面向建筑能源脱碳的双热源PV/T热泵供热性能研究

《Results in Engineering》：Heating performance of a dual-source PV/T heat pump with potential for building energy decarbonization

　　

本研究提出了一种新型太阳能/空气源直接膨胀（Direct-Expansion，DX）光伏/热（Photovoltaic/Thermal，PV/T）热泵系统，其中单个带翅片PV/T单元可同时作为太阳能蒸发器和空气蒸发器运行，从而实现紧凑的系统构型并降低结构复杂性。研究人员基于有限差分法，在MATLAB中建立了瞬态数值模型，用于模拟耦合传热、制冷剂热力学及系统能量平衡。该模型通过已发表实验数据进行了验证，性能系数（coefficient of performance，COP）与压缩机功耗的相对误差均在10%以内，表明模型具有良好的预测精度。研究在宜宾气候条件下评估了系统性能。结果表明，PV表面温度冬季为11°C、夏季可达53°C，对应电效率为13.9%–15.4%，热效率约为55%。系统峰值输出约为230 W电功率和1181 W热功率，供热模式下最大COP超过5.0。参数分析表明，冷凝压力由12 bar升高至20 bar时，COP由5.3下降至3.3；而更高太阳辐照度虽可提高总能量输出，但同时会加剧与PV温度相关的损失。上述结果表明，所提出的一体化PV/T-热泵系统能够为建筑供热应用提供高效、稳定的热能与电能，并在基于可再生能源的建筑能源利用方面具有应用潜力。

该文发表于《Results in Engineering》，围绕建筑领域低碳化与可再生能源高效利用问题，提出并评估了一种新型太阳能/空气源直接膨胀（Direct-Expansion，DX）光伏/热（Photovoltaic/Thermal，PV/T）热泵系统。研究背景在于：建筑部门约占全球能源消耗与温室气体排放的40%，在中国，建筑相关能耗占全国总能耗比例持续上升，照明、家电、供暖和制冷用电需求不断增长，使建筑脱碳成为实现2050年净零排放（Net Zero Emissions，NZE）的关键环节。净零能耗建筑（Net Zero Energy Building，NZEB）强调建筑年度能耗与可再生能源发电相平衡，因此PV/T与热泵耦合系统被视为重要路径。这类系统可同时输出电能与热能，理论上能够降低化石能源依赖、提高能源利用效率并保障全年能源供应。

然而，现有PV/T辅助热泵系统仍存在若干突出问题。首先，多数系统主要依赖单一热源，特别是太阳辐射，在夜间或阴天低辐照条件下性能明显衰减。其次，已有双热源系统虽然通过太阳能与空气热源耦合提升了运行稳定性，但通常采用彼此独立的PV/T集热器和空气源蒸发器并联或串联布置，导致结构复杂、占地增加、连接管路增多及初投资上升。正是在这一问题导向下，研究人员提出一种结构集成的新方案：利用单个紧凑型带翅片PV/T单元，同时承担太阳能蒸发器与空气侧蒸发器功能，以期在保证双热源取热能力的同时，简化系统结构并减少安装空间。

研究人员针对该构型建立了完整的瞬态数值模型，对多层PV/T集热器、蛇形制冷剂流道、压缩机、水箱冷凝器及系统能量平衡过程进行了耦合求解。结果表明，该系统能够在宜宾典型气候条件下稳定运行，兼顾电输出与供热输出。模型验证结果显示，模拟所得COP与压缩机功耗相对于文献实验数据的误差均控制在10%以内，冷凝量与蒸发量加压缩机功耗之间的能量平衡误差约为0.9%，说明模型在热力学一致性和预测能力方面具有较高可靠性。研究结论指出，该一体化双热源PV/T热泵系统在供热工况下表现出较高且稳定的效率，峰值电功率约230 W、峰值热功率约1150–1181 W，最大COP超过5.0，并在建筑供热和建筑能源脱碳方面展现出较大应用潜力。

研究采用的主要技术方法包括：基于MATLAB建立瞬态数值求解框架；对玻璃、EVA、PV电池层、Tedlar背板、吸热板及带翅片换热管建立一维非稳态传热模型；采用有限差分法（finite-difference method，FDM）进行空间离散与显式时间推进；结合R134a制冷剂热物性与压缩机、冷凝器、水箱子模型进行热泵循环仿真；利用CoolProp热物性数据库更新制冷剂状态参数；并选取文献中直接膨胀太阳能/空气辅助热泵热水器实验结果进行模型验证，气象工况数据来自中国宜宾的代表性季节条件。

在研究结果部分，论文按照不同主题系统展示了所提系统的动态响应与参数影响规律。

6.1. Hourly simulation results of the proposed PV/T-HP system
该部分分析了宜宾不同季节代表日下系统逐时运行特征。研究表明，PV组件温度受太阳辐照度与环境温度共同影响，冬季最低约11°C，夏季接近53°C。随着PV温度升高，受光伏电池负温度系数影响，电效率下降；但冬季较低的环境温度有助于抑制PV运行温度，提高单位辐照下的能量转换有效性。研究人员进一步给出了逐时电功率与热功率变化，结果显示夏季输出最高、过渡季次之、冬季最低；其中7月4日中午电功率峰值约230.4–237.9 W，热功率峰值约1152–1181 W。逐时能量结果同样呈现明显的午间峰值，说明系统输出与太阳辐照日变化高度一致。对于冷凝能力与水温，夏季冷凝能力最高，13:00附近约2696.3 W，水温在16:00可达32.4°C；冬季冷凝能力和水温均较低。蒸发能力与COP分析表明，7月4日蒸发能力峰值约2195.4 W，COP最高约5.38；4月27日COP约5.27–5.30；1月1日约为5.25，说明系统在全年代表工况下均可维持较高供热效率。

6.2. The influence of solar radiation on the PVT-HP performance
该部分考察太阳辐照度变化对系统性能的影响，并在环境温度20°C条件下开展参数分析。结果表明，热效率随辐照度增加而明显下降：低辐照下约为90%，当辐照度超过400 W/m²后稳定在53%–58%左右。这一现象源于辐照增强使PV及集热器温度升高，进而增加向环境的散热损失。与此同时，电效率也随辐照度上升而略有下降，由约15.4%降至13.9%，原因同样是PV温升导致的温度惩罚效应。尽管效率下降，系统绝对输出随辐照度单调增加：热功率由100 W/m²时的217.2 W增加至900 W/m²时的1017.3 W，电功率由30.9 W增至225.3 W，流体出口温度也由16.5°C升至30.8°C。进一步地，冷凝能力与蒸发能力均随辐照度提高而增加，在100 W/m²时蒸发能力约1884.2 W、冷凝能力约2326.4 W，在900 W/m²时分别增至2056.7 W和2532.2 W，系统COP由约4.5提高至7.2。该结果说明太阳辐照增强不仅提高可获得能量，也强化蒸发侧取热过程，从而改善热泵循环性能。

6.3. The influence of ambient temperature on the PVT-HP performance
该部分研究环境温度对系统性能的影响，在太阳辐照度500 W/m²条件下进行分析。结果表明，环境温度升高会使PV表面温度近线性增加，由2°C环境下的约14.14°C升至33°C环境下的约44.1°C。受此影响，电效率由16%下降至13.9%；相反，热效率由58.6%升至64.9%，说明较高环境温度可通过减小集热器与环境间温差来降低热损失，从而提升热能利用率。在输出层面，平均热功率由656.4 W升至1006.7 W，平均电功率则由约160 W降至139 W，流体出口温度由9°C升至28.4°C，进一步印证了环境温度升高有利于热输出而不利于电输出的权衡关系。对于热泵循环性能，蒸发能力随环境温度上升而增加，由1990 W升至2083.5 W；文中同时给出冷凝能力变化趋势及COP提升规律，COP由低环境温度下约4提高至33°C时约9.1，表明较高环境温度有利于制冷剂蒸发并降低压缩机相对负荷。

在此基础上，论文还分析了冷凝压力与储水箱水质量的影响。研究显示，冷凝压力由12 bar升高至20 bar时，冷凝能力由2345.96 W降至2108.64 W，蒸发能力由1990 W降至1458.3 W，COP由5.26显著下降至3.24，说明较高排气压力会恶化热泵热力循环并增加压缩功需求。储水箱分析则表明，水质量越大，单位热输入下温升越小：当水质量约7 kg时，出口水温接近30.7°C；增至24 kg时，水温降至24.7°C。该结果说明储热水箱尺寸需结合末端用热温度要求进行优化配置。

综合讨论部分可见，所提出的一体化带翅片PV/T蒸发器通过移除传统PV/T背部保温层、在蛇形铜管上附加半切铝翅片，实现了在同一物理构件内同时从太阳辐射和环境空气吸热。与传统双蒸发器系统相比，该方案在不引入额外蒸发器和附加管路的前提下，提高了结构紧凑性并降低了系统复杂度。数值结果证明，该系统在宜宾气候条件下具有稳定的供热能力、良好的电热联供特征以及较高的COP，适用于建筑供热、生活热水及低碳建筑能源系统场景。

研究结论部分可译述为：本研究开发并评估了一种新型太阳能/空气源直接膨胀PV/T热泵系统，该系统采用一体化带翅片PV/T单元，在单一紧凑结构内同时从太阳辐射和环境空气取热。与采用分离式蒸发器的传统双热源构型相比，该设计在保持稳定热电性能的同时，显著降低了系统复杂度与安装空间需求。研究人员建立了基于有限差分法的MATLAB瞬态模型，用于描述多层PV/T集热器中的耦合传热、制冷剂热力循环以及水箱蓄热过程。模型经已发表实验数据验证后表明，COP与压缩机功耗相对误差均小于10%，能量平衡偏差约为0.9%，证明了仿真框架的可靠性与热力学一致性。结果显示，系统行为对太阳辐照度与环境温度高度敏感。PV表面温度由冬季约11°C变化至夏季近53°C，导致电效率因PV电池负温度系数而由15.4%降至13.9%；然而，夏季较高辐照度仍带来最大的绝对输出，峰值电功率与热功率分别约为230 W和1150–1181 W。冬季虽然总输出较低，但由于热损失较小，单位辐照下能量转换有效性更高。在代表性季节工况下，系统供热COP稳定维持在约5.2–5.38。参数分析表明，太阳辐照度升高可提高蒸发能力、冷凝能力、流体出口温度和总能量输出，但会因PV运行温度升高而轻微降低电效率；环境温度升高则可通过减小热损失和促进制冷剂蒸发来提升热效率、蒸发能力和COP，但不利于电性能。相反，冷凝压力升高会显著降低供热能力和COP，凸显中等排气压力运行的重要性。储热水箱分析表明，在相同供热输入下，较小储水量可获得更高出口水温。总体而言，该一体化PV/T-热泵系统在宜宾气候条件下表现出稳定且高效的供热性能，并能同步输出热能与电能，是建筑供热与低碳建筑能源系统中的一种有前景的可再生能源技术路线。