天典型日测试期间辐射强度和环境温度的变化。测试期间辐射强度在 792.0～900.4 W/m2变化，平均辐照强度为 857.6 W/m2,波动范围较小，属上海地区春季典型晴日工况，最大辐照强度出现在 11:30—11:45 。环境温度在 23.9～27.0 ℃ 范围内变化，平均环境温度为 25.1 ℃。

图4(b)给出了分体式 PVT 组件单位面积发电功率与组件发电效率随时间的变化曲线。测试期间，单位面积发电功率与发电效率均呈先上升后下降的趋势，分析原因为测试初期光伏组件表面积积蓄大量废热，随着集热背板进行废热利用，发电效率逐渐升高，且辐射强度逐渐增大，发电功率也随之增加，而随着组件发电后持续向蓄电池充电，电量达到一定阈值后 MPPT 限制了电功率，受蓄电池限制及辐射强度下降的综合影响，自 11:35 后发电功率与发电效率呈下降趋势。组件单位面积最大发电功率为 112.3 W/m2,最大发电效率为 13.2%,单位面积平均发电功率与平均发电效率则分别为93.7 W/m2和 10.9%。

图4 晴天典型日环境参数及分体式 PVT 系统测试性能

图4(c)给出了分体式 PVT 组件单位面积集热功率与得热因子随时间的变化曲线。得热因子开机时为66%,随后整体呈下降趋势直至停机。组件在低温时也可以从环境中吸热，此时组件为太阳能/空气源蒸发器的双源蒸发器，而随着蒸发温度逐渐升高，得热因子逐渐下降，运行期间的平均得热因子为 48%。组件单位面积集热功率也呈现相同趋势，集热功率的最大值为 671.2 W/m2,平均集热功率达到411.1 W/m2。

图4(d)为晴天工况下水侧得热功率与系统制热 COP 随时间的变化曲线。系统 COP 从启动时的 5.64逐渐下降至停机状态，这是因为随着水箱内水温上升，得热因子呈现下降趋势。在水温由 29.2 ℃ 上升至 55 ℃ 的时段内，系统运行平均 COP 为 4.11,在相同工况下相比于空气源热泵提高了 约8.2% 的系统性能。

表6给出了晴天典型日日间测试结果。可以看出，当终止水温为50.9 ℃ 时，系统平均 COP 达到 4.44,瞬时最大 COP 为 6.13;当终止水温达到 55.0 ℃ 时，系统平均 COP 为 4.11;当终止水温为 60.6 ℃ 时，系统平均 COP 为 3.74。

表6 晴天典型日系统日间测试结果

3.2 多云典型日日间性能测试

选取2023年6月14日多云典型日日间测试工况如表7所示，系统运行时间为10:38—12:48,运行时长共计 130 min。水箱初始水温为 34.6 ℃,终止水温为 60.4 ℃。

图5(a)给出了多云典型日测试期间辐射强度和环境温度的变化。测试期间辐射强度在283.8～ 866.6 W/m2变化，平均辐射强度为 663.7 W/m2,波动范围较大，符合多云天气气候特征，在10:45 —10:58辐射强度明显低于其他测试时间段；环境温度在31.2～34.0 ℃范围内变化，平均环境温度为32.7 ℃。

表7 多云典型日日间测试工况

图5(b)给出了多云典型日工况分体式 PVT 组件的发电情况。由于多云天气辐射强度频繁变化，运行初期单位面积发电功率及发电效率受辐射强度骤变的影响呈现较大幅度的波动，而后受 MPPT 影响逐渐下降，两者总体均呈现下降趋势。在10:48时组件的瞬时发电效率达到 19.9%,超过了光伏组件的标称发电效率。考虑到较低的平均辐射强度对单位面积发电功率的减弱作用小于其对发电效率的提升作用，因此多云典型日下的 PVT 组件发电效率要优于晴天典型日。

图5(c)给出了多云典型日分体式 PVT 组件的集热情况。在 10:43 —10:53 组件的得热因子大于 100%,表明此时组件有一部分热量来自于太阳辐射能，另一部分从环境中吸热，而随着蒸发温度逐渐升高，单位面积集热功率与得热因子也随之逐渐下降，运行期间的平均得热因子为 71%,表明组件拥有较为良好的集热能力。多云工况下的得热情况略优于晴天工况，分析原因为多云工况下的环境温度较高， PVT 系统从环境中获得的热量对得热因子影响较大。

图5 多云典型日环境参数及分体式 PVT 系统测试性能

图5(d)给出了多云工况下分体式 PVT 热泵系统的水侧得热功率与系统制热COP的情况。系统 COP 从启动时的 6.3 逐渐下降至停机状态，水侧得热功率与系统 COP 呈现同步变化的趋势，在水温由34.6 ℃上升至 55.5 ℃ 的时段内，系统运行平均 COP 为4.20,在相同工况下系统性能相比于空气源热泵提高了约10.5% 。

表8给出了多云典型日日间测试结果。可以看出，当终止水温为50.7 ℃时，系统平均 COP 达到 4.58,瞬时最大 COP 为 6.3;当终止水温达到 55.5 ℃ 时，系统平均 COP 为 4.20;当终止水温为 60.4 ℃ 时，系统平均COP 为 3.84。

表8 多云典型日系统日间测试结果

3.3 分体式PVT组件均温性和均流性

图6为晴天日间辐照条件下分体式 PVT 组件表面的温度分布情况。可以看出，集热背板对光伏组件降温效果明显，光伏组件运行温度均低于 40 ℃;在铜管的进出口、接线盒等位置温度较高，说明这些部分的接触热阻较高，使得组件均温性有了近 4 K 的波动，表面最高温度为 38.4 ℃。

图6 分体式 PVT 组件温度分布

图7为晴天典型日运行期间压缩机压比、分体式 PVT 组件无量纲压力损失的变化曲线。压缩机压比是压缩机效率优化的重要表征，压比过大，表明压缩机耗功较大，运行性能较差，系统效率较低。运行期间压缩机压比基本呈线性上升趋势，最大压比为3.09,平均压比为 2.62,表明系统始终保持高效运行。无量纲压力损失系数能够直观地反映分体式 PVT 组件内热泵工质的流动情况，运行期间保持在0.030～0.047,而平均无量纲压力损失系数为 0.041,处于较低水平，表明热泵工质在 PVT 组件集热背板内均流性较好，流动阻力较小。

图7 压缩机压比、分体式 PVT 组件无量纲压力损失曲线

4、结论

本文将集热背板与既有的光伏组件以一种方式安装，形成分体式PVT 组件，并搭建分体式 PVT 热泵系统试验台，分别在晴天与多云典型日工况下进行试验，相关结论如下：

(1) 对于发电性能，安装的集热背板能够带走光伏组件在发电过程中受太阳辐射而积累的废热，使光伏组件表面温度降低，发电效率提高。运行期间组件的最大发电效率达到19.9%,超过了光伏组件的标称发电效率。受辐射强度的影响，本试验多云工况下的发电效率优于晴天工况。

(2) 对于集热性能，随着蒸发温度的升高，得热因子会逐渐下降。晴天典型日平均得热因子为 48%,集热功率的最大值为671.2 W/m2,平均集热功率达到411.1 W/m2;多云典型日平均得热因子则为 71%,受较高环境温度影响而略好于晴天工况。多云工况下得热因子会出现大于 100% 的情况，说明热泵系统集热不仅来自太阳辐射，还能从环境中吸收热量。

(3) 对于系统热力性能，晴天典型日系统平均 COP 为 4.11,在相同工况下相比于空气源热泵提高了 8.2%,多云典型日系统平均 COP 则为4.20,相同工况下较空气源热泵提高了 10.5%。

(4) 对于组件均温性和均流性，本文试验中的分体式 PVT 组件在运行时表面温度均低于 40 ℃,在铜管的进出口、接线盒等位置会出现局部的高温，最高温度为 38.4 ℃。无量纲压力损失系数则保持在 0.030～0.047 ,均流性较好。

参考文献:

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基金资助:上海成套院科技发展基金资助项目(202201124J);

文章来源:陆王琳,李政,姜山.分体式太阳能PVT热泵系统试验运行性能分析[J].动力工程学报,2024,44(10):1574-1581.