太陽能建筑雙效能界面冬季性能研究
——以朱家林實驗建筑為例

何文晶，徐衍新

0 引言

隨著低碳建筑節(jié)能技術的推廣，建筑一體化光伏光熱（BIPV/T）技術因其發(fā)電、供暖、供熱等方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)出廣闊的應用前景和市場潛力[1-2]，成為太陽能建筑雙效能利用的重要應用形式之一。它將太陽能光伏光熱組件視為建筑圍護結構（屋面及墻面）的一部分應用到建筑上，不僅可以改善建筑圍護結構性能，還可憑借其高效的能源利用滿足建筑使用者的多種需求（生活熱水、采暖、用電），降低建筑用能能耗[3]。

在太陽能光伏光熱建筑一體化的設計及應用研究中，第一類主要是太陽能光伏光熱組件自身的多效能源利用和轉化效率的研究。例如，趙軍[4]在天津地區(qū)對一種空冷型非晶硅光伏光熱太陽能組件進行實驗研究，在自然通風條件下，其光電效率為4.56%、綜合效率為38.1%；在固定風速強制通風條件下，光電效率為4.61%、綜合效率為44.9%。Wajs 等[5]通過實驗研究的方法對不同BIPVT 系統(tǒng)的空腔深度和體積流量進行對比分析，當體積流量為4m3/h、通道深度為25mm、太陽輻射強度為900W/m2的條件下，電池組件工作溫度降低了6.3K，系統(tǒng)有效溫升最大為23.4K，綜合利用效率最大值為32%。王兆萌等[6]通過實測和模擬的方式研究了風冷式BIPVT 組件性能，其中實驗測試環(huán)節(jié)結果顯示，在夏季典型氣象條件下BIPVT 組件日平均光電效率為4.52%，平均光熱效率為48.02%，總發(fā)電量為0.74kW·h，總集熱量為28.33MJ。第二類研究主要是探討B(tài)IPVT 綜合利用特點。Vats 等[7]通過對比評估的方法研究了不同電池模塊組成的BIPVT 系統(tǒng)的應用場景，結果顯示：HIT 電池模塊適合于產(chǎn)生電力，而a-SI 電池模塊適合于空間加熱。Ahmed-Dahmane[8]針對不同介質循環(huán)下BIPVT 建筑立面應用進行了設計，對該復合BIPVT 系統(tǒng)進行實驗發(fā)現(xiàn)，空氣作為循環(huán)介質可以有效降低光伏電池組件工作溫度。

1 實驗建筑院落全貌

2 實驗建筑平面

3 光伏光熱組件照片

4 光伏光熱組件構造示意

5 雙效能太陽能實驗平臺運行示意

基于當前的研究，雙效能源利用中的光伏光熱技術越來越成熟，但是建筑一體化具體實施應用的相關性能數(shù)據(jù)不足，且多集中在固定強制通風風速下進行不同環(huán)境變量的實驗，以及探討不同光伏組件類型的強制通風下光電光熱性能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)能源高效利用的實踐較少。

1 雙效能太陽能實驗建筑設計

1.1 雙效能實驗建筑搭建

實驗建筑位于山東省朱家林國家級田園綜合體一戶宅院東側，作為新建建筑獨立建造，采光環(huán)境優(yōu)越，東側、南側和西側不存在完全封閉的陰影區(qū)（圖1），有利于開展太陽能建筑的應用研究。

該建筑坐北朝南縱向布置，為充分利用太陽能，并與當?shù)亟ㄖ蜗蠛魬?，設計了3 個平行且相同的南向30°單坡屋頂，每個坡屋頂面積為3.77m2，前后基本不產(chǎn)生遮擋，因此可以提供3 處獨立的雙效能太陽能系統(tǒng)安裝平面，且形成了11.31m2太陽能系統(tǒng)安裝面積與86.6m3室內空間的量化對應關系，有利于開展太陽能界面性能實測研究。實驗建筑面寬4470mm、進深7050mm（圖2），實驗房南側空間上部對應的兩個坡屋頂安裝太陽能光伏集熱器，該部分形成本研究中的雙效能太陽能實驗建筑單元，即兩處3.77m2、0.52m3的雙效能太陽能系統(tǒng)對應27.10m2、74.5m3展廳提供能源供給。

實驗建筑采用內外雙保溫免拆模板的圍護結構設計，圍護結構的傳熱系數(shù)在0.3～0.33W/（m2·K）之間，該熱工性能達到了節(jié)能居住建筑對圍護結構的要求。

1.2 雙效能太陽能系統(tǒng)設計

太陽能光伏光熱組件由多晶硅PV 面板、帶進出風口的空腔流道和酚醛保溫板組成，是相對獨立的集熱板形式（圖3）。其中多晶硅光伏面板接收太陽輻射由光生伏打效應產(chǎn)生電能，光電作用外的太陽輻射能量變成熱量存儲在組件中，由位于進出口的風機帶動空腔流道空氣流動，與光伏組件背板及背面空腔強迫對流換熱，熱量轉移至流動的空氣中，如此往復循環(huán)將太陽能光伏光熱組件中的熱量帶走，降低光伏組件背板溫度，提高發(fā)電效率，同時實現(xiàn)冬季建筑用熱的需求。完成上述過程的多晶硅PV 面板額定峰值發(fā)電功率為630W，平面面積為3.77m2。在多晶硅PV 面板背部，空腔流道腔壁上設置40mm 厚的保溫酚醛板，構成長×寬×厚尺寸為1320mm×2920mm×100mm 的空腔流道，體積為0.52m3，進出風口的尺寸為Φ100mm（圖4）。

1.3 系統(tǒng)運行設計

雙效能太陽能實驗建筑測試，采用內循環(huán)和外循環(huán)兩種模式進行對比：內循環(huán)模式，強化了太陽能建筑一體化的設計思路，組件進出風口均直接與室內相連，采用機械通風方式進行空氣循環(huán)，如圖5 中A 流線所示；外循環(huán)模式，強化新風預熱作用，進風口與室外環(huán)境相通，同樣采用機械通風的方式進行空氣循環(huán)，如圖5 中B 流線所示。

設計了太陽能光伏光熱組件的性能測試系統(tǒng)，以及相關測試傳感器的測點分布如圖6 所示。光電光熱性能數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行，包括風道進出口的溫度傳感器及風速傳感器，PV 組件上下壁面的溫度傳感器，以及收集環(huán)境氣象參數(shù)的太陽輻照儀，所有數(shù)據(jù)儲存在電腦中且可讀取。監(jiān)測裝置詳情如表1 所示。

為提升太陽能光伏光熱組件在雙效能利用過程中的高效性，以及滿足建筑室內的實際使用需求，在空氣流道的進出風口處設置了一種溫度控制單元，依托信控物聯(lián)網(wǎng)技術設定不同的溫度值作為空氣循環(huán)的啟動閾值[9]（圖7）。鑒于本實驗采用的多晶硅光伏組件，實驗啟動閾值設定為18℃，即光伏光熱組件空腔出風口處的溫度達到18℃，空氣循環(huán)系統(tǒng)開啟，且出風口溫度每升高1℃空氣循環(huán)系統(tǒng)擋位升高1檔，共計10 檔（最高體積流量7.65m3/min），為冬季室內輸送熱風滿足室內采暖需求的同時，還可保證光伏板在一個相對較低且穩(wěn)定的溫度下高性能工作，滿足建筑用電需求。

表1 BIPVT 組件性能監(jiān)測裝置參數(shù)表

6 BIPVT組件監(jiān)測系統(tǒng)及測點布置示意

7 溫度控制單元組成示意

8 30°方向太陽輻射強度與環(huán)境溫度

9 內循環(huán)模式下光電效率與光熱效率

10 內循環(huán)模式下總利用效率與進出風口 溫升值

2 雙效能太陽能系統(tǒng)冬季性能測試分析

2.1 測試環(huán)境與條件

鑒于雙效能太陽能系統(tǒng)的供能特點和冬季室內環(huán)境的用能需求，為研究系統(tǒng)全年中最低性能選取最冷月的氣象日開展實測。選取2022 年1 月11 日、12 日、17 日、19 日進行實驗測試，4 天實驗日對應4 種工況，11-12 日工況為外循環(huán)模式，其余工況為內循環(huán)模式，且4 個工況日均為單處雙效能太陽能系統(tǒng)運行。

對各工況日分別進行實驗測試，實驗時間統(tǒng)一為6:00-18:00 區(qū)間。其中根據(jù)1 月17 日太陽輻照強度和環(huán)境溫度的變化情況（圖8）可得，30°方向太陽輻射強度平均值為321.5W/m2，自9:00 左右太陽輻射強度由0W/m2逐漸升高，13:00 左右太陽輻射強度達到當日最高點812W/m2，自13:00 開始至17:00 左右太陽輻射強度逐漸降低至0W/m2，其中9:19、10:59、12:00、14:00、15:00、15:59 出現(xiàn)了較為明顯的峰值數(shù)據(jù)，同時在9:30、11:15、12:39、14:30、15:30 左右太陽輻射強度出現(xiàn)較為明顯的谷值數(shù)據(jù)，但驟降變化情況均在20min 以內，上述情況與輕微多云天氣的出現(xiàn)有關；自9:00-17:00 左右，環(huán)境溫度均在0-4℃之間，平均值為2.15℃，波動小較且穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)冬季性能分析

以1 月17 日實驗數(shù)據(jù)為例進行分析，測試時間內所有數(shù)據(jù)均每分鐘采集一次。其瞬時光電光熱效率如圖9 所示，9:00-15:00 之間，空氣循環(huán)系統(tǒng)開始工作，其中11:00-14:00 之間，光熱效率一直維持在30%以上，最高可達80%；光電效率在13:00 之前，總體趨勢隨著太陽輻照度升高而增大，中間出現(xiàn)光電效率較為明顯峰值的時刻與太陽輻照度出現(xiàn)峰值的時刻吻合，13:00之后，光電效率受較高背板溫度影響，先于太陽輻射強度的降低產(chǎn)生了下降趨勢。由此可見，光電效率和光熱效率的主要影響因素是太陽輻射強度，其次背板溫度對其影響也很顯著，當太陽輻照度數(shù)值較低時，太陽輻照度是主要影響因素，背板溫度的影響可以忽略；當太陽輻照度數(shù)值較高時，太陽輻照度依舊是主要影響因素，但是背板溫度的影響顯著。

在測試時間內平均光電效率為17.6%，平均光熱效率為42.43%，總集熱量為18.92MJ，總發(fā)電量為2.21kW·h。總利用效率如圖10 所示，測試時間內平均總利用效率為60.03%，運行時間段內進出風口溫升的平均值為16.25℃，最高溫升為22.5℃。

表3 不同工況日性能參數(shù)表

對其余典型氣象日在相同實驗時間下的光電光熱性能進行對比分析，得出不同實驗日氣象條件測試結果如表3 所示。將工況1 與工況2 進行對比分析，空氣循環(huán)系統(tǒng)的啟動溫度閾值由15℃變?yōu)?8℃，平均光電效率增加了1.3%，平均光熱效率增加了15.12%，平均總利用效率增加了16.42%，總體來說，在外循環(huán)模式不同啟動閾值下，光電光熱雙效能利用的性能對比變化明顯。將工況3 和工況4 進行對比分析，在內循環(huán)模式下，平均光電效率均在17.5%左右，平均光熱效率在40%以上，平均綜合利用效率達到了60%以上。對比外循環(huán)模式與內循環(huán)模式的工況日發(fā)現(xiàn)，內循環(huán)因進風口溫度較高，在相同啟動溫度閾值下，空氣循環(huán)工作時間更長，有效集熱更充分。

對比分析各日的發(fā)電量和集熱量發(fā)現(xiàn)：工況1 總產(chǎn)能（電和熱）3.72kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關系為1.79:1；工況2 總產(chǎn)能（電和熱）7.56kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關系為1:2.15；工況3總產(chǎn)能（電和熱）7.47kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關系為1:2.38；工況4 總產(chǎn)能（電和熱）7.68kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關系為1:2.53。

3 太陽能實驗建筑冬季性能分析

3.1 雙效太陽能系統(tǒng)未運行下建筑能耗模擬

雙效太陽能系統(tǒng)未運行時，分析研究以DB 軟件模擬能耗為主。由于能量的消耗主要用于室內的空調、照明、電器等，因此在進行冬季建筑能耗模擬之前，應首先依據(jù)設計相關規(guī)范和建筑熱工性能計算空調負荷以確定空調系統(tǒng)設備容量大小，以及其他用能設備的選型，DB 軟件中實驗建筑模型如圖11 所示。

圍護結構構造如表4 所示，墻體、屋頂均為保溫結構一體化的夾心保溫免拆模板做法，地面為保溫雙防潮構造處理，窗戶選用斷橋鋁窗框與Low-E 雙層中空玻璃（6mm+12mm+6mm）。

根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ26-2018）中對冬季采暖溫度的規(guī)定，及上述內循環(huán)實驗環(huán)節(jié)的室內實測數(shù)據(jù)，各典型氣象日的室內干球溫度日平均值為15℃。為探討雙效太陽能系統(tǒng)未運行時對冬季建筑能耗的影響，進行如下設置：室內采暖溫度設置為18℃，最低不低于15℃，室內濕度范圍為30%-80%；人員在室率、照明使用率、設備使用率按照起居室要求進行設定，時段安排設為24h；室內人員服裝熱阻分男女兩種情況，取平均值為1.1Clo；空調系統(tǒng)采用熱泵熱風機；照明設置按5W/m2的功率密度標準，取LED 燈。

能耗模擬結果如表5 所示。冬季各月的采暖能耗顯著影響總能耗的整體數(shù)值，占據(jù)主導因素，房間能耗、照明能耗等的數(shù)值都比較小。1 月總能耗406.74kW·h，采暖能耗344.93kW·h，占比84.8%，高于12 月的83.5%，低于2 月份的85.7%。因此，室內外環(huán)境溫差越大，采暖能耗越高。

3.2 雙效能系統(tǒng)運行下建筑能耗變化分析

如圖12，在雙效能系統(tǒng)運行后，單個坡屋頂?shù)奶柲芙ㄖ砥?shù)為3.77m2的光伏表皮、0.52m3的集熱空腔體積可同時提供電量和熱量，服務于下部體積為74.5m3、平面面積為27.10m2的展廳空間，其產(chǎn)能量以雙效能太陽能系統(tǒng)內、外循環(huán)模式下的實測性能數(shù)據(jù)為基礎計算。將所測氣象日中工況1～工況4 的產(chǎn)能量，對比雙效能系統(tǒng)未運行時建筑能耗模擬數(shù)值得出能耗節(jié)約量，以1 月17 日（能耗1）和1 月19 日（能耗2）工況為例，雙效能系統(tǒng)介入前后耗能與供能對比情況如下圖13 所示。

11 實驗建筑模型示意

表4 圍護結構構造

表5 冬季建筑能耗模擬值

12 實驗建筑冬季工況示意

13 雙效能系統(tǒng)介入前后耗能與供能對比

綜上所述，在單個雙效能太陽能系統(tǒng)內循環(huán)模式運行下，承接太陽輻射0.52m3的集熱空腔體積，對應組件所固定坡屋面處下部的74.5m3展廳，在冬季最冷月1 月份時，可降低建筑能耗值42%左右，其中用電能耗可以完全被抵消，此外10kW·h 左右的電量可以儲存起來，或可用于其他采暖設備供電；采暖能耗部分可以被抵消33%左右。

4 結論

通過對雙效能太陽能系統(tǒng)進行冬季實驗與模擬研究，結論如下：內循環(huán)相比于外循環(huán)模式更具優(yōu)勢，不僅體現(xiàn)在出風口溫度以及進出風口的溫差有效提升上，平均光電效率也保持了較高水平，因此在實際應用中，太陽能建筑應采用內循環(huán)的空氣循環(huán)系統(tǒng)。通過模擬典型氣象日條件下的實驗建筑，得出雙效能太陽能系統(tǒng)在運行前后典型氣象日所在月的總能耗降低了42%左右，其中采暖能耗降低33%左右。

總結來看，具有雙效能太陽能系統(tǒng)的太陽能實驗建筑設計，其體現(xiàn)的雙效能利用以及單元模塊化的設計思路具有廣闊的節(jié)能減排前景，可針對存在圍護結構熱工性能差，以及散點式清潔能源利用不合理等現(xiàn)狀問題，發(fā)揮其復合型高效性的優(yōu)勢；可結合預制裝配式建筑的模塊化空間單元，實現(xiàn)與雙效能太陽能系統(tǒng)單元的協(xié)同設計，發(fā)揮其單元模塊化的應用潛力。□