系统供热模式介绍

利用搭建的热管式太阳能PV/T热泵系统，在晴天和阴天两种工况下对供热模式下系统的瞬时性能进行了分析。系统以供热模式运行时，恒温水浴两侧的阀门打开，换热水箱两侧的阀门关闭，冷却水在冷凝器中吸收制冷剂的热量后，进入出口水温恒定的恒温水浴，恒温水浴相当于热用户，将热量消耗掉，冷却水再通过过滤器和流量计，之后进入冷凝器继续吸收制冷剂的热量。

1.晴天工况性能分析

2016年5月17日进行了供热模式下晴天工况的性能测试。当天的气象条件如图3-3所示，平均太阳辐射照度为691W/m²，平均室外空气温度为32℃，蒸发侧和冷凝侧循环水流量均为6L/min，蒸发侧水箱中水的初始温度为20.8℃，恒温水浴的出口水温设定为40℃。数据采集工作从8：30开始到16：30结束，数据采集时间间隔为2min。

图3-4所示为系统的热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温的全天变化情况。从图中可以看出，热功率在上午的时候呈现上升的趋势，在下午的时候呈现下降的趋势，与太阳能辐射照度的变化基本相似。热效率一直呈现上升的趋势，蒸发侧水箱中水的温度随时间的推移逐渐下降。热功率的最大值为452W，出现时间在12：00左右，对应的热效率为42.6%，热功率的平均值为294.8W，热效率的平均值为33.9%。蒸发侧水箱中水的初始温度为20.8℃，到测试结束时为14.8℃。热效率在下午太阳辐射降低时仍会上升，主要原因是，下午太阳辐射照度迅速下降，而周围环境的空气温度较高，使集热器的温度保持在较高的水平，同时由于太阳能集热量减少，不能完全满足热泵的需求，热泵从循环水中获取部分热量，导致循环水水温逐渐下降，使循环水与集热器之间的换热温差增大，系统热功率下降的幅度小于太阳辐射照度下降的幅度，从而导致热效率上升。

图3-3 2016年5月17日太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况

图3-4 热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温的全天变化情况

图3-5所示为实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板表面温度全天变化情况的对比。图例中的con和exp分别代表对照组和实验组。从图中可以看出，实验组的光伏板表面温度低于对照组的光伏板表面温度，并且实验组的电功率和电效率也均高于对照组。实验组和对照组的电功率都是在上午呈现上升的趋势，中午相对平稳，下午则呈现下降的趋势。实验组的电效率一天之中相对较为平稳，而对照组的电效率则有较大起伏。实验组和对照组电功率的最大值分别为128.0W和122.0W，平均值分别为103.9W和86.9W；实验组和对照组电效率的最大值分别为12.8%和11.4%，平均值分别为12.2%和9.7%；实验组和对照组光伏板温度的最大值分别为51.6℃和64.6℃，平均值分别为46.4℃和53.6℃。在供热模式晴天工况下，与传统的光伏板相比，热管式太阳能PV/T集热器光伏板的电功率和电效率日平均值分别提高了19.5%和25.7%，光伏板温度降低了15.5%。实验组的电性能明显高于对照组的电性能，其原因是，实验组光伏板背面安装的热管和铝片等装置可以将光伏板的热量及时传递给联箱中的循环水，使光伏板的温度降低，从而使实验组的电性能维持在较低的水平，并且实验组的光伏板温度在一天之中变化较小，所以实验组的电效率在一天之中也较为平稳。

图3-5 实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板表面温度的全天变化情况

图3-6所示为热泵的冷凝换热量、压缩机功率和COP的全天变化情况。从图中可以看出，压缩机功率在一天之中的变化较小，一直保持在460W左右。冷凝换热量和COP在14：30之前变化较小，在14：30之后略有下降。在14：30之前冷凝换热量和COP分别保持在1320W和2.85左右，到测试结束时，冷凝换热量和COP分别降低到1260W和2.8左右。冷凝换热量和COP在14：30之后下降的原因是，下午热效率下降，热管式太阳能PV/T集热器不能为热泵提供足够的热量，热泵会从水中吸收热量，使水的温度下降，热泵的蒸发温度也随之下降，所以热泵的冷凝换热量和COP呈现下降的趋势。系统COP比预期偏小，主要原因是，太阳能光伏板的覆盖率高，超过90%，而且背板为白色TPT板，吸收率低，导致背板的吸热量少，从而降低了系统COP。通过减小光伏板覆盖率和增加背板吸收率，可以提高系统COP。

图3-6 热泵性能的全天变化情况

2.阴天工况性能分析

2016年5月23日进行了供热模式下阴天工况的性能测试。当天的气象条件如图3-7所示，平均太阳辐射照度为189W/m²，平均室外空气温度为24.5℃，蒸发侧和冷凝侧循环水流量均为6L/min；蒸发侧水箱中水的初始温度为21.1℃，恒温水浴的出口水温设定为40℃。数据采集工作从8：30开始到16：30结束，数据采集时间间隔为2min。

图3-8所示为系统的热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温在阴天工况下全天变化情况。从图中可以看出，热功率的变化趋势与太阳辐射照度的变化趋势基本相同，在太阳辐射照度突然升高时，热功率也会升高，热效率整体呈现上升的趋势，而蒸发侧水箱中水的平均温度则呈现下降的趋势。热功率的最大值为210.8W，日平均值为80.4W；热效率的最大值为88.7%，日平均值为36.8%；蒸发侧水箱中水的初始温度为21.1℃，到测试结束时温度为10.1℃。图中热效率突然升高到最大值88.7%的原因是，热管式太阳能PV/T集热器有一定的热容，当太阳辐射照度突然降低时，热管式太阳能PV/T集热器仍然具有较高的温度，热功率并未随太阳辐射照度的突然降低而降低，而是有一定的延迟，造成热效率的突然升高。热效率在一天中呈上升的趋势，这是因为阴天时集热器的集热量较少，不能满足热泵的需求，热泵从水中吸收热量，造成水箱中水温持续下降，而水温的下降造成集热器与循环水的换热温差增大，所以热效率呈上升的趋势。

(www.xing528.com)

图3-7 2016年5月23日太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况

图3-8 热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温的全天变化情况

图3-9所示为实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度全天变化情况的对比。从图中可以看出，系统的电功率和光伏板表面温度的变化趋势与太阳辐射照度的变化趋势大致相同，而电效率变化趋势较为平缓，并且电效率在太阳辐射照度较高时反而较低。在阴天工况下，实验组电功率的最大值分别为77.1W和75.4W，平均值分别为30.6W和27.8W；实验组和对照组电效率的最大值分别为13.68%和13.65%，平均值分别为13.21%和12.25%；实验组和对照组光伏板温度的最高值分别为34.6℃和40.3℃，平均值分别为26.5℃和29.6℃。在供热模式阴天工况下，与传统的光伏板相比，热管式太阳能PV/T集热器光伏板的电功率和电效率日平均值分别提高了10.1%和7.8%，光伏板温度降低了11.6%。在阴天工况下实验组的电性能也明显高于对照组的电性能，其原因也是实验组光伏板背面安装的热管和铝片等装置可以将光伏板的热量及时传递给联箱中的循环水，使光伏板的温度降低，从而使实验组光伏板的电性能维持在较低的水平。

图3-9 实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度的全天变化情况

图3-10所示为热泵的冷凝换热量、压缩机功率和COP在阴天工况下的全天变化情况。从图中可以看出，热泵的冷凝换热量、压缩机功率和COP均呈现下降的趋势。冷凝换热量、压缩机功率和COP分别从初始的1317W、481W和2.78下降到1068W、404W和2.64。热泵性能持续下降的原因是，阴天时集热器不能为热泵提供足够的热量，热泵从水中吸收热量，使蒸发侧水箱中水温下降，导致蒸发温度下降，从而使热泵性能下降。

图3-10 热泵性能在阴天工况下的全天变化情况

3.晴天和阴天工况的对比

图3-11所示为晴天和阴天总热量和电量的对比图。从图中可以看出，晴天工况的集热器总集热量、总发电量和冷凝换热总量均高于阴天工况。晴天时集热器总集热量为8.5MJ，总发电量为0.83kW·h，冷凝换热总量为38.1MJ；阴天时总集热量为2.3MJ，总发电量为0.25kW·h，冷凝换热总量为35.0MJ。冷凝换热总量在晴天和阴天时相差不大，其原因是，阴天时集热器不能提供足够的热量，热泵会从水中吸收较多的热量。

图3-11 晴天和阴天总热量和电量的对比

图3-12为晴天和阴天工况下热效率、电效率和COP的对比。从图中可以看出，晴天时的热效率和电效率均低于阴天时的热效率和电效率，但是晴天时的COP要高于阴天时的COP。晴天时热功率、电功率和COP分别为33.90%、12.20%和2.85，阴天时热效率、电效率和COP分别为36.80%、13.21%和2.72。阴天时热效率和电效率较高，其原因是，阴天时热管式太阳能PV/T集热器的温度较低，光伏电池的内阻较低，所以电效率较高，同时集热器与周围空气之间的热损失减少，所以阴天时热效率较高。晴天时COP较高是因为晴天时热功率较高，为热泵提供的热量多，所以热泵的性能较高。

图3-12 晴天和阴天工况下热效率、电效率和COP的对比