由于能源需求的不断增长和环境挑战，以及实现碳峰值和碳中和的目标，能源系统正逐渐从依赖化石燃料转向低碳、可再生的替代品[1]。近年来，可再生能源的部署取得了显著增长[2]，其中太阳能因其安全性、可扩展性和环境效益而脱颖而出[3]。
光伏（PV）技术能够高效地将太阳能转化为电能，对环境的影响最小[4]；然而，其转换效率仍然有限（通常为6–15%），导致未使用的太阳能转化为热量，使模块温度升高。这种温度上升会降低电能性能，效率通常每升高1°C就会下降约3–5%[5]。因此，开发了光伏/热能（PVT）系统以同时发电和回收光伏废热[6]。然而，传统的基于水或空气的PVT集热器经常面临整体效率低的问题，并存在结冰和腐蚀等实际问题[7]。使用制冷剂作为工作流体可以实现与热泵的直接耦合，从而开发出直膨式PVT热泵（DX-PVTHP）系统，该系统可以冷却光伏电池以提高电能效率并扩展加热工作范围[8]。此外，PVT单元还可以在夏季作为冷凝器使用，从而提高DX-PVTHP系统的全年利用率[9]。
Sporn等人[10]首次提出了DX-PVTHP概念，并通过实验成功证明了其可行性。后续研究集中在优化PVT蒸发器/冷凝器的设计上，以提高热收集效率和散热能力。代表性DX-PVTHP配置的关键性能特性总结在表1中。
片式管状PVT蒸发器/冷凝器是最早的DX-PVTHP配置之一，其特点是蛇形管连接到金属板上，用于基于制冷剂的热回收或散热。在超临界二氧化碳（CO?）热泵中，片式管状PVT单元作为蒸发器运行时，整体效率达到了72.3%[11]；当用作冷凝器副冷却器时，它可以降低气体冷却器的压力，并将制热系数（COP(H)提高了33.8%[12]。尽管结构简单，但这种配置存在光伏电池与管子之间的较大界面热接触阻力，导致传热性能受限。
为了减少片式管状配置中制冷剂与光伏电池之间的热接触阻力，开发了微通道PVT蒸发器/冷凝器。实验结果显示，微通道PVT蒸发器的平均电效率和热效率分别为13.1%和56.6%[13]。与片式管状配置相比，微通道设计提高了约6%的热效率、约2%的电效率以及约7%的COP(H)[14]，这主要归功于增加了的传热面积。然而，狭窄的流道会导致压力损失，并容易产生局部热点和堵塞，可能影响性能和长期可靠性。
因此，为了在不影响紧凑性和轻量化结构的前提下提高温度均匀性和传热效率，提出了一种新的卷对卷PVT蒸发器/冷凝器设计，其在铝基板上集成了制冷剂通道[15]。优化的通道布局（如单向六边形网格单元）进一步提高了表面温度均匀性、热效率和电输出[16]。卷对卷PVT热泵系统的平均COP(H)和COP(C)分别为3.6和2.1[17]。虽然卷对卷设计有效降低了制冷剂与光伏电池之间的热阻，但它们需要复杂的制造工艺，并且在停滞/过热和长期运行过程中经常出现泄漏和压力相关的问题[18]，这突显了需要坚固的结构和兼容性强的低腐蚀性、低影响的制冷剂[19]。
热管允许在温差很小的情况下实现高效的热传递，单个热管的故障通常不会影响整个模块的性能。这促使人们开发了基于热管的PVT蒸发器/冷凝器，提高了温度均匀性和可靠性[20]。带有循环热管PVT蒸发器的热泵的平均电效率和热效率分别为9.13%和39%，其COP(H)约为传统系统的1.5–4倍[21]。尽管具有这些优势，传统的圆柱形热管由于与平板光伏电池的几何不匹配而面临挑战，导致接触阻力增大和传热受限。在循环热管配置中，非均匀的流动分布会导致各循环之间的温度分布不均，文献中记录的循环间温差可达9°C[22]。此外，迄今为止尚未有关于将循环热管PVT单元用作热泵系统中的冷凝器的报道。
尽管在DX-PVTHP系统设计方面取得了显著进展，但仍需解决几个问题。当PVT单元作为蒸发器运行时，现有设计往往难以同时实现高效的制冷剂-光伏热传递、紧凑轻量化的结构、易于制造以及最低的堵塞或泄漏风险。此外，太阳能的间歇性限制了维持连续高效加热运行的能力。当用作夜间冷却的冷凝器时，PVT单元依赖辐射和对流散热，这通常远不如翅片管换热器（FTHE）的强制对流能力。
Du等人[23]提出了一种基于微热管阵列（MHPA）的PVT蒸发器（MHPA-PVTAE），并引入了一种集成这种蒸发器的双热源直膨式热泵（MHPA-DHS-DXHP）。平板MHPA提高了与光伏电池的贴合度，减少了界面热阻并缓解了局部热点问题，而多通道平板管（MCFT）增强了压力抵抗并降低了堵塞/泄漏的风险。MHPA背面的带鳍片的空气导管进一步利用了低辐照度下的环境空气能量。在冬季条件下，该系统的COP(H)达到2.8，发电效率为13.3%。然而，仍存在一些限制，如从光伏电池到带鳍片空气导管的热量旁路会降低空气热利用效率[24]，夏季运行时缺乏被动辐射冷却模式[25]，以及使用毛细管导致在不同天气条件下无法实现制冷剂流量的自适应控制[26]，这些问题需要系统性的研究。
为了克服这些限制，本研究开发了一种新型的基于MHPA的PVT-空气双源蒸发器/冷凝器（MHPA-PVTAE/C），并将其集成到双源直膨式热泵系统（MHPA-DHS-DXHP）中。主要创新在于重新设计了制冷剂侧布局，在两层MHPA之间嵌入了三个MCFT。两个MCFT位于MHPA冷凝部分，作为制冷剂蒸发通道以增强热收集；第三个MCFT位于MHPA蒸发部分，作为制冷剂冷凝通道，促进向天空的长波辐射散热。还引入了中间隔热层，以抑制从光伏模块到带鳍片空气导管的寄生热传导。通过季节性实验评估了加热、冷却和发电性能以及运行可靠性，并建立了MATLAB模型来确定COP(H)导向的模式切换条件。结果为这种新型系统在全年建筑能源供应中的应用提供了数据支持和理论指导。
