随着能源需求的不断增长和环境挑战的加剧，以及实现碳峰和碳中和的目标，能源系统正逐渐从依赖化石燃料转向低碳、可再生的替代方案[1]。近年来，可再生能源的部署取得了显著增长[2]，其中太阳能因其安全性、可扩展性和环境效益而备受关注[3]。
光伏（PV）技术能够高效地将太阳能转化为电能，且对环境的影响最小[4]；然而，其转换效率仍然有限（通常为6–15%），导致未被利用的太阳能转化为热量，使模块温度升高。这种温度升高会降低电能性能，效率通常每升高1°C就会下降约3–5%[5]。因此，开发了光伏/热能（PVT）系统来同时发电和回收光伏废热[6]。然而，传统的基于水或空气的PVT集热器经常面临整体效率低的问题，并且存在结冰和腐蚀等实际问题[7]。使用制冷剂作为工作流体可以实现与热泵的直接耦合，从而开发出直膨式PVT热泵（DX-PVTHP）系统，该系统可以冷却光伏电池以提高电能效率并扩展加热运行范围[8]。此外，PVT单元还可以在夏季作为冷凝器使用，从而提高DX-PVTHP系统的全年利用率[9]。
Sporn等人[10]首次提出了DX-PVTHP概念并通过实验验证了其可行性。后续研究重点优化了PVT蒸发器/冷凝器的设计，以提高热收集效率和散热能力。代表性DX-PVTHP配置的关键性能特征总结在表1中。
板式PVT蒸发器/冷凝器是最早的DX-PVTHP配置之一，其特点是蛇形管连接到金属板上，用于基于制冷剂的热量回收或散热。在超临界二氧化碳（CO₂）热泵中，板式PVT单元作为蒸发器运行时的整体效率为72.3%[11]，而作为冷凝器使用时，它可以降低气体冷却器的压力并提高制热性能系数（COP(H)）33.8%[12]。尽管结构简单，但这种配置存在光伏电池与管子之间的界面热接触阻力较大，导致热传递性能受限。
为了降低板式配置中制冷剂与光伏电池之间的热接触阻力，开发了微通道PVT蒸发器/冷凝器。实验结果表明，微通道PVT蒸发器的平均电能效率和热效率分别为13.1%和56.6%[13]。与板式配置相比，微通道设计提高了约6%的热效率、约2%的电能效率以及约7%的COP(H)[14]，这主要归功于增加了的热传递面积。然而，狭窄的流道会导致压力损失，并且容易产生局部热点和堵塞，可能影响性能和长期可靠性。
因此，为了在不影响紧凑性和轻量化结构的前提下提高温度均匀性和热传递效率，提出了一种新的卷焊PVT蒸发器/冷凝器设计，其在铝基板上集成了制冷剂通道[15]。优化的通道布局（如单向六边形网格单元）进一步提高了表面温度均匀性、热效率和电能输出[16]。卷焊PVT热泵系统的平均COP(H)和COP(C)分别为3.6和2.1[17]。虽然卷焊设计有效降低了制冷剂与光伏电池之间的热阻，但它们需要复杂的制造工艺，并且在停滞/过热和长期运行过程中经常出现泄漏和压力相关的问题[18]，这凸显了需要坚固的结构和兼容的低腐蚀性、低影响制冷剂的需求[19]。
热管允许在温差较小的情况下实现高效的热传递，且一根热管的故障通常不会影响整个模块的性能。这促进了基于热管的PVT蒸发器/冷凝器的发展，这些蒸发器/冷凝器具有更好的温度均匀性和可靠性[20]。带有环形热管的PVT热泵系统的平均电能效率和热效率分别为9.13%和39%，其COP(H)值约为传统系统的1.5–4倍[21]。尽管具有这些优势，传统的圆柱形热管由于与平板光伏电池的几何不匹配而面临挑战，导致接触阻力增大和热传递受限。在环形热管配置中，非均匀的流动分布会导致各环路之间的温度差异显著，记录到的环路间温差可达9°C[22]。此外，目前尚未有关于将环形热管PVT单元作为热泵系统中的冷凝器使用的报道。
尽管在DX-PVTHP系统的设计方面取得了显著进展，但仍需解决一些挑战。当PVT单元作为蒸发器运行时，现有设计往往难以同时实现高效的制冷剂-光伏热传递、紧凑轻量化的结构、易于制造以及最小的堵塞或泄漏风险。此外，太阳能的间歇性限制了持续高效加热运行的能力。当用作夜间冷却的冷凝器时，PVT单元依赖于辐射和对流散热，这通常比翅片管换热器（FTHEs）的强制对流能力弱得多。
Du等人[23]提出了一种基于微热管阵列（MHPA）的PVT蒸发器（MHPA-PVTAE），并引入了一种集成该蒸发器的双热源直膨式热泵（MHPA-DHS-DXHP）。平板MHPA改善了与光伏电池的贴合度，减少了界面热阻并缓解了局部热点问题，而多通道平板管（MCFTs）增强了压力抵抗并降低了堵塞/泄漏的风险。MHPA背面的翅片风道进一步利用了低辐射条件下的环境空气能量。在冬季条件下，该系统的COP(H)值为2.8，发电效率为13.3%。然而，仍存在一些局限性，如从光伏电池到翅片风道的热量旁路会降低空气热能利用率[24]、夏季运行时缺乏被动辐射冷却模式[25]，以及使用的毛细管在变化天气条件下无法实现制冷剂流量的自适应控制[26]，这些问题需要系统性的研究。
为了克服这些限制，本研究开发了一种新型的基于MHPA的PVT-空气双源蒸发器/冷凝器（MHPA-PVTAE/C），并将其集成到双源直膨式热泵系统（MHPA-DHS-DXHP）中。主要创新在于重新设计了制冷剂侧布局，在两个MHPA层之间嵌入了三个MCFTs。两个MCFTs位于MHPA冷凝部分，作为制冷剂蒸发通道以增强热收集；第三个MCFT位于MHPA蒸发部分，作为制冷剂冷凝通道，促进向天空的长波辐射散热。进一步引入了中间隔热层，以抑制光伏模块向翅片风道的寄生热传导。通过季节性实验评估了加热、冷却和发电性能及运行可靠性，并建立了MATLAB模型以确定COP(H)导向的模式切换条件。结果为这种新型系统在全年建筑能源供应中的应用提供了数据支持和理论指导。
