Исследователи из Китая и Руанды предложили конструкцию двухисточникового (солнце + наружный воздух), теплового насоса прямого расширения (DX — прямое расширение: хладагент кипит непосредственно в коллекторе, промежуточного контура нет) с фотоэлектрически-тепловым (PV/T) коллектором, в котором сбор солнечного тепла и тепла наружного воздуха совмещён в одном оребрённом испарителе. Отдельные теплообменники для каждого источника не нужны, что, по оценке авторов, упрощает монтаж и снижает капитальные затраты.
Решение получено доработкой серийного PV/T-коллектора: с тыльной стороны снимается теплоизоляция, а к змеевиковому каналу хладагента крепятся алюминиевые рёбра половинного профиля. В результате один узел одновременно воспринимает солнечную радиацию и теплоту окружающего воздуха.
Работа системы смоделирована в MATLAB нестационарной конечно-разностной моделью на хладагенте R134a.
Состав контура:
- PV/T-абсорбер 2×1 м с фотоэлектрической частью площадью 1,34 м² (монокристаллический кремний);
- змеевиковый оребрённый испаритель: труба Ø8 мм внутренний / Ø10 мм наружный;
- компрессор с частотой вращения 2900 об/мин;
- терморегулирующий вентиль;
- конденсатор — змеевик длиной 10 м в баке-аккумуляторе, труба Ø9/10 мм.
Фотоэлектрическая часть вырабатывает электроэнергию, коллектор одновременно испаряет R134a за счёт солнца и воздуха; пар сжимается компрессором и отдаёт теплоту в баке на отопление или ГВС, далее дросселируется и возвращается в испаритель. Электроэнергия через контроллер и инвертор идёт на собственные нужды, в накопитель или в сеть.
Расчёты выполнены для климата города Ибинь (пров. Сычуань, Китай) для зимних, весенних и летних условий, а также в параметрическом диапазоне: облучённость 100–900 Вт/м², температура наружного воздуха 2–33 °C, давление конденсации 12–20 бар, масса воды в баке 7–24 кг.
Результаты моделирования:
- отопительный COP держится в пределах 5,2–5,38 в течение всего года;
- температура поверхности фотомодуля — от 11 °C зимой до 53 °C летом, электрический КПД соответственно 13,9–15,4 %, тепловой КПД около 55 %;
- пиковая электрическая мощность ≈230 Вт, тепловая ≈1181 Вт;
- рост давления конденсации с 12 до 20 бар снижает COP с 5,3 до 3,3.
Авторы отмечают компромисс: высокая облучённость увеличивает суммарную выработку, но одновременно усиливает температурные потери и снижает электрический КПД; зимой при меньшей облучённости эффективность преобразования в расчёте на единицу поступившей солнечной энергии оказывается выше из-за меньших тепловых потерь.
Дальнейшие планы — экспериментальная проверка прототипа интегрированного испарителя, разработка алгоритмов управления гибридным режимом «солнце/воздух», а также технико-экономический и углеродный анализ в связке с реальными нагрузками здания применительно к концепции NZEB.
Исследование выполнено Юго-Западным университетом Цзяотун (Китай) и Университетом Руанды, опубликовано в журнале Results in Engineering (статья «Heating performance of a dual-source PV/T heat pump with potential for building energy decarbonization»).
