太阳能光伏-地源热泵系统

随着传统能源资源的日渐紧缺，能源价格不断上涨，新能源和节能技术越来越受到世人关注，而建筑节能正是节能领域的重点。将太阳能光-热技术、光-电技术、地源热泵技术等与建筑物有机结合，建成一个综合利用新能源的建筑，采用太阳能光伏与地源热泵的联用技术实现夏季制冷、冬季采暖，从而降低建筑的能耗指标，将是太阳能、地源热泵技术与产品的发展趋势。

将由太阳能光伏作用产生的电能作为驱动地源热泵的高品质能源，这样的热泵系统称为太阳能光伏-地源热泵系统。太阳能、地热能等新能源可提供80%以上的建筑用能，节约能源费用82%，具有显著的社会、经济和环境效益。20世纪80年代，国际能源机构(IEA)组织15个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关，欧美发达国家纷纷建造综合利用太阳能示范建筑。试验结果表明，太阳能建筑节能率大约在75%左右，已成为最有发展前景的领域之一。

太阳能光伏与地源热泵

太阳能光伏发电

太阳能作为可再生能源，目前主要有三大应用技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换。太阳能光伏技术，即太阳能发电技术，由于其不消耗矿物燃料、无污染、价格较低、使用安全方便等特点，备受世界各国的重视，正日益成为太阳能应用的主要方向。

太阳能光伏发电的基本工作原理是：以太阳能电池板接收太阳光并产生电能(即发电)，将产生的电能储存在蓄电池里，到需要用电时再从蓄电池中取电。太阳能电池板(也叫光伏板或光伏组件)本身只能发电而不能储存电能，它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电负载而言，这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。

太阳能光伏发电具有不稳定性，同一地点在同一天内各个时刻太阳辐射强度是不一样的，日出与日落时太阳辐射的强度远远比不上正午前后；同一地点的不同季节太阳辐射强度也是不一样的，对中高纬度地区来说夏季明显强于冬季。太阳能还具有间歇性，太阳直接辐射能随昼夜交替而显著变化，太阳辐射受气候、季节、昼夜等因素影响较大，要使光伏发电输出的电量稳定，就需要配备储能装置。而且太阳能电池以及储能装置输出的都是直流电，要得到交流电，光伏发电系统还需配备控制器和逆变器。光伏发电具有安全可靠、不需要燃料、不污染环境、由模块组成、维护简单、输出功率大小随意、建设规模灵活等突出优点，应用范围十分广阔，不受地域限制。目前，光伏发电已经成为人类利用太阳能的最主要方式之一。

地源热泵

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的高效节能装置[6]。按工作方式的不同，热泵的基本形式有压缩式、吸收式、喷射式、吸附式和化学热泵等；按循环工质冷凝温度的不同，可将其分为4级：即常温热泵(冷凝温度<50℃)、中温热泵(冷凝温度50~80℃)、中高温热泵(冷凝温度80~100℃)和高温热泵(冷凝温度>100℃)。由于热泵装置能利用各种各样的环境热源，如水、空气、土壤，甚至水泥地板[8]，因而它的使用具有很大的灵活性。根据热源形式的不同，就其性质而言，国外的文献通常把它们分为空气源热泵(airsourceheatpump，ASHP)和地源热泵(groundsourceheatpump，GSHP)两大类，地源热泵又可进一步分为地表水热泵(surface-waterheatpump，SWHP)、地下水热泵(ground-waterheatpump，GWHP)和地下耦合热泵(ground-coupledheatpump，GCHP)。地源热泵系统通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭的地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再把热量带到室内；夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再将热量送到地下岩土中。

地源热泵系统利用大地作为冷热源，同时又不需要抽取地下水作为传热介质。它不需要任何的人工热源，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。地源热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、运行维护方便等优点，已被作为一项旨在解决建筑冷热源问题的新技术，日渐受到人们的重视。

太阳能光伏热泵系统

对太阳能热泵系统(SolarAssistedHeatPump，SAHP)的研究可以追溯到20世纪50年代，但有关SAHP系统更加广泛深入的研究，是从20世纪70年代的能源危机之后开始的。SAHP系统大致分为以下两种类型：

①间接式SAHP系统，太阳能集热器和热泵循环各自独立，集热器吸收的太阳辐射通过间接换热作为热泵热源。

②直膨式SAHP系统(DirectExpansionSolarAssistedHeatPump，DXSAHP)，把太阳能集热器和热泵蒸发器结合成一体，太阳辐照的能量直接作为热泵的热源。

众多学者先后对太阳能热泵(SAHP)进行过理论和实验研究：Sporn和Ambrose于1955年对太阳能热泵进行了初步的实验研究，揭示出太阳能热泵具有明显高于普通热泵的性能系数[10]。Chaturvedi以R12为工质研究了直膨式太阳能热泵的热性能，系统的蒸发器温度一般高于环境温度0~10℃，集热效率在40%~70%，性能系数(COP)为2.0~3.0。Aziz等人对两组分混合工质在直膨式太阳能热泵上的应用进行了研究。Badescu用空气作为光伏集热模块的冷却介质，被加热后的空气作为热泵系统的热源，研究表明，该系统的压缩机功耗比普通热泵降低了8%。

随着化石能源日益紧缺、环境污染、温室效应等问题的日趋加重，近几年来，SAHP系统吸引了众多国内外学者的关注。很多国外学者都对SAHP系统进行过系统样机、热力学分析、数值模拟等方面的专门研究。S.K.Chaturvedi等人利用不同的制冷工质研究了直膨式太阳能热泵的性能，他们采用的模拟工具是REFPROP，并比较了在有无盖板条件下太阳能热泵的热性能；M.N.A.Hawlader在新加坡的气候条件下对利用太阳能热泵干燥和制热水进行了研究，该系统的性能系数(COP)在压缩机转速为150r/min的条件下达到了7.0，最大集热效率达到了0.86，在压缩机转速为1200r/min条件下系统的除湿率达到了0.65；J.G.Cervantes对直膨式太阳能热泵进行了实验研究，并对该系统进行了最大可用能分析，指出了系统的最大可用能损失在于太阳能集热蒸发器。除此之外，M.P.O′Dell，G.L.Morrison，B.J.Huang，Badescu等也都对太阳能热泵进行了实验或理论研究。

在国内，上海交通大学、中国科学技术大学等高校也都对SAHP系统进行过实验和理论研究。阳季春等对间接膨胀式太阳能多功能热泵系统的供热特性进行了相应的实验研究；韩宗伟等研究了太阳能-土壤源热泵在相变蓄热条件下系统的运行模式；涂爱民对利用太阳能热泵进行地板辐射采暖条件下的性能进行了实验研究。总的来讲，目前对SAHP系统的研究内容都侧重于系统的热性能分析。

日本学者S.Ito在1997年进行了带光伏电池SAHP系统的实验研究，但S.Ito的研究主要针对光伏电池对SAHP系统热泵性能的单方面影响，光电效率、光电/光热综合效率等重要参数却没有考虑。另外，由于其实验装置不完善，使用的是废旧光电池，导致2.46m2光电池的最大光伏功率仅120W，推算出系统的光电效率很不理想。

相关的研究表明，PV/T系统的光电/光热综合效率可以明显提高，但是光电效率却没有提升，反而可能降低。这是因为，流体必须升温到较高的最终温度才能被加以利用，但高温流体会提高光电池温度而导致光电效率降低，流体出口温度和光电效率之间存在着不易调和的矛盾。

热泵循环可以把热量从低温热源输送到较高温热源，如果将热泵的蒸发工质作为PV/T板的冷却流体，得到的热量通过热泵循环在冷凝端以高温输出，就可以同时保证PV/T电池的低温高效和热量输出的较高温度。

基于上述思想，将光伏转换与热泵循环有机结合在一起，从而形成了光伏太阳能热泵系统(PhotovoltaicSolarAssistedHeatPump，PV-SAHP)。PV-SAHP系统中，光伏电池和直膨式太阳能热泵系统的蒸发器有机结合在一起，形成PV蒸发器(PhotovoltaicEvaporator)。PV蒸发器接收到的太阳辐照中，短波辐照被光伏电池直接转换形成电流输出，长波辐照通过光热转换作为热泵的热源。一方面，由于热泵工质的蒸发作用，光伏电池工作在较低温度范围，得到有效冷却，光电转换效率得以提高；另一方面，太阳辐射通过光热转换作为热泵热源，提高了热泵循环的蒸发温度和蒸发压力，使得热泵性能系数得以提高。光伏太阳能热泵系统的工作原理如图1所示。

光伏(PV)蒸发器把吸收到的太阳能一部分转换成电能，输送到公用电网，其余部分被制冷剂工质吸收，经热泵循环后在冷凝端释放出热量，供建筑采暖和生活用水。由于制冷剂对光伏模块的冷却作用，使得光电转换效率显著提高，相对于同等面积无冷却的光伏模块，输出功率增加。对于热泵循环而言，太阳能的输入会使蒸发温度显著提高，因此会大大提高热泵循环的性能系数，在相同的冷凝得热前提下，减少了压缩机的功耗，使热泵循环消耗的功率降低。

光伏太阳能热泵(PV-SAHP)系统的优势表现在以下几方面：

①蒸发冷却作用使得PV蒸发器温度明显低于普通的光伏电池和集热器温度，提高了光电转换和光热吸收效率。光电/光热综合利用，极大地提高了单位面积太阳辐照的利用效率，使得有限的建筑物外表面可以得到充分利用。太阳直接辐照使得热泵循环的蒸发温度显著提高，因此光伏太阳能热泵系统的性能系数明显高于普通热泵。同时蒸发温度的提高大大减少了蒸发器结霜的可能性，提高了热泵系统在寒冷地区运行的适用性。

②利用光电效应把太阳能中高能带区域的光能直接转化成电能，从而大大提高了太阳能的可用能效率。在增加能量储存装置和逆变器的条件下，以产生的电能为动力驱动系统压缩机，可以使系统脱离公用电网运行，从而增加了系统的适用性和灵活性。

③与普通的空气源热泵相比，太阳能地源热泵具有较高的热性能，并且当太阳辐射越强烈时，性能系数越高。在冬季它可以用来采暖，加装水冷冷凝器后可以供应生活热水，具有一机多用的功效。与建筑物相结合的太阳能热泵系统，成为建筑物围护结构的一部分，可以增加建筑物的隔热效果，起到减少建筑物冷暖负荷的作用。

我国目前正处于工业化和城市化进程中，在一个拥有十几亿人口的东方大国完成如此规模恢宏的历史任务，是有一定难度的。由于大量人口向城市集中，对城市住房的需求也大大提高。建筑物消耗的能源，约占我国全社会总能耗的46.7%(欧洲和美国约占全部能源消耗的40%)，同时排放了同样比例的二氧化碳等废弃物。如何全面提高能源效率，尽量减少对日渐枯竭的传统化石能源的依赖已成为当务之急。在全球绿色建筑浪潮当中，直接针对建筑能耗问题提出的“零能耗建筑策略”正日益成为人们关注的焦点，其核心特点除了强调被动式节能设计外，将建筑能源需求转向太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能源，从而为人们的建筑行为，为人、建筑与环境和谐共生寻找到最佳解决方案。近几年，众多“零能耗建筑”实践正由单个示范项目开始成为国家的导向性行动。

进入21世纪以来，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖系统的能耗，节约能源一直是建筑节能追求的目标。特别是近几年来，大中城市为了改善大气环境，迫切需要减少燃煤量，正在大力推广使用包括可再生能源在内的清洁能源。随着人民生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且还需要夏季空调降温。如果将太阳能、地源热泵有机结合起来，使之实现对建筑物的供暖和制冷，必将大量减少常规能源的消耗，同时可以极大地减少对环境的污染。