基于熱島效應(yīng)的樓宇太陽(yáng)能光伏電池的能效分析

欒瑞瑛,盧艷林，秦 淵，商雨禾，秦漢時(shí)，侯佑民

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430061；2.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210046；3.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院低碳經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430205；4.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引言

城市熱島(Urban Heat Island)是指由于城市化所引起的城市地表及大氣溫度高于周邊非城市環(huán)境的一種現(xiàn)象。而使城市熱島形成和加強(qiáng)的效應(yīng)，即稱為“城市熱島效應(yīng)”[1]。多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者圍繞城市熱島的形成原因[2-3]、形態(tài)與結(jié)構(gòu)[4]、過(guò)程與變化[5]、機(jī)制與模擬[6-7]等四個(gè)方面展開了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，土地利用類型的不同會(huì)導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如水泥、瓦片結(jié)構(gòu)的建筑物、廣場(chǎng)、居民地、橋面、道路等城市用地，由于人為釋放熱量大、溫度高，會(huì)促進(jìn)城市熱島效應(yīng)。而以土壤為主的裸地、植被以及水體等表面由于能反射更多的太陽(yáng)能，降低供熱負(fù)荷，會(huì)緩解城市熱島效應(yīng)[8-9]。

但是城市太陽(yáng)能系統(tǒng)的發(fā)展有可能導(dǎo)致城市環(huán)境的變化，該變化可能會(huì)影響城市氣候，造成城市熱島效應(yīng)。例如，Campra等[10]在研究西班牙東南部阿爾梅里亞地區(qū)大量建造的高反射率棚屋的情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)販囟劝l(fā)生了顯著的降低。還有一些研究人員利用中尺度氣象模型來(lái)研究城市反射率的增加對(duì)城市熱島的影響，如Taha等[11]發(fā)現(xiàn)在全加州六個(gè)繁忙都市的相關(guān)地點(diǎn)采用反射率高的建筑材料導(dǎo)致了1～2 K的環(huán)境溫度降低。Synnefa等[12]和Lynn等[13]的研究表明，在雅典和紐約也有著類似的結(jié)果。Zhou和Shepherd[14]在亞特蘭大同樣發(fā)現(xiàn)了由于城市建筑物反射率的增加引起的約2 K的環(huán)境溫度降低量。這些研究也說(shuō)明了，減少城市建筑表面的反射率會(huì)導(dǎo)致城市溫度的升高。Akbari估計(jì)，相對(duì)于反射率較低的黑色屋頂而言，使用反射率高的白色屋頂可以為全美每年提供高達(dá)10億千瓦時(shí)(1013 Wh)的節(jié)能潛力[15]。該報(bào)告中所提到的節(jié)能潛力大約可以達(dá)到全部建筑用電量的0.5%。另一項(xiàng)建筑能耗的模擬研究也發(fā)現(xiàn)，白色屋頂在夏季中午能夠降低地表溫度約8 K，從而降低約3%的年能源消耗量[16]。

建筑物壁面在城市可持續(xù)發(fā)展方面扮演著越來(lái)越重要的作用，發(fā)電、降低建筑能耗以及減輕熱島效應(yīng)等各種屋頂技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雖然一些現(xiàn)有的研究已經(jīng)探索了這些技術(shù)的功效，但這類研究通常局限于單個(gè)技術(shù)的分析，缺乏對(duì)屋頂表面能量平衡的綜合量化分析。通過(guò)對(duì)城市大量建造太陽(yáng)能光伏建筑而導(dǎo)致熱島效應(yīng)產(chǎn)生的能源消耗增加進(jìn)行更多的機(jī)理研究，可再生能源政策和雙碳政策在城市的推廣上可能會(huì)發(fā)生的改變[17]。這種變化有可能導(dǎo)致城市建筑物壁面發(fā)生革命性的改變，還可能會(huì)導(dǎo)致城市環(huán)境發(fā)生變化。因此，探索和研究以太陽(yáng)能光伏為主要來(lái)源的能源系統(tǒng)在城市建筑物壁面上的應(yīng)用，以及其引起的建筑物能效變化相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于構(gòu)建低碳城市、推動(dòng)可再生能源消納是很有必要的。

1 基本模型

本文利用Comsol軟件對(duì)一個(gè)小區(qū)上的建筑物上安裝的不同朝向的光伏電池發(fā)電能力和可能導(dǎo)致的環(huán)境影響進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。圖1為一個(gè)3×3的建筑群，每棟建筑的尺寸為20 m3×40 m3×25 m3，兩兩之間縱向相隔20 m，橫向相隔40 m，建筑使用面積約為72 000 m2，將該建筑群置于一個(gè)200 m3×250 m3×40 m3的空間中，該小區(qū)的容積率約為1.5，符合國(guó)家規(guī)定的高層住宅小區(qū)的容積率。該區(qū)域的地理位置以北京市為參考，區(qū)域中存在的環(huán)境風(fēng)沿圖1中X軸的方向從左向右流經(jīng)整個(gè)區(qū)域。

圖1 Comsol計(jì)算模型的示意圖及尺寸

1.1 環(huán)境參數(shù)和光伏電池材料參數(shù)的設(shè)定

環(huán)境參數(shù)以北京的氣象參數(shù)為設(shè)置對(duì)象，Comsol傳熱模塊自帶相應(yīng)氣象環(huán)境的參數(shù)。為了簡(jiǎn)化數(shù)值模擬的計(jì)算量，研究中涉及的傳熱模型基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：

(1)忽略了光伏電池面板與建筑物之間的接觸熱阻；

(2)忽略了建筑物內(nèi)部空間的傳熱問(wèn)題，將建筑物等效成為一個(gè)實(shí)心的整體；

(3)鑒于本文只考慮建筑物壁面對(duì)于空氣加熱的問(wèn)題，忽略了地面溫度對(duì)空氣的加熱影響。

環(huán)境及建筑物壁面的材料參數(shù)主要如表1所示。

表1 建筑物壁面的材料參數(shù)與環(huán)境條件

2 情景設(shè)置與計(jì)算

2.1 不同時(shí)間不同朝向的壁面光伏發(fā)電功率

圖2左列為北京夏季典型日(8月20日)的模擬計(jì)算結(jié)果；右列為北京冬季典型日(2月20日)的模擬計(jì)算結(jié)果。圖2中各行分別代表當(dāng)日內(nèi)不同時(shí)刻下的不同壁面的太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電功率。其中，第一行為早上6時(shí)，第二行為早上10時(shí)，第三行為中午14時(shí)，第四行為下午18時(shí)。模擬結(jié)果表明，小區(qū)不同朝向的建筑壁面上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電功率有著很大的區(qū)別。值得注意的是，由于建筑物之間存在相互遮擋的情況，不同壁面上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電功率差異較大。如圖2所示，夏季早上6時(shí)，西面的兩排建筑物壁面被遮擋，從而導(dǎo)致了大部分壁面無(wú)法受到太陽(yáng)光輻照，而東面第一排建筑上具有相同朝向的壁面由于沒有遮擋，所受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度超過(guò)了700 W/m2。

圖2 夏季和冬季典型日小區(qū)不同朝向壁面上的太陽(yáng)能輻照情況

由圖3和圖4可知，由于氣候的影響，太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電的性能在兩種季節(jié)間存在明顯的差異。在夏季，太陽(yáng)能光伏電池的工作時(shí)間從早上5點(diǎn)左右持續(xù)到下午19點(diǎn)左右，而在冬季，太陽(yáng)能光伏電池工作時(shí)間從7點(diǎn)持續(xù)到18點(diǎn)，發(fā)電時(shí)長(zhǎng)縮短了約2個(gè)小時(shí)。不同壁面上的太陽(yáng)能電池的功率也隨著季節(jié)的不同發(fā)生了變化。相對(duì)于夏季而言，除了朝南的光伏電池外，其它朝向的光伏電池發(fā)電量都隨著冬季的到來(lái)，呈現(xiàn)出不同程度的下降(圖4)。這種現(xiàn)象一方面是由于冬季的日照時(shí)間較短，另一方面也是由于冬季的日輻照強(qiáng)度降低。

圖3 夏日內(nèi)不同朝向壁面上光伏電池的功率曲線

圖4 冬日不同朝向壁面上光伏電池的功率曲線

建筑物頂部安裝的太陽(yáng)能光伏電池和朝南的太陽(yáng)能光伏電池功率也表現(xiàn)出了季節(jié)性變化。在夏季中，頂部的太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電量明顯高于朝南的光伏電池，而在冬季，朝南的光伏電池的發(fā)電量要高于頂部的太陽(yáng)能光伏電池。值得注意的是，朝北的太陽(yáng)能光伏電池的性能和發(fā)電量在5種朝向的太陽(yáng)能光伏電池中最差，特別是在冬季情況時(shí)，朝北的太陽(yáng)能光伏電池基本無(wú)法正常工作，發(fā)電量幾乎為零。這是由于冬季時(shí)太陽(yáng)在天空中的位置更偏向南方，因此朝南的太陽(yáng)能光伏電池獲得更多的光照時(shí)間，而朝北的光伏電池失去了大量的光照時(shí)間而導(dǎo)致的。

2.2 熱島效應(yīng)的模擬與計(jì)算

由于整個(gè)區(qū)域的空氣溫度分布并非均勻，靠近建筑物的空氣溫度高，遠(yuǎn)離建筑物的空氣溫度低(如圖5所示)。為了量化分析太陽(yáng)能光伏面板對(duì)整體空間的影響，本文提出了2個(gè)參數(shù)，即區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度和區(qū)域內(nèi)平均環(huán)境溫度。實(shí)時(shí)環(huán)境溫度T指的是在當(dāng)前時(shí)間下區(qū)域內(nèi)全部空氣溫度的平均值，而平均環(huán)境溫度Tavg可以通過(guò)如下公式表示

圖5 區(qū)域內(nèi)下午3點(diǎn)時(shí)的區(qū)域溫度分布(高度20 m)

(1)

式(1)中t表示時(shí)間。平均環(huán)境環(huán)境溫度Tavg代表了在一段時(shí)間t內(nèi)，整個(gè)區(qū)域的熱島效應(yīng)的強(qiáng)度。圖6和圖7是夏季和冬季24 h內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度和平均環(huán)境溫度隨時(shí)間變化的曲線。

如圖6所示，安裝太陽(yáng)能光伏電池之后，夏季時(shí)建筑物周圍環(huán)境溫度比不安裝太陽(yáng)能光伏電池的水泥壁面的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度之差最高可達(dá)0.26 K，而平均環(huán)境溫度之差最高約為0.13 K。而冬季情況如圖7所示，24 h內(nèi)的實(shí)際環(huán)境溫度之差最高可以達(dá)到0.20 K，平均環(huán)境溫度之差最高可以達(dá)到0.09 K。

圖6 夏季典型日小區(qū)溫度變化

圖7 冬季典型日小區(qū)溫度變化

圖6和圖7都說(shuō)明建筑物壁面使用太陽(yáng)能光伏面板之后會(huì)導(dǎo)致區(qū)域的溫度升高，熱島效應(yīng)加劇。這是由于太陽(yáng)能光伏電池板的反射率(0.1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥壁面的反射率(0.5)，使得超過(guò)30%的額外太陽(yáng)能輻射被太陽(yáng)能光伏電池板吸收，而同時(shí)只有不到15%的太陽(yáng)能輻射能量被光伏電池轉(zhuǎn)化為電力，多余的太陽(yáng)能輻射則會(huì)加熱太陽(yáng)能光伏電池板使其溫度上升，同時(shí)引起周圍空氣溫度的上升。

以上的分析是基于一天內(nèi)環(huán)境溫度的變化，若考慮更長(zhǎng)時(shí)間區(qū)間下該區(qū)域內(nèi)的溫度變化，如圖8所示：實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度隨著白天太陽(yáng)的升起而不斷升高，而隨著夜晚的到來(lái)而有所降低，但由于建筑物白日的吸熱量較大導(dǎo)致夜晚不能完全將這部分熱量散發(fā)掉，使得下一天的初始溫度高于前一天，因而導(dǎo)致了這個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度不斷上升，熱島效應(yīng)加劇。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，第一天的峰值溫差約為0.26 K，平均溫差在0.13 K、第二天的峰值溫差約為0.36 K，平均溫差為0.18 K、第三天的峰值溫差約為0.54 K，平均溫差約為0.26 K，而到了第七日，峰值溫差為1.07 K，平均溫差為0.53 K。而且，峰值溫差基本出現(xiàn)在下午4點(diǎn)附近。同時(shí)我們可以從圖8(b)中的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)Tavg的升高速度在不斷增加，這說(shuō)明熱島效應(yīng)強(qiáng)度增幅會(huì)隨著時(shí)間而增強(qiáng)。

圖8 夏季一周太陽(yáng)能光伏電池與普通水泥壁面溫度變化

通過(guò)圖9可知，在冬季時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度同夏季情況一樣，會(huì)隨著白天太陽(yáng)的升起而不斷升高，而隨著夜晚的到來(lái)而有所降低。但有所不同的是，使用太陽(yáng)能光伏電池作為壁面和使用水泥作為壁面兩種情況下的溫度之差低于夏季，如第一天的峰值溫差為0.20 K，平均環(huán)境溫差為0.08 K，第二天的峰值溫差為0.28 K，平均環(huán)境溫差為0.13 K，第三天峰值溫差為0.37 K，平均環(huán)境溫差為0.18 K，而第七日的峰值溫差為0.72 K，平均環(huán)境溫差為0.36 K。在冬季中，峰值溫差一般出現(xiàn)在下午5點(diǎn)半左右。這些差異主要是因?yàn)樵诙镜娜蛰椪湛偭康陀谙募?，建筑物受到太?yáng)能輻照較少，從而向環(huán)境散發(fā)的熱量少所引起的。

圖9 冬季一周太陽(yáng)能光伏電池與普通水泥壁面溫度變化

3 能耗分析

如果按照田等[18]關(guān)于北方地區(qū)熱島效應(yīng)對(duì)建筑物影響的能耗變化情況分析來(lái)看，在一天中，熱島效應(yīng)強(qiáng)度每增加1 K，當(dāng)?shù)乜照{(diào)能耗將平均增加10.2%，采暖能耗將減少4.31%。如果按照1 m2的建筑使用面積所需的空調(diào)能耗為2.4 kWh，取暖能耗為6 kWh(制冷時(shí)間為每天12 h，每小時(shí)功率200 W/m2，取暖時(shí)間為24 h，功率為250 W/m2)來(lái)計(jì)算。對(duì)于本研究中的小區(qū)而言，使用面積約為72 000 m2，因此，考慮到熱島效應(yīng)后，光伏電池在本文研究的區(qū)域中的能效分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 夏、冬季中的采用光伏電池的日發(fā)電量、熱島效應(yīng)引起的能耗變化以及實(shí)際能源利用量

通過(guò)圖10中所示數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，由于熱島效應(yīng)在夏季增加了制冷所需的能耗，導(dǎo)致了光伏電池在夏季發(fā)出的電力需要額外支付制冷所增加的能耗，因此實(shí)際能利用的發(fā)電量為實(shí)際發(fā)電量與額外支付制冷所需發(fā)電量的差值，約為11 103 kWh；在冬季由于熱島效應(yīng)減少了采暖所需的能源，所以實(shí)際能利用的能量為實(shí)際發(fā)電量與減少采暖所節(jié)約的能量之和，約為10 997 kWh。

將時(shí)間延長(zhǎng)至一周進(jìn)行考慮時(shí)，由于熱島效應(yīng)的不斷累積，小區(qū)光伏電池的能源利用量的變化如圖11所示。

圖11 考慮熱島效應(yīng)后太陽(yáng)能光伏的實(shí)際能源利用

由于熱島效應(yīng)的不斷加劇，在夏季由光伏電池所產(chǎn)生的電量逐漸被熱島效應(yīng)加劇導(dǎo)致提升的制冷需求抵消，實(shí)際能量利用量在不斷下降。在第七日，小區(qū)光伏電池的實(shí)際能源利用量只有4 053 kWh，只占太陽(yáng)能發(fā)電量30%左右。而在冬季，由于熱島效應(yīng)導(dǎo)致的溫度升高，使得該區(qū)域內(nèi)采暖能耗降低，因此使得實(shí)際能源利用量不斷增加，在第七日可以達(dá)到16 024 kWh，為小區(qū)光伏電池太陽(yáng)能發(fā)電量的168%。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究建筑物上的光伏電池，得到如下結(jié)論：

(1)光伏電池的發(fā)電量受壁面朝向和季節(jié)因素的影響。冬季中不同朝向的光伏電池(除朝南外)單位面積發(fā)電量都有不同程度的降低，頂層的光伏電池的發(fā)電量下降了約50%，而朝南的光伏電池由于在冬季能夠受到更多的太陽(yáng)能輻照，發(fā)電量較夏季有所上升。

(2)由于太陽(yáng)能光伏電池的反射率(10%)遠(yuǎn)低于水泥壁面(50%)，光伏電池作為壁面會(huì)加劇小區(qū)熱島效應(yīng)，導(dǎo)致夏季最高溫差為0.26 K，平均溫差為0.13 K；冬季最高溫差為0.20 K，平均溫差為0.09 K。

(3)夏季熱島效應(yīng)導(dǎo)致建筑溫度提高，使得其制冷能耗增加，從而導(dǎo)致光伏電池實(shí)際的能源利用量從13 395 kWh降低到11 103 kWh；冬季熱島效應(yīng)導(dǎo)致建筑溫度升高，使得其采暖能耗的減少，從而導(dǎo)致光伏電池的實(shí)際發(fā)電量從9 507 kWh升高到了10 997 kWh。

(4)模擬區(qū)域內(nèi)采用光伏面板的建筑在長(zhǎng)時(shí)間(如一周時(shí)間)的熱島效應(yīng)作用下，平均環(huán)境溫度不斷上升。在夏季，第七日的實(shí)際環(huán)境利用量只能達(dá)到其發(fā)電量的約30%；而在冬季，在第七日上升到其實(shí)際發(fā)電量的168%。