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集装箱房PV/T双源热泵供暖系统性能实测研究
贺存祥，郝学军，张梦
（北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京 102616）
随着碳中和目标提出与城镇化进程推进，太阳能等清洁能源与热泵技术的结合在建筑应用中迎来了新的发展机遇［1-2］。相关研究表明，在保障房间舒适度的前提下，采用太阳能等可再生能源搭配高效节能热泵技术进行供暖，可有效降低运行能耗［3］。
国外对集装箱房的研究较早。1901年，俄国建造了木制箱式房屋，自此开启了箱式建筑在世界上的发展［4］。1991年海湾战争期间，集装箱房大规模用于运送战俘及军用临时建筑［5］，这是集装箱房首次大规模应用。我国对集装箱房的研究起步较晚，2002年，蔡伟杰等人通过设计研究，申请发明专利——快速安装集装箱式建筑物［6］，在我国首次提出以集装箱和集装箱部件为主要构成单元的建筑物。近年来，中国国际海运集装箱集团大力发展集装箱建筑，并已经形成了一套较为成熟的生产体系［7］。以同济大学、哈尔滨工业大学为代表的高校同样开始研究集装箱式建筑，并通过实验与理论研究，取得了一定的成果［8-9］。
伴随着集装箱建筑的飞速发展，其供能系统也受到了学者们的广泛关注。在众多供能系统中，结合经济性与环保性，最佳方式是将太阳能与热泵相结合，组成太阳能光伏光热（PV/T）一体化系统。研究表明，太阳能光伏发电效率随电池板背板温度升高而降低，温度每升高1 ℃，发电效率降低0.4%~0.6%［10］。李慧星等人［11］针对严寒地区空气源热泵供热系统能效较低的问题，设计了PV/T空气源热泵集成供热系统，通过理论分析，在室外温度-20 ℃的情况下，系统理论制热性能系数可达到5.37。王岗等人［12］设计并搭建了一种基于微热管阵列的太阳能-热泵系统，运用集中参数法建立了数学模型，结果表明，太阳能-热泵系统的发电效率和集热效率可分别达到13.91%和41.4%，平均制热性能系数为2.29。李新锐等人［13］通过搭建太阳能光伏光热组件与双源热泵（可采用空气、水作为低温热源）一体化系统实验台，对比双源模式、单独水源模式、单独空气源模式下制热水时间和热泵输入功率，得出一体化系统比单一空气源热泵、常规太阳能热泵机组具有更高的节能性。Li等人［14］针对寒冷地区的太阳能空气源热泵供热系统进行了模拟，结果显示，系统制热性能系数达到3.7，相较于空气源热泵供暖系统，供暖性能明显提高。
曲明璐等人［15］建立了基于火用效率的蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统性能指标，利用TRNSYS软件搭建了系统模型，通过实验结果验证了模型的准确性。通过模拟研究，得出当蓄热水箱容积为500 L时，系统运行效率最高，集热循环水最佳流量为1.1 m3/h。Stritih等人［16］采用TRNSYS软件对太阳能蓄能供暖系统进行模拟分析，并进行实验测试，结果表明，有相变蓄能设备的系统可增加14%的供热量，能源消耗量降低10%，运行成本节约24%。
本文建立太阳能光伏光热（PV/T）双源热泵供暖系统。以北京冬奥会延庆赛区某转播技术机房为研究对象，对空气源热泵供暖模式、水源热泵供暖模式下系统耗电功率、系统发电功率、热泵机组性能参数、室内温度等进行实测。
研究对象为北京冬奥会延庆赛区某转播技术机房，房间内部见图1。该临时建筑由海运集装箱改装而成，外形尺寸（长×宽×高）为6 m×3 m×3 m，建筑围护结构构造及传热系数见表1。HVIP指气凝胶真空绝热板。门的宽×高为1 470 mm×2 570 mm，窗的宽×高为5 540 mm×900 mm。
工作人员仅在日间工作，人员为1人，换气次数为1 h-1。8：00—18：00供暖室内设计温度为18 ℃。18：00—次日8：00供暖室内设计温度为5 ℃。由于转播技术机房外窗面积较大，白天太阳辐射比较充足，因此8：00—18：00室内温度控制范围设定为16.5~18.5 ℃。18：00—次日8：00室内无人，但需要为转播设备等提供防冻条件，因此室内温度控制范围设定为4.5~5.5 ℃。
供暖期典型日太阳辐照度、室外温度随时间的变化见图2。集装箱房供暖期典型日逐时热负荷见图3。由图2可知，典型日太阳辐照度最大值为883.84 W/m2，总太阳辐射量为5.1 kW·h/m2。典型日室外温度波动较大，最低温度为-10.9 ℃，最高温度为1.35 ℃。房间热负荷峰值为1 647.8 W，出现在8：00，总供热量为17.77 kW·h。
PV/T双源热泵供暖系统流程见图4。PV/T双源热泵供暖系统可分为以太阳能光伏光热系统与板式换热器组成的水源热泵，以及以室外换热器为蒸发器的空气源热泵。室内采用墙面辐射供暖系统，南墙、西墙为辐射墙体。PV/T组件发电用于满足供暖系统用电需求。
根据室外温度与日照条件，可分为日间水源热泵供暖、夜间水源热泵供暖、日间空气源热泵供暖、夜间空气源热泵供暖4种模式。当蓄热水箱出水温度低于5 ℃时，切换至空气源热泵供暖。当蓄热水箱出水温大于等于5 ℃时，切换至水源热泵供暖。
日间水源热泵供暖：室外换热器不工作，板式换热器作为热泵机组蒸发器。防冻液（乙二醇溶液）经过PV/T组件升温后，进入蓄热水箱作为热泵系统低温热源。防冻液循环降低了PV/T组件温度，提高了光电转化效率。
夜间水源热泵供暖：室外换热器不工作，板式换热器作为热泵机组蒸发器。由于夜间无太阳辐射，仅利用蓄热水箱中的热水作为低温热源。
日间空气源热泵供暖：当日间日照条件较差，蓄热水箱出水温度低于5 ℃时，室外换热器工作，热泵系统切换为空气源热泵。
夜间空气源热泵供暖：当夜间蓄热水箱出水温度低于5 ℃时，室外换热器工作，热泵系统切换为空气源热泵。
实测数据包括光伏发电功率、系统耗电功率（包括热泵机组、循环泵耗电功率）、室外气象参数、防冻液流量、PV/T组件进出水温度、蓄热水箱进出水温度、压缩机吸排气压力、室内温度、辐射墙体温度等。实验数据每10 min记录1次。热泵系统制冷剂选用工质R22，并设定辐射墙体对于制冷剂没有过冷作用。因此，可根据压缩机吸排气压力以及工质R22的压-焓图，确定制热循环各节点工质比焓。热泵机组采用转子式压缩机。
① PV/T组件光电转换效率
PV/T组件光电转换效率ηd的计算式为：
② PV/T组件光热转换效率
PV/T组件光热转换效率ηr的计算式为：
③ 热泵机组制热量
热泵机组制热量Φh的计算式为：
制冷剂质量流量qm，r的计算式为［17］：
压缩机容积效率的计算式为［18］：
对于转子式压缩机，压缩机排气量Vh的计算式为［18］：
④ 热泵机组制热性能系数
热泵机组制热性能系数的计算式为：
① PV/T组件
光伏板面积与房间热负荷以及PV/T组件光电转换效率有关，光伏板面积A的计算式为：
式（9）中，除典型日房间热负荷峰值、典型日平均太阳辐照度按典型日相关数据计算得到外，太阳能保证率、PV/T组件平均光电转换效率、热泵机组平均制热性能系数均按偏保守取值。经计算，光伏板面积为9.06 m2。光伏板单块尺寸为2.09 m×1.04 m，考虑到光伏板的边框面积及安装光伏板时需要对称安装，因此选取6块光伏板，可满足要求。PV/T组件现场布置见图5。单块PV/T组件额定发电功率为450 W，额定热功率为1 210 W。
② 蓄热水箱
蓄热水箱容积Vt的计算式为：
经计算，蓄热水箱容积为0.63 m3。考虑到水箱形变以及后续实验的安排，取一定裕量系数（取1.3），蓄热水箱容积最终确定为0.82 m3。
③ 蓄电池
确定PV/T组件参数后，可确定蓄电池容量。典型日总太阳辐射量为5.1 kW·h/m2，总光伏板面积为13.04 m2，PV/T组件平均光电转换效率取0.18，计算出典型日光伏发电量为11.97 kW·h。
典型日房间总供热量为17.77 kW·h，热泵机组平均制热性能系数按照2.2计算，典型日热泵机组所需电量为8.08 kW·h，此时日光伏发电量剩余3.89 kW·h。考虑到冬季气温偏低对蓄电池容量及充放电效率的影响，在设计时考虑蓄电池的安全系数（取1.3），蓄电池容量最终确定为5.1 kW·h。
④ 热泵机组
空气源热泵额定制热量为1.7 kW，额定制热性能系数为3.0。水源热泵额定制热量为1.8 kW，额定制热性能系数为3.5。
将2023年2月16日18：00至17日18：00作为空气源热泵供暖测试日，测试日日照条件较差。空气源热泵供暖测试日辐射墙体温度、室内温度、室外温度测试数据见图6。由图6可知，16日18：00室内温度为17.9 ℃，经过7.2 h后，室内温度降至5 ℃。测试日，夜间室内温度维持在5 ℃左右，日间室内温度维持在18 ℃左右，均满足室内温度要求。
空气源热泵供暖测试日热泵机组耗电功率、光伏发电功率、太阳辐照度测试数据见图7。由图7可知，热泵机组总耗电量为9.61 kW·h：夜间耗电量为2.45 kW·h，日间耗电量为7.16 kW·h。热泵机组平均制热性能系数为2.8。光伏发电功率的变化趋势与太阳辐照度的变化趋势大致相同，光伏发电量为4.77 kW·h，PV/T组件平均光电转换效率为17.04%。
将2023年2月25日7：30至26日7：30作为水源热泵供暖测试日，测试日日照充足。水源热泵供暖测试日辐射墙体温度、室内温度、室外温度测试数据见图8。由图8可知，25日7：30室内温度为5.3 ℃，经过2.2 h室内温度升至18 ℃。测试日，夜间室内温度维持在5 ℃左右，日间室内温度维持在18 ℃左右，均满足室内温度要求。
水源热泵供暖测试日系统耗电功率、光伏发电功率、太阳辐照度测试数据见图9。由图9可知，系统总耗电量为8.92 kW·h：日间耗电量为7.15 kW·h，夜间耗电量为1.77 kW·h。热泵机组平均制热性能系数为3.4。光伏发电功率的变化趋势与太阳辐照度的变化趋势大致相同，光伏发电量为15.52 kW·h，PV/T组件平均光电转换效率为19.3%。水源热泵供暖测试日光伏发电量大于系统耗电量，实现了零碳供暖。
① PV/T双源热泵供暖系统在空气源热泵供暖、水源热泵供暖模式下，均可满足室内温度要求。
② 水源热泵供暖模式的制热性能系数高于空气源热泵供暖模式。
③ 日照充足条件下，PV/T双源热泵供暖系统可实现用电自给自足。是否能在整个供暖期实现用电自给自足，还需要借助TRNSYS等模拟软件进行仿真研究。
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