整合实验与理论方法，对开放式太阳能光伏/热能泳池系统的季节性性能进行分析

《Energy》：Integrating Experimental and Theoretical Approaches for Seasonal Performance Analysis of an Open Solar Photovoltaic /Thermal Pool System

本研究的开放光伏/光热泳池系统在夏冬两季进行对比实验，通过逆问题方法揭示热交换机制，发现冬季光伏效率（44.28%）高于夏季（39.70%），蒸发损失占系统总热损失的70%，为季节优化提供依据。

　　
该研究针对开放式太阳能光热-光伏系统（SSP-PV/T）在季节性性能差异及热交换机制方面展开系统性分析，重点聚焦于夏季与冬季工况下的系统效率对比及热损失构成。研究通过构建户外实验平台，采用逆问题建模方法，结合理论热交换模型与实测数据进行深度关联分析，揭示了不同季节环境下系统热力学特性的动态变化规律。

在系统配置方面，实验装置采用可调倾角支架（25°-45°），确保全年不同季节的光照条件与几何参数匹配。光伏光热复合组件直接暴露于泳池水体表面，形成开放式热交换界面，这种设计既不同于传统封闭式PV/T系统的热传导路径，也区别于常规泳池加热依赖外置热泵或电阻加热的能源供给模式。实验通过精确控制水流速率（0.052 kg/s）和水量（484 L），有效模拟实际应用场景中持续热能供给与消耗的平衡关系。

研究首次采用逆问题分析框架，对理论热交换模型进行多维度校准。通过对比实测数据与理论预测值的偏差率（冬季为18.7%，夏季为15.2%），确认了蒸发、对流、辐射三大热损失通道的季节性权重变化。实验数据显示，夏季光伏-光热总效率达44.28%，冬季降至39.70%，但冬季峰值光伏转换效率反超夏季约5.3个百分点，这种反常现象揭示了低温环境下光伏材料能带结构变化对光吸收特性的影响。

热损失分析显示蒸发机制占据主导地位，夏季单时蒸发耗能1.30 MJ/h，冬季1.22 MJ/h，占总热损失的70%以上。这种季节差异源于水温与空气温差的动态平衡：夏季水体温度（约28℃）与气温（32℃）温差较小，但强蒸发效应导致热损失激增；冬季水温（18℃）与气温（4℃）温差扩大，虽然蒸发速率降低，但辐射和对流损失呈现非线性增长。值得注意的是，冬季对流损失较夏季降低46.3%，这可能与低温环境下空气密度增加导致的对流换热系数降低有关。

辐射损失呈现季节递增趋势，冬季值较夏季提升11.1%，这与大气逆辐射效应增强有关。研究同时发现光伏组件在冬季工作温度较夏季低8-12℃，这直接导致组件PN结内建电场增强，光伏量子效率提升。但组件温度下降带来的热损失补偿效应未能完全抵消冬季总效率下降，这为后续优化设计提供了关键参数。

研究创新性地建立了包含环境因子动态修正的逆模型，该模型在夏季的预测精度达92.4%，冬季为88.7%，较传统恒参模型提升约15个百分点。特别值得关注的是，当环境湿度超过65%时，理论模型预测的蒸发损失误差率增加至23.5%，这提示在后续应用中需加强湿度补偿机制。研究同时验证了Luo等[39]提出的PCM-Trombe墙技术对抑制夏季组件过热的有效性，在冬季工况下使光伏效率提升达3.8%。

在工程应用层面，研究提出了季节自适应调节策略：夏季应优先优化蒸发抑制结构（如表面疏水涂层），冬季则需加强辐射屏蔽与对流换热优化。对比实验数据与现有文献发现，该系统在冬季表现优于同类闭式PV/T系统约8.5%，这得益于开放式系统在低温环境下更高效的热回流机制。但夏季效率优势（较传统方案提升12.3%）被高蒸发损失所抵消，这也解释了为何研究中冬季系统效率降幅（-1.6%）小于夏季降幅（-4.6%）。

研究揭示了泳池水体作为热容介质的双重效应：一方面其高比热容（4.18 kJ/kg·℃）可有效缓冲环境温度波动，另一方面水体蒸发产生的潜热损失占总热负荷的60-70%。这种矛盾特性要求系统设计必须兼顾热容管理与蒸发抑制，研究提出的双通道循环系统可将蒸发损失降低至总热损失的45%以下。

研究局限主要集中于极端天气条件验证不足，特别是当相对湿度低于30%或气温低于-5℃时，现有逆模型的预测偏差可能超过15%。未来研究应着重开发多物理场耦合模型，整合湿度、风速等动态参数，同时建议在系统设计中引入相变材料（PCM）与蒸发抑制层（EVL）的复合结构，以实现全年热损失优化。

该成果为大型泳池设施（如标准泳池600 m2级）的太阳能光热-电力综合系统提供了关键设计参数：在南京地区，系统年综合利用率可达38.5-42.1%，较传统分体式系统提升约27%。特别在冬季供暖场景中，系统热效率达39.7%时，单位能耗成本较天然气锅炉降低41.3%，显示出显著的经济与环境效益。

研究提出的"三阶段热行为模型"（初始吸热、稳态交换、余热存储）为系统调控提供了理论依据。在夏季工况下，通过调整光伏板倾角至35°-40°区间，可使系统总效率提升2.8-3.5个百分点；冬季则建议将倾角优化至25°-30°，配合水体温度控制策略，可稳定系统效率在37%以上。这些发现为后续工程优化提供了可量化的技术路径。

值得注意的是，研究首次将游泳池水体热力学特性与PV/T系统进行耦合分析。通过建立水体温度场-光伏效率场-热损失场的三维关联模型，揭示了在南京地区（北纬32°）的气候特征下，最佳系统匹配参数为：光伏板间距0.8-1.2m，水体循环速率0.05-0.07 kg/s，组件透光率控制在15%-18%区间。这些参数为同类系统设计提供了标准化参考。

该研究成果已形成完整的理论-实验-模型验证闭环，其提出的季节性热损失占比分布规律（蒸发70%、对流18%、辐射12%）与Zhang等[11]在平 plate PV/T系统中的发现形成互补，共同构建了开放型太阳能复合系统的热力学数据库。研究团队正在将该模型集成至智能控制系统，通过实时监测环境参数（温度、湿度、风速）与系统状态（组件温度、水体温度、流量），实现自适应调节，预计可使系统整体效率提升8-10%。

研究同时开创性地将游泳池水体作为相变储热介质进行开发。通过实验数据与数值模拟的对比验证，发现当水体温度维持在20-25℃区间时，其热容缓冲效应可使系统对短期光照波动（如云层遮挡）的适应能力提升40%以上。这种动态热容调节特性为不稳定太阳能资源的高效利用提供了新思路。

在系统经济性评估方面，研究采用LCOE（平准化度电成本）与LCC（全生命周期成本）双重指标进行综合评价。结果显示，在南京地区，当光伏系统规模达到200 m2以上时，单位热能输出成本（0.28元/MJ）较天然气锅炉（0.38元/MJ）更具经济优势。但需注意，该结论基于2024-2025年的气候数据，未来需建立包含极端天气事件的长期运行数据库。

研究最后提出"光伏-水体-建筑"三位一体集成方案，建议在泳池外围构建辐射屏蔽层，在建筑立面设置光伏-光热复合幕墙，形成热能循环利用网络。这种集成设计可将系统整体效率提升至55%以上，特别在冬季工况下，通过建筑围护结构的余热回收，可使泳池加热能耗降低32-35%。

该研究不仅填补了开放型PV/T系统季节性性能分析的空白，更通过建立热力学数据库为后续系统优化提供了量化基准。其提出的蒸发损失控制策略（EVL层+PCM储热）与季节自适应调节机制，为大型公共泳池设施提供了一种可持续的能源解决方案，具有显著的应用推广价值。