BIPV 熱通道實(shí)驗(yàn)研究與分析

陳 磊，高 軍

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

現(xiàn)階段全球資源日益緊張，人們更多地把眼光放到了太陽(yáng)能的利用上。太陽(yáng)能光伏建筑一體化(BIPV)是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列提供電力。這樣既能利用太陽(yáng)能發(fā)電又可以減少墻體的得熱從而減少空調(diào)負(fù)荷。

這一領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外已有較多研究，何偉、楊紅興和陳海從不同角度研究了幕墻對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)由于墻體得熱造成空調(diào)負(fù)荷的減少可達(dá)到20%以上［1-3］。段征強(qiáng)的研究表明幕墻通風(fēng)對(duì)能量效率有較大的影響［4］。李玲燕對(duì)呼吸式幕墻夾層溫度的影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了通風(fēng)口開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)、夏季空調(diào)開(kāi)啟與關(guān)閉、有無(wú)遮陽(yáng)板等不同工況下夾層溫度的變化情況，并比較了過(guò)渡季與夏季，晴天與陰天的溫度變化情況［5］。W． J． Stec 通過(guò)模擬研究了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)呼吸式玻璃幕墻溫室效應(yīng)的影響［6］。Elisabeth Gratia 研究了通風(fēng)窗的開(kāi)啟與關(guān)閉對(duì)幕墻能耗的影響［7］。何蕓蕓等人對(duì)呼吸式幕墻的性能及節(jié)能性進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究［9-10］。

可以看出上述研究并沒(méi)有從橫向上對(duì)呼吸式幕墻的傳熱過(guò)程進(jìn)行研究，所以本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究BIPV 熱通道的傳熱過(guò)程和熱工特性。由于各地區(qū)光照資源以及氣溫等氣象條件的差異，光伏建筑一體化在不同地區(qū)的熱工性能不盡相同。本文針對(duì)湖南省株洲市的一棟建筑進(jìn)行了BIPV 流通通道熱工性能的實(shí)驗(yàn)研究，確立了流通通道內(nèi)空氣、光伏背板、外墻隨環(huán)境參數(shù)變化的溫度分布;通過(guò)溫度場(chǎng)相互關(guān)系分析了通道內(nèi)的熱工過(guò)程;比較了晴天與陰天熱工性能的差異。

1 試驗(yàn)介紹

該建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班樓，試驗(yàn)主要內(nèi)容是測(cè)試典型BIPV 光伏圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)溫度分布，空氣流速等熱工性能等因素。獲取包含光伏組件表面溫度、熱通道內(nèi)流體流速和溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室外大氣溫度和風(fēng)速、內(nèi)外墻體表面溫度以及典型房間的室內(nèi)溫度具有建筑光伏一體化特性的熱工性能參數(shù)。

太陽(yáng)輻射的測(cè)試采用輻射傳感器，位于光伏外墻朝東方向上。室外大氣溫度測(cè)試選用pt100 溫度傳感器測(cè)試室外大氣溫度，測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面和熱源1．5 m，離地面高度1．5 m。通道動(dòng)態(tài)風(fēng)速測(cè)試使用高精度風(fēng)速傳感器，傳感器布置在通道豎直方向上。BIPV 構(gòu)建的溫度測(cè)試銅-康銅熱電偶，測(cè)溫精度在0．1℃，其中六個(gè)熱電偶要緊貼在BIPV 的光伏背板上，三個(gè)熱電偶布置在流通通道中，測(cè)試通道內(nèi)空氣的溫度值，測(cè)點(diǎn)距地面位置分別為5 m、10 m、16 m。三個(gè)熱電偶布置在外墻外表面的測(cè)試單元的中心處，采集外墻外表面的溫度值，測(cè)點(diǎn)分別位于五層、三層、兩層外墻表面中心處。一個(gè)熱電偶位于測(cè)試單元第三層的典型房間的外墻內(nèi)表面，熱電偶位于該測(cè)試單元墻體中心線。

2 結(jié)果及分析

通道內(nèi)沿高度方向上空氣溫度是不同的，圖1為通道內(nèi)三個(gè)不同高度測(cè)點(diǎn)溫度分布情況，可以看出通道溫度在中午12:00 最高，最高溫度可達(dá)45℃，12:00 之后由于東向太陽(yáng)輻射減弱，所以通道溫度開(kāi)始下降。三條曲線之間變化趨勢(shì)一樣，且隨著高度增加而升高，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)溫差在上午12:00 以前基本維持在4℃左右，下午溫差有所減少大概2℃，分析原因可能為上午輻射較強(qiáng)通道內(nèi)的流動(dòng)較快，導(dǎo)致空氣與光伏背板的換熱較劇烈。觀察可知通道溫度在下午3:00 以前都高于環(huán)境溫度。

圖1 8 月13 日通道內(nèi)不同高度溫度隨環(huán)境溫度變化曲線

圖2 8 月13 日通道自然通風(fēng)熱壓變化曲線

通道溫度熱分層以及通道內(nèi)與室外的溫差是自然通風(fēng)的主要?jiǎng)恿?。本?shí)驗(yàn)忽略風(fēng)壓的作用，只考慮煙囪效應(yīng)，煙囪效應(yīng)形成的上下壓力差可以通過(guò)下式計(jì)算［1］

式中 ρ——空氣密度/kg·m-3;

g——重力加速度/m·s-2，g=9．81 m/s2;

H——上下開(kāi)口高度/m;

T1——通道外空氣溫度/℃;

T2——通道內(nèi)空氣平均溫度/℃。

通過(guò)計(jì)算可知，最大熱壓可達(dá)4．18 Pa，從下午6:00 開(kāi)始熱壓為負(fù)，如圖2 所示，說(shuō)明從此刻開(kāi)始通道內(nèi)平均溫度小于通道外溫度，若此時(shí)開(kāi)啟通道，通道內(nèi)的流動(dòng)方向?qū)纳舷蛳?，此時(shí)會(huì)把通道外的熱量帶到通道內(nèi)從而增加了空調(diào)負(fù)荷。值得注意的是從晚上11:00 開(kāi)始，熱壓變?yōu)檎担饕蚴黔h(huán)境溫度降低的較快，而通道溫度減小較慢。注意熱壓的變化進(jìn)而動(dòng)態(tài)響應(yīng)通道的啟閉有助于排熱節(jié)能。

圖3 8 月13 日光伏背板不同高度溫度及太陽(yáng)輻射的變化曲線

圖4 8 月13 日背板平均溫度、通道平均溫度隨環(huán)境參數(shù)變化曲線

背板溫度在全天的分布情況變化較大，并且不同測(cè)點(diǎn)溫差較小。圖3 所示為三個(gè)不同測(cè)點(diǎn)的光伏背板溫度，測(cè)點(diǎn)1、2、3 分別位于2 樓、3 樓和5 樓。光伏背板溫度從6:00 開(kāi)始上升并且溫度增高速度較快，下午速度緩慢降低。背板溫度在一天之內(nèi)變化比較大，最低溫度28℃，最高可達(dá)54℃，最高溫度出現(xiàn)在10:00 左右，背板溫度一天有11 h 處于40℃以上，夜間溫度比較穩(wěn)定維持在30℃左右。值得注意的是背板溫度達(dá)到峰值的時(shí)間早于太陽(yáng)輻射達(dá)到峰值的時(shí)間，預(yù)計(jì)是因?yàn)橥ǖ来藭r(shí)熱壓較大自然通風(fēng)良好，帶走了背板熱量。12:30 左右的一段時(shí)間內(nèi)背板溫度衰減很快，但日照輻射處于峰值階段，此時(shí)發(fā)電效率會(huì)較高。

在白天熱量從室外通過(guò)背板傳到通道內(nèi)，其溫度場(chǎng)存在相關(guān)關(guān)系，圖4 反應(yīng)了幕墻通道內(nèi)的傳熱過(guò)程。背板與通道內(nèi)的溫差從上午一直增大，上午10:00 ～11:00 達(dá)到最大12℃，此時(shí)的通道與環(huán)境的溫差也最大，達(dá)到4℃，可見(jiàn)此時(shí)通道內(nèi)空氣的排熱量最大，通風(fēng)效果最好。晚上11:00 到第二天6:00之前通道溫度將一直高于背板溫度，熱流密度方向與白天相反。

圖5 9 月12 日背板平均溫度、通道平均溫度隨環(huán)境參數(shù)變化曲線

圖6 8 月13 日光伏背板與通道內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線

空氣流過(guò)太陽(yáng)能電池背板背面時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)可由下式計(jì)算［2］

式中

T——平板背面溫度/℃;

Ta——通道空氣溫度/℃;

β——當(dāng)?shù)鼐暥?10°;

v——空氣的流速/m·s-1。實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)速較大時(shí)刻平均風(fēng)速為1．58 m/s，最大速度可達(dá)1．72 m/s。經(jīng)計(jì)算得對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)間分布如圖6?？芍衔?:00 到下午4:00 時(shí)間段內(nèi)傳熱系數(shù)較大，最大傳熱系數(shù)可達(dá)6．7 W/m2·℃，這段時(shí)間內(nèi)的平均傳熱系數(shù)為6．28 W/m2·℃。上午的傳熱系數(shù)較大是因?yàn)橥ǖ纼?nèi)外溫差較大，“煙囪效應(yīng)”明顯，下午的傳熱系數(shù)也在較高水平，查看氣象參數(shù)可能是由于環(huán)境風(fēng)速較大形成的風(fēng)壓增強(qiáng)了對(duì)流換熱。

圖7 8 月13 日外墻內(nèi)外表面溫度及通道平均溫度變化曲線

圖8 9 月12 日外墻內(nèi)外表面溫度及通道平均溫度變化曲線

不同天氣情況下呼吸幕墻的性能是不一樣的，圖4 和圖5 分別為8 月13 日與9 月21 日兩天的背板溫度以及通道內(nèi)空氣溫度一天內(nèi)的變化情況。8月13 日為晴天，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高達(dá)930 W/m2，氣溫條件為28 ～39℃，9 月12 日為陰天，氣溫條件為21 ～28℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高達(dá)616 W/m2。圖5 中光伏背板最高溫度35℃，通道空氣最高溫度29℃，通道與空氣最大溫差7℃左右，比晴天的12℃小很多，比較兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)晴天背板的最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間早，通過(guò)其他天數(shù)據(jù)的觀察，晴天背板最高溫度一般出現(xiàn)在9:30 到10:00，陰天背板最高溫度一般出現(xiàn)在12:30 以后。通過(guò)觀察通道內(nèi)外空氣的溫差可以看出陰天溫差小，晴天溫差大，造成晴天的煙囪效應(yīng)比陰天好，所以背板被有效排熱，溫度峰值出現(xiàn)的快。

比較圖7 和8 可知三條曲線的變化趨勢(shì)一致，陰天外墻最高溫度27℃，不同之處在于陰天通風(fēng)排熱差，熱量?jī)?chǔ)存在通道內(nèi)的光伏背板與外墻上，所以整個(gè)變化趨勢(shì)相比較晴天要滯后一段時(shí)間。

為了消除兩天環(huán)境溫度的不同對(duì)通道溫度比較的影響，消除環(huán)境溫差的影響即把環(huán)境溫差加到9月13 日通道平均溫度、背板平均溫度、外墻外表面溫度上，只觀察太陽(yáng)輻射對(duì)通道的熱工性能的影響。通過(guò)計(jì)算可知在上午7:00 到下午3:00 這段輻射較強(qiáng)的時(shí)間段內(nèi)，消除環(huán)境溫度影響后晴天與陰天各溫差分布情況如表1。可見(jiàn)消除溫度的影響，太陽(yáng)輻射對(duì)光伏通道的熱工性能有較大的影響，會(huì)使得通道內(nèi)的溫度升高，這段時(shí)間內(nèi)晴天比陰天背板平均溫度高6．64℃，通道平均高2．37℃，外墻外表面平均高2．44℃。

表1 不同時(shí)刻背板溫差、通道溫差、外墻內(nèi)外表面溫差

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析得出了以下結(jié)論:

(1)確立了通道內(nèi)溫度場(chǎng)、背板溫度以及外墻溫度隨室外環(huán)境參數(shù)的變化過(guò)程，通道內(nèi)的溫度隨高度升高而增加，背板溫度比較穩(wěn)定。計(jì)算了典型夏季晴天通道內(nèi)自然通風(fēng)的熱壓變化情況，可知上午8:00 到11:00 這段時(shí)間通風(fēng)效果良好。

(2)通過(guò)分析背板溫度與通道溫度的關(guān)系，由于存在對(duì)流換熱通道內(nèi)空氣溫度受背板溫度的影響較大，上午9:00 到下午4:00 這段時(shí)間內(nèi)平均對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)6．28 W/m3·℃。比較通道溫度與外墻溫度的變化趨勢(shì)可以看出，外墻溫度變化主要受通道溫度場(chǎng)的影響，下午2:00 過(guò)后外墻溫度將高于通道溫度，建議開(kāi)啟通道降溫排熱。

(3)選取了晴天與陰天這兩天作為比較對(duì)象，考察不同天氣BIPV 的熱工差異，看出陰天通道內(nèi)外的空氣溫差小通風(fēng)排熱差，熱量?jī)?chǔ)存在背板與外墻中導(dǎo)致溫度衰減慢。消除兩天溫差的影響，可以看出太陽(yáng)輻射對(duì)通道內(nèi)的溫度場(chǎng)影響較大，使得背板溫度平均比陰天高6． 64℃，通道溫度平均高2．37℃。

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