技术分享特邀专家：杨晓晨|副教授，天津大学环境学院

主题：PVT大温升补气增焓热泵热水系统

主要研究方向：PVT热泵系统。

一、背景简介

随着《“十四五”现代能源规划体系》“推广光伏发电与建筑一体化应用”、《“十四五”全国清洁生产推行方案》“推广可再生能源建筑，推动建筑用能电气化和低碳化，进一步完善建筑绿色用能”等相继发布，新能源方向迎来了政策的强力推动，行业发展驶入快车道。除此之外，传统独立光热、光伏系统其太阳能利用率低，不能充分满足生活生产的需要。另外，由于受到严寒等天气环境条件的限制，传统热泵系统COP大幅下降，一般工作温度在-20°C以上。

综合考虑目前可再生能源面临的诸多问题，杨晓晨副教授研究团队提出PVT热泵“热水电”联供系统设想。

二、PVT热泵系统特点及其工作原理

1.PVT热泵系统特点

PVT热泵系统综合利用太阳能和低品位能源，例如空气、工业余热等，成为结合光伏、光热和热泵一体化的综合系统，可实现集供热供水供电于一体。PVT热泵系统具有多种运行工作模式，特点包括运行工况范围广、地区适用性强、应用场景广等。

该系统将太阳能、光伏、光热循环与热泵循环相耦合，能够克服太阳能季节波动化限制以及热泵本身受极寒天气的影响，从而实现稳定出力。与此同时，该系统太阳能综合利用率可达80%以上，在低品位能源利用领域展示出极大潜力。在热泵方面，研究团队通过采用补气增焓式热泵来代替传统热泵，提升热泵循环在低温条件下的工作性能。

2.PVT系统工作原理

PVT集热板由玻璃盖板、电池片、EVA胶层、金属板和管道组成，PVT组件的光伏（PV）部分利用光伏面板生产电能，光热（PT）部分集成于光伏板下方，同时利用太阳能与PV废热，转化为热能。本系统采用直膨式集热器，根据具体工作温度（目标）选取适合的工质。

针对补气增焓热泵，其工作原理将一路冷凝器的制冷剂通到压缩机里，与蒸发器气体一同在压缩机里压缩，从而提升制冷机的工作状态。一方面降低整个热泵工作蒸发温度，在极寒条件下增加蒸发吸热量;另一方面通过压缩补气装置，使压缩机排气温度降低，解决极寒条件下压缩比增大，压缩机寿命和效率的问题。

与传统热泵机不同的是，该补气增焓热泵将冷凝器的制冷剂通到压缩机里，气体一同在压缩机里压缩，从而提升制冷剂工作状态，在-20°C的室外条件下，仍然能够保持继续运行。

热泵性能主要取决于结构还有系统的优化设计之外，还有工质的选择。

1.研究介质与设备的流固耦合，进而针对性地改进设计和设备；

2.研究系统的优化匹配设计，从而针对性的选择配套设备；

3.基于理论分析与大数据算法选择工质，研究工质优化的选择。

作为PVT组件载冷剂，PVT组件相当于热泵系统蒸发器，形成直膨式PVT热泵系统。制取高温热水时，工质在光热组件吸热，并通过热泵组件使温度进一步提升，经过换热器与水箱换热，实现大温差供生活用水。PV组件同时产电，增加经济效益，并入电网或存储。不仅可以用于生活用水，还可以用于室内采暖，实现供电供水供热三联供目标。

三、PVT热泵系统适用性分析

研究团队在综合考虑外部扰动因素，如太阳能辐射照度、室外干球温度和室外风速等的同时，基于Modelica动态模拟仿真模型结果模拟不同气候区下，PVT热泵系统的COP情况进行实验，其结果显示，夏热冬暖地区最冷日COP可达到4.16，极寒地区在-25°C的条件下也可达2.27的不错效果。

四、PVT热泵“热水电”供联系统优势

PVT热泵“热水电”供联系统一方面解决了PV系统产生废热影响发电效率的问题，PV板温度由50°C降低到36°C，发电效率提升至19.9%。PT板发热效率提升到65%，太阳能综合利用率提升到80%以上；另一方面，综合考虑室外干球温度，太阳辐射照度的不稳定性和间歇性，动态调节系统出力，满足稳定热水供应。

系统优化上采用先进控制技术，采用模型控制技术，对不同优化目标运行约束条件;采用灵活技术模型，实现对系统和生产力准确预测和控制。

五、PVT热泵系统经济性分析

经测算，PVT热泵系统太阳能综合利用率达80%以上，并且较传统热泵系统，性能提升50%;全年发电收益提升10%，夏季发电收益可提升20%;全年当量热价较电加热费用减少30%以上。