热泵系统与太阳能集热器匹配性研究及经济分析

首先建立了热管式太阳能PV/T热水系统的实验装置，并对该装置进行了实验测试；在热管式太阳能PV/T热水系统实验装置的基础上，搭建了热管式太阳能PV/T热泵系统的实验装置，并分别测试了该装置的供热模式和集热模式在晴天工况和阴天工况的性能。然后，建立了热管式太阳能PV/T热泵系统的数学模型，该模型由动态的热管式太阳能PV/T集热系统数学模型和静态热泵系统数学模型组成，利用实验数据对建立的数学模型进行了验证，并分别分析了太阳辐射强度、室外空气温度和冷凝器入口水温对系统性能的影响。最后，基于验证过的数学模型增加了热管式太阳能PV/T集热器的数量，更换了大容量的压缩机，并对系统进行了结构的优化分析，分别分析了光伏电池的覆盖率、背板吸收率和热管的间距对系统性能的影响。得到以下结论：

1）热管式太阳能PV/T热水系统具有良好的光电、光热性能。当全天太阳辐射总量为16.7～22.3MJ/m²时，系统全天总集热量为7.4～9.0MJ，全天总输出电量为0.67～0.76kW·h，系统平均光热效率为32.9%～36.2%，平均光电效率为10.4%～14.1%，考虑电、热能量品位差别时的系统光电光热综合效率为58.9%～71.3%。热管式太阳能PV/T热水系统电性能和热性能的影响因素有太阳辐射照度、室外空气温度、循环水水温以及流量等。通过求取不同影响因素下有效数据中各项参数平均值，并经过分析处理得出：系统的热性能随太阳辐射照度的增强而增加，电功率随太阳辐射照度的增加而增加，但是电效率却呈现降低的趋势；随着室外空气温度的升高，系统的热性能呈现上升的趋势，但是系统的电性能呈现降低的趋势；随着联箱入口水温的升高，系统的热性能呈现下降的趋势，但是联箱入口水温对系统电性能的影响很小。

2）热管式太阳能PV/T热泵系统在供热和集热两种模式下，晴天工况比阴天工况有更高的热功率、电功率、冷凝换热量和COP，但是热效率和电效率较低；在集热模式下，晴天工况时冷凝侧水箱中水的最终温度高于阴天工况；实验组的电性能不论是在晴天工况还是在阴天工况下都高于对照组的电性能。

3）建立的数学模型可以较为准确地预测热管式太阳能PV/T热泵系统的性能。模拟值与实验值的相对误差为-14.9%～11.5%，模拟值与实验值较为吻合。并且该模型能较为详细地预测热管式太阳能PV/T集热器和热泵系统的各个参数，如各个部件的温度、水的温度和制冷剂的状态参数。(www.xing528.com)

4）对于热管式太阳能PV/T热泵系统，太阳辐射照度的增加，会增加系统的热功率、电功率和热泵的性能，但是会降低系统的热效率、电效率、综合效率和㶲效率；系统的热功率、热效率和热泵的性能随室外空气温度的升高而升高，而电功率、电效率和㶲效率随室外空气温度的升高而降低，室外空气温度对系统的综合效率影响较小；冷凝器入口水温的升高会降低热泵的性能，但是系统的热电性能、综合效率和㶲效率受冷凝器入口水温的影响较小。

5）现有实验装置的COP等性能低于期望值，存在热泵系统与热水系统不匹配的问题，经研究发现1kW制冷量的热泵可以匹配的热管式太阳能PV/T集热器的面积约为3m²。在热管式太阳能PV/T热泵系统中，增加光伏电池覆盖率，会使系统的热功率、热效率、冷凝换热量、压缩机功率和COP降低，但会增加系统的电功率、电效率、综合效率、㶲效率和COP_PV/T；增加背板吸收率，会使系统的热性能、综合效率和热泵的COP升高，但是会降低系统的电性能、㶲效率和COP_PV/T；热管间距的减小会全面提高系统的性能，但是在一定程度上增加成本。

6）基于北京农村地区某典型住宅建筑的热电需求，结合热管式太阳能PV/T热泵系统的应用，提出了分别侧重满足全年生活热水负荷、供暖季供暖负荷、全年用电负荷的三种设计方案，对三种方案进行了全年工况计算与比较，结合实际情况，选择最优方案（侧重满足全年生活热水负荷的方案）进行了经济效益和环境效益分析。系统全年热负荷太阳能保证率为55.7%，电负荷太阳能保证率为46.8%，回收期为14.2年，每年每户节约标煤约0.296t，年减排CO₂约0.788t。