采用地源热泵与PVT系统的相结合提高系统热能利用率

引言

地源热泵是一种利用浅层地热资源，依据逆卡诺循环工作原理，既可供热又可制冷，能实现蒸发器与冷凝器功能转换的设备。它利用浅层地表一年四季温度均相对稳定的特性，通过输入较少的高位能电能，实现热能从低温向高温的转移，并取得较多的热能。热泵机组冬季把热量从地下取出来供给室内，此时土壤作为热泵机组的“热源”;夏季把室内热量取出来释放到地下，此时土壤作为热泵机组的“冷源”.和其他电加热、燃料燃烧加热等传统加热方式比较，它从地下环境吸取热量传递给高温物体，将低位热源输送到高温热源，只需供给少量高位能就可以高效地从周围环境提取低位能，是一种高效节能、无污染、可再生、可持续发展的能源先进利用形式。对节约常规能源、缓解大气污染和温室效应具有积极的作用。

1 目前PVT系统存在的问题

PVT系统是集太阳能光伏发电和光热为一体的系统称为太阳能光伏光热联产系统，简称PVT.它包含光伏（PV）与光热（PT）两部分，其集太阳能电池和太阳能集热器于一体，利用光生伏特效应，使光能转化为直流电，再经过逆变器转化为工频交流电供人们使用，通过电池板发电得到电收益。同时将太阳能电池板光电转换过程中产生的部分热能，通过热交换收集起来，不断被转化出来的热量加热热水，供人们使用，从而实现PVT系统的热电联供。

PVT 系统通常包括：PVT 组件、汇流箱、逆变器、纯水箱、板式换热器、蓄热水箱。其中PVT组件是其核心内容，包括：玻璃盖板、电池板、集热器、导热硅脂层、水管、绝热层等。在玻璃盖板与电池板之间设有空气层，以便减少电池板正面的热损失。导热硅脂层强化了电池板与集热器之间的传热，绝热层减少了集热器背部的热损失。水管均匀安装在集热器上，保证水管内的温度一致，蓄热水箱储存吸热后的热水。

PVT 集热器产生的热量温度一般在30~60 ℃，适用于家用热水、采暖和其他对低温热量有大量需求的公用、民用或工业领域。考虑到电能是高品位能量，热能是低品位能量，首要目的是设法提高光伏发电效率，获得更多的电能，以缩短发电系统投资回收期。同时获得的热能作为副产品，能产生一定量的热水。但是PVT系统在阴雨天气及晚上等日照不充足的时间，存在无法全天候保证光热转换的问题，导致热水供应无法连续进行，同时集热后太阳能电池背板温度过高，造成电池板光伏发电效率下降，影响光伏发电系统的工作。

2 地源热泵-PVT系统

2.1 系统工作原理

地源热泵-PVT系统则实现太阳能与地源热泵的综合利用，地源热泵与太阳能相结合具有很好的互补性。

太阳能可以提高地源热泵的进液温度，提高运行效率；地源热泵可以补偿太阳能日照影响的间歇性。系统利用太阳能作为蒸发器热源，将地源热泵和PVT系统有机结合在一起，在阴雨天及夜晚，地源热泵作为加热系统的辅助热源，全天候工作提供热水或热量，能有效的解决在阴雨天及夜晚等日照不充足的情况下，PVT热水供应不稳定不连续的问题。对太阳能系统来说集热器表面温度越低，越有利于提高太阳能光伏发电效率，地源热泵-PVT 系统能够及时带走电池板背板的热量，调节电池板的温度，提高太阳能电池板的发电效率。而集热器吸收的热量同时作为地源热泵的低温热源，提高了地源热泵的供热性能和工作效率。

2.2 系统构成及优点

图1是地源热泵-PVT系统的示意图。整个系统主要由太阳能集热器、地源热泵压缩机、蒸发器、冷凝器、蓄热器等组成。液态工质在蒸发器内吸热后变为低温低压过热蒸汽，在地源热泵压缩机中经过绝热压缩后变为高温高压气体，再经冷凝器定压冷凝为高压中温的液体，放出工质的气化热，与冷凝水进行热交换，使冷凝水被加热为热水并存储在蓄热器中，供用户使用。

地源热泵-PVT 系统的设计过程中，将太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一，太阳能集热器与热泵联合运行，使太阳能集热器在低温下收集热量，再由热泵装置升温给供热系统，循环工质在太阳能集热器与蒸发器中直接吸热蒸发，节省了换热设备，简化了系统结构。

在正常情况下，太阳能采用定温加热方式。在光照充足条件下，当太阳能集热器内水温达到设定水温时，电脑控制器使供冷水电磁阀自动打开，冷水进入太阳能集热器底部，同时将太阳能集热器顶部达到设定温度的热水顶入蓄热器；当太阳能集热器顶部水温低于设定温度时，电脑控制器使供冷水电磁阀自动关闭。从而不断将达到设定温度的热水顶入蓄热器储存。

蓄热器水箱满水位时，太阳能温差循环加热。太阳能集热器水温高于蓄热水箱水温时，自动启动循环水泵，将蓄热水箱内较低温度的水，泵入太阳能集热器继续加热，同时将太阳能集热器内较高温度的热水顶入蓄热水箱。通过使蓄热水箱水温升高的方法储存太阳能集热器吸收的太阳能。当用户使用热水使蓄热水箱的水位下降后，电脑控制器使太阳能系统自动转入定温加热。

在热水使用负荷不大或日照条件较好、集热器温度较高时，地源热泵可以不用启动，将集热器中的热水直接供用户使用。此时系统只需消耗很少的电能，系统的热能利用率较高。当太阳能不足或因循环散热等原因造成水箱内水温达不到使用要求时，采用地源热泵辅助加热方式，自动启动热泵加热到设定温度，以保证热水的使用；当太阳能产的热水不足或用户使用热水过度，蓄热水箱的水位没有达到正常的水位，温度控制器使热泵自动启动；当达到正常水位时，热泵自动停止。系统中加入地源热泵作为辅助能源供给，以保证全天候连续制热需要，虽然增加了一部分能耗，但与纯粹利用电能为动力的系统相比，可以非常明显节约电耗，具有运行效率高、节能效果明显、运行费用低的特点。提高了系统在不同工况下连续运行的可靠性和稳定性，便于规模化应用。

2.3 系统影响因素

在地源热泵-PVT 系统中，太阳能收集和转化的过程存在着时效问题，因而吸收转化的热量必须得到及时的储存，其蓄热技术就显得尤为重要，必须要很好地解决。另外对于居住集中的楼房建筑，设计时如果没有预 留，集热器的安装将受到很大的限制。

在实际运行中需考虑集热器、冷凝器、流量循环等相应的分配情况，使得进水口温度、集热温度、冷水温度、冷却水温度、流量等设定在最佳的范围，使系统循环水温度较低，从而有利于系统电效率的提高。同时考虑对进口水温进行控制，及时将温度过高的进水排走或者转移至其他蓄热容器，以保证系统具有相对较高的发电效率和热收益，使地源热泵-PVT 系统经济合理的稳定运行，从而获得最大的收益。

地源热泵系统成功的关键在地下系统，需对地下土壤、地下水等地质构造及水文情况进行勘测，研究地下岩土层与含水层中的传热，蓄热，以及热、质交换与迁移的规律，并根据地质情况选用相应的地下管路及器件材质，对地下埋管或水井进行精心设计、精心计算、精心施工，做好项目策划、设计、施工及运行维护的每一个关键环节。

3 结论

地源热泵-PVT系统采用定温加热、温差循环技术，有效降低了太阳能电池背板的温度，提高了太阳能电池光伏发电效率，同时利用地源热泵与太阳能相结合的互补性，提高了地源热泵的供热性能和工作效率。

采用地源热泵与PVT系统相结合，实现太阳能与地源热泵综合利用，并以地源热泵作为辅助加热系统，提高了系统的热能利用率，克服了单纯PVT系统在日照不充足、太阳能间歇性的情况下热量不能连续稳定供应的缺陷，实现太阳能驱动下的连续稳定供热，推动了PVT系统的推广应用。从系统效率及性能系数看出，增设地源热泵作为辅助加热系统后，消耗相同的压缩功，系统的供热效率得到了提高，实现了节能降耗的效果。