基于质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的热泵辅助温室降温废热升级策略

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Heat pump-assisted waste heat upgrading strategy for greenhouse cooling using a proton exchange membrane fuel cell-based combined cooling and power system

　　

## 摘要

将质子交换膜燃料电池（PEMFC）集成到温室能源系统中，为实现冷热电三联供提供了一条有前景的途径，但燃料电池废热的低温限制了其在吸附式制冷机再生中的直接使用。提温热泵可将这种低品位热升级为适合驱动制冷循环的温度水平。尽管已有研究证明了基于燃料电池的冷热电三联供系统的可行性，但考虑到废热温度水平和时序匹配的运行优化仍较为有限。本研究开发并验证了一个集成了质子交换膜燃料电池和提温热泵的温室制冷系统动态模型，并确定了废热提温成为有利的运行条件。在相同的氢气输入下，运行时间窗口的改变使净发电量从04:00–10:00工况的+3.6 kWh/天变为16:00–22:00工况的-4.4 kWh/天，表明与制冷需求的时间匹配至关重要。将燃料电池运行温度从50 °C提高到80 °C，可使所提出系统的净发电量从1.7 kWh/天提升至7.8 kWh/天，并逐步减少对主动提温的需求，在评估条件下约60 °C以上提温需求几乎可以忽略不计。在最不利的情况下，需要额定性能系数约为5.2的热泵才能实现正向净发电。这些发现为废热提温的有利热力学和时序条件提供了定量洞察，并为提高温室制冷应用中净发电量的燃料电池运行策略提供了实用指导。

## 引言

温室农业需要电力、供暖和制冷的协调供应，制冷需求的增长使得能源管理成为受控环境农业中的核心问题[1]。近期的一项系统性综述也报告称，制冷运行可能占据温室环境控制能耗的主导份额[2]。在此背景下，能够在发电的同时回收和再利用热量的综合能源系统在温室应用中日益受到关注。Vadiee等人表明，一台3 kW的质子交换膜燃料电池（PEMFC）可满足1000 m2温室约25%的年用电需求和10%的供暖需求；然而，他们也强调低品位PEMFC废热的实际利用仍然困难[3]。

基于PEMFC的冷热电三联供（CCP）和冷热电三联供系统在温室以外的应用中已展现出明确的系统级潜力。Elmamoun等人报道了住宅PEMFC冷热电三联供系统在燃料消耗和碳排放方面的减少[4]；Chahartaghi和Kharkeshi通过将PEMFC系统与吸收式制冷机耦合，获得了较高的能量和?效率[5]；Ning等人表明，基于PEMFC的冷热电联产可在减排的同时保持对电力与热力负荷不匹配的敏感性[6]。这些研究支持了基于燃料电池的综合能源系统的优势，但它们并未直接解决在温室大且时变制冷需求下，低温PEMFC废热能否被有效利用的问题。

对于废热驱动的制冷，吸收式和吸附式制冷具有不同的技术优势。吸收式制冷在具有足够高且稳定的驱动温度时可提供连续制冷和相对有利的热力性能。Sornumpol等人分析了使用质子导电固体氧化物燃料电池和LiBr吸收式制冷机的三联供工艺[7]；Gwak等人评估了高温PEMFC与吸收式制冷的结合[8]；Cozzolino评估了低温PEMFC微型冷热电三联供系统与半效应LiBr吸收式制冷机的结合[9]。然而，当回收热源温度较低且时间可变时，吸收式制冷并不那么直接可行。吸附式制冷的热力性能系数通常较低且为循环运行，但它可以使用更低品位和间歇性的热源，并且可以与蓄热耦合。这一特点对于温室制冷非常重要，因为温室制冷需求、太阳能热可用性和可回收的燃料电池废热都在动态变化。

因此，多项研究调查了燃料电池驱动的吸附式或混合制冷系统。Naseem等人将高温PEMFC与吸附式制冷机耦合，报告了全系统效率从32.0%提升到39.8%[10]；Zhao等人表明燃料电池-吸附式制冷机运行对瞬态运行条件敏感[11]；Xu等人通过实验证明了PEMFC与吸附式制冷机之间的瞬态热匹配[12]。Cai等人分析了PEMFC驱动的综合发电和混合制冷系统，其中低温燃料电池废热被吸附式制冷机利用，辅助制冷设备在不同气候条件下供应剩余制冷需求[13]。在后续研究中，Cai等人对PEMFC驱动的CCP系统进行了能量、?和实物流优化，表明了系统级运行条件选择的重要性[14]。

面向温室的PEMFC三联供研究也从构型分析发展到实验验证和运行策略开发。Bui等人通过能量和?分析选择了三联供构型[15]；Park等人研究了用于温室制冷和制热的燃料电池热电联产系统[16]；Bui等人考察了园艺应用中的运行策略[17]。最近的温室制热研究开发并验证了基于燃料电池的、与太阳能热、电热泵和主动热回收相结合的三联供系统[18]、[19]。对于温室制冷，Choi等人研究了废热和太阳能在混合吸附式制冷机-蒸气压缩热泵系统中的协同集成[20]。这些研究建立了温室能源系统中混合化、热回收和运行策略的可行性与重要性。在一个基于SOFC的温室三联供系统中，Ham等人报告了相对于风冷涡旋制冷机参考系统年度总功率减少最多达9%，尽管制冷季电力消耗因废热回收所需的额外功率而增加最多达6.2%[21]。

然而，对于基于PEMFC的温室制冷，一个特定的运行条件问题仍然不够清晰。硅胶-水吸附式制冷机通常需要在约70–95°C范围内的再生热[22]，而低温PEMFC系统的冷却液温度往往低得多。Rezk和Al-Dadah还表明，吸附式制冷机性能受再生温度水平强烈影响[23]。因此，核心限制不仅是可回收燃料电池废热的数量，还包括其温度质量和相对于制冷需求及吸附式制冷机再生需求的时序。如果增加提温热泵（TLHP）来克服这种不匹配，则TLHP消耗的电力必须与增加的吸附式制冷所节省的电动制冷机电力进行权衡。

因此，本研究确定了提温热泵辅助PEMFC废热提温在温室制冷中成为有利的运行条件。所提出的系统提升低品位PEMFC废热并供应给吸附式制冷机，从而将部分制冷负荷从电动制冷机转移到热力驱动的制冷。PEMFC启动时间、PEMFC运行温度和额定TLHP性能系数被选为关键变量，在固定日氢气输入下量化其对净发电量的影响。该方法阐明了吸附辅助制冷的节电量何时超过提温所需的额外电力，并为将基于PEMFC的冷热电三联供系统应用于温室制冷提供了运行指导。这些对比结果强调了确定热力驱动制冷所节省的电力是否超过废热回收所需额外电力的重要性。在本研究使用的受控比较中，基线案例和TLHP辅助案例使用相同的建模温室系统、固定日氢气输入以及几乎不变的日制冷输出。在PEMFC运行温度为55°C且运行窗口为04:00–10:00时，所提出的废热提温策略减少了电动制冷机用电2.3 kWh/天，而提温热泵消耗了0.7 kWh/天。因此，所提出策略相对于散热器排热基线实现了约6%的制冷侧综合电力消耗净减少。

## 系统描述

比较了两种构型：(a) 散热器排热基线，其中质子交换膜燃料电池废热排至环境；(b) 提温热泵（TLHP）辅助系统，将燃料电池废热提升以驱动吸附式制冷机（ADS）。

图1展示了两床式吸附式制冷机的一个代表性半循环。在实际运行中，物理床体保持固定，但每个床体的热水和冷却水连接会周期性互换。

### 冷热电三联供系统的动态建模

本节描述所提出冷热电三联供系统使用的动态子模型，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、吸附式制冷机（ADS）、太阳能集热器、蓄热系统（TES）、提温热泵（TLHP）和电动制冷机（EC）。主要控制方程组的参考来源在相应组件模型小节中标明。

### 动态仿真框架与性能指标

本节描述用于评估所提出CCP系统的数值建模方法和性能指标。为所提出的混合CCP系统开发了一个动态系统模型，该系统由PEMFC、太阳能集热器、分层蓄热系统、ADS、TLHP和EC组成。组件子模型通过瞬态质量和能量平衡耦合，测量到的环境温度与太阳辐照度作为循环输入信号，以反映真实的边界条件。

### 结果与讨论

本节展示了所提出冷热电三联供系统在24小时评估周期内的性能。使用积分量和选定的时间序列轨迹来解释其内在机制。第5.1节讨论了PEMFC启动时间偏移对电力性能的影响。第5.2节评估了PEMFC运行温度对热回收品质、吸附式制冷机驱动条件和辅助电力分配的影响。

## 结论

本研究调查了基于质子交换膜燃料电池的冷热电三联供系统在温室制冷中的运行条件。在所提出的系统中，提温热泵将低品位燃料电池废热提升并供应给吸附式制冷机。所提出的系统与固定日氢气输入下的散热器排热基线进行了比较。结果表明，废热提温的收益在很大程度上取决于时间匹配。

### CRediT作者贡献声明

Hyunjoon Yoon：撰写——原稿、软件、方法、调查。Jin Young Park：项目管理、方法、经费获取。Sangwook Lee：指导、软件、资源、概念化。

### 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本研究得到了韩国能源技术评价与规划院（KETEP，由气候、能源和环境部资助，项目编号RS-2025-02308398）的支持。本研究还获得了2026年中昂大学研究生奖学金的支持。本工作还得到了韩国机械材料研究院"氨燃料电池电堆及系统开发"项目（NK262B）的支持。

Hyunjoon Yoon | Jin Young Park | Sangwook Lee
中昂大学能源系统工程学院，韩国首尔06974