基于太阳能光伏光热组件的双热源热泵机组的实验研究

陈剑波　孙坤　聂琳杰　陈雷田（上海理工大学环境与建筑学院　上海　00093；上海安悦节能技术有限公司　上海　00083）

基于太阳能光伏光热组件的双热源热泵机组的实验研究

陈剑波1孙坤1聂琳杰1陈雷田2
（1上海理工大学环境与建筑学院上海200093；2上海安悦节能技术有限公司上海200083）

本文基于太阳能光伏光热一体化系统，设计出应用太阳能光伏光热及空气源的双热源热泵机组。使热泵与太阳能光伏光热组件结合组成太阳能热泵系统，利用太阳能光伏光热组件（PV/T）内循环水及空气源的能量制取生活热水，同时降低太阳能光伏光热组件内循环水的温度，从而降低太阳能光伏板的温度。通过实验测得机组在水冷蒸发侧进水温度20℃，热水出水温度50℃的额定工况下，制冷量为2.855 kW，制热量为3.594 kW，COP为3.6。机组在水-水工况及水-风工况下运行的节能性研究结果表明，相对于单一空气源热泵，双热源热泵机组在满足家庭用生活热水需求的前提下，利用热泵技术回收太阳能光伏光热的热量制取生活热水节能性显著。

光伏；空气源热泵；制冷量；性能系数

从二十世纪七十年代开始，很多人就深入研究了太阳能热泵系统。1955年，Sporn P等［1］通过实验研究提出了“直膨式太阳能热泵”的概念。研究表明，直膨式集热结构可同时提高热泵机组和太阳能集热/蒸发器的性能。Chaturvedi S K等［2-3］通过研究指出，其他条件一定的情况下，压缩机容量与集热器面积是否匹配直接影响系统的热力性能；减小压缩机转速（RPM）或增大集热器面积虽然可以提高热泵COP，但集热器效率会显著降低。通过对DX-SAHP的仿真研究，他指出，DX-SAHP的热力性能深受压缩机转速、制冷剂性质、负荷温度以及集热面积的影响。旷玉辉等［4-6］通过搭建太阳能热泵供热系统实验台，对太阳能冬季供暖工况进行实验研究，指出在整个供暖测试期内，系统在未使用辅助热源的情况下，热泵机组平均供热系数为2.55，整个系统平均供热系数为2.19，并且集热器的平均集热效率高达67.2％。之后建立了直膨式太阳能热泵热水器实验样机，蒸发器采用裸板式太阳能集热器，在室内模拟光源（0～1000 W/m2）下，对热水器进行性能测试，得出热泵平均COP为4.18，热水平均加热功率为1.04 kW。裴刚［7］以R22为介质设计了光伏—太阳能热泵样机（PV-SAHP）。通过对系统进行数值模拟以及实验研究，得出的结论是：与普通的光伏模块相比，PV-SAHP系统的光电效率提高了16.3％。徐国英等［8］设计了采用普通铜管和多孔铝扁管两种集热/蒸发器结构的太阳能光伏光热一体化热泵系统，通过对两种不同集热结构性能模拟及分析，得出结论是采用多孔铝扁管集热结构比采用铜管集热结构电输出功率约提高2％，采用多孔铝扁管的热泵系统的月平均COP在4.23～5.54之间，平均输出电功率为82～133 W。Comakli O等［9］通过热力学理论分析建立了分离式太阳能热泵系统模型，指出热泵的COP与太阳能集热器的面积和蓄热水箱的蓄热材料和蓄热水量的质量都有很大关系。张超等［10］通过采用数学模拟的方式对太阳能-空气双热源复合热泵技术的制热量与COP进行了研究，结果表明太阳能-空气源双热源复合热泵系统的制热量和COP均高于单一空气源热泵系统。关欣等［11］、穆志君等［12］分别通过实验方式对光伏热水系统进行分析，通过冷却光伏背板的温度来对比PV/T系统与PV系统太阳能光伏发电效率。结果表明，在日照条件良好的天气，PV/T组件比PV组件平均电效率可相对提高5.1％～9％。基于上海理工大学的光伏光热一体化系统，本文研制了一台双热源热泵机组，并进行了机组在水冷蒸发器侧不同进水温度工况下制取相同温度热水的性能测试；机组在水冷蒸发器侧相同进水温度工况下制取不同温度热水的性能测试；机组在水-水工况及水-风工况下运行的节能性研究。

图1　双热源热泵机组工作原理图Fig.1 The working schematic of double heat source heat pump unit

1　双热源热泵机组的工作原理

如图1所示，本双热源热泵机组是一种具有两个独立蒸发器（风冷蒸发器、水冷蒸发器）制冷循环的热泵系统［13］。当有充足的太阳能可利用时，开启调节阀2，关闭调节阀1，热泵机组采用水冷蒸发器制冷循环，利用太阳能来制取生活用热水，同时降低光伏光热板的温度，提高光伏板发电效率。当阴雨天或太阳能不足时，开启调节阀1，关闭调节阀2，开启风冷风机，热泵机组采用风冷蒸发器制冷循环，利用空气源来制取生活用热水。

2　双热源热泵机组的设计及太阳能光伏光热系统的优化设计

2.1热泵机组方案设计

双热源热泵机组设计原理图如图2所示。该系统主要部件包括压缩机、冷凝器、水冷蒸发器、风冷蒸发器、循环水冷却泵、循环热水泵、两套外平衡热力膨胀阀、两套电磁阀、储液器、干燥过滤器、高低压保护开关等部件。

图2　双热源热泵机组设计原理图Fig.2 The design schematic of dual heat source heat pump unit

2.2热泵机组的自动控制方式

作为实验样机，本文采用PLC作为热水系统控制器。当机组在水-水工况下运行时，主要通过压缩机启停控制热水出水温度，通过集热泵的启停控制光伏光热板冷却水的进水温度；当机组在水-风工况下运行时，主要通过压缩机启停控制热水出水温度，通过风冷蒸发器风机的调速来控制蒸发温度。同时PLC控制器还实现系统开机和停机程序、系统多项安全保护等［14］。

2.3太阳能光伏光热系统的优化设计

如图3所示，本系统是在上海理工大学原有的太阳能光伏光热系统的基础上进行的优化设计，增加了双热源热泵机组、循环水冷却泵、循环热水泵和热水箱等部件。夏季或者过渡季节比较热的工况下，原有的风冷式散热器不能有效降低蓄热水箱的水温度，随着热量的累积，水温度越来越高，最后并不能有效降低光伏板的温度，提高发电效率。双热源热泵机组可以不断把蓄热水箱的热量带走，转移到热水箱，使蓄热水箱的水温保持恒定温度，通过集热泵不断地降低光伏板的温度，使之拥有较高的发电效率。

图3　太阳能光伏光热系统原理图Fig.3 The schematic diagram of solar photovoltaic thermal system

3　实验及结果分析

3.1实验内容

实验的主要内容包括：机组在水冷蒸发器侧不同进水温度工况下制取相同温度热水的性能测试；机组在水冷蒸发器侧相同进水温度工况下制取不同温度热水的性能测试；机组在水-水工况及水-风工况下运行的节能性研究。

3.2实验工况

本双热源热泵机组既可在水-水工况下运行，又可在水-风工况下运行。因此，机组的运行工况范围可以达到水源热泵机组运行的工况，也可以达到空气源热泵机组运行的工况。由国家标准GB/T19409— 2013《水 （地）源热泵机组国家标准》［15］、GB/ T23137—2008《家用和类似用途的热泵热水器》［16］、GB/T21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》［17］及实际应用情况，确定实验测试工况：冷凝器水侧热水出水温度为45℃、50℃、55℃三个工况；水冷蒸发器侧进水温度工况分别为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃；室外侧模拟环境温度工况分别为-7℃、-5℃、2℃、7℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃。

3.3实验方法

本实验是在符合国家标准的空调焓差综合实验室内完成的。该实验室可以提供两路稳定的水系统及恒定的室外环境，以保证机组在上文提出的实验工况下运行。

实验样机的压缩机、冷凝器、蒸发器等重要部件上布置有温度和压力测点，在数据采集仪和样机显示屏上读取其数据；在焓差实验室室外侧布置空气温湿度测点，实时记录实验样机运行时环境工况的变化；采用数字功率表记录被测样机的电压、电流、功率等。采用数据库的方式保存数据，便于随时查询、显示和调用。

3.4不同水温工况下制取50℃热水的实验分析

图4所示为压缩机吸排气压力随蒸发器侧进水温度的变化。由图4可知，随着水冷蒸发器侧进水温度的升高，压缩机的吸排气压力略有上升，但总体上变化不大，最后，吸气压力稳定在0.43 MPa左右，排气压力稳定在1.95 MPa左右。

图4　压缩机吸排气压力随蒸发器侧进水温度变化Fig.4 The aspiration and exhaust pressure of compressor varied with inlet water temperature of the evaporator

图5所示为压缩机吸排气温度随蒸发器侧进水温度的变化。由图5可知，压缩机的吸排气温度随水冷蒸发器侧进水温度的升高而升高，当水冷蒸发器侧进水温度低于25℃时，压缩机的吸排气温度曲线变化比较平缓，但当水冷蒸发器侧进水温度高于25℃时，曲线的升高趋势变化比较剧烈。当蒸发器侧进水温度达到30℃时，压缩机的吸气温度达到23.6℃，排气温度达到82℃。

图6所示为机组制热（冷）量和耗功率随蒸发器侧进水温度变化。由图6可知，机组的制热量、制冷量均随水冷蒸发器进水温度的升高逐渐升高。当水冷蒸发器侧进水温度达到30℃时，机组的制热量为5.221 kW，制冷量为4.607 kW。当机组蒸发侧进水温度为低温10℃时，机组的制热量为2.409 kW，仍然可以稳定运行。机组的耗功率随着蒸发侧进水温度的升高有缓慢上升趋势，最终基本稳定在1.032 kW左右，说明机组在蒸发器侧进水温度10～30℃范围内的不同工况下运行，是比较稳定的。

图5　压缩机吸排气温度随蒸发器侧进水温度变化Fig.5 The aspiration and exhaust temperature of compressor varied with inlet water temperature of the evaporator

图6　机组制热（冷）量和耗功率随蒸发器侧进水温度变化Fig.6 The heating（cooling）capacity and power of the unit varied with inlet water temperature of the evaporator

3.5水温20℃工况下制取不同温度热水的实验分析

图7所示为压缩机吸排气压力随出水温度变化。由图7可知，随着机组制热水温度的升高，机组的排气压力不断升高，在制热水温度为50℃时，机组的排气压力达到1.802 MPa；而机组的吸气压力随着机组热水温度的升高趋势不是很明显，基本维持在0.358 MPa左右。

图7　压缩机吸排气压力随出水温度变化Fig.7 The aspiration and exhaust pressure of compressor varied with the temperature of the outlet water

图8　压缩机吸排气温度随出水温度变化Fig.8 The aspiration and exhaust temperature of compressor varied with the temperature of the outlet water

图8所示为压缩机吸排气温度随出水温度变化。由图8可知，机组的排气温度随着机组制热水温度的升高而升高，当机组制热水温度为55℃时，机组的排气温度为66.8℃。机组的吸气温度随机组制热水温度的升高呈现略微升高趋势，最后达到13.1℃。

图9所示为机组的制热（冷）量和耗功率随出水温度变化。由图9可知，随着机组制取热水温度的升高，机组的制热量、制冷量均逐渐降低。当机组出水温度为50℃时，机组的制冷量为2.855 kW，符合设计要求的2.5 kW额定制冷量，此时机组的制热量达到3.594 kW，高效制取了生活热水。机组的耗功率随着机组制热水温度的升高而增大，当机组制取热水的温度达到55℃时，机组的耗功率为1.074 kW。

3.6双热源热泵机组的能效分析

图10所示为机组COP随蒸发器侧进水温度的变化。由图10可知，随着蒸发器侧进水温度的升高，机组的COP也随之升高。当机组蒸发器侧进水温度为额定工况20℃，热水出水温度为50℃时，机组的COP达到3.6。当进入机组蒸发器侧的水温为比较低的10℃，制取50℃的热水时，机组的 COP为2.63，此时机组依然可以有效地制取生活热水。当蒸发器侧进水温度达到30℃，制取热水温度为50℃时，机组的COP达到5.05，在此工况下运行，机组不仅稳定可靠，而且十分高效。

图9　机组的制热（冷）量和耗功率随出水温度变化Fig.9 The heating（cooling）capacity and power of the unit varied with the temperature of the outlet water

图10　机组COP随蒸发器侧进水温度的变化Fig.10 The COP of the unit varied with inlet water temperature of the evaporator

3.7双热源热泵机组的节能性分析

图11所示为机组COP随蒸发器侧进水温度或环境温度的变化。由图11可知，随着双热源热泵机组水冷蒸发器侧进水温度或环境温度的升高，机组COP会随之升高。当温度大于20℃时，水-水工况下的COP性能曲线比水-风工况下的COP性能曲线变化剧烈。当温度小于20℃时，两种工况下的COP性能曲线变化趋势相同，且两曲线相近。

图11　机组COP随蒸发器侧进水温度或环境温度变化Fig.11 The COP of the unit varied with inlet temperature ofthe evaporator side water or outside temperature

由上海地区全年气象参数及上海理工大学太阳能光伏光热实验系统实验数据可知，全年太阳能光伏光热板温度超过25℃的天数比例约为80.7％。全年工况下，双热源热泵机组有将近270 d可以利用太阳能高效制取生活用热水，同时降低太阳能光伏光热板温度，提高发电效率，达到双重节能效果。

在冬季时，环境温度一般都远低于10℃，甚至达到0℃以下。此时机组运行时，即使蒸发测进水温度为最低温度10℃时，水-水工况下的COP值也大于水-风工况下的COP值。12月太阳能光伏光热板温度超过15℃的天数比例为67.7％，1月为57.2％，3月为77.8％。即使在冬季最冷的1月，机组也有将近18 d可以较高效利用太阳能制取生活用热水，同时更好地解决空气源热泵在较低温度下运行时需要除霜的问题。

在阴雨天太阳能不能满足制取生活用热水时，可开启机组水-风侧，此时机组以空气源热泵工作。这样，机组既可以保证常年不间断供应生活用热水，也达到最大程度的节能性。

图12　水箱温度随时间的变化Fig.12 The water tank temperature varied with time

图12所示为双热源热泵机组应用在太阳能光伏光热系统中水箱温度随时间的变化。由图12可知，7：45时刻开启双热源热泵机组，在7：45～11：45期间未对PV/T组件进行降温时，500 L蓄热水箱的水温度从26.77℃降低到17.54℃，降低了9℃。11：45时刻开启集热泵，对PV/T组件进行降温，在12：00～14：15时，蓄热水箱的水温度从19.45℃上升到23.99℃，增加了4℃左右，说明经过2 h温度升高4℃进行了蓄热；在14：30～17：30期间从23.95℃下降到20.22℃，下降了3.7℃左右，蓄热水箱的水温度基本维持在22℃左右，蓄热水箱水温的基本恒定确保了机组的连续运行，且运行范围符合要求10～30℃之间。热水水箱水温度从30℃升高到50℃需要1.5 h左右，经过计算，20 L热水水箱的热量为2.6 kW，选型时的额定制冷量2.5 kW的设计选型基本满足。从7：45开双源热泵机组到17：30停机共10 h的工作时间内，机组基本可以运行4个周期，制得800 L热水。

4　结论

1）本文分别对双热源热泵机组在不同水温工况下制取50℃热水和水温20℃工况下制取不同温度热水进行实验研究，通过对机组压缩机的吸排气压力和温度的实验结果分析可知，双热源热泵机组在水冷蒸发器侧进水温度范围为10～30℃，制取45～55℃生活用热水时，运行稳定、可靠。

2）对机组在水温20℃工况下制取不同温度热水进行实验研究，由机组的制冷量、制热量和功率实验结果分析可知，在水冷蒸发器侧进水温度20℃，热水出水温度50℃设计工况下，机组的制热量为3.594 kW，制冷量为2.855 kW，COP达到3.6，满足样机设计要求，同时机组运行稳定、可靠、高效。

3）分别对机组在水冷蒸发器侧进水温度10～30℃工况下制取45～55℃热水进行实验研究，由机组的COP实验结果分析可知，随着水冷蒸发器侧进水温度的升高，机组的COP上升。当进入机组蒸发器侧的水温为较低的10℃、制取热水的温度为50℃时，机组的COP为2.63。当蒸发器侧进水温度达到30℃、制取热水温度为50℃时，机组的COP达到5.05，说明机组具有高能效性。

4）分别对机组在水冷蒸发器侧进水温度10～30℃下制取50℃热水和环境温度-7～30℃下制取50℃热水进行实验研究，通过对机组的COP实验结果分析和上海地区的气象参数分析比较可知，双热源热泵机组比单一的空气源热泵机组具有高效性和节能性。同时，机组能保证一年四季不间断提供生活用热水，达到最大节能性。对机组应用在太阳能光伏光热系统中蓄热水箱和热水箱水温的变化进行研究，由水箱水温变化结果分析可知，机组能够连续稳定运行，并且满足设计要求。

本文受上海市太阳能分布式发电前端集成技术研究与示范项目（CXY-2013-49）和沪江基金（D14003）项目资助。（The project was supported by the Shanghai Technology Research and Demonstration Program of Solar Distributed Generation Front Integration （No.CXY-2013-49）and the Hujiang Fund（No.D14003）.）

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About the corresponding author

Sun Kun，male，master degree candidate，School of Environment &Architecture，University of Shanghai for Science&Technology，+86 18301976852，E-mail：skhndc@163.com.Research fields：solar，indoor air purification.

Experimental Research of Dual-source Heat Pump Unit Based on Solar Photovoltaic and Photothermal Component

Chen Jianbo1Sun Kun1Nie Linjie1Chen Leitian2
（1.School of Environment&Architecture，University of Shanghai for Science&Technology，Shanghai，200093，China；2.Shanghai AnYo Energy-Efficiency Technology Co.，Ltd.，Shanghai，200083，China）

Based on the solar photovoltaic-thermal integrated system，we designed a dual-source，i.e.，solar photovoltaic-thermal and air source，heat pump unit.The unit becomes solar assisted heat pump system when combined with solar photovoltaic thermal unit，which produces domestic hot water by air source and circulating water in the solar photovoltaic solar-thermal components（PV/T）and reduces circulating water temperature and solar photovoltaic panel temperature.We drew the conclusion by experiment that when the inflow water temperature is 20℃ on the evaporation side and the outflow hot water temperature is 50℃ under the rated conditions，the unit capacity is 2.855 kW for refrigeration and 3.594 kW for heating，and the COP is 3.6.When the unit operates in the water-water condition and water-air condition，the experiment result shows the dual-source heat pump unit has remarkable energy-saving compared with single air source heat pump when the photovoltaic-thermal solar heat is used for domestic hot water.

solar potovoltaic；air-source heat pump；refrigerating capacity；coefficient of performance

TQ051.5；TK511.3

A

0253-4339（2015）05-0049-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.049

2015年1月14日

简介

孙坤，男，在读硕士研究生，上海理工大学环境与建筑学院，18301976852，E-mail：skhndc@163.com。研究方向：太阳能，室内空气净化。