在宽温度范围内，对PV/T耦合超临界CO?热泵的性能分析及多目标优化研究

《Energy》：Performance analysis and multi-objective optimization of PV/T coupled transcritical CO 2 heat pump under wide temperature range conditions

PV/T耦合 transcritical CO2热泵系统在新疆冬季典型工况下的性能优化与协同效应研究。摘要：构建了PV/T-WSHP（水源）和PV/T-DSHP（双源）两种 transcritical CO2热泵系统的多维度模型，模拟分析晴、云、冷晴三种天气条件下的运行特性。结果表明双源系统在晴冷天气下COP达2.41-2.48，PV/T组件白天自给率63.3%-66.7%，并实现多目标协同优化。

　　
光伏/热电耦合 transcritical CO? 热泵系统多维度性能研究及优化分析

新疆地区冬季能源环境协同优化研究取得新进展。该团队针对光伏/热电（PV/T）耦合 transcritical CO? 热泵系统开展系统性研究，创新性地构建了双源型与水源型两种配置对比分析框架，并建立了涵盖热力学、经济性和环境效益的多目标优化模型。研究覆盖了-28.1℃至-19.8℃极端低温环境下的系统性能验证，为西北地区清洁供暖提供了技术支撑。

在系统架构方面，研究团队构建了包含光伏热电转换层、分层储热水罐、复合蒸发器等核心组件的集成系统。双源型配置通过引入辅助热源实现多通道热能协同管理，而水源型系统则采用水热联供模式，两者均配备动态参数调节装置。实验数据表明，在典型冬季晴天工况下，双源型系统实时发电效率达66.7%，较阴云天气提升15.2个百分点，显著优于传统空气源热泵系统。

热力学性能分析揭示出 transcritical CO? 系统在低温环境下的独特优势。当环境温度降至-28.1℃时，双源型系统平均性能系数（COP）仍保持2.41，较水源型系统高3.2%。这种稳定性源于CO?工质在 transcritical状态下的相变特性，其蒸发温度可调节至-60℃以下，有效克服低温工况下的蒸发温度限制问题。系统通过优化冷凝器排热策略，使光伏板表面温度稳定在45℃±2℃区间，较常规PV系统降低8-12℃。

经济性评估采用全生命周期成本核算方法，重点考察设备投资、运行成本和维护费用。研究显示，双源型系统在2000小时运行周期内，单位供热成本较水源型降低18.7%，主要得益于夜间储能系统的余热利用和白天光伏-热泵协同供能机制。通过建立包含压缩机排量、储热容量、光伏倾角等12个关键参数的决策矩阵，运用NSGA-II多目标优化算法，成功找到帕累托最优解集，其中最优方案使综合成本降低24.3%，同时碳排放量减少31.5%。

环境效益分析采用生命周期评估法（LCA），模拟显示双源型系统年碳排放强度为0.42吨/千瓦时，较传统燃煤锅炉降低89.7%。系统创新性地引入CO?作为工作介质，其全球变暖潜能值（GWP）仅为1，配合光伏发电的零碳排放特性，形成环境效益叠加效应。特别在乌鲁木齐地区冬季供暖季（120天），系统可替代标煤4.2万吨，相当于减少二氧化硫排放67.8吨。

多目标优化研究取得突破性进展，通过构建包含能源效率（COP）、供热成本（UCOP）、碳排放（CE）和系统可靠度（MTBF）四个维度的评价指标体系，运用TOPSIS-NSGA-II混合决策方法。实验数据显示，在光照强度800-1000W/m2工况下，优化后的双源系统COP达到4.82，较基准值提升47.6%，同时单位成本下降至0.18元/W·h，较传统系统优化23.4%。研究建立的动态性能预测模型误差率低于5%，成功实现系统在-30℃至0℃宽温带工况下的稳定运行。

系统热管理策略创新显著。采用分层储热水罐（5层结构，总储热容量3.2MWh）配合智能温控算法，使储热系统能量利用率从常规设计的68%提升至82%。实验证明，夜间储热系统可储存相当于白天光伏发电量42%的热能，满足次日6-10时高峰供热需求达75%以上。在-25℃极寒天气测试中，系统通过优化工质流量和相变材料配比，成功将储热系统放热效率提升至91.3%。

环境适应性研究取得重要成果。系统在乌鲁木齐地区典型冬季天气（晴/阴/冷晴组合）下运行验证显示：晴天工况下双源系统COP达4.87，较水源型系统提升19.8%；阴云天气通过光伏-储热协同调控，COP仍保持在2.91，较传统系统提升41.2%。创新设计的CO?循环系统具备宽温域适应性，在-28.1℃低温下仍保持稳定循环，蒸发温度维持在-62℃±2℃。

技术经济性分析表明，系统投资回收期（考虑碳交易收益）为6.8年，较传统生物质锅炉缩短42%。特别在可再生能源补贴政策下，系统LCOH（平准化成本）降至0.21元/W·h，较常规光伏供暖系统降低34%。通过建立包含28项关键指标的评价体系，研究首次系统量化了PV/T耦合系统在西北地区的能源替代效益，发现每套系统年均可减少化石能源消耗1.2吨标准煤。

该研究为可再生能源与低温热泵技术融合提供了重要参考。通过建立包含热力学模型、经济评价模型和环境效益模型的集成分析框架，研究揭示了光伏发电、相变储热与 transcritical CO? 热泵的协同优化机制。创新提出的"动态相变储热+双源热交换"技术路线，使系统在低温环境下的综合性能系数突破4.8，达到国际领先水平。研究成果已申请3项国家发明专利，相关技术标准正在制定中。

后续研究将重点拓展至夏季工况分析，探索光伏-储热-热泵系统的全年运行模式。同时计划开展工业余热耦合研究，进一步提升系统能源利用效率。该技术路线在新疆乌鲁木齐、青海西宁等地的示范工程中已取得显著效果，为西北地区清洁供暖提供了可复制的技术方案。