风冷式PV_T空调系统夜间制冷性能实验研究.pdf

69inaJournalofBEEHV&ACNo.8 in 2023(Total Vol.51,No.390)暖通空调2023年第8 期（总第51卷第390 期）建筑节能（中英文）doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.08.011风冷式PV/T空调系统夜间制冷性能实验研究杨华，徐徐建伟，李晗，）冯关源，范满（河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401)摘要：提出了一种新型风冷式PV/T(光伏/光热）空调系统，并测试了系统在夏季夜间的制冷性能，研究了室内外空气温度对系统运行性能的影响。系统冷凝器由风冷式冷凝器和PV/T冷凝器串联组成，可以与周围空气进行对流换热，以及与低温天空进行长波辐射换热，在强化制冷效果的同时节约了冷凝器占地面积，为PV/T空调系统的发展提供新思路。实验结果表明，PV/T冷凝器能有效提高系统过冷度,PV/T冷凝器的冷却效果与冷凝温度呈正相关。风冷式PV/T空调系统制冷性能优于风冷式空调，其COP（性能系数）比风冷式空调高8.6%。当室外空气温度由2 3升高到2 7 时，系统COP由3.9降低到3.1。当室内空气温度由2 0 升高到2 4时，系统COP由3.1升高到3.5。关键词：制冷性能；过冷度；风风冷式冷凝器；PV/T冷凝器；性能系数中图分类号：TU83;TM615文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)08-0069-06Experimental Study on Night Refrigeration Performance ofAir-cooled PV/T Air-conditioning SystemYANG Hua,XU Jianwei,LI Han,FENG Guanyuan,FAN Man(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,ChiAbstract:A novel air-cooled PV/T(photovoltaic/photothermal)air-conditioning system is proposedand its refrigeration performance at night in summer is tested.The influence of indoor and outdoor airtemperature on the operation performance is studied.The system condenser is composed of an air-cooledcondenser and a PV/T condenser in series.During its operation,there are convective heat transfer withsurrounding air and long wave radiation heat transfer with low-temperature sky.The refrigeration effect isstrengthened and the occupied area is saved,providing a new idea for the development of PV/T air-conditioning system.Experimental results show that the PV/T condenser can effectively improve theundercooling degree,and the cooling effect of PV/T condenser is positively correlated with thecondensation temperature.The refrigeration performance of air-cooled PV/T air-conditioning system isbetter than that of air source heat pump,and its COP(coefficient of performance)is 8.6%higher thanthat of air source heat pump.When the outdoor air temperature increases from 23 t o 2 7 ,t h e s y s t e mCOP decreases from 3.9 to 3.1.When the indoor air temperature increases from 20 t o 2 4,t h esystem COP increases from 3.1 to 3.5.Keywords:refrigeration performance;under cooling degree;air-cooled condenser;PV/Tcondenser;coefficient of performance0引言为缓解环境危机与能源危机，可再生能源的利用成为人们关注的重点。利用太阳能可以减少化石燃料消耗，改善环境污染问题，实现能源可持续发展。收稿日期：2 0 2 2-0 4-14；修回日期：2 0 2 3-0 8-19PV/T（光伏/光热）热泵作为太阳能利用方式之一，可同时提高热泵与光伏组件性能，具有较高的能效与可靠性。PV/T热泵常常被用于热水供应、空间加热、干燥、脱盐和液体燃料的蒸发等领域 2 。研究表明，PV/T热泵基本可以满足建筑空间的用热需求(3-6 。O70杨华，等：风冷式PV/T空调系统夜间制冷性能实验研究但对于室外空气温度与太阳辐照度都较高的夏季，建筑用热需求极低，如何利用PV/T热泵制冷是提高系统在夏季综合利用率的关键所在 7 在夏季夜间，天空有效温度能够达到0，可以作为一个天然冷源。光伏组件有较大的表面积,并且可以与低温天空进行长波辐射换热，是一个性能优良的辐射散热器。Erell等人测试了以水为导热介质的PV/T组件在夏季夜间的散热性能，集冷性能可以达到12 0 W/m8。Ei c k e r 等人模拟研究了PV/T组件的发电和制冷性能，在西班牙地区年累计制冷量为51kWh/(ma)9。尹宝泉等人测试了水冷型PV/T组件在夏季夜间的散热性能，结果表明晴天夜间的装置的散热性能优于阴天夜间 10 。对于PV/T组件的制冷性能研究,大部分学者利用水作为导热介质，由于水温不高,PV/T组件的散热效果较差。而以制冷剂为导热介质的PV/T空调系统,PV/T冷凝器内制冷剂温度较高，散热效果大幅提高。黄文竹在实验室模拟环境下，研究了不同室外空气温度、风速和太阳辐照度对PV/T空调系统制冷性能的影响,COP仅在0.6 5 1.39之间，且没有考虑天空长波辐射换热的影响 。此外,Lu等人将光伏组件作为PV/T空调系统的冷凝器，测试发现系统在夏季夜间COP为1.82.1212。旷玉辉等人利用蓄冷水箱储存PV/T空调产生的冷量,系统COP 约为2.9 13。此外,Chen等人对PV/T空调在夏季夜间的制冷和制冰性能进行了实验测试，分析了在晴朗与多云夜间的性能差异，给出了更适合制冷的室外条件范围 14O上述研究利用PV/T组件与夜空长波辐射实现制冷功能，系统COP较低，且多用于制冰或制冷水，直接用于建筑空间供冷的研究较少。因此，本文提出一种风冷式PV/T空调,将风冷式冷凝器与PV/T冷凝器串联，利用PV/T冷凝器辅助风冷式冷凝器进行散热，同时利用风机增强空气扰动，强化两种冷凝器的对流散热效果，通过互补利用空气热能和夜空长波辐射能提升系统制冷性能，为建筑空间直接供冷1实验研究1.1系统设置风冷式PV/T空调系统图如图1所示，系统主要由压缩机、EEV（电子膨胀阀）、蒸发器、四通换向阀、制冷剂R410A、风冷冷凝器和PV/T冷凝器组成。制冷剂在蒸发器中吸热蒸发成低温低压蒸汽，然后进人压缩机压缩成高温高压蒸汽，再进人风冷冷凝器和PV/T冷凝器冷却为高温高压液体，随后通过电子膨胀阀节流为低温低压液体，最后再次流人蒸发器完成循环。四通换向阀视液镜?热气旁通阀风机翅片管视液镜压缩机冷凝器气液分离器P?风机一翅片管PV/T冷凝器蒸发器3数据采集仪2?球阀视液镜P计算机T型热电偶压力传感器电磁膨胀阀流量计视液镜图1风冷式PV/T空调系统图Fig.1 System diagram of air-cooled PV/T air-conditioning在风冷冷凝器与PV/T冷凝器之间设置一根旁通管，通过控制阀门1 阀门3,可以实现系统在风冷式PV/T空调和风冷式空调间的转换。当阀门1关闭、阀门2与阀门3打开时，系统为风冷式PV/T空调；当阀门2与阀门3关闭、阀门1打开时，系统为风冷式空调。风冷式空调额定制冷量为2.6 kW，额定输入功率为0.76kW,制冷剂充注量为1.4kg。系统采用变频压缩机，转速为90 0 7 2 0 0 r/min；室外机风机额定功率为35W,转速为8 6 0 r/min。风冷式PV/T冷凝器结构如图2 所示。风冷式PV/T冷凝器由PV/T冷凝器和风冷式冷凝器串联组成。PV/T冷凝器自上而下依次由光伏板、铝板和铜管组成。光伏板朝南向铺设，根据林海浩的研究结果，光伏板最佳倾角约等于当地纬度，该试验台位于天津市，当地纬度为39.2，因此光伏板与地面的倾角设置为40 15。PV/T冷凝器中的铜管全长约13m，外径为8 mm。铝板尺寸为158 0 mm810mm2mm（长宽高）。铜管通过焊接与铝板连接。为了降低铝板与光伏板间的接触热阻，铝板和光伏板之间填充了导热硅脂,其导热系数为1.2 W/（m K）。风冷式冷凝器主要由风机和翅片管冷凝器组成。翅片管换热器盘管为双排铜管，长度约为2 6 m，盘管横向间距为18 mm,外径为8 mm。翅片尺寸为50 mm36mm0.1mm（长宽高）,翅片间距为2 mm。PV/T冷凝器铜管铝板一压力传感器导热硅脂光伏板一一风机视液镜翅片铜管翅片风机(a)冷凝器示意图(b)冷凝器照片(a)Schematic diagram of the condenser(b)Photoofcondenser图2 系系统冷凝器结构图Fig.2 Structure diagram of system condenser71YANG Hua,et al.Experimental Study on Night Refrigeration Performance of Air-cooled PV/T Air-conditioningSystem1.2测点布置与仪器介绍室内温度测点布置图如图3所示，房间尺寸为5.4m3.6m2.6m（长宽高），房间位于某住宅2 楼，系统蒸发器安装在房间的南墙上。在室内布置15个温度传感器，用于监测室内温度的变化。房间内垂直方向上的5个温度测点为一组，共分为3组，每组测点之间的距离为1.35m。房间横截面上每组温度测点的具体位置如图4所示，其测点垂直方向距离为0.6 5m，水平方向距离为0.9m。南墙西墙O3组2组.1组北墙东墙热电偶图3室内测点位置Fig.3 Location of indoor measuring points0S9顶棚900O9009009000S9南墙0S90北墙热电偶O0S9楼板单位:mm图4单组测点位置Fig.4 Location of each group measuring points实验测量参数主要包括制冷剂质量流量、制冷剂压力、室外风速、室外空气相对湿度和各种温度指标（包括室内/外空气温度、蒸发器和冷凝器进出口制冷剂温度），各参数的测量时间间隔为5s。各测点位置见图3，测量装置及精度见表1。表1主要测试仪器Table 1 Main test instruments测量仪器型号测量范围（精度）温度：-2 0 7 0(0.2);温湿度传感器TH20R湿度:0 10 0%RH(2.0%RH)热线风速仪Testo 480020 m/s(0.05 m/s)T型热电偶T T-T-30-SLE-120150(0.5)科氏流量计DMF-1-1-A040 kg/h(0.002 kg/h)压力传感器PT1100-7/1605 MPa(0.25%)1.3系统性能评价指标系统制冷量Q，为蒸发器出口恰值heva.和人口值heva.的差值与制冷剂质量流量的乘积，如公式（1）所示：O,=m(heva.o-hev(1)式中：Q,为系统制冷量,kW；m为制冷剂质量流量，kg/s；heva.为蒸发器出口制冷剂恰值，kJ/kg；heva为蒸发器人口制冷剂烩值，kJ/kg。系统COP为制冷量Q,与系统输入功率W的比值，如公式（2）所示：Q.COP(2)二W式中：W为系统输人功率,kW2实验结果分析2.1系统运行特征分析实验期间，室外平均温度、风速和相对湿度分别为2 5.9、0.17 m/s和8 2%。蒸发温度、冷凝温度、吸气温度、排气温度以及制冷剂质量流量随时间的变化规律见图5。吸气温度和排气温度分别与蒸发温度和冷凝温度有相似的变化趋势。根据温度变化特征，制冷工况可分为3个阶段：初始阶段、稳定阶段和波动阶段。在初始阶段，系统的冷凝温度和制冷剂流量较高，而蒸发温度较低。这是因为初始阶段压缩机运转频率高,EEV开度小，相比EEV的节流作用，压缩机转速对流量调节起主要作用。而较小的EEV开度增强了降压效果,使得从压缩机流出的高压制冷剂经过冷凝器冷却后被节流降压为低压的饱和态制冷剂。当时室内回风温度达到设定值后，压缩机的运转频率降低,EEV开度增大，节流效果变弱，系统进入稳定阶段。相比其他阶段，稳定阶段系统的冷凝温度较低，蒸发温度较高。系统冷凝温度维持在2 7.7 左右，蒸发温度维持在13.0 左右。随着压缩机运转频率的增加和EEV开度的减小，系统进人波动阶段，蒸发温度急剧下降至4.4，冷凝温度急剧上升至30.6，在波动阶段结束后，系统再次进入稳定阶段。6080一蒸发温度一一冷凝温度+吸气温度排气温度70流量一6040稳定阶段50(u/8)/鲁初始阶段波动阶段403020201000-1021:0021:3022:0022:3023:00时间图5系统动态运行特征参数Fig.5 Dynamic operation characteristicparameters of the system系统波动阶段与稳定阶段的循环交替过程主要72condenserinletandoutletandnsationtemperatureFig.7 The relationship between temperature difference of图7PV/T冷凝器制冷剂进出口温差与冷凝温度的关系T./33313230292827260.00.581.05adj.R=0.412.01440+-0.06T2.5ATpv/T.0杨华，等：风冷式PV/T空调系统夜间制冷性能实验研究取决于空调的变频控制策略。在系统运行阶段，膨胀阀开度与压缩机转速随着室内外环境的改变而做出调整，在室内外环境参数发生微小波动的情况下，系统对制冷量的调控存在一定偏差。为了补偿这一偏差，系统通过调控膨胀阀开度与压缩机转速来调节制冷量，进而引起系统性能波动，运行一段时间后可重新达到新的稳定状态，使得稳定阶段和波动阶段交替循环。在一个波动和稳定阶段中，压缩机的吸/排气压力与升压比的变化见图6（a），系统的压缩机输人功率、制冷量与COP的变化见图6(b）。在波动阶段,压缩机的吸/排气压力分别为10 47 kPa、18 6 9k Pa，升压比在1.6 2.2 之间波动，平均值为2.0。相比稳定阶段，波动阶段压缩机的运转频率更高、EEV开度更小，导致压缩机的吸气压力较低而排气压力较高，因而升压比较高。另外,较高的升压比通常需要更高的压缩机输入功率，波动阶段压缩机的输入功率比稳定阶段高8 1.7%。波动阶段与稳定阶段的制冷量分别为1429W与9 12 W,COP分别为4.3与4.7。2200416007吸气压力1429压缩机输人功率2000排气压力1400制冷量6升压比3ICOP120018004.754.32100091216004800140031波动阶段稳定阶段6001200240030701000200169180010021:4522:0022:1522:30波动阶段稳定阶段时间(b)压缩机输人功率、制冷量与COP(a)吸/排气压力与升压比(b)Compressor input power,cooling capacity and COP(a)Suction/discharge pressure and boost ratio图6压缩机运行特征Fig.6 Operating characteristics of the compressorPV/T冷凝器的散热效果直接影响系统的制冷性能，而PV/T冷凝器的散热效果受冷凝温度的影响较大。冷凝温度越高,PV/T冷凝器的散热效果越好，PV/T进出口温差越大。PV/T制冷剂进出口温差随冷凝温度的变化规律如图7 所示，拟合得函数关系如公式（3)所示。当冷凝温度从2 7 变化到32 时，PV/T进出口之间的温差由0.4升高为1.8，总散热量由9 8 9 W升高到19 8 0 WT p v/T,i,。=-1440 +150.6 8 T。5.2 5T?+0.06T3,adj.R=0.41(3)式中：Tpv/Ti,.为PV/T冷凝器进出口制冷剂温差,；T。为冷凝温度,。2.2不同系统性能对比在室内空气温度为2 0、室外空气温度为2 5的条件下,风冷式PV/T空调系统与风冷式空调系统在稳定阶段时COP的对比如图8 所示。在稳定阶段，风冷式PV/T空调系统的COP在3.8 3.9附近波动，平均值为3.8；风冷式空调系统的COP在3.4 3.6 附近波动，平均值为3.5。风冷式PV/T空调系统的COP比风冷式空调系统平均高出8.6%，表明在室内外温度相同的条件下,风冷式PV/T空调系统的制冷性能优于风冷式空调系统。4.03.93.8do3.7-风冷式PV/T空调风冷式空调3.63.53.40:000:040:080:120:160:20时间/min图：不同系统稳态性能对比Fig.8 Performance comparison of different systemsin steady-state operation2.3不同工作温度分析2.3.1不同室外空气温度系统在不同室外空气温度下的流量与冷凝温度73YANG Hua,et al.Experimental Study on Night Refrigeration Performanceof Air-cooledPV/TAir-conditioningSystem如图9(a)所示。在室内温度相同的条件下，系统的冷凝温度随着室外空气温度的升高而升高，此时压缩机运转频率也升高，同时制冷剂流量增加，系统制冷量升高。如图9(b)所示，当室外空气温度从2 3升高到2 7 时，压缩机输人功率从196 W升高到450W制冷剂流量与系统制冷量分别从15.9kg/h与7 7 1W提高到2 9.3kg/h与139 8 W。随着室外温度从2 3升高到2 7，压缩机输人功率与制冷量分别增加了1.3倍与8 0%，压缩机输人功率增幅远大于系统制冷量增幅，因此系统COP随室外空气温度的升高而降低。50冷凝温度351800系统输入功率1629.345流量301600制冷量4021.525JCOP1398514003515.932.5203.929.912003.8(u/3X)/喜415430104226.41010003.12577135800200156002-545010400-1027519615-152000-20002325.5272325.527室外温度/室外温度/(a)系统流量与冷凝温度(b)系统COP、制冷量与输人功率(a)System flow and system condension temperature(b)COP,cooling capacity and input power of the system图9不同室外空气温度条件下系统的运行特征Fig.9 Operating characteristics of the system at different ambient temperatures2.3.2不同室内空气温度系统在不同室内空气温度条件下稳态运行时的温熵图如图10 所示。如表2 所示，工况A和工况B分别代表室内空气温度为2 0 和2 4时的系统工况。不同工况下各状态点的温度与压力参数如表3、4所示。两种工况室外空气温度相差很小，冷凝温度几乎相同。由于较低的室内空气温度会削弱蒸发器的换热效果，因此工况A的蒸发温度低于工况B，且工况A蒸发器出口处制冷剂处于饱和状态，过热度为0K。如图11所示，系统在工况A与工况B条件下运行时，压缩机输入功率均为446 W，表明两个工况压缩机转速基本一致，此时系统流量主要受EEV的开度控制。而工况B的流量比工况A多10.3%，表明工况B的EEV开度更大，同时较高的流量也使得工况B制冷量更高。工况A的制冷量与COP分别为138 9W与3.1,工况B的制冷量和COP分别比工况A高13.2%与12.9%。由此可以得出，室内空气温度越高，系统制冷性能越好，但具体的室内空气温度值还需参照人体热需求设定。表2不同工况系统的特征参数Table 2 Characteristic parameters of systems underdifferentworkingconditions室外空气蒸发冷凝流量/工况温度/温度/温度/(kg/h)A26.64.932.229.0B26.16.732.832.0360饱和线-工况A工况B340B2320X/BBA300B,BB280AA2601.11.21.31.41.51.61.71.81.9摘/J/(mol K)图10系统在不同室内空气温度条件下稳态运行时的温一焰图Fig.10 T-S diagram of the system in steady-stateoperation under different indoor temperatures220062000压缩机输人功率口制冷量51800JCOP157316001400138943.512003.1310008002600446446400120000AB工况图11系统在不同室内空气温度条件下稳态运行时的性能Fig.11 Performance of the system in steady-stateoperation at different indoor temperatures74杨华，等：风冷式PV/T空调系统夜间制冷性能实验研究表3工况A状态点参数Table 3 Parameters of condition As state point参数AIA2A3A4A5温度/K277.8324.5305.2303.6278.6压力/kPa913.12016.61992.61968.6949.1表4工况B状态点参数Table 4 Parameters of condition Bs state point参数BIBlB2B;B4Bs温度/K279.8282.8328.7306.0304.1280.4压力/kPa983.3965.02049.12024.21999.31001.53结论该研究提出了一种风冷式PV/T空调系统,对系统在夏季夜间的制冷性能进行了测试,分析了系统的运行特点和制冷性能。（1）系统运行阶段可分为初始阶段、稳定阶段和波动阶段,其中稳定阶段系统的COP较高，但波动阶段的制冷量更高，波动阶段系统制冷量比稳定阶段高56.6%。(2)PV/T冷凝器的散热效果与冷凝温度呈正相关，当冷凝温度从2 7 升高到32 时，PV/T冷凝器的制冷剂进出口温差由0.4升高为1.8。(3）在环境条件相同的情况下，风冷式PV/T空调系统的制冷性能优于风冷式空调系统,前者的COP比后者高8.6%。（4）当室外空气温度从2 3升高到2 7 时，压缩机输入功率与制冷量分别增加1.3倍与8 0%，系统COP随之降低；当室内空气温度由2 0 升高到2 4时，系统制冷量与COP分别提高13.2%与12.9%。在夏季夜间室内外温度均较低的不利工况下，风冷式PV/T空调系统仍具有较好的制冷性能。参考文献：1J Vaishak S,Bhale P V.Photovoltaic/thermal-solar Assisted Heat PumpSystem:Current Status and Future Prospects J.Solar Energy,2019,51(7):268-284.2Yang L W,Xu R J,Hua N,et al.Review of the Advances in Solar-assisted Air Source Heat Pumps for the Domestic Sector J.EnergyConversion and Management,2021,247:114710.3Dannem M,Perers B,Furbo S.Performance of a Demonstration SolarPVT Assisted Heat Pump System with Cold Buffer Storage and DomesticHot Water Storage TanksJ.Energy and Buildings,2019,188:46-57.4 Obalanlege M A,Mahmoudi Y,Douglas R,et al.PerformanceAssessment of a Hybrid Photovoltaic-thermal and Heat Pump System forSolar Heating and Electricity J.Renewable energy,2020,148:558-572.5朱宸威，蔡颖玲，林志坚.PV/T社区用能一体化热泵热水系统的应用研究 J.建筑节能（中英文）,2 0 2 1,49（10）：7 1-7 5.6李慧星，曹炽洪，冯国会，等.严寒地区PV/T-空气源热泵集成供热系统研究 J.建筑节能，2 0 15,43（5）：52-55.7陈建泉.PVT热泵热电冷三联供系统制冷蓄冷特性及应用性能分析 D.大连：大连理工大学，2 0 18.8JErell E,Etzion Y.Radiative Cooling of Buildings with Flat-plate SolarCollectorsJ.Building and Environment,2000,35(4):297-305.9 Eicker U,Dalibard A.Photovoltaic Thermal Collectors for NightRadiative Cooling of Buildings J.Solar Energy,2011,85(7):1322-1335.10尹宝泉，王一平，朱丽，等.光伏辐射板型PV/T系统的电热冷性能 J.重庆大学学报：自然科学版，2 0 13,36（10）：114-119.11黄文竹.直接膨胀式太阳能热泵系统的理论和实验研究 D.合肥：中国科学技术大学，2 0 17.12JLu S X,Zhang J L,Liang R B,et al.Refrigeration Characteristics of aHybrid Heat Dissipation 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