遮陽式光伏新風系統(tǒng)性能模擬與優(yōu)化

張泠 張燁琳 劉忠兵 羅勇強 吳征鴻 何細華

摘 要：對一種新型遮陽式光伏新風系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)在夏季利用光伏板發(fā)電的同時為建筑遮陽，在冬季則可以利用光伏板余熱加熱新風.采用類區(qū)域方法建立了遮陽式光伏新風系統(tǒng)的光電光熱轉(zhuǎn)換模型，并采用實驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)模型進行驗證，在此基礎(chǔ)上對遮陽式光伏新風系統(tǒng)進行優(yōu)化.研究表明：隨著新風量增大，光伏板發(fā)電效率、新風得熱量與集熱效率增大，新風溫升與送風溫度減?。幌到y(tǒng)發(fā)電效率和集熱效率隨太陽輻照強度的增大而增大.本文研究的遮陽式光伏新風系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)太陽能發(fā)電、建筑遮陽和新風加熱功能，為建筑節(jié)能提供一種新方法.

關(guān)鍵詞：太陽能；新風系統(tǒng)；發(fā)電效率；集熱效率；分析優(yōu)化

中圖分類號：TU831.3 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2018）07—0135—06

Abstract： A type of fresh air system integrated with shading photovoltaic is researched. In summer， photovoltaic panel is used for shading and electricity generation. In winter， this system can generate power and heat fresh air by extra thermal energy of PV panel. By using class region method， a photovoltaic and photo-thermal conversion model is established to simulate the performance of the fresh air system， and the system model is validated by experimental data. On this basis， the fresh air volume of the fresh air system integrated with shading photovoltaic is optimized. The results show that the photovoltaic power generation efficiency， the heat gain of the fresh air and the heating efficiency increase， while temperature rise of fresh air and outlet temperature of fresh air reduce with the increase of the fresh air volume， and the power generation efficiency and heat collection efficiency grow with the increase of solar radiation intensity. In this paper， the fresh air system integrated with shading photovoltaic has functions of electricity generation， shading and fresh air heating， and provides a new method for building energy saving.

Keywords： solar energy；fresh air system；power generation efficiency；collector efficiency；optimization analysis

能源危機的加劇和建筑能耗的不斷增長使建筑節(jié)能成為各國政府關(guān)注的焦點問題.減少建筑能耗、提高能源利用效率和在建筑中使用可再生能源是建筑節(jié)能的有效措施.BIPV/T將光伏發(fā)電技術(shù)和建筑有機結(jié)合，在利用光伏電池發(fā)電的同時回收光伏底板的余熱，體現(xiàn)了完美的可持續(xù)發(fā)展理念，受到世界各國的廣泛關(guān)注.目前各國學者對BIPV/T技術(shù)進行了廣泛的研究，針對建筑不同需求，設(shè)計出不同的BIPV/T系統(tǒng).如Vats等[1]、Gaur等[2]以及Tiwari等[3]分別針對印度寒冷地區(qū)的氣候條件，設(shè)計出了適用于該地區(qū)的BIPV/T系統(tǒng)，并通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)使發(fā)電與集熱效率最大化.Agrawal等[4]研究了光電光熱空氣收集器與有效面積為65 m2的建筑物屋頂?shù)囊惑w化，該BIPV/T系統(tǒng)每年能夠生產(chǎn)16 209 kW·h和1 531 kW·h的電能和熱能，系統(tǒng)的總體熱效率為53.7%.Lu和Yang[5]通過比較22 kW的屋頂BIPV系統(tǒng)的能源回收時間和溫室氣體回收時間，研究了光伏系統(tǒng)的可持續(xù)性.Liu等[6-8]對光伏熱電一體化墻體系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，利用光伏發(fā)電驅(qū)動熱電輻射板，實現(xiàn)對墻體溫度的主動控制，在消除傳統(tǒng)墻體負荷的同時為室內(nèi)提供一定的制冷量和制熱量.Song等[9]研究了不同角度與朝向光伏組件的發(fā)電功率，結(jié)果表明南向安裝的光伏組件在功率輸出方面優(yōu)于東向光伏組件，安裝在30°的光伏組件的年輸出功率約為垂直光伏組件的2.5倍.

研究表明在夏季通過窗戶進入室內(nèi)的空調(diào)負荷主要來自太陽輻射，建筑物在設(shè)置有外遮陽設(shè)施時可以減少太陽輻射熱量的70%～90%[10].可以看出，建筑外遮陽在夏季可以有效減少建筑得熱.然而在冬季，建筑外遮陽對太陽輻射形成遮擋，不利于室內(nèi)采暖.本文針對傳統(tǒng)遮陽系統(tǒng)的缺點，對一種遮陽式新風系統(tǒng)進行了研究，在夏季對建筑遮陽的同時，利用太陽能發(fā)電，在冬季利用光伏板發(fā)電的同時利用光伏板余熱加熱新風，實現(xiàn)對太陽能光電光熱的綜合利用，提高了能源利用率，克服了建筑外遮陽的不足.本文建立了遮陽式光伏新風系統(tǒng)的光電光熱轉(zhuǎn)換模型，并采用實驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，在此基礎(chǔ)上對遮陽式光伏新風系統(tǒng)性能進行分析優(yōu)化.

1 系統(tǒng)原理及傳熱模型

1.1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，遮陽式光伏新風系統(tǒng)包括光伏電池板層、空氣通道層和保溫板層.光伏板作為建筑外窗的遮陽板使用，設(shè)置在外窗上面，其與地面的傾角為30°.在夏季，利用光伏板發(fā)電并遮陽，空氣通道出口處密閉閥門關(guān)閉，以減小太陽輻射直接進入室內(nèi)；在冬季，室外空氣在風機的作用下，從新風入口進入空氣通道，經(jīng)光伏板預熱后溫度升高，再送入室內(nèi)，為建筑提供新風.

1.2 光伏新風系統(tǒng)傳熱模型的建立

遮陽式光伏新風系統(tǒng)的冬季熱工網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示.具體的傳熱過程：光伏板接收太陽輻射，一小部分轉(zhuǎn)化為電能輸出為負載供電，另一大部分轉(zhuǎn)化為熱能使自身溫度升高，再通過對流換熱與長波輻射換熱的方式與室外環(huán)境、空氣通道內(nèi)的空氣以及保溫板進行熱量交換；空氣通道內(nèi)的空氣在風機的作用下與光伏板和保溫板進行強制對流換熱，帶走部分熱量；保溫板內(nèi)側(cè)與光伏板輻射換熱，與空氣強制對流，并通過導熱傳熱將熱量傳遞給保溫板外側(cè)；保溫板外側(cè)與室外環(huán)境通過對流與長波輻射換熱.

計算傳熱的物理模型采用周娟[11]提出的類區(qū)域模型，沿空氣流動方向?qū)⒐夥嘛L系統(tǒng)的光伏電池板、空氣層以及保溫板等分成n個區(qū)域，取n = 10；保溫板沿厚度方向等分成6個區(qū)域計算傳熱，并忽略光伏板與空氣通道厚度方向的溫度梯度.在每個區(qū)域中心設(shè)置一個節(jié)點，如圖2所示，假設(shè)該節(jié)點可以代表該區(qū)域的物理參數(shù)，并在空氣通道設(shè)置邊界節(jié)點用于輸入邊界條件便于計算.

2 實驗數(shù)值模擬與結(jié)果分析

實驗的主要測量參數(shù)為：室內(nèi)外溫度、空氣通道內(nèi)和光伏背板溫度、發(fā)電電壓與電流、風量以及太陽輻照強度等.光伏板與空氣通道內(nèi)的溫度測點分布如圖1 所示，遮陽式光伏新風系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示.實驗時間為2016年12月8日，地點位于湖南省長沙市，選取太陽輻射強度較好的工作時段，從上午10：00到下午14：30進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔5 min讀取并記錄一次數(shù)據(jù).系統(tǒng)的新風量Q為93 m3/h.

空氣密度ρf、空氣的導熱系數(shù)λf以及普朗特數(shù)Pr采用大氣壓（P = 1.013 25 × 105 Pa）下干空氣的熱物理性質(zhì)參數(shù)[13]，用插值法通過程序計算得出.

2.1 模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

圖3表示光伏電池發(fā)電功率隨太陽輻射強度變化的實驗值與模擬值對比，光伏電池發(fā)電功率隨著太陽輻照的增加而增大.通過比較模擬值與實驗值，它們的均方根誤差與平均相對誤差分別為2.85%與2.41%.圖4表示光伏電池板上中央節(jié)點溫度的實驗值與模擬值對比，由于太陽輻射是光伏板熱量的主要來源，所以光伏板溫度也是先增大后減小的趨勢.通過比較模擬值與實驗值，它們的均方根誤差與平均相對誤差分別為3.26%與2.86%.

圖5表示新風溫升的實驗值與模擬值對比，由于光伏板加熱是新風溫升的主要原因，所以新風溫升與光伏板溫度變化的趨勢相同.溫升最大值出現(xiàn)在12：30左右，可達到15 ℃以上，此時太陽輻照最大.通過比較模擬值與實驗值，它們的均方根誤差與平均相對誤差分別為6.92%與5.39%.從圖3 ～ 圖5可以得出，遮陽式光伏新風系統(tǒng)各參數(shù)的模擬值與實驗值誤差較小，證明本文建立的遮陽式光伏新風系統(tǒng)光電光熱轉(zhuǎn)換模型具有較高的精度，可以用來模擬分析和優(yōu)化遮陽式光伏新風系統(tǒng)的性能.

2.2 新風量的優(yōu)化

新風量在60 ～ 120 m3/h間，每隔10 m3/h選取一個共7種工況進行數(shù)值模擬.圖6與圖7分別表示其中3種新風量下光伏板發(fā)電效率ηcell、集熱效率ηh、新風溫升ΔT與新風得熱量Qh隨時間的變化情況.從圖中可知，光伏板發(fā)電效率、新風得熱量與集熱效率隨著新風量的增加而增大，而新風溫升減小，是由于新風量增大導致新風風速增大，強化了對流換熱，使光伏板溫度下降，從而增大了光伏板的發(fā)電功率和發(fā)電效率.新風量的增大會使單位體積的新風得熱減小，從而新風溫升減小，但由于Q的增大，由式（15）綜合得出新風得熱量Qh增大，進而得到集熱效率ηh增大.

12：00時，流量為90 m3/h的發(fā)電效率比流量為60 m3/h時增加了1.32%，新風得熱量和集熱效率增加了27.15%，新風溫升減小了15.64%，送風溫度減小了7.43%；流量為120 m3/h的發(fā)電效率比流量為90 m3/h時增加了1.00%，新風得熱量和集熱效率增加了18.39%，新風溫升減小了11.47%，送風溫度減小了4.96%.

3 結(jié) 論

本文提出一種遮陽式光伏新風系統(tǒng)，在夏季利用光伏板遮陽和發(fā)電，冬季利用光伏發(fā)電的同時預熱新風.建立了一個遮陽式光伏新風系統(tǒng)的傳熱模型，并對傳熱模型進行了實驗驗證.進一步研究了不同新風量對發(fā)電功率與新風得熱量的影響，得出了以下結(jié)論：

1）光伏電池板發(fā)電功率、中間節(jié)點溫度、新風溫升的實驗值與模擬值的平均相對誤差分別為2.41%、2.86%和5.39%，結(jié)果表明實驗與模擬數(shù)據(jù)吻合良好，說明該模型對光伏新風系統(tǒng)模擬具有較高的準確性.

2）遮陽式光伏新風系統(tǒng)發(fā)電效率和集熱效率隨太陽輻照強度的增大而增大，在新風量為60 ～ 120 m3/h時，系統(tǒng)最大發(fā)電效率為16.00%，最大集熱效率為49.98%，最大新風溫升為18.55 ℃，送風溫度達到37.04 ℃，最大新風得熱量為556 W.

3）遮陽式光伏新風系統(tǒng)發(fā)電效率、發(fā)電效率、新風得熱量與集熱效率隨著新風量的增加而增大，但新風溫升逐漸減小，導致送風溫度也隨著減小.

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