嚴(yán)寒地區(qū)光伏復(fù)合墻體冬季主被動熱利用模式研究

曹 也，李辰琦，周宏敞

(1.沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.國家能源集團 綠色能源與建筑研究中心，北京 102211)

建筑能耗占全國能源消費總量的40%以上[1]，建筑碳排放量約占總量的36%[2]，節(jié)能減碳空間大.光伏復(fù)合墻體(Photovoltaic Wall，PV Wall)作為光伏建筑一體化(BIPV)技術(shù)形式之一，充分利用建筑立面空間，同時具備圍護結(jié)構(gòu)功能和發(fā)電功能，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑發(fā)電就地消納，促進建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的實現(xiàn).

光伏復(fù)合墻體一般由光伏組件、空氣間層和保溫墻體組成，根據(jù)光伏組件的種類，目前光伏復(fù)合墻體中應(yīng)用較多的有半透光和不透光的晶硅、非晶硅、染料敏化和鈣鈦礦基太陽能電池產(chǎn)品[3-13].光伏組件經(jīng)太陽輻照后，一部分能量轉(zhuǎn)換為電能，另一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能[14]，研究表明各類型的光伏組件的發(fā)電效率均會隨工作溫度升高而降低，因此國內(nèi)外學(xué)者針對不同散熱方式的光伏復(fù)合墻體的熱性能和發(fā)電效率開展了相關(guān)研究.Mehdi Shahrestani等[3]通過數(shù)值模擬與實驗驗證，發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)能夠提高晶體硅光伏通風(fēng)立面的年發(fā)電量4%.Nuria Martín-Chivelet等[4]將不透光的晶體硅光伏墻體應(yīng)用于西班牙某改造建筑中，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)模式可以提高2.5%的發(fā)電效率.Jinqing Peng等[5]研究了中國香港地區(qū)的透光非晶硅光伏墻體在不通風(fēng)、浮力和通風(fēng)3種模式下的熱性能和發(fā)電效率，發(fā)現(xiàn)不通風(fēng)模式的隔熱性能最好，而通風(fēng)模式太陽能得熱系數(shù)SHGC最低且發(fā)電效率提高了3%.通過模擬發(fā)現(xiàn)朝南光伏墻相比于普通墻體，夏季得熱量和冬季熱損失的年減少率分別約為56.2%和32.0%[6].Suzana Domjan等[7]以強制通風(fēng)模式利用透明單晶硅光伏復(fù)合墻體預(yù)熱新風(fēng)后送入室內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)高達10%的太陽輻射可用于供電和供熱，空氣預(yù)熱可利用高達75%的所接收的太陽輻射.Lijie Xu等[8]建立了BIPV/T太陽能墻的數(shù)值模型，采暖季太陽能墻空氣通道中的熱空氣可承擔(dān)部分熱負(fù)荷，模擬發(fā)現(xiàn)在北京、合肥和西寧的太陽能保證率分別為49.9%、38.7%和41.3%.季杰[9]、徐小煒[10]、馬楊[11]等人提出將光伏電池與Trombe墻結(jié)合，根據(jù)光伏組件安裝位置分為內(nèi)置式和外置式PV-Trombe墻，采用CFD方法研究了墻體的光電光熱性能，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置式的PV-Trombe墻的集熱效果更好，而光電轉(zhuǎn)化效率低于外置式.Siliang Yang等[12]比較了非晶硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦基太陽能電池應(yīng)用于光伏復(fù)合墻體，在不通風(fēng)、自然通風(fēng)和強制通風(fēng)模式下的發(fā)電和熱性能，發(fā)現(xiàn)在澳大利亞最適宜應(yīng)用鈣鈦礦基太陽能電池的自然通風(fēng)光伏復(fù)合墻體.

已有研究中闡述了應(yīng)用不同光伏材料的光伏復(fù)合墻體在亞熱帶和溫帶等氣候區(qū)的光電光熱綜合利用的節(jié)能優(yōu)勢，但關(guān)于應(yīng)用非透光銅銦鎵硒薄膜類光伏組件的光伏復(fù)合墻體熱利用的研究有限，且多數(shù)研究采用數(shù)值模擬的方法，缺乏基于實測數(shù)據(jù)的進一步驗證.

因此，本文提出了一種采用非透光銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光伏復(fù)合墻體，是能夠在實際中廣泛應(yīng)用的幕墻體系[14-15]，如圖1.構(gòu)造組成由外至內(nèi)依次為光伏組件、龍骨與空氣間層、保溫與內(nèi)墻層和內(nèi)裝飾層，屬于建筑的非透光圍護結(jié)構(gòu)，不具有建筑采光功能.為合理利用光伏復(fù)合墻體內(nèi)的熱量，在墻體上下端設(shè)置內(nèi)外通風(fēng)器，形成呼吸式構(gòu)造.夏季，光伏復(fù)合墻體采用外循環(huán)模式，即外部通風(fēng)器開啟，空氣間層與室外環(huán)境連通，通過煙囪效應(yīng)，及時排除空氣間層內(nèi)熱量(圖2(a))；冬季日間，采用內(nèi)循環(huán)運行模式，內(nèi)部通風(fēng)器開啟，空氣間層與室內(nèi)環(huán)境聯(lián)通并形成內(nèi)循環(huán)，光伏復(fù)合墻體的熱量可被建筑利用(圖2(b))；冬季夜間，光伏復(fù)合墻體保持密閉，封閉的空氣間層具有一定的保溫性(圖2(c)).

圖1 惠州潼湖科技小鎮(zhèn)項目[14]

圖2 光伏復(fù)合墻體工作原理示意圖

光伏復(fù)合墻體憑借其特殊的呼吸式構(gòu)造體系，具有冬季保溫、夏季隔熱性能，本文重點研究其在我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季的主被動熱利用模式及效果，基于沈陽地區(qū)的實驗裝置，進行了2 a的長期監(jiān)測實驗，取得了大量的實測數(shù)據(jù)，總結(jié)了冬季不同太陽輻射強度和環(huán)境溫度條件下，光伏復(fù)合墻體熱能的動態(tài)變化的規(guī)律，進一步提出了主被動熱利用的有效模式，量化了兩種熱利用模式的供熱量和供熱效率，為其在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐和應(yīng)用策略.

本文除引言和結(jié)論外，分為4個主要部分.第1節(jié)為光伏復(fù)合墻體對比實驗平臺簡介；第2節(jié)統(tǒng)計分析了冬季工況下，實驗裝置中光伏復(fù)合墻體空腔密閉狀態(tài)時的各部分溫度實測數(shù)據(jù)；第3節(jié)提出了光伏復(fù)合墻體被動式熱利用模式，基于對比實驗裝置實測其對建筑采暖能耗的節(jié)能效果，通過CFD模擬研究其供熱量和供熱效率；第4節(jié)提出了與新風(fēng)機結(jié)合的光伏復(fù)合墻體主動式熱利用模式，通過實驗測試研究其供熱能力.

1 實驗平臺

在我國建筑熱工分區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)、太陽能資源為Ⅲ類地區(qū)的沈陽，搭建光伏復(fù)合墻體對比實驗裝置，包括A、B兩個微型建筑，除南墻外，兩建筑的圍護結(jié)構(gòu)均相同.其中，A建筑南立面應(yīng)用了光伏復(fù)合墻體，外飾面是8塊尺寸為0.6 m×1.2 m的銅銦鎵硒(CIGS)光伏組件，內(nèi)保溫材料為苯板，兩者之間形成約300 mm厚的空氣間層.B建筑南墻表面未覆蓋光伏組件，內(nèi)墻材料與實驗建筑相同.

設(shè)置氣象環(huán)境監(jiān)測站，監(jiān)測室外干球溫度和南向垂直面的太陽輻射強度.在建筑內(nèi)部中心位置垂直安裝3個溫度傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度，在光伏組件內(nèi)表面安裝2個溫度傳感器、空氣間層和保溫材料表面各安裝2行4列共16個溫度傳感器，監(jiān)測光伏復(fù)合墻體各部分溫度.監(jiān)測數(shù)據(jù)由MC-B802主機采集，按照1 min的間隔保存在內(nèi)置的TF卡中.

2 光伏復(fù)合墻體溫度分布特性

在冬季工況下，實驗重點分析了2020年12月至2021年3月的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究光伏復(fù)合墻體空腔密閉狀態(tài)下各部分的溫度分布情況，為其熱利用模式提供數(shù)據(jù)支撐.日間光伏復(fù)合墻體接受太陽輻射，光伏組件溫度逐漸升高，并通過對流換熱方式加熱空氣間層；夜間無太陽輻射，光伏復(fù)合墻體各部分溫度與環(huán)境溫度基本相同，本節(jié)主要分析光伏復(fù)合墻體在日間(自8∶00時刻至16∶00時刻)的溫度分布情況.

沈陽冬季漫長，不同月份的太陽輻射和溫度條件具有一定差異性，挑選太陽輻射條件良好的日期，逐月分析光伏復(fù)合墻體溫度分布特性，發(fā)現(xiàn)光伏組件最高溫度在12月、1月、2月、3月的平均值分別為46.4 ℃、45.5 ℃、51.1 ℃、53.0 ℃，空氣間層最高溫度的平均值分別為34.4 ℃、32.1 ℃、40.7 ℃、44.1 ℃，光伏組件和空氣間層分別與環(huán)境溫度的差值最高可達50 ℃和40 ℃，光伏復(fù)合墻體具有保溫隔熱甚至是充當(dāng)“熱源”的作用，可以用于建筑輔助供熱.

表1 沈陽地區(qū)光伏復(fù)合墻體逐月平均溫度情況

3 被動熱利用模式研究

3.1 內(nèi)循環(huán)模式

光伏復(fù)合墻體的熱量通過熱傳導(dǎo)方式進入建筑室內(nèi)的效率較低，向室內(nèi)提供的熱量有限.為提升光伏復(fù)合墻體的熱利用效率，在保溫墻體上設(shè)置上下通風(fēng)口，空氣間層溫度高于室內(nèi)溫度時，在煙囪效應(yīng)作用下，墻體內(nèi)熱空氣與室內(nèi)空氣自然循環(huán)，直接利用光伏復(fù)合墻體熱量，該方式不需要機械設(shè)備提供能源，屬于被動式熱利用方式.

研究發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境平均溫度為5 ℃，光伏復(fù)合墻體空腔密閉狀態(tài)下，建筑制熱設(shè)備溫度設(shè)定為21 ℃，保持兩建筑室溫相同，應(yīng)用光伏復(fù)合墻體可節(jié)約20%采暖能耗.在室外平均溫度2.7 ℃的條件下，光伏復(fù)合墻體采用內(nèi)循環(huán)模式運行1 h后，實驗建筑的室溫由6 ℃升溫至18 ℃[17].

為進一步明確內(nèi)循環(huán)運行模式對建筑采暖能耗的影響，在實驗裝置A建筑中光伏復(fù)合墻體的保溫層上設(shè)置4個直徑為150 mm的通風(fēng)口，并安裝與主機連接的密閉閥，見圖3(d).實驗人員通過主機給出密閉閥的開閉信號，控制實驗裝置內(nèi)的通風(fēng)口，比較其與B建筑的采暖能耗.

圖3 光伏復(fù)合墻體對比實驗裝置

如圖4所示，實驗期間，日間平均溫度3 ℃，垂直方向平均太陽輻射照度310 W/m2，A建筑的光伏復(fù)合墻體的空氣間層溫度高于30 ℃開啟，低于25 ℃關(guān)閉，設(shè)定兩建筑的供熱設(shè)備溫度為21 ℃.光伏復(fù)合墻體空氣間層溫度最高達到36 ℃，與環(huán)境溫度最大溫差達到了32 ℃，隨著太陽輻射強度的降低，光伏復(fù)合墻體熱量也迅速流失，空氣間層溫度與室外溫度逐漸接近.通過監(jiān)測采暖設(shè)備能耗，得到A建筑的日間采暖能耗為0.62 kWh，B建筑的采暖能耗為0.97 kWh.應(yīng)用內(nèi)循環(huán)運行模式光伏復(fù)合墻體的A建筑，相對于未采用光伏復(fù)合墻體的B建筑，節(jié)約了36%的采暖能耗.

圖4 光伏復(fù)合墻體被動內(nèi)循環(huán)模式的溫度變化趨勢

實驗表明，光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)運行模式直接利用墻體內(nèi)熱空氣，節(jié)能效果更顯著，相比于空腔密閉時節(jié)約20%的采暖能耗[16]，內(nèi)循環(huán)模式能夠向室內(nèi)提供更多的熱量.

3.2 內(nèi)循環(huán)模式供熱能力研究

為量化內(nèi)循環(huán)模式光伏復(fù)合墻體的供熱量，利用Fluent軟件模擬穩(wěn)態(tài)條件下[18]光伏復(fù)合墻體內(nèi)的氣流和傳熱情況.建立光伏復(fù)合墻體的簡化模型，忽略橫豎龍骨構(gòu)造后，空氣間層厚度設(shè)為0.2 m，墻體高和寬為0.6 m×2.4 m，上下部通風(fēng)口尺寸為0.2 m×0.1 m，材料屬性與實驗平臺應(yīng)用的墻體一致.溫度場和速度場的求解基于RNG k-ε模型，并在打開浮升力選項的同時將材料的密度屬性設(shè)置成boussinesq.太陽輻射對光伏組件的作用是開啟了自帶的太陽輻射模型并給定太陽能熱吸收率實現(xiàn)的，設(shè)置光伏組件吸熱率0.75.分析立冬(11月7日)、冬至(12月21日)、小寒(1月4日)3天12∶00時刻的光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)模式的氣流和傳熱情況，環(huán)境溫度和光伏組件對流換熱系數(shù)設(shè)置見表2，模擬結(jié)果如表2所示.

表2 內(nèi)循環(huán)運行模式模擬結(jié)果

將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比[17]，在環(huán)境溫度為6 ℃，南向垂直面太陽輻射為680 W/m2，光伏復(fù)合墻體進口溫度為18 ℃，實測的光伏復(fù)合墻體出口溫度為35 ℃，實測與模擬結(jié)果具有相近的趨勢，本文建立的光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)運行模型較為合理.進一步計算立冬、冬至和小寒3 d的單位面積墻體供熱量為105 W/m2、91 W/m2、48 W/m2.定義單位面積墻體供熱量與墻體接受的太陽輻照度之比為供熱效率，經(jīng)計算，供熱效率分別為17%、11%和7%.可見，環(huán)境溫度低會導(dǎo)致光伏復(fù)合墻體的空氣間層溫度較低，其供熱量大幅衰減.在空氣間層的溫度低于30 ℃時，不宜采用內(nèi)循環(huán)運行模式.

4 主動熱利用模式研究

4.1 新風(fēng)取熱運行模式

光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)運行模式的工作原理是利用煙囪效應(yīng)將熱空氣導(dǎo)入室內(nèi)，該熱利用方式的空氣循環(huán)動力不足，供熱效率較低，且僅適用于小空間建筑.同時，內(nèi)保溫墻體上的密閉閥門屬于保溫性能薄弱部位，導(dǎo)致的冷熱橋問題會嚴(yán)重影響墻體夜間的保溫能力.故提出了一種主動式的光伏復(fù)合墻體熱利用方式，將墻體與新風(fēng)機結(jié)合，提供熱量的同時兼顧改善室內(nèi)空氣質(zhì)量.

新風(fēng)系統(tǒng)由取風(fēng)口、通風(fēng)閥、風(fēng)機、過濾器和溫控開關(guān)組成.溫控開關(guān)的溫度設(shè)定可根據(jù)實際需求更改，冬季當(dāng)空氣間層溫度高于溫控系統(tǒng)的高限設(shè)定值，溫度控制開關(guān)給出啟動風(fēng)機信號，將空氣間層中被預(yù)熱后的新風(fēng)導(dǎo)入室內(nèi)，同時，室外新鮮空氣通過外循環(huán)通風(fēng)器的縫隙緩慢滲入空氣間層并被逐漸加熱，如此循環(huán)完成新風(fēng)取熱的過程.當(dāng)空氣間層溫度低于溫控系統(tǒng)的低限設(shè)定值時，溫度控制開關(guān)給出關(guān)閉風(fēng)機信號，密閉的空氣間層起保溫作用.夏季新風(fēng)取熱系統(tǒng)停用，外循環(huán)通風(fēng)器開啟，煙囪效應(yīng)的作用下空氣間層與室外環(huán)境聯(lián)通并形成循環(huán)流動，完成光伏組件的降溫過程，提高其發(fā)電效率，如圖5所示.

圖5 與新風(fēng)機結(jié)合的光伏復(fù)合墻體構(gòu)造示意圖

4.2 新風(fēng)取熱模式供熱能力研究

將與新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合的光伏復(fù)合墻體實際應(yīng)用于沈陽市某辦公建筑，建筑面積54 m2.南側(cè)光伏復(fù)合墻體面積8.64 m2，新風(fēng)機風(fēng)量180 m3/h.溫控系統(tǒng)設(shè)置空氣間層溫度高于30 ℃新風(fēng)機開啟工作，低于28 ℃停止工作.光伏復(fù)合墻體向建筑室內(nèi)提供的瞬時供熱量Q按公式(1)計算，得

Q=cm(tk-tn)

(1)

式中：c為空氣的定壓比熱容，取值1.005 kJ/(kg·K)；m為空氣間層進入室內(nèi)的空氣的質(zhì)量流量，單位kg/s.m=ρ·V,其中，ρ為空氣密度，V為體積流量；tk為空氣間層溫度，℃；tn為建筑室內(nèi)溫度，℃.

光伏復(fù)合墻體空氣溫度變化范圍較廣，不同空氣溫度時的密度按公式(2)計算：

ρ=1.293[273/(273+t)](B/101.3)

(2)

式中：t為空氣實際溫度，℃；B為實際大氣壓力，kPa.

以2021年11月7日和2021年2月27日、3月30日為例，分析8∶00至15∶59期間的實測數(shù)據(jù)，計算光伏復(fù)合墻體利用新風(fēng)機向室內(nèi)提供的熱量，其中體積流量為180 m3/h，空氣間層溫度tk和建筑室內(nèi)溫度tn取實際監(jiān)測值，如圖6所示.在空氣間層中心位置設(shè)置1個溫度傳感器、建筑室內(nèi)布置2個溫度傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)每隔1 min采集記錄一次.將計算出的供熱量瞬時值作為每一分鐘的代表值，累加后求得新風(fēng)機工作期間的供熱量.實驗期間新風(fēng)機每日的工作時間分別為4 h、5 h和6 h，光伏復(fù)合墻體向室內(nèi)提供的熱量為1 1782 kJ、18 892 kJ和22 652 kJ，即3.2 kWh、5.2 kWh和6.3 kWh.

圖6 實驗期間光伏復(fù)合墻體和室內(nèi)溫度情況

為量化光伏復(fù)合墻體的供熱效率，計算單位面積的光伏復(fù)合墻體供熱量與接收到的太陽輻照度之比[19]，按公式(3)計算，得到實驗期間3天的光伏復(fù)合墻體供熱效率變化趨勢，如圖7所示，光伏復(fù)合墻體的單位面積供熱量隨著太陽輻射強度的增加而升高，而日平均供熱效率卻呈下降趨勢，依次為27%、23%和17%.可見，在太陽輻射條件較良好的2月和3月，應(yīng)該通過增加新風(fēng)機風(fēng)量來加大光伏復(fù)合墻體供熱量，進而提升其供熱效率.

圖7 實驗期間光伏復(fù)合墻體供熱效率

(3)

式中：Q為光伏復(fù)合墻體的供熱量，W；A為光伏復(fù)合墻體面積，m2；I為光伏復(fù)合墻體接收的太陽輻照度，W/m2.

5 結(jié)論

本文針對應(yīng)用非透光的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光伏復(fù)合墻體的熱利用模式開展研究，在沈陽地區(qū)搭建了光伏復(fù)合墻體對比實驗裝置，并將其實際應(yīng)用于某辦公建筑，取得了大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過實驗和模擬結(jié)合的方式，量化了光伏復(fù)合墻體在嚴(yán)寒地區(qū)的主被動熱利用模式的供熱能力，主要結(jié)論如下：

(1)沈陽地區(qū)冬季工況下的光伏復(fù)合墻體，光伏組件溫度可達到45～55 ℃，空氣間層溫度可達到35～45 ℃，具有明顯的保溫隔熱作用；

(2)室外環(huán)境平均溫度為3 ℃條件下，基于對比實驗平臺，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)運行模式的A建筑，相對于應(yīng)用普通墻體的B建筑，可節(jié)約36%采暖能耗，內(nèi)循環(huán)模式的供熱量高于空腔密閉模式.通過模擬得到光伏復(fù)合墻體內(nèi)循環(huán)運行模式在立冬、冬至和小寒3天的供熱效率分別為17%、11%和7%，空氣間層溫度低于30 ℃不適宜使用內(nèi)循環(huán)運行模式；

(3)提出了光伏復(fù)合墻體采用與新風(fēng)機結(jié)合的主動式熱利用方式，新風(fēng)機啟停受控于空氣間層溫度，啟動溫度設(shè)定為30 ℃，停止溫度為28 ℃，實際應(yīng)用于沈陽某辦公建筑，光伏復(fù)合墻體面積8.64 m2.實驗發(fā)現(xiàn)光伏復(fù)合墻體的新風(fēng)機在11月、2月和3月每日工作時間平均為5 h，供熱效率約為22%，平均每日供熱量為17.8 MJ，單位墻體面積的日均供熱量為2.1 MJ/(m2·d).