《Applied Thermal Engineering》：Performance analysis of a dual-source multi-mode PVT heat pump system for oilfield heating in severe cold climates
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针对严寒地区油田分散式抽油站加热需求，创新性提出双源多模式光伏热泵系统，通过PVT模块、翅片管换热器与级联循环的协同作用，在-23.9°C环境下实现62.5°C热水平稳输出，平均COP提升21.98%，加热能力提高59.15%，有效降低柴油发电机碳排放。
赵一凡|张继利|李瑞申|庄淑萍
大连理工大学基础设施工程学院，中国大连116024
摘要
随着化石资源的持续开采，石油开采正逐渐向分散式和小型化方向发展。这些站点通常依赖柴油发电机提供的电加热或空气源热泵（ASHP）进行供暖，导致高能耗和大量碳排放。为了在油田实现低碳和高效供暖，同时确保在低温条件下的可靠供热，本研究提出了一种双源多模式光伏热（PVT）热泵系统。该系统创新性地集成了PVT模块、翅片管换热器（FTHE）和级联制冷系统，并引入了四种运行模式以适应不同条件：PVT直驱增压模式、双源协同模式、空气源单级模式和级联模式。构建并测试了这种双源多模式PVT热泵系统的实验装置。实验结果表明，在环境温度为-23.9°C的情况下，该系统能够提供62.5°C的热水。通过模式切换，系统能够在不同运行条件下稳定高效地提供55°C的热水。当PVT模块参与循环时，平均性能系数（COP）提高了21.98%，平均加热能力提高了59.15%。该系统通过利用多种能源的协同作用，显著降低了运行能耗和碳排放。
引言
在全球气候变化加剧和实现碳中和的战略目标双重压力下，能源结构的转型已成为世界各国关注的核心问题。作为世界上最大的发展中国家和碳排放国，中国明确设定了在2030年前达到碳排放峰值、在2060年前实现碳中和的战略目标。从1978年到2022年，中国的总能源消耗从5.7×10^8吨标准煤当量增加到54.1×10^8吨标准煤当量[1]。随着化石资源的持续开采，石油开采正逐渐向分散式和小型化方向发展。大多数这些设施远离集中供热网络，电网覆盖范围薄弱或甚至不存在。开采出的原油通常储存在油罐中并通过油罐车运输。然而，温度的降低会导致原油粘度显著增加，从而增加运输难度。目前，油罐的供暖主要依赖柴油发电机提供的电加热，这存在高能耗、热效率低和严重环境污染等问题。因此，迫切需要在石油开采地区引入清洁能源和高效率的能源利用系统，以实现低排放和低能耗的供暖，最终减少能源使用和环境影响[2]。
原油的粘度与其温度密切相关。在50°C以下，随着温度的降低，粘度急剧增加；而在50°C以上，粘度变化较为平缓。因此，在开采和运输过程中需要保持原油的温度高于这一范围。在寒冷地区的冬季，环境温度经常低于-10°C甚至更低，这为油井的供暖带来了重大挑战。虽然可以采用电加热和热泵，但热泵具有更高的COP和更低的碳排放，这是其优于直接电阻加热的主要优势[3]，热泵广泛应用于住宅供暖[4]、生活热水生产[5]和废热回收[6]。在各种类型的热泵中，由于性能可靠和稳定，空气源热泵（ASHP）常用于建筑供暖和热水供应[7]。传统的单级循环ASHP已使用多年[8]。然而，在低温环境或大温差条件下运行时，单级热泵的COP会显著下降，同时排放温度也会过高[9]。在极端情况下，这可能触发高温保护机制，导致系统异常停机。因此，已有大量研究致力于改进ASHP在低温条件下的运行特性[10]，例如采用蒸汽注入、多级压缩或级联系统。例如，Xu等人[11]提出了一种使用低碳制冷剂和二氧化碳超临界级联热泵的干燥系统，即使在冷凝温度和低温热源之间存在100°C的温差下也能保持稳定运行，最大COP达到1.78。Hou等人[12]提出了一种利用级联压缩模式和准两级压缩模式的空气源热泵系统，能够在-35°C的环境温度下实现高效供暖，最大加热能力为12.69kW。然而，分散式油井站的地理位置偏远，缺乏可靠的电网连接，这加剧了挑战。依赖柴油发电机为这些高能耗系统供电会持续造成高化石燃料消耗和严重的环境污染，从而无法解决根本问题。
太阳能因其丰富的资源储备、相对均匀的太阳辐射分布以及不断进步的能源转换技术而受到全球广泛关注[13],[14]。在油田应用方面，太阳能也显示出巨大潜力。例如，延长油田和济东油田已广泛部署光伏（PV）发电系统，以满足石油开采过程中的电力需求[15],[16]。同样，长庆油田建设了总容量为0.53×10^6kW的风能和太阳能发电设施，以推动向更清洁运营的转型[17]。仅仅将PV与ASHP结合使用可以替代柴油发电机，提供更清洁的能源供应。然而，这种配置仅改变了能源来源，并未解决ASHP本身效率低和能耗高的问题。PVT热泵技术的出现使得太阳能发电和太阳能热能的协同利用成为可能，显著提高了太阳能应用和热泵的整体效率。PVT模块吸收光热（PT）的同时降低了光伏电池的温度，从而提高了其电效率[18],[19]。太阳能的整体有效利用率远高于单独的光伏板或太阳能集热器[20]。在PVT热泵系统中，PVT模块作为蒸发器吸收PT，从而提高了加热效率和发电效率[21]。Han等人[22]将PVT模块直接集成到制冷剂回路中作为蒸发器，并在中国大连进行了为期一年的实验研究。该系统在冬季的平均加热COP为2.92。Guo等人[23]使用直膨式PVT热泵系统生产生活热水，在27°C的环境温度下将储水箱中的水温提升至55°C，系统平均COP为6.19。除了使用PVT模块作为蒸发器提高热泵效率外，一些研究还探索了将PVT与ASHP或地源热泵结合，形成多源热泵系统以提升性能。Lazzarin等人[24],[25]开发了一种结合玻璃PVT和地源热泵的双源热泵系统。通过TRNSYS对各种配置进行模拟和优化，整个系统显示出高能源效率和经济效益。Wang等人[26]提出了一种结合冰储存罐的太阳能辅助空气源热泵系统，用于中国北方的空间供暖。通过TRNSYS模拟优化运行策略，该系统显示出比单独的空气源热泵更好的经济效益。Wang等人[27]设计了一种带有中间冷却能量储存的太阳能喷射压缩冷却系统。动态运行分析表明，与传统太阳能喷射压缩制冷系统相比，该系统节省了34.41 MJ的电能。Leonforte等人[28]利用PVT模块辅助ASHP满足单户家庭的供暖、制冷和热水需求。八个月的运行结果表明，热泵系统的季节性能显著提升。
总之，高效利用太阳能是促进油田地区清洁供暖的关键途径，特别是对于分散式油罐供暖。将PVT模块与热泵系统集成可以显著提高这些系统的运行能源效率，同时利用太阳能和空气能作为双重热源可以提高供暖的稳定性和可靠性。然而，针对低温条件下热水生产设计的集成PVT和ASHP系统的研究仍然相对较少。此外，专为低温条件设计的PVT-ASHP系统在非寒冷气候下往往难以保持高效率。为应对这些挑战，本文提出了一种适用于寒冷气候下的油田供暖的双源多模式PVT热泵系统。该系统采用多模式循环策略，在低温条件下实现稳定的热水生产，并优化了不同运行条件下的能源效率。回流水可以根据优化的运行策略灵活地从PVT热泵子系统、ASHP子系统或级联热泵系统中吸收热量。
本研究的主要贡献总结如下：
(1)提出并开发了一种新型的双源级联PVT热泵系统。其两个回路可以独立运行而不相互干扰，或协同工作以提高整体性能。
(2)所提出的系统具有四种运行模式，能够动态优化热提取路径，在不同天气和季节条件下确保可靠的热水供应，同时最大化COP。
本文结构如下：第1节介绍了寒冷地区油田的气候分析。第2节详细阐述了所提出的双源多模式PVT热泵系统的原理、关键组件和控制策略。第3节描述了实验装置的建立和性能测试方法。第4节对实验结果进行了分析和讨论。最后，第5节总结了主要结论、研究局限性和未来工作的建议。
部分摘录
寒冷地区油田的气候分析
中国的石油和天然气资源分布广泛。根据2024-2025年主要油田的石油和天然气产量统计数据，前十名生产油田分别是：长庆油田、渤海油田、西南油田、大庆油田、塔里木油田、胜利油田、中国南海东部油田、新疆油田、延长油田和中国南海西部油田。它们的总产量约为3.0188亿吨。
双源多模式PVT热泵系统描述
为了解决传统PVT热泵系统在低温环境下难以产生热水以及受天气限制的问题，本研究在寒冷气候下引入了一种双源多模式PVT热泵系统。该系统结合了太阳能和空气能作为双重热源，以提高系统稳定性，并采用级联循环架构来确保产生高温热水的能力
实验装置
双源多模式PVT热泵系统包括压缩机、HETHE、FTHE、PVT模块、EEV、逆变器、循环泵和500升热储存罐（HST）。这些组件的关键参数在表1中总结。整个PVT阵列和FTHE在图6中展示，热泵系统内各组件的具体位置在图7中显示。为了分析系统性能，使用传感器监测了热泵回路内的关键参数
结果与讨论
使用OESC创建了各种环境条件以测试双源多模式PVT热泵系统。系统参数（包括进出口水温、OESC温度、水体积流量、压缩机功率、太阳辐照度和累计功耗）被实时记录。共收集了51,360个数据点。根据这些数据，记录了压缩机COP、加热能力和系统在不同运行条件下的稳定性
结论
基于PVT模块和ASHP的热力学特性，提出了一种双源多模式PVT热泵系统。根据系统的热提取特性，开发了适应不同环境条件的运行策略：白天利用PVT模块利用太阳能，夜间使用FTHE从环境空气中提取热量，在低温环境下激活级联循环。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了上海电力设备研究院关于石油和天然气管道太阳能供暖技术的研究和应用项目的支持。
