技術(shù)分享特邀專家：楊曉晨|副教授，天津大學環(huán)境學院
主題：PVT大溫升補氣增焓熱泵熱水系統(tǒng)
主要研究方向：PVT熱泵系統(tǒng)。
一、背景簡介
隨著《“十四五”現(xiàn)代能源規(guī)劃體系》“推廣光伏發(fā)電與建筑一體化應用”、《“十四五”全國清潔生產(chǎn)推行方案》“推廣可再生能源建筑，推動建筑用能電氣化和低碳化，進一步完善建筑綠色用能”等相繼發(fā)布，新能源方向迎來了政策的強力推動，行業(yè)發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?。除此之外，傳統(tǒng)獨立光熱、光伏系統(tǒng)其太陽能利用率低，不能充分滿足生活生產(chǎn)的需要。另外，由于受到嚴寒等天氣環(huán)境條件的限制，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)COP大幅下降，一般工作溫度在-20°C以上。
綜合考慮目前可再生能源面臨的諸多問題，楊曉晨副教授研究團隊提出PVT熱泵“熱水電”聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)想。
二、PVT熱泵系統(tǒng)特點及其工作原理
1.PVT熱泵系統(tǒng)特點
PVT熱泵系統(tǒng)綜合利用太陽能和低品位能源，例如空氣、工業(yè)余熱等，成為結(jié)合光伏、光熱和熱泵一體化的綜合系統(tǒng)，可實現(xiàn)集供熱供水供電于一體。PVT熱泵系統(tǒng)具有多種運行工作模式，特點包括運行工況范圍廣、地區(qū)適用性強、應用場景廣等。
該系統(tǒng)將太陽能、光伏、光熱循環(huán)與熱泵循環(huán)相耦合，能夠克服太陽能季節(jié)波動化限制以及熱泵本身受極寒天氣的影響，從而實現(xiàn)穩(wěn)定出力。與此同時，該系統(tǒng)太陽能綜合利用率可達80%以上，在低品位能源利用領(lǐng)域展示出極大潛力。在熱泵方面，研究團隊通過采用補氣增焓式熱泵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱泵，提升熱泵循環(huán)在低溫條件下的工作性能。
2.PVT系統(tǒng)工作原理
PVT集熱板由玻璃蓋板、電池片、EVA膠層、金屬板和管道組成，PVT組件的光伏（PV）部分利用光伏面板生產(chǎn)電能，光熱（PT）部分集成于光伏板下方，同時利用太陽能與PV廢熱，轉(zhuǎn)化為熱能。本系統(tǒng)采用直膨式集熱器，根據(jù)具體工作溫度（目標）選取適合的工質(zhì)。
針對補氣增焓熱泵，其工作原理將一路冷凝器的制冷劑通到壓縮機里，與蒸發(fā)器氣體一同在壓縮機里壓縮，從而提升制冷機的工作狀態(tài)。一方面降低整個熱泵工作蒸發(fā)溫度，在極寒條件下增加蒸發(fā)吸熱量;另一方面通過壓縮補氣裝置，使壓縮機排氣溫度降低，解決極寒條件下壓縮比增大，壓縮機壽命和效率的問題。
與傳統(tǒng)熱泵機不同的是，該補氣增焓熱泵將冷凝器的制冷劑通到壓縮機里，氣體一同在壓縮機里壓縮，從而提升制冷劑工作狀態(tài)，在-20°C的室外條件下，仍然能夠保持繼續(xù)運行。
熱泵性能主要取決于結(jié)構(gòu)還有系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計之外，還有工質(zhì)的選擇。
1.研究介質(zhì)與設(shè)備的流固耦合，進而針對性地改進設(shè)計和設(shè)備；
2.研究系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計，從而針對性的選擇配套設(shè)備；
3.基于理論分析與大數(shù)據(jù)算法選擇工質(zhì)，研究工質(zhì)優(yōu)化的選擇。
作為PVT組件載冷劑，PVT組件相當于熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器，形成直膨式PVT熱泵系統(tǒng)。制取高溫熱水時，工質(zhì)在光熱組件吸熱，并通過熱泵組件使溫度進一步提升，經(jīng)過換熱器與水箱換熱，實現(xiàn)大溫差供生活用水。PV組件同時產(chǎn)電，增加經(jīng)濟效益，并入電網(wǎng)或存儲。不僅可以用于生活用水，還可以用于室內(nèi)采暖，實現(xiàn)供電供水供熱三聯(lián)供目標。
三、PVT熱泵系統(tǒng)適用性分析
研究團隊在綜合考慮外部擾動因素，如太陽能輻射照度、室外干球溫度和室外風速等的同時，基于Modelica動態(tài)模擬仿真模型結(jié)果模擬不同氣候區(qū)下，PVT熱泵系統(tǒng)的COP情況進行實驗，其結(jié)果顯示，夏熱冬暖地區(qū)最冷日COP可達到4.16，極寒地區(qū)在-25°C的條件下也可達2.27的不錯效果。
四、PVT熱泵“熱水電”供聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)勢
PVT熱泵“熱水電”供聯(lián)系統(tǒng)一方面解決了PV系統(tǒng)產(chǎn)生廢熱影響發(fā)電效率的問題，PV板溫度由50°C降低到36°C，發(fā)電效率提升至19.9%。PT板發(fā)熱效率提升到65%，太陽能綜合利用率提升到80%以上；另一方面，綜合考慮室外干球溫度，太陽輻射照度的不穩(wěn)定性和間歇性，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出力，滿足穩(wěn)定熱水供應。
系統(tǒng)優(yōu)化上采用先進控制技術(shù)，采用模型控制技術(shù)，對不同優(yōu)化目標運行約束條件;采用靈活技術(shù)模型，實現(xiàn)對系統(tǒng)和生產(chǎn)力準確預測和控制。
五、PVT熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性分析
經(jīng)測算，PVT熱泵系統(tǒng)太陽能綜合利用率達80%以上，并且較傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，性能提升50%;全年發(fā)電收益提升10%，夏季發(fā)電收益可提升20%;全年當量熱價較電加熱費用減少30%以上。
聶教授
