引言随着全球能源消耗量不断升高，可再生清洁能源的高效利用成为科研重点内容。太阳能作为集低成本、无污染、产量丰富等优点于一体的可再生能源，具有重要研究意义[1-2]。科研人员基于光伏光热一体化模块构建了PV/T-热泵耦合供能系统，实现联合供能[3-4]。PV/T模块和热泵在系统间实现能量互补，各模块的效率均得到提升[5]。常规的PV/T集热器系统输出的热量并不能满足建筑负荷侧需求，但可以提升热泵蒸发端温度，进而提升热泵效率；热量从PV/T模块转移到热泵，使光伏电池发电效率得到提升。文中建立PV/T-水源热泵(PV/T-WSHP)系统，基于Trnsys软件，采用郑州地区的气象参数与负荷数据进行模拟，通过模拟不同供暖时期该系统模型的运行情况获取性能参数进行分析。1系统设计1.1PV/T-WSHP系统概述PV/T-WSHP系统运行原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F001图1PV/T-WSHP系统运行原理PV/T-WSHP系统由PV/T集热器、蓄热水箱、水源热泵、循环水泵以及负荷水箱等设备组成，负荷水箱与供暖末端连接。该系统中PV/T集热器提供的热量完全用于热泵蒸发端需求，PV/T系统产生的电量完全用于系统供热，发电量不足以满足系统耗电需求时，由电网提供剩余电量。文中搭建PV/T-WSHP系统的Trnsys模型，对系统热电性能、机组COP、系统综合效率等进行能效评价因素分析。1.2系统控制方法PV/T-WSHP系统的运行需要建立相应的运行策略以有效地利用热源。研究主要讨论典型日的系统性能，因此该系统未设置直供热水模式，PV/T集热器热量用于热泵蒸发端，负荷水箱仅承担室内供暖需求。集热循环泵启停采用温差控制，PV/T集热器进出口温差高于5 ℃时开启集热循环泵，低于2 ℃时关闭集热循环泵，运用Trnsys软件中的温差控制模块实现；末端循环泵启停采用Trnsys软件中的时间控制模块实现，与房间实际供暖时间一致；通过监测负荷水箱供水水温控制热泵启停。2模型搭建2.1气象数据系统的气象参数获取通过Meteonorm气象软件实现。选取郑州市（东经113°65′ 北纬34°717′）全年8 760 h逐时气象数据，导入Trnsys系统所需的气象数据，包括干球温度、太阳辐照度、风速、相对湿度等，将气象参数输出为TYM2格式，导入Trnsys软件进行计算。供暖季为每年11月1日至次年3月31日，在供暖季太阳辐照强度呈逐渐上升趋势，在供暖季末期辐照度最高。供暖季室外平均温度为5.5 ℃，室外温度在次年3月份达到最高，次年1月份最低。2.2建筑负荷模型通过Trnsys的前端软件Sketch Up导入Trn3d插件进行热区内的建筑物理模型搭建，建筑模型参考郑州市某学院楼内办公室进行设计，建筑面积122.9 m2，层高3 m，窗墙比等参数均按照真实比例绘制。建筑各类型墙体的传热系数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.T001表1建筑各类型墙体传热系数建筑类型数值外墙0.36屋顶0.18地板0.12窗户2.51W/(m2·K)该学院楼内办公房间的灯光、设备等热负荷参数值由《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[6]参考给出，负荷模型条件如表2所示。供暖季室内温度设定为20 ℃，将数据输入TRNBuild软件进行建筑热负荷动态模拟。建筑逐时负荷需求变化情况如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.T002表2负荷模型条件项目数值人均产热/(W/m2)70.00人员个数15照明散热/(W/m2)15.81设备散热/(W/m2)7.43通风次数/(次/h)1.35渗透次数/(次/h)0.60设定室内温度/℃20（供暖季）10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F002图2建筑逐时负荷需求变化情况10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F003图3PV/T-WSHP系统动态仿真模型10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F004图4供暖季不同时期PV/T模块热效率对比情况10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F005图5供暖季不同时期PV/T模块电效率对比情况全年供暖季热负荷峰值出现在1月，约为9.35 kW。根据最大热负荷进行系统设备选型并利用Trnsys软件进行系统模型搭建与动态模拟。2.3PV/T-WSHP系统动态模型供暖季该办公建筑PV/T-WSHP系统的运行时间为每天9：00至17：00。根据供暖季最大热负荷需求，考虑一定的富裕系数对水源热泵进行设备选型，选用水冷型集热器。PV/T-WSHP系统组件参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.T003表3PV/T-WSHP系统组件参数组件类型参数数值PV/T模块尺寸/(m×m)1.6×30.0填充因子0.8倾角/(°)45.0水源热泵制热量/kW9.7功率/kW2.3额定COP4.2循环水泵最大流量/(L/min)90.0功率/W750.0蓄热水箱容积/L2 200.0负荷水箱容积/L800.0调用Trnsys软件中PV/T(Type50b)、水箱(Type158)、控制信号(Type2b)、TESS数据库中的水源热泵(Type927)等模块组成系统的动态仿真模型，统计系统能耗、集热效率以及机组性能等参数进行后续分析。选取供暖季11月至次年3月中具有当月气象及负荷典型特点日进行气象数据与负荷数据导入模拟。PV/T-WSHP系统动态仿真模型如图3所示。3结果分析对于该耦合供能系统进行效率分析，首先单独分析各组件的性能，再进行全系统综合效率分析。对PV/T组件分析其热电性能，热泵模块分析性能系数，引入性能系数COPSYS作为系统综合评价标准。3.1PV/T模块热电性能PV/T组件的光热转换效率ηth[7]为：ηth=QthAG=cpm(Tout-Tin)AG (1)式中：Qth——PV/T组件光热输出功率，W；A——PV/T组件集热面积，m2；G——PV/T组件表面太阳辐照强度，W/m2；cp——冷却水的比定压热容，J/(kg·K)；m——冷却水质量流量，kg/s；Tout——PV/T出口温度，K；Tin——PV/T进口温度，K。PV/T组件的光电转换效率ηel为：ηel=PAG=UIAG (2)式中：P——PV/T组件光电输出功率，W；U——PV/T组件输出电压，V；I——PV/T组件输出电流，A。PV/T组件的热电综合效率ηf[8]为：ηf=ηth+ξηelηpower (3)式中：ζ——PV/T集热器填充因子；ηpower——常规热能向电能的转换系数，取0.38。供暖季不同时期PV/T模块热效率对比情况如图4所示。11月系统PV/T模块热效率较高，3月热效率较低，热效率最高可达64.14%。对于同一光伏光热系统，热效率与集热器的入口水温、环境温度、辐照度等有关，供暖末期的辐照度、环境温度均有提升且热负荷降低，导致集热水箱水温上升，集热器热效率降低。PV/T-热泵系统光热效率受热泵机组工作影响，在该气候地区可设置太阳能直供暖系统，以解决供暖末期集热系统热效率降低的问题。供暖末期全天平均热效率为49.92%，仍具有较好适应性。供暖季不同时期PV/T模块电效率对比情况如图5所示。PV/T模块电效率在次年1月最高，次年3月最低，最高达到13.63%。环境温度越低，光电转换效率越高，PV/T-热泵系统光电转换效率不受热泵机组工作影响，主要与室外温度有关，电池温度越高，光电转换效率越低。供暖末期全天平均光电转换效率为12.49%，具有较好适应性。供暖季不同时期PV/T模块热电综合效率对比情况如图6所示。PV/T模块热电综合效率在11月达到最高，3月最低，最高达到92.37%。热电综合效率的变化趋势基本与热效率变化趋势相同，从供暖初期到末期呈现递减趋势。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F006图6供暖季不同时期PV/T模块热电综合效率对比情况3.2热泵性能热泵机组的制热输出功率QH为：QH=mLc(Tout-Tin) (4)制热性能系数COP为：COP=QHW (5)式中：mL——循环水流量，kg/s；c——循环水比热容，J/(kg·℃)；Tin、Tout——分别为循环水进、出口温度，℃；W——压缩机功率，W；QH——热泵的制热量，W。供暖季不同时期热泵机组模块COP对比情况如图7所示。3月热泵机组的COP最高，1月热泵机组的COP最低。供暖末期集热水箱水温提升，虽然导致PV/T模块光热效率降低，但热泵机组热源侧吸热量上升，压缩机功耗降低，使热泵机组COP提升。供暖中期为最寒冷时期，集热器捕获热量不足以满足热泵热源侧需求，且热负荷较高，因此热泵机组COP出现供暖中期较低、末期较高的变化趋势。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F007图7供暖季不同时期热泵机组模块COP对比情况3.3系统综合效率系统获得的能量包括PV/T模块的产热量Qth、产电量P0以及热泵机组的制热量QH；系统消耗的能量包括集热泵、各循环水泵以及热泵机组的耗电量。系统综合性能系数COPSYS为：COPSYS=QH+QthΣPW+PH-P0 (6)式中：ΣPW——集热泵及各循环水泵耗电功率总和，W；PH——热泵机组耗电功率，W。供暖季不同时期系统COPSYS对比情况如图8所示。供暖末期系统COPSYS获得极大提升，对于用户水源热泵机组，在供暖末期辐照度增大的情况下，PV/T模块提供的产电量接近系统耗电量，建筑房间供暖可实现低能耗，PV/T-热泵系统具有较好的节能效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.012.F008图8供暖季不同时期系统COPSYS对比情况4结语文中建立了PV/T-WSHP供暖系统的Trnsys仿真模型，分析PV/T-WSHP供暖系统在供暖全季运行效率的变化情况。PV/T模块热电效率在供暖初期较高、供暖末期较低；热泵机组COP在供暖末期较高、供暖中期较低；系统COP在供暖末期较高，供暖初期较低；供暖全季热电综合效率为52.47%~92.37%，系统COP为3.10~7.34，表现了良好的适应性。PV/T模块光热效率受热泵机组工作影响，光电效率受电池温度影响，热泵机组性能系数受集热器所捕获热量与热负荷变化情况影响，相比于单一热泵机组，PV/T-WSHP供暖系统在供暖全季可实现较低能耗运行。在供暖末期PV/T模块提供的产电量接近系统耗电量，展现了良好的节能效果。