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本研究提出一种集成冷凝相变储热罐（CPCTST）的间接式光伏热电联产-热泵系统，通过数值模型和实验分析，优化了PVT面积与储热罐体积配置，在冬季工况下实现最佳性能系数（COP）和最低平准化热价（LCOH）。
Fan Wu|Yian Hao|Chuhan Yang|Jinshuang Gao|Yazhou Zhao|Xuejun Zhang
浙江大学制冷与低温研究所，杭州，310027，中国
摘要
本研究探讨了一种采用冷凝式相变储热罐（CPCTST）的间接PVT热泵供暖系统在空间供暖中的应用。通过建立数值模型和实验装置，量化了该系统的热力学性能和经济性能。在测试的冬季运行条件下，PVT集热器的电效率和热效率分别为0.18和0.55，热泵的平均性能系数（COP）为4.23。在低辐照度和低温环境下，当PVT面积从1.98平方米增加到11.88平方米时，COPHP从约3.8上升到约4.2，太阳能利用率提高了约38.6%。增加CPCTST的等效体积进一步改善了热力学指标，而平准化热成本（LCOH）在所研究的容量范围内表现出明显的最小值。综合考虑效率和热成本，当PVT面积为5.94平方米且CPCTST等效体积为333升时，LCOH最低，为0.58元·千瓦时-1，这为带有冷凝侧潜热储存的间接PVT热泵系统的设计和优化提供了指导。
引言
随着全球能源需求的持续增长和气候变化问题的加剧，建筑领域的能源消耗和碳排放已成为日益严重的全球性问题[1]。根据国际能源署（IEA）的数据，到2025年，全球与能源相关的二氧化碳排放量增加了0.8%，达到37.8亿吨，其中建筑行业占全球能源消耗的约34%和二氧化碳排放量的37%，主要受供暖和制冷需求驱动[2]。特别是在中国青藏高原等地区，冬季漫长且恶劣，电网覆盖不足，现有的供暖和电力供应基础设施无法满足当地需求[3]。传统煤炭和电力供暖方法不仅效率低下，而且严重依赖化石燃料，导致严重的空气污染和环境退化[4]。因此，探索高效、低碳和可持续的供暖技术已成为应对能源危机和环境挑战的迫切需要。
太阳能作为一种最有前景的可再生能源，因其清洁、丰富和可持续的特性而成为解决能源危机的关键方案[5]。光伏（PV）和太阳能集热器（SC）技术是两种最广泛应用的太阳能利用方法[6]，[7]。然而，这两种技术通常独立运行，导致整体效率较低。这一问题在冬季气候中尤为明显，因为当地温度和辐照度水平显著降低了传统可再生能源系统的效率[8]，[9]。光伏电池的效率随着温度的升高而降低，通常每升高1°C效率下降约0.3%-0.5%[10]。此外，在冬季气候中，太阳能集热器的热收集效率也经常出现显著变化[11]。Mussard等人[12]系统分析了太阳能技术在寒冷气候中的适用性和局限性，指出在极端寒冷和高云量期间，SC和PV的性能都表现出明显的波动性。因此，在这些地区，尤其是在漫长而多云的冬季，传统太阳能技术的有效性受到极大限制。
为克服这些限制，光伏-热（PVT）技术应运而生，它将光伏模块与热吸收器结合在一起。通过在光伏板后循环工作流体，PVT系统可以降低电池温度，提高电效率，并同时回收有用的热能[13]，[14]。然而，在低温和不稳定日照条件下，PVT系统的电效率和热效率仍会出现明显波动[15]。Vallati等人[16]开发并优化了一种间接PVT-热泵（HP）系统，该系统利用一个循环罐将热量从PVT集热器传递到热泵蒸发器，报告称该集成系统在寒冷气候条件下实现了更高的季节性效率和更稳定的运行。因此，将PVT与HP系统结合成为稳定系统运行和提高整体性能的有效策略[17]，[18]。Brahim等人[19]报告了一种具有双罐热储存的间接并行PVT-HP系统的长期可行性，并强调解耦的热缓冲对于在间歇性太阳输入下保持稳定的COP至关重要。与此观察结果一致，最近关于PVT制冷和混合热管理的综述表明，PCM增强和HP辅助的解决方案可以在次优天气条件下缓解效率下降，尽管相关的复杂性和成本增加不可忽视[20]。此外，最近关于集中式PVT的研究强调了基于实际辐照度和环境温度剖面的全年瞬态模拟的价值，这也激发了我们计划中的季节性和长期扩展[21]。这样的集成解决方案不仅减轻了单个PVT运行的不稳定性，还扩展了其在冬季气候供暖应用中的适用性，对建筑脱碳具有重要的实际意义。
尽管PVT-HP系统可以有效提高一次能源利用效率，但其性能和可靠性仍受热储存组件的限制[24]。传统的基于水的显热储热罐具有较低的体积能量密度和显著的待机热损失，其对绝缘和温度分层的要求增加了系统的复杂性，这阻碍了寒冷地区的高效长期供暖[25]，[26]。Yang等人[27]对季节性热能储存进行了技术经济评估，指出热水罐需要较大的容量来满足季节性负荷，并且存在显著的静态热损失，这些限制在寒冷气候中尤为明显。Eldokaishi等人[28]表明，在热水储罐中加入圆柱形相变材料（PCM）模块可以将有效能量储存密度提高20-40%，相应的储罐体积可以减少约17-29%。在这种背景下，基于PCM的储存方式因其高潜热容量和准等温充放电特性而成为一种有前景的替代方案[29]。典型的PCM，如石蜡、盐类水合物和共晶混合物，可以封装在壳管式、填充床式或微胶囊化浆料中，并与热交换器结合，以实现源侧缓冲或负荷侧削峰和谷值填充[30]，[31]。然而，由于大多数PCM的热导率较低以及固液界面的热阻，实际安装通常需要增强热传递措施，如金属翅片、金属泡沫/石墨骨架、热管或微胶囊化[32]，[33]。这些措施还通过主动循环/搅拌来抑制温度和相分数的不均匀性，维持分层结构，并稳定出水温度[34]，[35]。值得注意的是，这些辅助泵、机械驱动和控制子系统不仅增加了系统的复杂性 and 副激能耗，还抵消了高能量密度的潜在优势，从而降低了PVT-HP系统的整体效率和可持续性。
基于上述分析，本研究提出了一种采用新型CPCTST的间接PVT-HP集成供暖系统，旨在提高太阳能利用率并确保在冬季条件下的稳定供暖性能。开发了一个动态模型，将PVT集热器、HP循环和相变储存过程耦合起来，以便详细分析系统配置参数对能量和经济性能的影响。本研究的主要创新点如下：
(1)开发并构建了一个基于CPCTST的实验系统，将冷凝器热释放和潜热储存集成在一个单元中，以缩短冷凝器侧的热传递链并提高系统的紧凑性；
(2)引入了两个配置指标 A/Vth 和 Veq/Vth，用于表征PVT面积、压缩机排量和有效CPCTST储存容量之间的结构匹配，为PVT-HP和储存耦合的系统配置设计提供了简洁统一的表示方法；
(3)基于所提出的指标，开发了一个热电耦合评估框架，并结合多参数模拟来量化PVT面积、储存容量和压缩机排量对季节性效率和LCOH的影响，从而确定平衡成本和性能的最佳设计。
本文的结构如下：第2节介绍系统配置和运行原理；第3节介绍数学模型和性能指标；第4节展示实验结果并分析关键系统参数对热性能、电性能和经济性能的影响；第5节总结主要发现和工程意义。
系统描述
本研究开发了一种结合新型CPCTST的间接PVT-HP系统，以改进太阳能的协同利用。如图1所示，该系统由PVT集热器、中间循环罐、HP和CPCTST组成，CPCTST内装有浸入式冷凝器盘管和封装的相变材料。在天气相对稳定的时期，PVT集热器将太阳辐射转化为电能和低品位热能。
组件模型
在本研究中，PVT集热器、热泵、循环罐和CPCTST被建模为耦合模块，其瞬态过程由一组统一的能量平衡方程控制，并通过质量流量、入口温度和热传递率相互关联。
实验结果
图6展示了实验期间的气象条件以及PVT集热器的相应温度响应。太阳辐照度呈钟形日变化曲线，峰值约为709瓦特·平方米。平均环境温度和风速分别为12.2摄氏度和1.1米每秒。面板表面温度沿流动方向从入口处的最低值逐渐升高到出口处的最高值。值得注意的是，在早期充电阶段，低温结论
本研究分析了一种间接PVT-HP-CPCTST系统，以量化其热、电和储存行为。研究了PVT集热器面积、压缩机排量和CPCTST容量对系统性能的影响，并用于配置优化。主要结论如下：
(1)在测试的冬季条件下，实验结果表明，CPCTST的水温和PCM温度从大约35.2摄氏度升高到约55.4摄氏度。
CRediT作者贡献声明
Fan Wu：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、研究、数据管理。Yian Hao：验证、研究。Chuhan Yang：研究、数据管理。Jinshuang Gao：方法论、研究、数据管理。Yazhou Zhao：验证、监督、形式分析。Xuejun Zhang：监督、项目管理、资金获取、概念化
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xuejun Zhang报告称获得了浙江省科技部的财务支持；Xuejun Zhang报告称获得了国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果。
致谢
本研究得到了浙江省重点研发计划（编号：2024C03117）、国家自然科学基金（编号：52376017）、国家重点研发计划（编号：2024YFB2408702）和山东省重点研发计划（编号：2024TSGC0910）的支持。我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益。
