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太阳能空气双热源热泵系统性能实验(2)

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1.3 系统性能评价指标

DHS-HP 系统的性能评价指标主要包括发电量、电效率、得热量、热效率、COP和综合性能效率。

系统的瞬时发电量可按式（1）进行计算：

系统的瞬时光电转换效率可按式（2）进行计算：

系统的冷凝器瞬时放热量可按式（3）进行计算：

系统的瞬时热效率是指单位面积光伏光热蒸发器通过对流、辐射等途径从周围环境中吸收的热量与入射太阳辐射的能量之比，可采用冷凝器瞬时放热量扣除压缩机瞬时功耗进行计算，即[6]：

热泵的性能系数可按式（5）进行计算：

由于热能和电能属于两种品位不同的能源，为准确评价其能量利用特性，这里采用Huang等[29-30]提出的综合性能效率进行评价，即：

1.4 实验误差分析

E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo是热泵系统性能评价的重要指标，相对误差分别为：

根据式（7）～式（12）进行计算得到，E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo的相对误差分别为0.71%、2.12%、

图3 DHS-HP实验平台示意图Fig.3 Schematic diagram of DHS-HP system

1—MHPA-PV/TE;2—压缩机;3—套管换热器;4—贮热水箱;5—电磁阀;6—四通换向阀;7—毛细管;8—过滤器;9—储液罐;10—单向阀;11—风冷换热器;12—轴流风机;13—循环水泵;14—数据采集仪;15—计算机;—温度传感器;—功率传感器;—流量传感器;—压力传感器;—电流传感器;—电压传感器;—风速传感器3.00%、3.74%、3.16%和4.30%。

表1 测试设备和传感器参数Table 1 Types of related measured instruments and sensors名称热电偶热电阻压力传感器制冷剂流量传感器水流量传感器电流表电压表功率传感器照度计型号T Pt100 MIK6100 YZCL-4 LD-20 YG1951-AK1R YG195U-AK1R S350 TRT-2量程-200～350℃-40～150℃0.1～2.5 MPa 5～250 L/h 0.2～2.0 m3/h 0～30 A 0～100 V 0～4 kW 0～2000 W/m2精度0.5℃0.1℃0.5%0.5%1.0%0.5%0.5%1.0%2.0%

2 实验结果与分析

图4 为不同模式下太阳辐照（G）和环境温度（Ta）的变化曲线。SA 模式下，GSA为152～733 W/m2，平均456 W/m2；Ta,SA为7.5～13.6℃，平均10.6℃。S 模式下，GS为295～783 W/m2，平均634 W/m2；Ta,S为4.6～14.9℃，平均9.1℃。根据环境参数的变化趋势，可分为3 个阶段：第1 阶段（0～60 min），Ta,SA＜Ta,S，GSA＜GS；第2 阶段（60～140 min），Ta,SA≈Ta,S，GSA＜GS；第3 阶段（140～270 min），Ta,SA＞Ta,S，GSA≈GS。

图4 太阳辐照与环境温度变化曲线Fig.4 Variation curves of solar radiation and ambient temperature

图5 环境温度与蒸发器背板温度以及环境温度与蒸发器出风温度的差值的变化曲线Fig.5 Variation curves of temperature differences in ambient air and back panel as well as ambient air and outlet air

图5为不同模式下环境温度与蒸发器背板温度的差值（ΔTa-eva）以及环境温度与蒸发器出风温度的差值（ΔTa-out）的变化曲线。由图可知，SA 模式下ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA随太阳辐照的降低显著增加。第1 阶段，GSA在208～549 W/m2之间变化，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分别波动在-0.2～3.5℃和0.2～1.4℃，蒸发器从环境空气中吸热。第2 阶段，GSA下降至152 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA逐步提升，最高达4.1℃和1.6℃，蒸发器从环境空气中的吸热能力进一步增强。第3 阶段，GSA稳定在598 W/m2，ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分别波动在-3.1～0.5℃和-0.3～0.5℃，蒸发器出现向环境空气散热的现象。对于S 模式，由于未采用与环境空气强制对流的换热方式，ΔTa-eva,S波动在-5.4～0.5℃，环境空气中的热量未被利用；而在第3 阶段，由于SA 模式中环境空气作用的转变，致使ΔTa-eva,SA和ΔTa-eva,S开始趋于一致。需要说明的是，由于制冷剂换热器布置在出风口处，其对蒸发器出风温度造成一定影响，致使第3 阶段中绝大多数时间ΔTa-out,SA略大于0 情况的出现。根据上述特性，通过监测ΔTa-eva的变化进行运行策略的调整，可以进一步提升系统的运行效果，即当ΔTa-eva＞0（即背板温度小于环境温度）时，启动双热源模式；当ΔTa-eva＜0（即背板温度大于环境温度）时，启动太阳能供热模式。

图6 得热量和热效率的变化曲线Fig.6 Variation curves of heat gain and thermal efficiency

图6为不同模式下得热量（Qth）和热效率（ηth）的变化曲线。由图可知，Qth和ηth受太阳辐射和环境温度的变化有一定波动，但随运行时间增加总体呈下降趋势。第1 阶段，由于环境空气的能量补充，SA模式下系统实现相对稳定的能源供应，Qth,SA在993～1251 W 范围内小幅波动；ηth,SA最高达129.7%，且整个过程均高于ηth,S。第2 阶段，SA 模式下环境空气的能量补充作用进一步显现，使Qth,SA与Qth,S相差不大，平均约872 W 和932 W；平均ηth,SA却高达87.4%，是ηth,S的2倍。第3阶段，Qth,SA和ηth,SA的变化趋势与S模式趋于一致。测试期间，平均Qth,SA和ηth,SA分别为962 W 和56.7%；而S 模式下平均仅为858 W 和36.4%。不难看出，SA 模式更适合在低辐照条件下运行。

文章来源：《辐射研究与辐射工艺学报》网址: http://www.fsyjyfsgyxb.cn/qikandaodu/2021/0319/629.html