陳 磊，高 軍

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

現(xiàn)階段全球資源日益緊張，人們更多地把眼光放到了太陽能的利用上。太陽能光伏建筑一體化(BIPV)是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念，在建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列提供電力。這樣既能利用太陽能發(fā)電又可以減少墻體的得熱從而減少空調(diào)負(fù)荷。

這一領(lǐng)域國內(nèi)外已有較多研究，何偉、楊紅興和陳海從不同角度研究了幕墻對空調(diào)負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)由于墻體得熱造成空調(diào)負(fù)荷的減少可達到20%以上［1-3］。段征強的研究表明幕墻通風(fēng)對能量效率有較大的影響［4］。李玲燕對呼吸式幕墻夾層溫度的影響因素進行了實驗研究，研究了通風(fēng)口開啟與關(guān)閉時、夏季空調(diào)開啟與關(guān)閉、有無遮陽板等不同工況下夾層溫度的變化情況，并比較了過渡季與夏季，晴天與陰天的溫度變化情況［5］。W． J． Stec 通過模擬研究了太陽輻射強度對呼吸式玻璃幕墻溫室效應(yīng)的影響［6］。Elisabeth Gratia 研究了通風(fēng)窗的開啟與關(guān)閉對幕墻能耗的影響［7］。何蕓蕓等人對呼吸式幕墻的性能及節(jié)能性進行了相關(guān)的實驗研究［9-10］。

可以看出上述研究并沒有從橫向上對呼吸式幕墻的傳熱過程進行研究，所以本文主要通過實驗研究BIPV 熱通道的傳熱過程和熱工特性。由于各地區(qū)光照資源以及氣溫等氣象條件的差異，光伏建筑一體化在不同地區(qū)的熱工性能不盡相同。本文針對湖南省株洲市的一棟建筑進行了BIPV 流通通道熱工性能的實驗研究，確立了流通通道內(nèi)空氣、光伏背板、外墻隨環(huán)境參數(shù)變化的溫度分布;通過溫度場相互關(guān)系分析了通道內(nèi)的熱工過程;比較了晴天與陰天熱工性能的差異。

1 試驗介紹

該建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班樓，試驗主要內(nèi)容是測試典型BIPV 光伏圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)溫度分布，空氣流速等熱工性能等因素。獲取包含光伏組件表面溫度、熱通道內(nèi)流體流速和溫度、太陽輻射強度、室外大氣溫度和風(fēng)速、內(nèi)外墻體表面溫度以及典型房間的室內(nèi)溫度具有建筑光伏一體化特性的熱工性能參數(shù)。

太陽輻射的測試采用輻射傳感器，位于光伏外墻朝東方向上。室外大氣溫度測試選用pt100 溫度傳感器測試室外大氣溫度，測點遠離建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面和熱源1．5 m，離地面高度1．5 m。通道動態(tài)風(fēng)速測試使用高精度風(fēng)速傳感器，傳感器布置在通道豎直方向上。BIPV 構(gòu)建的溫度測試銅-康銅熱電偶，測溫精度在0．1℃，其中六個熱電偶要緊貼在BIPV 的光伏背板上，三個熱電偶布置在流通通道中，測試通道內(nèi)空氣的溫度值，測點距地面位置分別為5 m、10 m、16 m。三個熱電偶布置在外墻外表面的測試單元的中心處，采集外墻外表面的溫度值，測點分別位于五層、三層、兩層外墻表面中心處。一個熱電偶位于測試單元第三層的典型房間的外墻內(nèi)表面，熱電偶位于該測試單元墻體中心線。

2 結(jié)果及分析

通道內(nèi)沿高度方向上空氣溫度是不同的，圖1為通道內(nèi)三個不同高度測點溫度分布情況，可以看出通道溫度在中午12:00 最高，最高溫度可達45℃，12:00 之后由于東向太陽輻射減弱，所以通道溫度開始下降。三條曲線之間變化趨勢一樣，且隨著高度增加而升高，最高點與最低點溫差在上午12:00 以前基本維持在4℃左右，下午溫差有所減少大概2℃，分析原因可能為上午輻射較強通道內(nèi)的流動較快，導(dǎo)致空氣與光伏背板的換熱較劇烈。觀察可知通道溫度在下午3:00 以前都高于環(huán)境溫度。

圖1 8 月13 日通道內(nèi)不同高度溫度隨環(huán)境溫度變化曲線

圖2 8 月13 日通道自然通風(fēng)熱壓變化曲線

通道溫度熱分層以及通道內(nèi)與室外的溫差是自然通風(fēng)的主要動力。本實驗忽略風(fēng)壓的作用，只考慮煙囪效應(yīng)，煙囪效應(yīng)形成的上下壓力差可以通過下式計算［1］

式中 ρ——空氣密度/kg·m-3;

g——重力加速度/m·s-2，g=9．81 m/s2;

H——上下開口高度/m;

T1——通道外空氣溫度/℃;

T2——通道內(nèi)空氣平均溫度/℃。

通過計算可知，最大熱壓可達4．18 Pa，從下午6:00 開始熱壓為負(fù)，如圖2 所示，說明從此刻開始通道內(nèi)平均溫度小于通道外溫度，若此時開啟通道，通道內(nèi)的流動方向?qū)纳舷蛳?，此時會把通道外的熱量帶到通道內(nèi)從而增加了空調(diào)負(fù)荷。值得注意的是從晚上11:00 開始，熱壓變?yōu)檎担饕蚴黔h(huán)境溫度降低的較快，而通道溫度減小較慢。注意熱壓的變化進而動態(tài)響應(yīng)通道的啟閉有助于排熱節(jié)能。

圖3 8 月13 日光伏背板不同高度溫度及太陽輻射的變化曲線

圖4 8 月13 日背板平均溫度、通道平均溫度隨環(huán)境參數(shù)變化曲線

背板溫度在全天的分布情況變化較大，并且不同測點溫差較小。圖3 所示為三個不同測點的光伏背板溫度，測點1、2、3 分別位于2 樓、3 樓和5 樓。光伏背板溫度從6:00 開始上升并且溫度增高速度較快，下午速度緩慢降低。背板溫度在一天之內(nèi)變化比較大，最低溫度28℃，最高可達54℃，最高溫度出現(xiàn)在10:00 左右，背板溫度一天有11 h 處于40℃以上，夜間溫度比較穩(wěn)定維持在30℃左右。值得注意的是背板溫度達到峰值的時間早于太陽輻射達到峰值的時間，預(yù)計是因為通道此時熱壓較大自然通風(fēng)良好，帶走了背板熱量。12:30 左右的一段時間內(nèi)背板溫度衰減很快，但日照輻射處于峰值階段，此時發(fā)電效率會較高。

在白天熱量從室外通過背板傳到通道內(nèi)，其溫度場存在相關(guān)關(guān)系，圖4 反應(yīng)了幕墻通道內(nèi)的傳熱過程。背板與通道內(nèi)的溫差從上午一直增大，上午10:00 ～11:00 達到最大12℃，此時的通道與環(huán)境的溫差也最大，達到4℃，可見此時通道內(nèi)空氣的排熱量最大，通風(fēng)效果最好。晚上11:00 到第二天6:00之前通道溫度將一直高于背板溫度，熱流密度方向與白天相反。

圖5 9 月12 日背板平均溫度、通道平均溫度隨環(huán)境參數(shù)變化曲線

圖6 8 月13 日光伏背板與通道內(nèi)空氣對流換熱系數(shù)變化曲線

空氣流過太陽能電池背板背面時的對流換熱系數(shù)可由下式計算［2］

式中

T——平板背面溫度/℃;

Ta——通道空氣溫度/℃;

β——當(dāng)?shù)鼐暥?10°;

v——空氣的流速/m·s-1。實驗測得風(fēng)速較大時刻平均風(fēng)速為1．58 m/s，最大速度可達1．72 m/s。經(jīng)計算得對流換熱系數(shù)時間分布如圖6?？芍衔?:00 到下午4:00 時間段內(nèi)傳熱系數(shù)較大，最大傳熱系數(shù)可達6．7 W/m2·℃，這段時間內(nèi)的平均傳熱系數(shù)為6．28 W/m2·℃。上午的傳熱系數(shù)較大是因為通道內(nèi)外溫差較大，“煙囪效應(yīng)”明顯，下午的傳熱系數(shù)也在較高水平，查看氣象參數(shù)可能是由于環(huán)境風(fēng)速較大形成的風(fēng)壓增強了對流換熱。

圖7 8 月13 日外墻內(nèi)外表面溫度及通道平均溫度變化曲線

圖8 9 月12 日外墻內(nèi)外表面溫度及通道平均溫度變化曲線

不同天氣情況下呼吸幕墻的性能是不一樣的，圖4 和圖5 分別為8 月13 日與9 月21 日兩天的背板溫度以及通道內(nèi)空氣溫度一天內(nèi)的變化情況。8月13 日為晴天，太陽輻射強度最高達930 W/m2，氣溫條件為28 ～39℃，9 月12 日為陰天，氣溫條件為21 ～28℃，太陽輻射強度最高達616 W/m2。圖5 中光伏背板最高溫度35℃，通道空氣最高溫度29℃，通道與空氣最大溫差7℃左右，比晴天的12℃小很多，比較兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)晴天背板的最高溫度出現(xiàn)的時間早，通過其他天數(shù)據(jù)的觀察，晴天背板最高溫度一般出現(xiàn)在9:30 到10:00，陰天背板最高溫度一般出現(xiàn)在12:30 以后。通過觀察通道內(nèi)外空氣的溫差可以看出陰天溫差小，晴天溫差大，造成晴天的煙囪效應(yīng)比陰天好，所以背板被有效排熱，溫度峰值出現(xiàn)的快。

比較圖7 和8 可知三條曲線的變化趨勢一致，陰天外墻最高溫度27℃，不同之處在于陰天通風(fēng)排熱差，熱量儲存在通道內(nèi)的光伏背板與外墻上，所以整個變化趨勢相比較晴天要滯后一段時間。

為了消除兩天環(huán)境溫度的不同對通道溫度比較的影響，消除環(huán)境溫差的影響即把環(huán)境溫差加到9月13 日通道平均溫度、背板平均溫度、外墻外表面溫度上，只觀察太陽輻射對通道的熱工性能的影響。通過計算可知在上午7:00 到下午3:00 這段輻射較強的時間段內(nèi)，消除環(huán)境溫度影響后晴天與陰天各溫差分布情況如表1?？梢娤郎囟鹊挠绊懀栞椛鋵夥ǖ赖臒峁ば阅苡休^大的影響，會使得通道內(nèi)的溫度升高，這段時間內(nèi)晴天比陰天背板平均溫度高6．64℃，通道平均高2．37℃，外墻外表面平均高2．44℃。

表1 不同時刻背板溫差、通道溫差、外墻內(nèi)外表面溫差

3 結(jié)論

通過對實驗數(shù)據(jù)的整理分析得出了以下結(jié)論:

(1)確立了通道內(nèi)溫度場、背板溫度以及外墻溫度隨室外環(huán)境參數(shù)的變化過程，通道內(nèi)的溫度隨高度升高而增加，背板溫度比較穩(wěn)定。計算了典型夏季晴天通道內(nèi)自然通風(fēng)的熱壓變化情況，可知上午8:00 到11:00 這段時間通風(fēng)效果良好。

(2)通過分析背板溫度與通道溫度的關(guān)系，由于存在對流換熱通道內(nèi)空氣溫度受背板溫度的影響較大，上午9:00 到下午4:00 這段時間內(nèi)平均對流換熱系數(shù)達6．28 W/m3·℃。比較通道溫度與外墻溫度的變化趨勢可以看出，外墻溫度變化主要受通道溫度場的影響，下午2:00 過后外墻溫度將高于通道溫度，建議開啟通道降溫排熱。

(3)選取了晴天與陰天這兩天作為比較對象，考察不同天氣BIPV 的熱工差異，看出陰天通道內(nèi)外的空氣溫差小通風(fēng)排熱差，熱量儲存在背板與外墻中導(dǎo)致溫度衰減慢。消除兩天溫差的影響，可以看出太陽輻射對通道內(nèi)的溫度場影響較大，使得背板溫度平均比陰天高6． 64℃，通道溫度平均高2．37℃。

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