光伏建筑一體化系統(tǒng)中通風(fēng)空腔熱工性能研究綜述

劉瑞囡，張曉明

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

清潔能源的生產(chǎn)是當(dāng)今人類面臨的最重要和最緊迫的技術(shù)挑戰(zhàn)之一?？紤]到全球變暖和限制碳排放，必須積極尋找替代能源或新能源。其中最受歡迎的技術(shù)之一是太陽(yáng)能光伏技術(shù)，光伏電池板吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能以供使用。近年來(lái)，光伏建筑一體化系統(tǒng)（building integrated photovoltaic，BIPV）在建筑中得到了廣泛應(yīng)用。在BIPV系統(tǒng)中，光伏板取代了傳統(tǒng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，如建筑立面，玻璃幕墻和遮陽(yáng)元件等。光伏幕墻可以多種方式使用，提供供熱緩沖區(qū)、預(yù)熱空氣、隔音、防風(fēng)防污、同時(shí)作為建筑圍護(hù)材料并提供電力。BIPV系統(tǒng)可以更具成本效益，節(jié)省材料和電力成本，減少化石燃料的使用和臭氧排放。

集成在建筑外墻或屋頂?shù)腂IPV系統(tǒng)在過(guò)去幾年引起了學(xué)者們的注意，開(kāi)始了廣泛的研究。系統(tǒng)由兩層結(jié)構(gòu)組成：一層是光伏板；另一層是建筑物的外表面，即外墻或屋頂。然而，為了避免光伏板集成到建筑外墻或屋頂時(shí)過(guò)熱，通常在光伏板和建筑外墻或屋頂之間留有通風(fēng)空腔。通風(fēng)空腔中的通風(fēng)可以是自然的也可以是機(jī)械的，它可以有不同的寬度、高度。通風(fēng)空腔的設(shè)計(jì)是影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。

1 BIPV系統(tǒng)空氣夾層中的空氣流動(dòng)

近幾年，利用光伏組件廢熱的想法越來(lái)越受到關(guān)注。各種研究表明，許多研究人員試圖通過(guò)幾種方式了解光伏板與建筑外墻之間的氣流。本節(jié)介紹了為此目的進(jìn)行的研究，分別進(jìn)行模擬或?qū)嶒?yàn)研究。

Mei［1］等提出了一個(gè)基于 TRNSYS的通風(fēng)光伏立面/太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)建筑的動(dòng)態(tài)熱模型。在作者的早期工作中，開(kāi)發(fā)了一種用于通風(fēng)光伏外墻的動(dòng)態(tài)通用有限元熱模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合TRNSYS軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的熱模型。結(jié)果表明，在考慮通風(fēng)間隙的光伏立面上，各位置的冷負(fù)荷都較大，而熱負(fù)荷則取決于位置。

Hailu［2］等對(duì)考慮強(qiáng)制對(duì)流的光伏/光熱系統(tǒng)進(jìn)行了CFD分析。利用COMSOL多物理有限元分析軟件，以不同空氣流速下測(cè)量的溫度曲線和太陽(yáng)輻射作為邊界條件，建立了BIPV/T系統(tǒng)的CFD模型。結(jié)果表明，當(dāng)輻射邊界條件與k-ε湍流模型一起使用時(shí)，使用測(cè)量的空氣和背面絕緣溫度分布獲得更好的一致性，得出利用CFD模型預(yù)測(cè)溫度分布的可能性，并建立了局部/平均對(duì)流換熱系數(shù)與氣流速度之間的關(guān)系。

Gan［3］對(duì)BIPV系統(tǒng)進(jìn)行了CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬分析，以研究不同屋頂間距（垂直高度）和面板長(zhǎng)度下，氣隙尺寸對(duì)光伏性能的影響，并確定最小化光伏過(guò)熱所需的最小氣隙。

張瑞［4］等以上海工程技術(shù)研究中心1#樓屋面光伏陣列為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出了不同深度下光伏組件溫度、輸出功率、以及屋面外表面溫度的變化情況。通過(guò)恒定通風(fēng)腔深度變化數(shù)值對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)方法獲得了最優(yōu)化通風(fēng)腔深度設(shè)計(jì)，分析得出其通風(fēng)腔的最佳深度為300mm。

朱麗［5］等以天津地區(qū)為例，對(duì)雙層透光薄膜光伏幕墻的熱工性能進(jìn)行了理論計(jì)算和Fluent軟件模擬，綜合考慮空腔的保溫隔熱以及通風(fēng)散熱，建議雙層透光薄膜光伏幕墻空腔厚度取0.15m，夏季工況下通風(fēng)口豎向開(kāi)口尺寸為0.25m時(shí)，通風(fēng)所帶走的熱量最多。

直奔光伏組件過(guò)熱問(wèn)題，Kaiser［6］等對(duì)空氣通道中強(qiáng)制對(duì)流冷卻光伏組件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討空氣夾層大小及強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)電池溫度及光伏組件電效率的影響。在不同的太陽(yáng)輻射值、環(huán)境溫度、縱橫比（管道寬度/管道長(zhǎng)度）和幾種強(qiáng)制通風(fēng)條件下，對(duì)BIPV裝置進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，臨界縱橫比接近0.11，可將光伏板過(guò)熱降至最低。研究還表明，強(qiáng)制通風(fēng)條件下的發(fā)電功率輸出比自然通風(fēng)條件下增加19%。

Brinkworth和Sandberg［7］采用全尺寸試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，以驗(yàn)證在無(wú)風(fēng)條件下，當(dāng)光伏板溫度最高時(shí)通道內(nèi)空氣的流動(dòng)和傳熱情況。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)變量存在一個(gè)最佳值，對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的陣列，當(dāng)L/水力直徑（Dh）的比值約為20時(shí)，光伏板溫度最低。此外，研究還表明，由于空氣流動(dòng)，光伏陣列的溫度會(huì)大大降低。在全尺寸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的測(cè)量與光伏側(cè)加熱理論估算一致。

2光伏幕墻的傳熱分析

本節(jié)介紹了已發(fā)表的相關(guān)研究，這些研究基于對(duì)BIPV立面的傳熱分析，以及自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)立面的各種Nu數(shù)和傳熱系數(shù)。

La Pica［8］等研究了垂直通道中空氣的自然對(duì)流。試驗(yàn)過(guò)程采用2.6m高的矩形截面模型，通道寬度可變。其中一個(gè)通道壁受到均勻熱通量，并且使用不同的通道間隙和加熱功率值進(jìn)行測(cè)試。得出了兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，其中幾何參數(shù)s/H，sHh是模型的寬度，是模型的高度。在所研究的所有情況下，對(duì)流換熱系數(shù)在4.8到5.1W/m2K之間，隨熱流密度的增加，對(duì)流換熱系數(shù)略有增加。

Sparrow和Azevedo［9］和通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，研究了平板間距對(duì)由恒溫和未加熱壁開(kāi)放式垂直通道內(nèi)自然對(duì)流的影響。他們分析了基于兩個(gè)平行壁（一個(gè)加熱，另一個(gè)絕熱）的熱通量的數(shù)據(jù)。Ra200～80000之間時(shí)，得出以下表達(dá)式：

Zollner［10］等描述了在室外雙層幕墻中進(jìn)行的試驗(yàn)。作者指出，太陽(yáng)輻射引起的混合對(duì)流流體在雙層幕墻通道中流動(dòng)，很大程度上取決于窗的高度、外部和內(nèi)部立面之間的距離以及進(jìn)氣口和出氣口的高度。在同樣的問(wèn)題上，Selkowitz［11］指出，通常在空氣夾層厚度為0.2～0.6cm的情況下達(dá)到最小熱傳。一旦達(dá)到臨界狀態(tài)，進(jìn)一步增加空腔厚度很少或沒(méi)有減少空氣空間熱傳。

Candanedo等［12］提出了一個(gè)以室外空氣作為冷卻介質(zhì)的開(kāi)放式循環(huán)空氣光伏/光熱系統(tǒng)傳熱特性的試驗(yàn)研究。對(duì)于以強(qiáng)制對(duì)流為主的光伏光熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給/出了努塞爾平均數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式。由于系統(tǒng)的不對(duì)稱性，建議使用兩個(gè)Nu數(shù)方程；一個(gè)用于光伏板表面，另一個(gè)用于傾斜角為30～45°的絕熱表面。Dittus和Boelter［13］推薦Nu數(shù)關(guān)聯(lián)式，用于 Re≥10000，L/D≥10和0.7＜Pr＜16的光滑管道中完全發(fā)展的湍流情況。對(duì)于單相管道，最廣泛使用的關(guān)DittusBoelter系式是和公式，描述了強(qiáng)制對(duì)流和對(duì)稱加熱的平均努數(shù)。應(yīng)注意的是，對(duì)于矩形截面，水力直徑用于估算Re數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

將光伏電池板整合為建筑元件的想法，增加了可再生能源系統(tǒng)的前景?？紤]到建筑中需要更多的可再生能源系統(tǒng)，對(duì)BIPV系統(tǒng)進(jìn)行研究以提高其性能具有重要意義。文獻(xiàn)研究分為自然通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論、模擬研究。到目前為止，研究人員似乎一致認(rèn)為，為了使光伏板溫度保持在較低水平，光伏板和建筑立面之間的最佳氣隙在10～15cm之間。

此外，在各種假設(shè)和條件下，不同的研究者每次都提出了Nu數(shù)關(guān)聯(lián)式。Pica等［8］指出，在所研究的所有情況下，對(duì)流傳熱系數(shù)h在5.1～4.8W/m2K之間，隨著熱流密度的增加，對(duì)流系數(shù)略有增加的趨勢(shì)。。然而，文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的每個(gè)Nu數(shù)關(guān)聯(lián)式僅適用于特定流動(dòng)類型的特定瑞利數(shù)范圍。