BIPV 建筑光伏余熱直接熱利用系統(tǒng)測試分析

秦繼恒 史珂 秦文軍 湯洋

國家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心

光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated PV）是一種將太陽能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。BIPV 不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上（BAPV，Building Attached PV）的形式，光伏組件與建筑的集成是BIPV 的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。光伏組件在接收太陽輻射發(fā)電的同時，大部分光能（80%左右)未能轉(zhuǎn)換為有用能量，且相當(dāng)部分轉(zhuǎn)換為熱能，并使光伏組件溫度升高，光伏組件溫度的升高不但影響光電轉(zhuǎn)換效率，還增加夏季室內(nèi)冷負(fù)荷[1]。如果在光伏組件背面設(shè)置降溫通道，由吸熱介質(zhì)將熱量帶走，就能提高發(fā)電效率[2]，Kern 和Russell[3]提出太陽能光伏光熱綜合利用（PV/Tl）的概念，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同分為空冷和水冷，水冷的冷卻效果優(yōu)于空氣，但需要一個水道的循環(huán)系統(tǒng)，其裝置比較復(fù)雜，與BIPV 建筑結(jié)合比較困難，本文介紹的建筑采用了空冷型PV/T 與建筑相結(jié)合，可滿足建筑夏季和過渡季光伏組件的散熱需求，在冬季把降溫通道（空腔）內(nèi)的熱空氣送到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)光伏余熱的直接熱利用，同時對比分析了東、西、南三個朝向直接熱利用系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能，為BIPV 建筑在散熱及余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供參考。

1 工程案例介紹

BIPV 控制中心位于北京市昌平區(qū)未來科學(xué)城國家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新園區(qū)內(nèi)，占地面積750.78 m2，建筑局部二層，建筑高度（含女兒墻）8.81 m（光伏塔18.57 m）。在建筑東、西、南三個朝向設(shè)置光伏幕墻、并在屋面安裝光伏板，充分利用太陽能為建筑供能，共安裝尺寸為600 mm×1200 mm 的CIGS 薄膜光伏組件1160 塊（屋頂300 塊，北立面56 塊），控制中心實(shí)景圖見圖1。

圖1 BIPV 控制中心實(shí)景圖

以BIPV 控制中心南墻為例，介紹空冷型PV/T 的結(jié)構(gòu)組成，南側(cè)外墻（入口除外）為光伏組件（4+0.75EVB+3）+玻璃幕墻（6+12A+6+12A+6）結(jié)構(gòu)，兩者中間為厚度310 mm 的空腔，共同組成空冷型PV/T 的主體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。東、西側(cè)墻體也有空腔，空腔里側(cè)大部分為160 mm 厚巖棉夾心保溫墻體。在建筑底部和頂部安裝電動百葉，通過電動百葉不同的開關(guān)模式，實(shí)現(xiàn)光伏組件夏季和過渡季散熱及冬季保溫的需求。為實(shí)現(xiàn)光伏余熱的有效利用，BIPV 控制中心把空冷型PV/T 與新風(fēng)換氣機(jī)或送風(fēng)機(jī)結(jié)合，冬季把空腔內(nèi)的熱空氣直接送到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)直接熱利用；另外一種方式是把空冷型PV/T 與多聯(lián)機(jī)室外機(jī)及空氣源熱泵熱水機(jī)組結(jié)合，提高多聯(lián)機(jī)和熱水機(jī)組的性能系數(shù)（COP），減小耗電量，達(dá)到光伏余熱間接熱利用的目的，本文只介紹直接熱利用系統(tǒng)的測試情況。

設(shè)置新風(fēng)換氣機(jī)XF-1、XF-2 分別與西墻和東墻空腔結(jié)合，通風(fēng)機(jī)PF-4 與南側(cè)空腔結(jié)合。以XF-1 為例：夏季和過渡季電動百葉開啟，空腔熱空氣排到室外達(dá)到散熱目的，新風(fēng)取自室外。冬季排風(fēng)百葉關(guān)閉，進(jìn)風(fēng)百葉打開，新風(fēng)取自空腔，通過新風(fēng)換氣機(jī)（風(fēng)機(jī)）把新鮮的熱空氣送至室內(nèi)，達(dá)到降低光伏組件溫度和余熱利用的雙重目的，原理圖見圖3。

圖3 XF-1 直接熱利用系統(tǒng)原理圖

2 直接熱利用系統(tǒng)性能測試分析

2.1 XF-1 性能測試分析

XF-1 與西側(cè)墻體空腔相結(jié)合，額定風(fēng)量900 m3/h。2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對其進(jìn)行了為期5 天的測試，以晴朗和晴間多云天氣為主。西向太陽輻射度、西向累計(jì)輻射量、室外環(huán)境溫度取自光伏塔上安裝的環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，風(fēng)量取自新風(fēng)管上的畢托管流量閥（妥思品牌）數(shù)據(jù)，新風(fēng)送風(fēng)溫度取自新風(fēng)管上安裝的溫度傳感器數(shù)據(jù)。

2.1.1 西向輻照度的變化趨勢

從圖4 可以看出:西向輻照度在9:00～12:20 處于緩慢上升趨勢，12:20 后成拋物線趨勢上升，在15:00左右成拋物線趨勢下降，17:00 減小為零。8 日下午多云，輻照度變化沒有規(guī)律，10 日下午晴間多云，輻照度波動較多。五天9:00～17:00 時間段累計(jì)輻射量分別為：1.75 kW ·h/m2、1.04 kW ·h/m2、1.43 kW ·h/m2、1.29 kW·h/m2、1.64 kW·h/m2，7 日最大，8 日最小，后面分析當(dāng)日輻照度/累計(jì)輻射量與送風(fēng)溫度的關(guān)系。

圖4 西向輻照度變化趨勢

2.1.2 室外環(huán)境溫度變化趨勢

從圖5 可以看出:室外環(huán)境溫度在9:00～14:20 總體處于上升趨勢，14:40 后緩慢降低。10 日室外環(huán)境溫度最高，平均為5.7 ℃，7 日最低，平均為-0.6 ℃。后面分析環(huán)境溫度與送風(fēng)溫度的關(guān)系。

圖5 室外環(huán)境溫度變化趨勢

2.1.3 送風(fēng)溫度、送風(fēng)和環(huán)境溫度差變化趨勢

整理了5 天的送風(fēng)溫度變化趨勢，見圖6：晴天的7/11/16 日送風(fēng)溫度在9:00～13:10 分之間總體處于波動上升趨勢，13:20～15:20 分之間溫升較快，最高溫度為19.5 ℃，這是由于此時間段西向輻照度較高的緣故。送風(fēng)溫度16:10 以后快速降低，這是由于西向輻照度快速減小，且西側(cè)樹林對墻體有遮擋。8 日全天為多云天氣，溫度變化趨勢沒有規(guī)律，且送風(fēng)溫度較低，10日下午多云，溫度變化趨勢沒有晴朗天氣明顯。送風(fēng)溫度在2.4 ℃～19.5℃之間，5 天日平均送風(fēng)溫度在8.9～17.1 ℃之間，大部分時間在10 ℃以上，12:00 以前，空腔熱量主要來自室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，12:00 以后來自光伏組件余熱。12:00 以后送風(fēng)溫度變化趨勢和西向輻照度密切相關(guān)，隨著西向輻照度的增大，送風(fēng)溫度升高，西向輻照度降低時，送風(fēng)溫度也快速下降。送風(fēng)溫度高低也和室外環(huán)境溫度相關(guān)，7 日環(huán)境溫度低，送風(fēng)溫度低，10 日環(huán)境溫度高，送風(fēng)溫度也高。

圖6 XF-1 送風(fēng)溫度變化趨勢

同時整理了送風(fēng)溫度和環(huán)境溫度的溫差，見圖7：送風(fēng)溫度和環(huán)境溫度的溫差在6.3 ℃～15.1 ℃之間，平均溫差在9.6～11.9 ℃之間，大部分時間溫差在10 ℃以上，呈先上升后下降再上升隨后下降的趨勢，溫差先下降是由于環(huán)境溫度逐漸升高的原因，后上升是下午西向輻照度大，送風(fēng)溫度升高較快，15:50 左右，隨著輻照度減小，溫差也迅速下降。12:00 以后的溫差大小主要和西向輻照度大小相關(guān)，如7 日和16 日輻照度大，累計(jì)輻射量也大，這兩日的溫差也最大。

圖7 溫差變化趨勢

2.1.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據(jù)公式Q=1.005×1.165×(送風(fēng)溫度-環(huán)境溫度)×送風(fēng)量，風(fēng)量單位為m3/h，計(jì)算得到空腔的取熱量，根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)得到XF-1 耗電量，從而計(jì)算得到耗電輸熱比，5 天的計(jì)算分析數(shù)據(jù)見表1 所示（XF-1 機(jī)組在10 日和11 日上午有段時間未運(yùn)行）。從表1 可知，XF-1 的取熱量在13.13 kW·h～28.1 kW·h 之間，其從空腔的取熱量和1.5 匹空調(diào)制熱量大致相等。耗電輸熱比在4.08～5.04 之間，高于空調(diào)制熱平均COP（3.0）。

表1 XF-1 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計(jì)算數(shù)據(jù)

2.2 XF-2 性能測試分析

XF-2 與東側(cè)墻體空腔相結(jié)合，額定風(fēng)量500 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對光伏余熱利用的效果進(jìn)行了為期5 天的測試。

2.2.1 東向輻照度的變化趨勢

從圖8 可以看出:東向輻照度在7:20 后成拋物線升高，9:10 左右達(dá)到最大，隨后成拋物線下降，12:40 左右小于100 W/m2且趨勢變緩，17:00 時接近零。五天7:00～17:00 時間段累計(jì)輻射量分別為：2.41 kW·h/m2、2.39 kW·h/m2、2.01 kW·h/m2、1.88 kW·h/m2、2.36 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，7 日和8 日、16 日累計(jì)輻射量差別很小。后面分析當(dāng)日輻照度/累計(jì)輻射量與送風(fēng)溫度的關(guān)系。

圖8 東向輻照度變化趨勢

2.2.2 送風(fēng)溫度變化趨勢

送風(fēng)溫度變化趨勢見圖9，從圖9 可知：送風(fēng)溫度變化滯后于太陽輻照度變化，輻照度9:10 時最高，而送風(fēng)溫度11:30 達(dá)到最大，然后呈下降趨勢，中間波動較多。這說明從太陽輻射熱轉(zhuǎn)換為光伏組件的熱量，到傳遞給空腔中空氣，中間有相當(dāng)長時間的延遲。

圖9 XF-2 送風(fēng)溫度變化趨勢

2.2.3 送風(fēng)和環(huán)境溫差變化趨勢

從圖10 可以看出：溫差在8.7～23.7 ℃之間，平均溫差在14.1～18.9 ℃之間。呈先上升后下降的趨勢，溫差升高和下降的趨勢和輻照度的變化趨勢基本一致（有時間延遲）。溫差大小和輻照度密切相關(guān)，7、8 和16日輻照度和累計(jì)輻射量大，這三天的溫差也最大。10和11 日環(huán)境溫度比7、8 日高，這兩日的送風(fēng)溫度也高，但送風(fēng)和環(huán)境溫度的溫差比7、8 日小，這是累計(jì)輻射量只有上述兩日的80%左右。說明溫差主要和累計(jì)輻射量相關(guān)，送風(fēng)溫度能達(dá)到的最大值和累計(jì)輻射量及環(huán)境溫度均有關(guān)系。

圖10 溫差變化趨勢

2.2.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據(jù)公式Q=1.005×1.165×(送風(fēng)溫度-環(huán)境溫度)×送風(fēng)量計(jì)算得到空腔的取熱量，根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)得到XF-2 耗電量，從而計(jì)算得到耗電輸熱比，5 天的計(jì)算分析數(shù)據(jù)見表2 所示。從表2 可知，XF-2 的取熱量在19.5～25.7 kW·h 之間，耗電輸熱比在5.2～6.7 之間，是空調(diào)制熱平均COP（3.0）的一倍，經(jīng)濟(jì)性較好。取熱量和耗電輸熱比與當(dāng)日累計(jì)輻射量密切相關(guān)，累計(jì)輻射量大，取熱量大，耗電輸熱比也高。

表2 XF-2 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計(jì)算數(shù)據(jù)

2.3 PF-4 性能測試分析

PF-4 與南側(cè)墻體空腔相結(jié)合，額定風(fēng)量2200 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對光伏余熱利用的效果進(jìn)行了為期5 天的測試。

2.3.1 南向輻照度的變化趨勢

從圖11 可以看出:南向輻照度在7:20 后成拋物線升高，12:00 左右達(dá)到最大，隨后成拋物線下降，17:00左右降為零。五天7:00～17:00 時間段累計(jì)輻射量分別為：2.765 kW·h/m2、2.495 kW·h/m2、2.493 kW·h/m2、2.31 kW·h/m2、2.681 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，8日和10 日累計(jì)輻射量差別很小。后面分析當(dāng)日輻照度/累計(jì)輻射量與送風(fēng)溫度的關(guān)系。

圖11 南向輻照度變化趨勢

2.3.2 送風(fēng)溫度變化趨勢

送風(fēng)溫度變化趨勢見圖12：送風(fēng)溫度變化趨勢和太陽輻照度變化趨勢類似，但滯后約70 分鐘。13:10 左右達(dá)到最大，然后呈下降趨勢，上升和下降過程中波動較多，沒有輻照度變化曲線那么平滑。8 日和10 日累計(jì)輻射量基本相同，10 日平均環(huán)境溫度比8 日高5.2 ℃，10 日平均送風(fēng)溫度也比8 日高3.2 ℃。16 日環(huán)境溫度比11 日低3.3 ℃，但當(dāng)日累計(jì)輻射量大，送風(fēng)溫度比11 日還高0.2 ℃，說明送風(fēng)溫度和當(dāng)日累計(jì)輻射量及環(huán)境溫度均有密切的關(guān)系。

圖12 PF-4 送風(fēng)溫度變化趨勢

2.3.3 送風(fēng)和環(huán)境溫差變化趨勢

送風(fēng)溫度變化趨勢見圖13：溫差變化趨勢和太陽輻照度變化趨勢類似，但滯后約50 分鐘。12:50 左右達(dá)到最大，然后呈下降趨勢，上升和下降過程中波動較多，沒有輻照度變化曲線那么平滑。溫差在4.6 ℃～27.7 ℃之間，平均溫差在15 ℃～19.8 ℃之間。溫差和輻照度密切相關(guān)，7 和16 日輻照度和計(jì)輻射量大，這兩天的溫差也最大。

圖13 溫差變化趨勢

2.3.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據(jù)公式Q=1.005×1.165×(送風(fēng)溫度-環(huán)境溫度)×送風(fēng)量計(jì)算得到空腔的取熱量，根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)得到PF-4 耗電量，從而計(jì)算得到耗電輸熱比，5 天的計(jì)算分析數(shù)據(jù)見表3 所示。從表3 可知，PF-4 的取熱量在90.7～114.4 kW·h 之間，耗電輸熱比在23.5～31.1 之間，是空調(diào)制熱平均COP（3.0）的8～10 倍左右，與空調(diào)制熱相比，每天節(jié)電量在26～34 kW·h 之間，經(jīng)濟(jì)性很好。取熱量和耗電輸熱比與當(dāng)日累計(jì)輻射量密切相關(guān)，累計(jì)輻射量大，取熱量大，耗電輸熱比也高。

表3 PF-4 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計(jì)算數(shù)據(jù)

3 結(jié)論及建議

1）光伏余熱利用系統(tǒng)送風(fēng)溫度及送風(fēng)和環(huán)境溫度的溫差與輻照度密切相關(guān)，輻照度越大，送風(fēng)溫度越高、溫差也越大。兩者和建筑朝向也密切相關(guān)，南側(cè)的PF-4 系統(tǒng)送風(fēng)溫度最高，送風(fēng)和環(huán)境溫度的溫差也最大，其次是東側(cè)的XF-2 系統(tǒng)，西側(cè)的XF-1 系統(tǒng)最小。

2）光伏余熱利用系統(tǒng)的取熱量、耗電輸熱比均與輻照度及朝向密切相關(guān)。輻照度高，取熱量及耗電輸熱比大，輻照度低，取熱量及耗電輸熱比也??；南朝向的取熱量及耗電輸熱比最

3）和南側(cè)外墻相結(jié)合的PF-4 余熱利用系統(tǒng)，平均送風(fēng)溫度在16.2 ℃～23.3 ℃之間，50%以上的時間送風(fēng)溫度在20 ℃以上，最高溫度可達(dá)31 ℃。取熱量在90.7～114.4 kWh 之間，其運(yùn)行時約等于一臺5 匹空調(diào)的制熱量，與開啟空調(diào)相比，每天可節(jié)省耗電量26～34 kWh 之間，不僅為室內(nèi)提供新風(fēng)，還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用價值。而東墻和西墻余熱利用系統(tǒng)送風(fēng)溫度較低，耗電輸熱比較小，經(jīng)濟(jì)性一般，不具有推廣應(yīng)用價值。