太阳能冷却：用于热泵集成的PVT换热器设计

本研究的目的是确定 PVT 收集器吸收器的设计策略，这将增强环境空气中的热量捕获，以便在供暖主导的气候下集成到地源热泵回路中。使用先进的数值建模技术对增加工作流体、光伏组件和周围空气之间表面接触的设计进行建模，以确定热通量潜力。还测试了材料对传热的影响，并考虑了制造技术和成本效益。通过回答以下研究问题来实现目标：

•不同吸收器设计（片材和管材、箱形通道和波纹）和材料（铝与聚碳酸酯）的 U 值有何不同？

•当在PVT集热器背面的吸收器通道外部添加翅片和/或强制对流时，额外的热增益是多少？

•每个吸收器设计每年可以产生多少热能？

•不同设计的材料质量和成本有何不同？

•在不同的作和天气条件下，每种吸收器设计的火用输出有何差异？

•从技术经济的角度来看，最有前途的吸收器设计是什么？

结论

本研究深入研究了串联 PVT 和 GSHP 系统的各种热吸收器设计。在比较吸收器通道设计时，波纹式吸收器优于箱形通道吸收器，U 值提高了 30%，零损耗效率提高了 15%。有趣的是，材料的选择，无论是铝还是聚碳酸酯，对性能的影响很小，聚碳酸酯的 U 值降低不到 2%。翅片在放大热增益方面起着至关重要的作用，特别是对于铝波纹吸收器，添加 10、20 和 30 mm 翅片分别使 U 值增加 61 %、82 % 和 100%。然而，随着聚碳酸酯吸收器翅片长度的增加，回报会递减。

通过 4 m/s 的微型风扇实现的热吸收器背面的强制对流显示出巨大的影响，将 U 值提高了约 100%。这超过了添加翅片的影响，尽管成本效益分析被认为有必要评估强制对流的实施。

年热能输出取决于平均流体温度，铝翅片设计超过 2,000 kWh/m2-yr 在 5 °C 下无强制对流。材料质量和成本分析表明，波纹聚碳酸酯吸收器的性能优于其他设计，每单位质量产生的能量最高，比波纹铝高出近 50%。此外，它拥有单位年热能输出成本最低。

从技术经济的角度来看，优化设计是系统目标的函数。为了最大限度地提高热输出，建议采用带有 30 毫米翅片的铝波纹或箱形通道设计。相反，为了最大限度地提高材料成本的能量，没有翅片或强制对流的波纹聚碳酸酯设计被证明是最佳选择，因为与金属同类产品相比，其热能产量可能较低，但能量成本比高出 50%。

一项火用分析表明，在有太阳辐照度的情况下，电火用始终占主导地位，并且由于光伏电池温度的差异可以忽略不计，不同设计的电输出变化很小。总火用输出的差异主要是由热火用的变化驱动的，热火用占设计总量的 20% 至 50%，反映出与高温 PVT 相比，低温 PVT 设计中相对于电火用的热火用份额较低。

未来的工作应将开发的模型转变为对 PVT + GSHP 系统进行全面技术经济分析的分析工具。这将使探索各种控制策略和组件尺寸成为可能，以优化效率和成本节约。

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